工業(yè)污泥的水泥化處置技術(shù)探討

劉曉軍， 孫亞飛， 耿 飛， 盛 昀， 馬俊逸， 林海祥

（1.南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院， 江蘇 南京 211156；2.南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院， 江蘇 南京 210016）

0 引言

工業(yè)污泥是指工業(yè)廢水經(jīng)減害化處理后產(chǎn)生的污濁泥狀物質(zhì)，成分較為復(fù)雜，其無機組分主要有SiO2，F(xiàn)e2O3，Al2O3以及 As，Cd，Cu，Zn，Ni等重金屬元素[1]，多數(shù)屬于危險固體廢棄物，必須進(jìn)行妥善處理，其造成的污染后果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般固體廢棄物[2]。目前，污泥常用的處理或處置方式主要有衛(wèi)生填埋、填海、堆肥和焚燒4種方式。其中，衛(wèi)生填埋需要長期占用大量土地資源，違背可持續(xù)性發(fā)展的科學(xué)理念，常常會因為有害離子滲漏而污染填埋場周邊的生態(tài)環(huán)境；投海處理主要應(yīng)用在領(lǐng)海國家，在海洋中選擇距離和深度均合適的海底，將污泥封閉式填埋，但它只是將陸地污染轉(zhuǎn)化為海洋污染[3]。選擇合適污泥進(jìn)行堆肥處理后可以有效改善土壤成分結(jié)構(gòu)、增加其中有機質(zhì)含量、提高土壤的肥力，但是工業(yè)污泥中有害雜質(zhì)離子及重金屬元素含量較高，一旦被植物吸收后進(jìn)入食物鏈循環(huán)，會極大危害人類及其他生物的健康[4-5]。目前焚燒法廣泛應(yīng)用于固體廢棄物的處理，可以最大限度的實現(xiàn)無害化、減量化處理，處理方法比較簡單，但是處置成本非常高，且工業(yè)污泥的含水量較大，一般在80%左右，熱值較低不易燃燒，往往造成較大的熱值浪費。

由于工業(yè)污泥中主要礦物成分與水泥的主要成分相同，并且水泥原料需要經(jīng)過高溫煅燒后才能生成水泥熟料，因此用工業(yè)污泥替代一部分原料燒制水泥是比較理想的技術(shù)措施，使污泥作為二次原料或二次燃料的形式在水泥生產(chǎn)過程中得以利用，從而減少廢料和污染物的生成和排放，避免環(huán)境污染，實現(xiàn)經(jīng)濟和環(huán)境效益的綜合最優(yōu)化[6-7]。本文基于當(dāng)前工業(yè)污泥水泥化處置的工藝流程，提出工業(yè)污泥在處置過程中的技術(shù)要求，分析存在的主要問題，以期更好地推動該技術(shù)的工程化應(yīng)用。

1 工業(yè)污泥的水泥化處置工藝

煅燒水泥的主要容器是低速旋轉(zhuǎn)的圓筒，圓筒以3%～5%的斜度傾斜，生料從其高端（窯尾）加入，而燃料從低端（窯頭）加入。由于水泥回轉(zhuǎn)窯的筒體長，斜度小，旋轉(zhuǎn)速度低，生料可煅燒超過30 min，且水泥窯內(nèi)溫度一般為1 350～1 650℃，常見的有害、有毒的有機物都可以被完全分解。此外，爐內(nèi)呈堿性，能有效地與燃燒后的酸性氣體發(fā)生中和反應(yīng)，避免了燃燒產(chǎn)生的廢氣造成污染[8]。此外，工業(yè)污泥的水泥化處置還具有處置規(guī)模大、焚燒時間長、固化重金屬、減少灰渣排放等優(yōu)點。

工業(yè)污泥的水泥化處置流程一般包括工業(yè)污泥的收集、分離、預(yù)降害及脫水、運輸、入廠接收、預(yù)處理、儲存、均化、計量、輸送、喂料、煅燒、大氣污染物監(jiān)測和水泥熟料質(zhì)量控制，具體工藝流程見圖1。

