市政污泥資源化集中處置（水泥窯協(xié)同）工程案例分析

韋 娟,姚瑞宏，劉琪璇，孫慧華，喬莉莉，孫 鶴

（1.中材國際環(huán)境工程（北京）有限公司，北京100102；2.南京中材環(huán)保有限公司，江蘇南京210000）

0 前言

隨著我國污水處理廠不斷的增建與運(yùn)營，污水處理的副產(chǎn)物市政污泥的處置成了越來越凸顯的廢物處置問題。2016年，我國已建污水處理廠30976座，污水處理能力達(dá)到1.7億m3/d，根據(jù)第五屆世界水大會資料，污水廠產(chǎn)泥經(jīng)驗為每萬噸污水產(chǎn)6 t濕污泥，則2016年全年產(chǎn)生濕污泥（含水率80%）30723萬t（一年按365天計），預(yù)計2020年將達(dá)到70200萬t[1]。

市政污泥成分復(fù)雜，是包含有機(jī)殘片、細(xì)菌菌體、無機(jī)顆粒和膠體等的非均質(zhì)體，其組成很大程度上取決于污水水質(zhì)及其處理工藝[2]。市政污泥特點有含水量高、易腐敗、易散發(fā)惡臭，通常含病原微生物、寄生蟲卵及重金屬等有毒有害物質(zhì)，因此若不能妥善處置甚至隨意堆放，將會造成較嚴(yán)重的環(huán)保和健康問題。

然而，長久以來“重水輕泥”的城市規(guī)劃建設(shè)思路以及水處理行業(yè)的發(fā)展方向?qū)е挛勰嗵幚硖幹眉夹g(shù)的更新及應(yīng)用受到限制[3]。相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，截止到2016年，我國城市污泥無害化處置率僅為33%，而根據(jù)我國相關(guān)政策要求，在2020年底前，地級及以上城市污泥無害化處置率要達(dá)到90%以上。如何科學(xué)合理的對市政污泥進(jìn)行處理，已經(jīng)成為當(dāng)前環(huán)保領(lǐng)域中一個研究熱點，受到了越來越多的關(guān)注[4]。

1 國內(nèi)污泥處置方式

現(xiàn)階段，我國市政污泥無害化處置方式主要包括衛(wèi)生填埋、土地利用、建材利用、焚燒等方式。其中，衛(wèi)生填埋日益受到土地資源的制約，土地利用方式和建材利用方式存在產(chǎn)品出路不暢等問題，而焚燒方式因其具有污泥最大減量化和徹底無害化的技術(shù)優(yōu)勢，已經(jīng)日趨成為當(dāng)前和今后我國市政污泥無害化處置的主流方式。為了對接焚燒工藝、提高污泥焚燒效率，污泥的脫水干化既是污泥焚燒前不可或缺的步驟，也是污泥無害化處置的重要基礎(chǔ)[5]。

與一般的焚燒工藝不同，新型干法回轉(zhuǎn)窯焚燒技術(shù)是利用水泥生產(chǎn)回轉(zhuǎn)窯的高溫區(qū)協(xié)同焚燒處置污泥的技術(shù)[6]，不需為污泥焚燒設(shè)焚燒爐。水泥窯協(xié)同處置過程中，污泥將在高溫條件下完全焚燒，焚燒產(chǎn)物經(jīng)固化最終進(jìn)入水泥熟料中，從而達(dá)到污泥的安全處置，是符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的新型環(huán)保技術(shù)。高溫、焚燒處置污泥，既能充分利用廢物中的有機(jī)成分的熱值、實現(xiàn)節(jié)能，又能完全利用污泥中的無機(jī)成分作為原料。水泥廠地域分布廣，水泥生產(chǎn)量大，有利于污泥就地大量消納，節(jié)省運(yùn)輸費用，方便快捷[7]。

我國針對市政污泥水泥窯協(xié)同處置的技術(shù)可行性也進(jìn)行了探索，如安徽皖維集團(tuán)水泥分公司開展了利用水泥窯處理污泥的研究工作，將壓濾脫水后的污泥作為一種原料，與其他原料一起配料，生產(chǎn)中以每臺水泥窯5～6t/h的使用量來處理污泥，實踐結(jié)果表明，對生產(chǎn)工藝稍作調(diào)整后，在生料配料中摻入一定量的污泥，仍能保持生產(chǎn)穩(wěn)定，熟料質(zhì)量良好。廣州市越堡水泥有限公司在6 000 t/d生產(chǎn)線上新建一座600t/d（含水率80%）的污泥干化處置中心，將污泥干燥后作為燃料進(jìn)行焚燒，焚燒殘渣替代黏土作為硅質(zhì)、鋁質(zhì)原料，使廢棄物變?yōu)槟茉矗瑴p少在水泥生產(chǎn)中對黏土的使用量，符合國家發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和建設(shè)節(jié)約型社會的要求，且處置污泥后沒有影響水泥熟料質(zhì)量[8]。

