市政污泥資源化集中處置對(duì)大氣環(huán)境的影響及防治對(duì)策

陳 玲 ，陳 晨

(1.湖南省氣象服務(wù)中心，湖南 長(zhǎng)沙410118；2.湖南省氣象技術(shù)裝備中心，湖南 長(zhǎng)沙410007)

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市政污泥資源化集中處置對(duì)大氣環(huán)境的影響及防治對(duì)策

陳 玲1，陳 晨2

(1.湖南省氣象服務(wù)中心，湖南 長(zhǎng)沙410118；2.湖南省氣象技術(shù)裝備中心，湖南 長(zhǎng)沙410007)

用實(shí)例對(duì)城市污泥資源化集中處置(水泥窯協(xié)同)的大氣環(huán)境影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)，分析了防治對(duì)策，認(rèn)為：水泥窯處置廢棄物處理溫度高、焚燒空間大、焚燒停留時(shí)間長(zhǎng)，處理規(guī)模大、無(wú)二次渣排放；采用這種國(guó)際上先進(jìn)的技術(shù)和裝備，在服務(wù)社會(huì)的同時(shí)，也將有效地解決城市污水處理廠污泥處理處置問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)生態(tài)友好的目標(biāo)。

市政污泥；資源化處理；水泥窯協(xié)同；大氣環(huán)境影響；防治對(duì)策

1 項(xiàng)目由來(lái)

我國(guó)在污水治理上一向存在著“重污水、輕污泥”特點(diǎn)。污泥是污水處理的產(chǎn)物，污水中約一半的污染物直接轉(zhuǎn)移到污泥中，不解決好污泥處置的問(wèn)題，污水處理的效果只能是事倍功半。國(guó)內(nèi)許多污水處理廠污泥現(xiàn)主要采用填埋方式處置，而現(xiàn)有城市垃圾填埋場(chǎng)處理能力不足，進(jìn)入填埋場(chǎng)的污泥已經(jīng)給填埋場(chǎng)留下了很多的問(wèn)題：導(dǎo)致污染源的擴(kuò)散，存在嚴(yán)重的“二次污染”隱患。污泥處置利用發(fā)展的嚴(yán)重滯后，導(dǎo)致目前的污泥形成簡(jiǎn)單填埋為主的局面，逐漸變成市政部門(mén)的一大隱患。因此，市政污泥的資源化處理成了擺在我們面前的一項(xiàng)重要任務(wù)。

污泥因其熱值較低(含水率在35%～45%的市政污泥凈熱值為6700～7000kJ/kg)，成為一種“廢棄物”。這種“廢棄物”在水泥窯處置中可替代部分燃料。有關(guān)研究資料表明，在分解爐加入水分在30%的市政污泥，大約可節(jié)省燃料3.75%左右；此外，“廢棄物”焚燒后的殘?jiān)?例如污泥殘?jiān)?，均成為無(wú)害鹽類，往往具有可利用的組分，能替代部分天然原料；并且在處理過(guò)程中，“廢棄物”直接參與了熟料的固相反應(yīng)、液相反應(yīng)和熟料燒結(jié)過(guò)程，參與熟料的形成。因此水泥窯處理市政污泥不存在焚燒灰渣的二次處理和周轉(zhuǎn)污染。

2 案例

2.1 工程概況

建設(shè)范圍：利用現(xiàn)有5000t/d新型干法水泥窯處置市政污水處理廠污泥，處理市政污泥規(guī)模為400t/d(含水率80%，310d計(jì))，年處理12.4萬(wàn)t。

技術(shù)方案：將城市污水處理廠已經(jīng)深度脫水處理至含水率50%以下的污泥，用車輛罐裝封閉運(yùn)送至本項(xiàng)目泥餅儲(chǔ)存?zhèn)}，經(jīng)水泥窯尾余熱進(jìn)一步熱干化至含水率<30%后進(jìn)入新型干法水泥窯協(xié)同處置。污泥經(jīng)預(yù)處理后可作為熟料燒成的部分替代燃料(煤、電)，污泥殘余灰渣可作為水泥的硅質(zhì)原料，替代少量硅質(zhì)原料(如粘土、頁(yè)巖等)。利用低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電后出口煙氣(180℃)為干化熱源，對(duì)現(xiàn)有低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)熱量進(jìn)行了再利用，能大大提高水泥企業(yè)對(duì)余熱(能源)的綜合利用效率。污泥處置工藝流程見(jiàn)圖1。