圖1 工業(yè)污泥的水泥化處置工藝流程

自從上世紀(jì)70年代以來，德國、日本、美國、加拿大等發(fā)達(dá)國家就利用水泥窯將廢棄物作為燃料或原料進(jìn)行協(xié)同處置，目前技術(shù)已經(jīng)較為成熟?！栋腿麪柟s》指出：將危險廢棄物水泥化處置對環(huán)境沒有危害。日本作為最先開展固體危險廢棄物水泥化處置的國家，積累了更多的經(jīng)驗，建立了更加完備生產(chǎn)體系[9]。

近些年，日本水泥企業(yè)在如何有效利用危險固體廢棄物以及其生成副產(chǎn)品策略中，提出了生態(tài)水泥系統(tǒng)、灰水處理系統(tǒng)、氟碳化合物分解系統(tǒng)和AK系統(tǒng)等4項新型再利用技術(shù)[10]，應(yīng)用廠家包括日本埼玉水泥廠及市原生態(tài)水泥廠等[11]。其中，生態(tài)水泥以危險固體廢棄物焚燒灰作為主要原料，危險固體廢棄物經(jīng)分類以后大部分送到焚燒廠焚燒，焚燒底灰可和石灰石一起作為水泥的主要原料，這些原料經(jīng)過水泥廠煅燒粉磨以后，即可制成水泥熟料，同時配以普通污泥和生活垃圾焚燒后產(chǎn)生的熔渣即可制成生態(tài)水泥。

與日本相比，我國在廢棄物處置種類、替代燃料的水平、水泥窯固廢利用水平、相關(guān)法律法規(guī)的實施程度、政府重視程度和管理機制以及企業(yè)公民的意識等方面均需要加強。我國水泥制造行業(yè)從20世紀(jì)90年代后期開始水泥窯系統(tǒng)協(xié)同處置生活垃圾、工業(yè)固體廢物以及污泥的研究及試驗工作。目前，已有10多家公司超過20條生產(chǎn)線進(jìn)行水泥窯協(xié)同處理工業(yè)固體廢物，但基本都是用作混合材的處置，因此我國在工業(yè)污泥的水泥化處置技術(shù)與設(shè)備等方面有待進(jìn)一步突破，并須建立完善的法律法規(guī)以及監(jiān)督管理體系。

使用工業(yè)污泥替代部分生料進(jìn)行水泥燒制，既實現(xiàn)了工業(yè)污泥的資源化利用，也實現(xiàn)了水泥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，是環(huán)保、資源綜合利用的創(chuàng)新。

2 工業(yè)污泥的水泥化處置技術(shù)要求

2.1 工業(yè)污泥的運輸、接收與貯存

為保證工業(yè)污泥的水泥化處置過程不影響操作、運行安全和產(chǎn)品質(zhì)量，在工業(yè)污泥送往水泥廠前先要對其進(jìn)行取樣和特性分析，同時結(jié)合工業(yè)污泥生成的過程綜合判斷其是否可用于水泥窯中。待工業(yè)污泥完成分析檢測，并且符合國家有關(guān)規(guī)定后可將其運入水泥廠進(jìn)行協(xié)同處置。工業(yè)污泥運輸時應(yīng)采用密閉車輛或船舶，同時還應(yīng)該采取完備的防滲漏、防溢出、防異味散出等措施。工業(yè)污泥進(jìn)入水泥廠后也要及時進(jìn)行取樣分析，以便從水泥生產(chǎn)源頭進(jìn)一步掌握復(fù)雜多變的污泥成分，并且以入場后的分析檢測結(jié)果作為依據(jù)制定水泥化處置的具體配比及工藝制度。工業(yè)污泥應(yīng)與水泥廠常規(guī)原料、燃料和產(chǎn)品分開貯存，不允許因為便利、成本等原因?qū)⑺鼈円黄饍Υ鎇12]。