2 株洲市市政污泥資源化集中處置（水泥窯協(xié)同）項目實例分析

株洲市市政污泥資源化集中處置（水泥窯協(xié)同）項目日處置污泥300 t，包括含水率50%的干污泥250 t和80%的濕污泥50 t?；灸軡M足株洲市未來10年內(nèi)污水處理廠的污泥處置需求。干污泥來自株洲市政污水處理廠的板框壓濾出料皮帶，目前日產(chǎn)生量為70 t；濕污泥來自污水處理廠的離心脫水設(shè)備出料口，目前產(chǎn)生量很少（本文暫不討論）。項目于2020年1月6日上午12點開始，以水泥窯生產(chǎn)線協(xié)同處置50%含水率干污泥，系統(tǒng)連續(xù)帶料50 h，總共處理536.90 t含水率50%的污泥，平均喂料達(dá)10.74 t/h。

2.1 處置工藝

株洲市市政污泥資源化集中處置（水泥窯協(xié)同）系統(tǒng)工藝流程見圖1。

圖1 株洲市市政污泥資源化集中處置工藝流程圖

2.2 對水泥窯生產(chǎn)的影響

2.2.1 熟料產(chǎn)量和品質(zhì)影響

表1統(tǒng)計了干化污泥（含水50%）協(xié)同處置前后窯磨參數(shù)變化，水泥窯協(xié)同處置期間，50%含水率污泥正常以10.74 t/h連續(xù)喂料，生料實際投料由未投污泥時418 t/h減少至400 t/h，高溫風(fēng)機(jī)由826 r/min增加至836 r/min，由此保證了水泥窯正常穩(wěn)定生產(chǎn)。生料投料減量會導(dǎo)致水泥窯熟料產(chǎn)量減少4.31%，但考慮污泥中黏土質(zhì)等原料對熟料生產(chǎn)的貢獻(xiàn)（污泥料耗按3計），250 t/h的污泥量對熟料日減產(chǎn)的總體影響幅度小于4%。

表1 干化污泥（含水50%）協(xié)同處置前后窯磨參數(shù)變化

50%含水率污泥中含有黏土質(zhì)原料，其主要對入窯生料硅率的影響決定著燒成熟料的品質(zhì)。由此，水泥窯協(xié)同處置污泥期間，水泥廠主要將原料磨配比控制基準(zhǔn)進(jìn)行修正，主要是KH值由未協(xié)同處置時0.97～0.99增加到0.99～1.01。由圖2入窯生料KH值變化趨勢可知，水泥窯協(xié)同處置期間入窯生料KH值整體波動比未協(xié)同處置時要小；隨著污泥協(xié)同處置時間不斷遞進(jìn)，入窯生料KH值整體呈現(xiàn)緩升的趨勢，可能是生料KH控制基準(zhǔn)逐漸提高引發(fā)的。

從圖3熟料KH值變化趨勢可知，協(xié)同處置期間熟料的KH值呈現(xiàn)“V”趨勢，這側(cè)面說明了污泥投入水泥窯處置會降低熟料KH值，由此解釋了后期水泥廠將原料KH配比調(diào)整至1.01，導(dǎo)致入窯生料KH值呈現(xiàn)緩升現(xiàn)象，水泥熟料的品質(zhì)得以保證。

2.2.2 煤耗變化

一般水泥熟料燒成時，硅率較大的原料需要較高的燒成熱量。為保證熟料燒成的品質(zhì)，窯內(nèi)燒成帶的溫度會增高，由此對煤用量產(chǎn)生影響。由圖4窯頭煤用量變化趨勢可見，污泥連續(xù)喂料期間，窯頭用煤量整體呈現(xiàn)少量增加，但由于窯產(chǎn)量有所減產(chǎn)，使得頭煤噸熟料量明顯增加，從未投污泥的53.08 kg/t升至 55.50 kg/t。