2.2 大氣污染源分析及防治對(duì)策

工程施工期對(duì)大氣環(huán)境的影響是短暫有限的，其對(duì)大氣的污染隨著施工活動(dòng)的結(jié)束而結(jié)束。因此我們著重分析營(yíng)運(yùn)期對(duì)大氣環(huán)境的污染及主要防治對(duì)策。

運(yùn)營(yíng)期產(chǎn)生和排放的大氣污染物主要包括：污泥干化過(guò)程中產(chǎn)生的臭氣、污泥煅燒過(guò)程中產(chǎn)生的含極微量二噁英的窯爐煙氣及污泥運(yùn)輸車輛在運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的尾氣。本項(xiàng)目主要產(chǎn)污環(huán)節(jié)及污染物詳見(jiàn)圖2。

2.2.1 粉塵

污泥的輸送、破碎、烘干、儲(chǔ)存等生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生少量粉塵，其中最主要為泥餅烘干系統(tǒng)排放的粉塵等。由于是利用水泥窯窯尾煙氣余熱烘干泥餅，且在泥餅烘干系統(tǒng)，在廢氣排放口均設(shè)置了與窯尾廢氣排放口一樣的袋式除塵器，因此，窯尾粉塵排放減少量大致與烘干系統(tǒng)排放的粉塵量相當(dāng)。泥餅轉(zhuǎn)運(yùn)、輸送過(guò)程有少量有組織粉塵的排放。在含水率50%泥餅裝卸過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生部分粉塵，只要加強(qiáng)污泥的裝卸、轉(zhuǎn)運(yùn)、輸送的管理工作，粉塵的排放量基本不增加，對(duì)周圍環(huán)境影響較小。工程除塵系統(tǒng)詳見(jiàn)表1。

表1 工程除塵系統(tǒng)一覽表

為了有效控制粉塵的排放量，減少其對(duì)周圍環(huán)境的影響，在設(shè)計(jì)上采取以防為主，從工藝上盡量減少生產(chǎn)中的粉塵環(huán)節(jié)，如：對(duì)干燥污泥輸送采用密閉式輸送設(shè)備。

由于設(shè)計(jì)用污泥替代部分水泥生產(chǎn)生料以及煤粉，而保持熟料的總產(chǎn)量不變，再加上現(xiàn)有排氣煙囪均采用了高效的除塵器，除塵效率高達(dá)99.9%以上，因此，窯頭、窯尾粉塵排放量不增加。

2.2.2 SO2

燒成爐尾排放的SO2主要是由于煤粉和原料在爐內(nèi)共同燃燒而產(chǎn)生的。處置80%含水率市政污泥400t/d(折合50%的污泥160t/d)，污泥具有一定的節(jié)能效果(燃料替代比例約為3.75%，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤930t/a)，且污泥中的灰分還能替代部分原料使用(原料用量可減少約3.57萬(wàn)t/a)，而城市污泥的含硫量(0.77%)與標(biāo)煤含硫量(0.80%)基本相似，原料中亦含有0.01%～46.88%不等的SO3(如石膏含SO3達(dá)46.88%，石灰石含SO3為0.03%)，因此，水泥窯加入污泥后，在不增加熟料產(chǎn)能的情況下，SO2的實(shí)際產(chǎn)排量與現(xiàn)有工程基本無(wú)變化。

2.2.3 NOX

窯尾煙氣需采取低氮燃燒脫硝法對(duì)NOx進(jìn)行控制，以降低NOx排放量。對(duì)窯煙囪采用“四通道大推力燃燒器+分解爐助燃空氣分級(jí)燃燒技術(shù)+末端選擇性非催化還原技術(shù)”聯(lián)合進(jìn)行脫硝。脫硝后NOx排放濃度280mg/m3，排放量為1032t/a。

2.2.4 二噁英類

二噁英的形成需要3個(gè)條件：①不完全燃燒，尤其是350～500℃下的低溫不完全燃燒反應(yīng)的存在；②有機(jī)氯化合物、有機(jī)苯環(huán)化合物的存在；③催化劑的存在，主要是銅、鑭等副族元素化合物。