2.2 工業(yè)污泥的預(yù)處理

工業(yè)污泥的預(yù)處理主要包括干化、篩分、中和、沉淀、干燥、破碎、研磨、混合、攪拌、均化等過程，其中，破碎、研磨、混合攪拌等設(shè)施、設(shè)備應(yīng)具備較好的密封性，并保證與操作人員隔離，以防造成一些安全生產(chǎn)事故。另外，對有毒有害的工業(yè)污泥進(jìn)行預(yù)處理時，應(yīng)在室內(nèi)車間裝有通風(fēng)換氣裝置，防止毒氣長期累積。工業(yè)污泥的入窯位置可以有多種選擇：從配料系統(tǒng)入窯，必須預(yù)先做好破碎和配料工作；從窯尾入窯，必須預(yù)先做好破碎及混合攪拌工作；從窯頭入窯，應(yīng)做好破碎、分選和精篩等工作[13]。

2.3 工業(yè)污泥的處置

利用水泥窯直接協(xié)同處理濕污泥（含水率20%～60%）是將其先干燥并破碎后直接與生石灰、黏土等原料進(jìn)行粉磨制成水泥生料，一般污泥摻入量為水泥生料總質(zhì)量的5%～12%。在配置水泥生料時，通常要添加適量的生石灰來控制工業(yè)污泥含水率，使得污泥達(dá)到入窯標(biāo)準(zhǔn)，濕污泥與生石灰攪拌后，一部分水與生石灰反應(yīng)生成氫氧化鈣，而另一部分的水吸熱蒸發(fā)，從而使生料中的含水率大大降低，反應(yīng)生成的氫氧化鈣將繼續(xù)和空氣中的二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鈣。這種處理方法在對工業(yè)污泥進(jìn)行無害化處理的同時，提高水泥熟料的強度以及產(chǎn)量，不僅減少水泥生產(chǎn)中天然礦物消耗，還能有效的去除污泥有機質(zhì)，消除有機物和重金屬元素的污染。

水泥窯協(xié)同處理干污泥是先將水泥生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的尾氣余熱或其他熱源進(jìn)行濕工業(yè)污泥的干燥，然后再將其作為原料或替代燃料入窯煅燒[14]。將污泥干化處理與水泥窯系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)了利用廢棄物處理廢物的效果，可以使污泥“安全、無害、資源化”的處置和利用，從而達(dá)到較高的置換率。利用生產(chǎn)水泥時的余熱、高溫氣體干化污泥工業(yè)不需要添加額外的燃料就可以分解污泥中的有害氣體，同時充分利用污泥熱能，不影響水泥熟料質(zhì)量，實現(xiàn)循環(huán)利用[15]。污泥干化之前必須對工業(yè)污泥進(jìn)行分類：重金屬含量高的污泥應(yīng)先與煤混合，并利用水泥回轉(zhuǎn)窯窯頭余熱進(jìn)行干燥，然后將這些燃煤送到水泥窯回轉(zhuǎn)窯高溫帶，污泥經(jīng)過1 400～1 600℃的高溫焚燒后成為灰燼，將灰燼摻入水泥熟料中制成水泥產(chǎn)品；對于重金屬含量較低的工業(yè)污泥，利用水泥窯尾的余熱將其烘干后可以與水泥窯灰混合制成生料。

2.4 工業(yè)污泥水泥化處置的環(huán)保要求

工業(yè)污泥水泥化處置后生成的成品，在水泥質(zhì)量以及水泥產(chǎn)品中污染物的浸出方面應(yīng)符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。除此之外還應(yīng)該全面對水泥窯系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，以防止污染空氣和水源。水泥窯的煙氣凈化系統(tǒng)可以去除包括CO，SO2，HCl，HF以及二噁英等在內(nèi)的絕大多數(shù)污染物。同時為了防止生產(chǎn)過程中發(fā)生意外事故如粉塵爆炸，煙氣凈化系統(tǒng)還應(yīng)具備收塵的能力。

