水泥窯協(xié)同處置污水廠污泥的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

黃菊文 朱昊辰 賀文智 李光明

（1 同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 上海 200092 2 污染控制與資源化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200092）

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)化過(guò)程中對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷加強(qiáng)，城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)得到了迅速發(fā)展，我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理率從1998 年的不足16.2%上升至2017 年底的90.0%以上。根據(jù)住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于2017 年上半年全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)和運(yùn)行情況的通報(bào)，截至2017 年6 月底，全國(guó)城鎮(zhèn)累計(jì)建成運(yùn)行污水處理廠4063 座，污水處理能力達(dá)1.78 億立方米/日[1]。與此同時(shí)，隨著城鎮(zhèn)污水排放量的與日俱增，其污泥產(chǎn)生量也顯著增加，按照1 萬(wàn)噸污水產(chǎn)生7 噸左右含水率為75%的濕泥估算，我國(guó)污水處理廠每年將產(chǎn)生有超過(guò)4 千萬(wàn)噸濕污泥[2]，據(jù)有關(guān)專家預(yù)測(cè)，2020 年我國(guó)全年污泥年產(chǎn)量為8000 萬(wàn)噸[3]?；诖?，我國(guó)在《“十三五”全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》明確提出，到2020 年底，地級(jí)及以上城市污泥無(wú)害化處置率達(dá)到90%，并要求我國(guó)新增或改造污泥（按含水率80%的濕污泥計(jì)）無(wú)害化處理處置設(shè)施能力6.01 萬(wàn)噸/日[4]，較“十二五”全國(guó)規(guī)劃建設(shè)城鎮(zhèn)污泥處理處置規(guī)模518 萬(wàn)噸/年[5]增長(zhǎng)了近4.2 倍。

目前我國(guó)污泥處理方式仍主要采用填埋、堆肥、自然干化、焚燒等方式[6]，但存在著污泥產(chǎn)生量大、有效處置率低，缺乏引領(lǐng)工藝路線以及處理設(shè)備良莠不齊等狀況，使得大量污泥沒(méi)有得到規(guī)范化的處理，嚴(yán)重影響著生態(tài)環(huán)境?！秶?guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》提出了“十三五”期間單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗降低15%，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放降低18%，主要污染物排放量降低10～15%的約束性指標(biāo)。將污泥用于建材生產(chǎn)，尤其是水泥窯協(xié)同處置污水廠污泥作為資源化利用的方式，是實(shí)現(xiàn)上述指標(biāo)的重要途徑之一[7]，這也是歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家污泥利用的重要途徑[8]。

1 國(guó)內(nèi)外水泥窯協(xié)同處置污水廠污泥現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外水泥窯協(xié)同處置污水廠污泥現(xiàn)狀

利用水泥窯焚燒協(xié)同處置城市工業(yè)廢棄物在20 世紀(jì)80 年代初期就已經(jīng)在歐、美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家開始應(yīng)用[9]；瑞士的HCB Rekingen 水泥廠是世界上首座具有處置城市生活垃圾、污泥和危險(xiǎn)廢棄物的水泥廠，并得到了ISO14001 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證，開創(chuàng)了水泥工業(yè)協(xié)同處置城市污泥的先河。近年來(lái)，水泥窯協(xié)同處置污泥因其生態(tài)環(huán)境效益顯著，在國(guó)外備受關(guān)注，并取得了長(zhǎng)足的技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用發(fā)展。2003 年，瑞士水泥窯協(xié)同處置污泥的比例高達(dá)19%，2010 年德國(guó)達(dá)14.6%，2015 年日本高達(dá)28.7%[10]，美國(guó)有近200 座污水處理廠采用焚燒方式處理污泥，其中6%的污泥采用協(xié)同焚燒方式處置[11]。

1.2 我國(guó)水泥窯協(xié)同處置污水廠污泥現(xiàn)狀

近年來(lái)，在借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我國(guó)也進(jìn)行了污泥水泥窯協(xié)同處置的探索實(shí)踐，金隅集團(tuán)北京水泥廠有限公司的水泥回轉(zhuǎn)窯是全國(guó)首條專業(yè)處置城市工業(yè)廢棄物示范線，年處置和綜合利用工業(yè)廢棄物能力為10×104噸，2005 年11 月正式投入使用[12]。廣州越堡水泥廠污泥協(xié)同處置生產(chǎn)線于2009 年正式運(yùn)行，設(shè)計(jì)污泥處理能力600t/d，當(dāng)前處理能力為300t/d，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的水泥窯協(xié)同處置城市污泥示范線[13]。隨著污泥水泥窯協(xié)同處置技術(shù)的發(fā)展和項(xiàng)目逐年增加，該技術(shù)已經(jīng)成為我國(guó)污泥熱化學(xué)處理處置的手段之一，表1 為處理量300t/d 及以上的我國(guó)部分水泥窯協(xié)同處置污泥項(xiàng)目的基本情況。

表1 我國(guó)部分污泥水泥窯協(xié)同處置項(xiàng)目基本情況[10][14]