完全不可能創(chuàng)造二噁英的3個(gè)形成條件：①通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)的風(fēng)、料、煤的配合關(guān)系，在燃燒條件優(yōu)越的富氧區(qū)域加入干污泥替代燃料，可以保證污泥在分解爐內(nèi)的高溫燃燒，阻斷二噁英在高溫燃燒區(qū)域的形成。污泥只從高溫段進(jìn)入窯系統(tǒng)，在分解爐內(nèi)的停留時(shí)間長(zhǎng)達(dá)6s，分解爐內(nèi)平均溫度在880℃以上，二噁英的分子結(jié)構(gòu)會(huì)被分解和破壞，是完全可以保證污泥及燃料的完全燃燒的。此外，通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)的配風(fēng)，適當(dāng)增加系統(tǒng)的氧氣含量，可以很好地抑制窯系統(tǒng)出現(xiàn)不完全燃燒反應(yīng)。②廢氣從水泥窯系統(tǒng)進(jìn)入上部預(yù)熱器，然后逐級(jí)換熱降溫至320℃后被排出預(yù)分解系統(tǒng)進(jìn)入原料磨，在整個(gè)系統(tǒng)降溫過(guò)程中，充滿著高濃度堿性氧化物粉塵，堿性氧化物可抑制二噁英的生成。此外，系統(tǒng)中缺乏合成二噁英的有機(jī)氯源，雖然在原料和污泥中含有Cl-，但大都是以氯鹽的形式帶入系統(tǒng)中的，而在系統(tǒng)內(nèi)的富集循環(huán)也是以氯鹽形式出現(xiàn)，基本不具備Cl2形成的條件，所以再度合成二噁英的條件不充分，另外高溫條件下，生成的氯酸鹽還可以氧化破壞已生成的二噁英污染物。③二噁英形成需要催化劑，作為催化劑的重金屬在窯尾主要以礦物的形式分布在生料粉中，在燃燒灰焦的表面存在很少，催化媒介很少，導(dǎo)致二噁英的形成受到很大的抑制。

烘干廢氣中二噁英濃度按0.023ngTEQ/Nm3、烘干廢氣量按5.8萬(wàn)Nm3/h，一年按7500h進(jìn)行核算，則烘干廢氣中二噁英的產(chǎn)排量為：1.001×10-8t/a；本項(xiàng)目窯處置污泥后窯煙氣中二噁英濃度按0.008ngTEQ/Nm3、回轉(zhuǎn)窯廢氣量按50.6萬(wàn)Nm3/h，一年按7500h進(jìn)行核算，則窯處置污泥后窯煙氣中二噁英的產(chǎn)排量為：3.036×10-8t/a；因此，本項(xiàng)目二噁英的總排放量為4.037×10-8t/a。

2.2.5 尾氣中的重金屬濃度

本項(xiàng)目利用城市污水處理廠污泥作為部分硅質(zhì)原料(僅占總原料的4%)。污泥中微量的重金屬成分將進(jìn)入熟料中，并不會(huì)影響熟料的質(zhì)量。污泥中含有微量的重金屬鉛、銅、鎘和汞，污泥經(jīng)烘干破碎后進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯與生料一起煅燒，回轉(zhuǎn)窯溫度為1400～1500℃，上述重金屬中鉛的沸點(diǎn)為1725℃，銅的沸點(diǎn)為2595℃，鎘的沸點(diǎn)為770℃，汞的沸點(diǎn)為375℃，在焚燒過(guò)程中銅和部分鉛將會(huì)留在污泥中最終進(jìn)入熟料產(chǎn)品中，而汞、鎘和另一部分鉛將會(huì)轉(zhuǎn)化成氣體進(jìn)入尾氣中，在經(jīng)過(guò)除塵器和熱交換器后，尾氣溫度由200℃降為130℃，隨粉塵外排。

本項(xiàng)目回轉(zhuǎn)窯廢氣量50.6萬(wàn)Nm3/h，一年按7500h計(jì)算，鉛、鎘、汞排放濃度按同類工程環(huán)保驗(yàn)收窯廢氣中重金屬濃度監(jiān)測(cè)平均濃度最大值進(jìn)行核算，則本項(xiàng)目窯處置污泥后窯煙氣中重金屬的排放量分別為：鉛0.129t/a、鎘2.58×10﹣3t/a、汞7.63×10﹣4t/a。