工業(yè)污泥的水泥化處置常常產(chǎn)生大量的廢水，主要是工業(yè)污泥貯存和預(yù)處理設(shè)施以及工業(yè)污泥運輸車輛清洗產(chǎn)生的廢水。由于不同污水處理工藝產(chǎn)生的污泥泥質(zhì)和污泥直接干化和間接干化工藝的不同，應(yīng)考慮不同的污水處置方式，但應(yīng)遵循節(jié)約用水的原則，提高水的重復(fù)利用率，減少廢水排放量，從而減輕對環(huán)境的污染[16]。

工業(yè)污泥在處置過程中還有一個世界性的難題—惡臭，目前常用活性炭吸附法、化學(xué)氧化法以及生物滴濾法[17]等技術(shù)工藝進(jìn)行克制，但為了杜絕惡臭影響還應(yīng)保持污泥處置流程各環(huán)節(jié)設(shè)備的密封性。

3 工業(yè)污泥摻燒水泥的性能特點

當(dāng)前工業(yè)污泥水泥化處置已有較多地嘗試和應(yīng)用。熊正為等[18]采用水泥回轉(zhuǎn)窯處置含砷污泥，探討了不同摻量對水泥煅燒過程易燒性的影響，當(dāng)污泥摻量在0~15%范圍內(nèi)時，其產(chǎn)品性能跟普通水泥相似。鄧皓等[19]利用水泥窯協(xié)同處置含油污泥，污泥中的有害有機物可被徹底分解，不會產(chǎn)生二次污染，當(dāng)污泥摻量在0~8%范圍內(nèi)時，燒成水泥的性能的各項指標(biāo)均符合要求。張智等[20]探究了水泥窯協(xié)同處置城鎮(zhèn)污水廠脫水污泥對熟料的影響，結(jié)果表明摻加1.5%污泥后水泥熟料的各項指標(biāo)均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，除稠度外，細(xì)度、凝結(jié)時間均無明顯變化，安定性也有所增強。上述3種工業(yè)污泥的組成成分見表1。

表1 工業(yè)污泥的組成成分%

由表1可知，工業(yè)污泥摻燒水泥的各項性能指標(biāo)之所以能滿足要求，是因為污泥的主要組成成分與水泥原料較為相近，易于進(jìn)行水泥生料的配料計算。

筆者選用制農(nóng)藥時產(chǎn)生的草甘膦污泥進(jìn)行水泥化處置，其組成成分見表2。初始含水率為52%。水泥生料取自南京某水泥有限公司，生料成分見表3。

表2 草甘膦污泥的組成成分%

表3 水泥生料成分%

基于項目課題組的長期試驗研究，選定草甘膦污泥摻量為2%，將工業(yè)污泥在110℃的條件下烘干24 h，再用行星式球磨機進(jìn)行粉磨，然后過0.08 mm的篩子使工業(yè)污泥的篩余量小于2.5%，用污泥等量取代水泥生料。水泥生料和熟料組成成分以及率值見表4。

表4 水泥組成成分及率值

通常硅酸鹽水泥熟料的三率值：KH(石灰保和度）為 0.87 ～ 0.96，SM（硅率）為 1.7 ～ 2.7，IM（鋁率）為0.9～1.9。由表4可知，內(nèi)摻2%工業(yè)污泥燒成的水泥熟料三率值均滿足相關(guān)要求，其初、終凝結(jié)時間分別為 52，348 min， 標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為 28.1%；3 d和 28 d 抗壓強度分別為 29.0，55.0 MPa， 安定性合格，水泥產(chǎn)品的質(zhì)量可得到控制。