由圖5尾煤用量的變化趨勢可知，水泥窯系統(tǒng)未投污泥時，其尾煤用量基本波動較大，且8 h用煤量多數(shù)高于155 t。由于產(chǎn)量下降和污泥含有可燃有機(jī)質(zhì)的影響，投污泥時尾煤8 h用煤量能降至1400t。從尾煤噸熟料煤耗曲線可知，投污泥后的噸熟料尾煤用量有所降低，說明了污泥投入分解爐后，污泥中的可燃有機(jī)質(zhì)一定程度上可節(jié)約尾煤用量。對于協(xié)同處置區(qū)間界的尾煤用量和噸熟料尾煤均較高，可能主要是由于這兩位置正好處于水泥窯協(xié)同處置污泥開始和結(jié)束時間段。

圖2 株洲污泥處置項目入窯生料KH值變化趨勢圖

圖3 株洲污泥處置項目熟料KH值變化趨勢圖

本項目中的干化污泥是直接投入分解爐內(nèi)，污泥含有的水分蒸發(fā)耗熱，影響分解爐內(nèi)的熱量分配。廣州越堡的經(jīng)驗表明，分解爐在處理城市污泥后，生料分解的有效空間減少3%～5%，分解爐內(nèi)生料分解區(qū)間的熱負(fù)荷增加6%～10%[9]。由表1中可見，協(xié)同處置時熱生料分解率有所降低，降低幅度1%左右，這部分降低的分解率一部分將轉(zhuǎn)移至水泥窯內(nèi)完成，造成頭煤用量增加，一部分要求適當(dāng)降低水泥窯的產(chǎn)量，以保證水泥熟料的質(zhì)量及污泥的徹底焚燒。

綜上分析，水泥窯協(xié)同處置污泥前后，頭煤噸熟料煤耗波動較平穩(wěn)，而尾煤噸熟料煤耗波動較大，可見對總煤耗波動影響占主導(dǎo)的是尾煤噸熟料煤耗變化。由圖6熟料總煤耗變化曲線和尾煤占總煤耗比例趨勢圖可知，污泥連續(xù)投入分解爐后，總煤耗是有所降低的，平均129.0 kg/t左右。同樣，由于污泥投料的開始、結(jié)束邊界總煤耗高于連續(xù)污泥的總煤耗，這一點與尾煤的變化趨勢一致。由此可見，水泥窯協(xié)同處置期間，連續(xù)喂料的保證對窯況穩(wěn)定至關(guān)重要。

2.3 技術(shù)路線顯著優(yōu)勢

（1）水泥回轉(zhuǎn)窯的熱容量大，工作狀態(tài)穩(wěn)定，可穩(wěn)定處理50%含水率污泥處理量達(dá)250 t/d。

（2）水泥窯協(xié)同處置50%含水率污泥，可充分利用污泥中的有機(jī)成分和無機(jī)成分。污泥中有機(jī)質(zhì)和可燃成分高溫煅燒產(chǎn)生熱量，不僅滿足其自身水分蒸發(fā)，還可替代部分燃料；焚燒后硅鋁質(zhì)殘渣參與水泥配料以節(jié)約礦物材料。

圖4 株洲污泥處置項目窯頭煤用量變化趨勢圖

圖5 株洲污泥處置項目尾煤用量變化趨勢圖

圖6 株洲污泥處置項目總煤耗變化趨勢圖

3 結(jié)語

（1）水泥窯協(xié)同處置50%含水率污泥后，污泥中黏土質(zhì)原料降低了原料KH值，以10.74 t/h連續(xù)喂料時，水泥原料磨KH配比控制指標(biāo)需提高0.01～0.02。

（2）水泥窯燒成熟料量需減產(chǎn)4%，以此保證水泥窯正常穩(wěn)定生產(chǎn)；污泥中水的蒸發(fā)增加了煙氣總量，高溫風(fēng)機(jī)需由826 r/min增加至836 r/min。

（3）由于污泥中含有可燃的有機(jī)質(zhì)，其可替代部分分解爐的用煤，使協(xié)同處置污泥時尾煤用量最低降17.5 t/h；污泥含水的蒸發(fā)降低熱生料的分解率，由未投污泥時93.75%降低至92.68%，水泥窯內(nèi)預(yù)熱分解帶負(fù)荷增加。

（4）污泥直接投入分解爐，熱生料的硅率升高，導(dǎo)致燒成溫度升高，窯頭用煤量略增；同時因減產(chǎn)，頭煤噸熟料用量從未投污泥的53.08 kg/t升至55.50 kg/t。

（5）水泥窯協(xié)同處置污泥，連續(xù)喂料入分解爐，總煤耗達(dá)129.0 kg/t，其中投料的開始、結(jié)束期間，尾煤和總煤用量波動較大，其中前者主導(dǎo)了后者，由此，連續(xù)喂料的保證對窯況穩(wěn)定至關(guān)重要。