2.2.6 惡臭氣體

惡臭氣體主要是在污泥儲(chǔ)運(yùn)和污泥干化階段產(chǎn)生和排放的，即便是含水率50%的污泥，仍有少量臭氣產(chǎn)生和散發(fā)出來(lái)。針對(duì)污泥儲(chǔ)存及干化階段的工藝特性，工程污泥預(yù)處理車間采用負(fù)壓操作，維持負(fù)壓所抽取的空氣及異味氣體的混合物同烘干廢氣一同進(jìn)行生物除臭。車間內(nèi)廢氣及干化尾氣經(jīng)過(guò)噴淋降溫、脫酸并除去部分臭氣后，進(jìn)入生物滴濾除臭系統(tǒng)。通過(guò)噴淋層洗滌后，廢氣中的SO2、HCl、HF 等污染物被吸收，噴淋液循環(huán)使用。

本項(xiàng)目污泥干化廢氣的特征污染物主要為H2S、NH3和少量的CH4S。結(jié)合同類工程污泥烘干系統(tǒng)排放氣體臭氣濃度，并綜合考慮到生物處理系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，核算出本工程H2S、NH3和CH4S的排放量分別為0.00035kg/h(0.003t/a)、0.041kg/h(0.308t/a)、0.00006kg/h(0.001t/a)，排放濃度分別為0.006mg/m3、0.700mg/m3、0.001mg/m3。

2.2.7 污泥運(yùn)輸車

作為污泥運(yùn)輸工具的罐裝污泥運(yùn)輸車排放的廢氣也是擬建項(xiàng)目的大氣污染源之一。汽車廢氣污染物主要來(lái)自曲軸箱漏氣、燃油系統(tǒng)揮發(fā)和排氣管的排放，大部分的碳?xì)浠衔锖腿康腘Ox、CO來(lái)自排氣管。根據(jù)估算，日平均運(yùn)輸污泥約8～10車次，選取汽車進(jìn)廠后的行駛速度為10km/h、行駛距離按1000m計(jì)。參考國(guó)內(nèi)外汽車尾氣排放系數(shù)，大型汽車在低速進(jìn)、出地面停車場(chǎng)時(shí)的汽車尾氣排放系數(shù)列于表2。一年按315d計(jì)。具體污染排放量見(jiàn)表3。

表2 大型貨車低速行駛時(shí)的尾氣排放系數(shù) (g/km)

表3 污泥運(yùn)輸車在進(jìn)、出場(chǎng)地過(guò)程中大氣污染物排放量

市政污泥要采用密閉的罐車進(jìn)行運(yùn)輸，保證密封嚴(yán)格、不灑不漏，并安排合理的運(yùn)輸時(shí)間，避開(kāi)交通高峰時(shí)段，隨時(shí)檢查專用運(yùn)輸車的嚴(yán)密性和完好度，防止氣味逸出。

2.3 大氣污染物排放情況

工程大氣污染物排放情況見(jiàn)表4。

表4 大氣污染物排放情況匯總表

3 防護(hù)距離

根據(jù)《HJ2.2-2008環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》 “為保護(hù)人群健康，減少正常排放條件下大氣污染物對(duì)居住區(qū)的環(huán)境影響，在項(xiàng)目廠界外設(shè)置環(huán)境防護(hù)距離”要求，采用推薦模式中的大氣環(huán)境防護(hù)距離模式計(jì)算廠區(qū)各無(wú)組織排放源的大氣環(huán)境防護(hù)距離。

3.1 粉塵

據(jù)工程分析，水泥生產(chǎn)線粉塵無(wú)組織排放主要產(chǎn)生于：①汽車運(yùn)輸產(chǎn)生的粉塵；②泥餅裝卸、轉(zhuǎn)運(yùn)、輸送等生產(chǎn)過(guò)程。本工程廠區(qū)粉塵各無(wú)組織排放源強(qiáng)詳見(jiàn)表5。本工程粉塵標(biāo)準(zhǔn)濃度限值依據(jù)環(huán)評(píng)導(dǎo)則規(guī)定的一次濃度值為日均濃度值3倍的比例關(guān)系換算得到，即取0.9mg/m3。工程建成后大氣環(huán)境防護(hù)距離計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 工程投產(chǎn)后大氣環(huán)境防護(hù)距離

經(jīng)模式計(jì)算，得到本工程投產(chǎn)后無(wú)組織排放大氣環(huán)境防護(hù)距離為150m，廠界外東面廠界、西面廠界、北面30m、南面30m為大氣環(huán)境防護(hù)區(qū)域，因廠界外大氣環(huán)境防護(hù)區(qū)域范圍內(nèi)無(wú)居民，故大氣環(huán)境防護(hù)距離內(nèi)無(wú)環(huán)保搬遷。