4 工業(yè)污泥的水泥化處置存在的問題

（1）資金落實難度大。我國的城鎮(zhèn)污水處理廠重視水的處理而忽略污泥處置，污泥處置的資金缺乏，約占總投資的20%～30%。工業(yè)污泥的水泥化處置更是缺乏長期發(fā)展規(guī)劃，有關(guān)項目建設(shè)資金落實困難，且缺乏行業(yè)導(dǎo)向性政策。

（2）處置不當(dāng)易產(chǎn)生臭氣污染。我國水泥行業(yè)協(xié)同處置污泥主要包括干化焚燒和直接焚燒2種工藝形式，其中的干化焚燒工藝易產(chǎn)生臭氣污染，臭氣中含有大量的硫氫化物、氨、氮氧化合物、三甲胺、醛、CO、酮和稠環(huán)碳?xì)浠衔锏?，并含有微量的二噁英，危害巨大[16]。而直接焚燒時由于污泥含水率較高會造成較大的熱值浪費。

（3）污泥含水率高。由于我國大部分污水處理廠在污泥脫水過程中多用投加絮凝劑+機械脫水的方式處理，脫水后污泥的含水率仍在60%以上，故在工業(yè)污泥的水泥化處置中能耗需求較高，且未完全干化污泥中的水分在工業(yè)污泥的水泥化處置過程中會蒸發(fā)膨脹（正常情況下體積膨脹超過1 000倍），給窯尾排風(fēng)機帶來負(fù)面影響，從而給相關(guān)企業(yè)帶來不必要的壓力。

（4）處置利潤低。工業(yè)污泥的水泥化處置污泥項目在運行過程中生產(chǎn)和折舊成本比較高，尤其是在處理含水率80%以上的濕污泥時更明顯。據(jù)統(tǒng)計，生產(chǎn)水泥的利潤率是16%，而水泥窯處置污泥項目的利潤率只有4%，就利潤方面來說對企業(yè)完全沒有吸引力，這是導(dǎo)致污泥水泥化處置進(jìn)程發(fā)展緩慢的根源[21]。

（5）投資與收入失調(diào)。工業(yè)污泥的水泥化處置初期投資巨大（通常過億），并且由于設(shè)計過程中對我國污水處理廠出泥含水率較高、熱值較低等問題認(rèn)識不足，再加上我國污泥工的水泥化處置起步較晚，技術(shù)尚不成熟，使得我國污泥水泥窯系統(tǒng)處置項目建成后實際處置的污泥量很難達(dá)到設(shè)計的生產(chǎn)規(guī)模，造成了投入與產(chǎn)出比的嚴(yán)重不平衡，大大降低了相關(guān)企業(yè)開展污泥水泥化處置的熱情，只有一些研究單位從理論上開展研究[22]。

（6）政策不完善。通過對我國工業(yè)污泥的水泥化處置行業(yè)現(xiàn)狀的分析，相關(guān)部門必須清楚地認(rèn)識在推進(jìn)工業(yè)污泥的水泥化處置過程中，依然需要進(jìn)一步加強并完善補償機制及稅收政策，給予污泥工業(yè)污泥的水泥化處置企業(yè)一定的補助。

5 結(jié)語

工業(yè)污泥的水泥化處置是我國工業(yè)污泥 “穩(wěn)定化、減量化、無害化、資源化”處置的重要方面，現(xiàn)在處于起步階段，因此需要政府大力發(fā)展“協(xié)同處置”技術(shù)，將其列為國家重點支持項目，多提供資金以及政策上的支持。同時，水泥生產(chǎn)企業(yè)和公眾應(yīng)該加深對“協(xié)同處置”技術(shù)的認(rèn)識，培養(yǎng)環(huán)境保護(hù)責(zé)任感。有關(guān)部門與水泥生產(chǎn)企業(yè)也應(yīng)建立良好的交流合作與監(jiān)督管理體系，實現(xiàn)資源的統(tǒng)籌規(guī)劃與相互協(xié)調(diào)，力爭在“十三五”期間能有較大的突破，使我國污泥處置方式更加多元與和諧。