3.2 惡臭氣體

無(wú)組織排放惡臭氣體主要是在污泥儲(chǔ)存階段產(chǎn)生和排放的，即便是含水率50%的污泥，仍有少量臭氣產(chǎn)生和散發(fā)出來(lái)。污泥干化廢氣的特征污染物主要為H2S、NH3。工程H2S、NH3和CH4S的排放量分別為0.00035kg/h(0.003t/a)、0.041kg/h(0.308t/a)，排放濃度分別為0.006mg/m3、0.700mg/m3。現(xiàn)按最大惡臭氣NH3排放量0.041kg/h(0.308t/a)，并結(jié)合平面布置圖，確定惡臭氣需要控制的范圍。本工程投產(chǎn)后惡臭無(wú)組織排放源強(qiáng)詳見(jiàn)表7。

表7 工程投產(chǎn)后惡臭排放源強(qiáng)

經(jīng)模式計(jì)算，得到本工程投產(chǎn)后惡臭無(wú)組織排放大氣環(huán)境無(wú)超標(biāo)點(diǎn)，因此不設(shè)置惡臭大氣防護(hù)距離。

3.3 衛(wèi)生防護(hù)距離

式中：Cm-環(huán)境空氣濃度限值(mg/m3)；L-工業(yè)企業(yè)所需衛(wèi)生防護(hù)距離，m；r-有害氣體無(wú)組織排放源所在生產(chǎn)單元的等效半徑，m，根據(jù)該生產(chǎn)單元占地面積S(m2)計(jì)算；A、B、C、D-衛(wèi)生防護(hù)距離計(jì)算系數(shù)；Qc-工業(yè)企業(yè)有害氣體無(wú)組織排放量可以達(dá)到的控制水平。

根據(jù)生產(chǎn)區(qū)惡臭的無(wú)組織排放量作為計(jì)算源強(qiáng)，計(jì)算參數(shù)及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 衛(wèi)生防護(hù)距離計(jì)算參數(shù)及結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，衛(wèi)生防護(hù)距離為50m。工程污泥接受及儲(chǔ)存車間50m的衛(wèi)生防護(hù)距離均位于廠區(qū)內(nèi)部，衛(wèi)生防護(hù)距離內(nèi)無(wú)環(huán)境敏感點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

水泥窯處置廢棄物處理溫度高、焚燒空間大、焚燒停留時(shí)間長(zhǎng)，處理規(guī)模大、無(wú)二次渣排放。市政污水處理廠污泥因產(chǎn)生量大、且成份復(fù)雜，是當(dāng)前急需處理處置的問(wèn)題。給市政污泥尋求解決出路，對(duì)其進(jìn)行減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化和資源化是十分必要和迫切的。通過(guò)采用國(guó)際上最先進(jìn)的技術(shù)和裝備，能實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、低耗的目的，實(shí)現(xiàn)單位產(chǎn)品的最低投入，在環(huán)保、節(jié)能、降耗上達(dá)到最好的水平，在服務(wù)社會(huì)的同時(shí)，也將有效地解決城市污水處理廠污泥處理處置問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)生態(tài)友好的目標(biāo)。

[1]環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 總綱:HJ2.1-2011[S].

[2]環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境:HJ2.2-2008[S].

[3]環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn):GB3095-2012[S].

[4]工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn):TJ36-79[S].

Environment Influence of Centralized Reusing the Sludge from Domestic Wastewater Treatment Plant on Air Quality

CHEN Ling1，CHEN Chen2

(1.Hunan Weather Service Center, Changsha Hunan 410118 ,China)

Sludge resource centralized treatment provided city government a new way to harmlessly recycle the sludge. The influence of the centralized disposal method on atmospheric environment was evaluated. The prevention measures were put forward as well. The cement kiln technology had many advantages of high temperature, spacious incineration space, long detention time, large treatment volume and no second discharge of sludge. This advanced technology would deal with the sludge issue effectively to serve the social well and to realize the goal of environmentalfriendly.

sludge from domestic wastewater treatment plant; recycling; cement kiln; air environment; prevention measures

2016-04-22

X703

A

1673-9655(2016)06-0061-06