2 水泥窯協(xié)同處置污泥的工藝與優(yōu)勢(shì)

2.1 協(xié)同處置工藝

污泥因其生物質(zhì)含量高，熱值高，可在水泥窯系統(tǒng)中充分燃燒替代部分燃料；同時(shí)污泥灰分與生產(chǎn)水泥生料成分相近，含有CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等生料有效成分，可以直接作為水泥生料的替代原料利用，從而可減少CO2的排放量，同時(shí)降低水泥廠生產(chǎn)成本，以解決污泥大量產(chǎn)生帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題[15]。水泥窯協(xié)同處置污水廠污泥的工藝過(guò)程中，通常由污泥干化和水泥窯焚燒兩大工藝組成，經(jīng)過(guò)干化后的污泥，與生產(chǎn)水泥的原料和燃料進(jìn)入水泥窯進(jìn)行煅燒形成熟料，其協(xié)同處置污泥工藝流程如圖1 所示。

圖1 污泥水泥窯協(xié)同處置過(guò)程的主流工藝路線

2.2 協(xié)同處置優(yōu)勢(shì)

我國(guó)是水泥生產(chǎn)大國(guó)，2019 年全國(guó)水泥行業(yè)企業(yè)名錄有19510 家，2018 年的水泥產(chǎn)量約占全世界產(chǎn)量的55.9%，顯示出水泥窯協(xié)同處置污泥的優(yōu)勢(shì)與潛力。水泥窯協(xié)同處置污泥不僅緩解環(huán)境壓力，提高污泥資源化利用率，而且與傳統(tǒng)的處置方式相比具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)[13][16]。

（1）污泥處理量大。由于水泥回轉(zhuǎn)窯具有焚燒空間大、處理溫度高、以及熱容量大等特點(diǎn)，加之水泥回轉(zhuǎn)窯運(yùn)轉(zhuǎn)效率通常高于90%，從而保證了城市污水污泥處理的規(guī)模。

（2）有機(jī)物分解徹底。水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒溫度高，一般在1350～1650℃，物料停留時(shí)間長(zhǎng)，有機(jī)物分解徹底，即使是穩(wěn)定的有機(jī)物如二噁英等也能被完全分解，去除率可達(dá)99%，二次污染小。

（3）抑制二噁英產(chǎn)生。由于干化污泥喂入點(diǎn)處在高于850℃的分解爐,分解爐內(nèi)熱容大且溫度穩(wěn)定，水泥回轉(zhuǎn)窯筒體較長(zhǎng)，斜度較小，旋轉(zhuǎn)速度較低，污泥在窯爐高溫下停留時(shí)間長(zhǎng)，有效地抑制了二噁英等物質(zhì)的產(chǎn)生。

（4）固化重金屬。水泥煅燒的高溫環(huán)境有利于促使重金屬參與熟料礦物的形成反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)變?yōu)殡y溶的化合狀態(tài)，最終被固化于礦物晶格中。

（5）能量利用和資源化程度高。利用水泥工業(yè)的余熱進(jìn)行污泥烘干，提高水泥廠的能量利用率。水泥窯焚燒后的污泥殘?jiān)鶠闊o(wú)害的無(wú)機(jī)鹽類或氧化物，可替代黏土作為硅質(zhì)、鋁質(zhì)原料，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)害化和資源化利用的目的。

（6）總體投資較低。污泥處置與水泥生產(chǎn)協(xié)同進(jìn)行，焚燒設(shè)備及部分尾氣設(shè)備公用，不需額外建焚燒爐，總體投資相對(duì)較少。

3 水泥窯協(xié)同處置污水廠污泥的發(fā)展趨勢(shì)

水泥窯協(xié)同處置污水廠污泥是解決污泥出路與提升污泥處理處置水平實(shí)現(xiàn)污泥減量化資源化的有效方法，其進(jìn)一步發(fā)展需重點(diǎn)關(guān)注的方向建議如下。

（1）進(jìn)一步提升水泥窯協(xié)同處置污水廠污泥的技術(shù)水平

在保證水泥產(chǎn)品質(zhì)量的前提條件下，進(jìn)一步提高污泥的添加配比量，提高資源化規(guī)模，減小污泥在水泥窯協(xié)同處置過(guò)程中對(duì)外界環(huán)境、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)設(shè)備的影響，是協(xié)同處置新技術(shù)研發(fā)和關(guān)鍵技術(shù)裝備水平提升的重要方面。

（2）進(jìn)一步研究水泥窯協(xié)同處置污泥的碳減排可持續(xù)發(fā)展綠色新路

針對(duì)水泥行業(yè)碳排放大的特點(diǎn)，水泥窯協(xié)同處置污水廠污泥可以替代部分化石燃料，實(shí)現(xiàn)碳減排。通過(guò)大力實(shí)施協(xié)同處置環(huán)保戰(zhàn)略，加大污泥處置量，能顯著提高碳減排量。同時(shí)，鼓勵(lì)企業(yè)積極參與碳交易，獲得減排收益，使碳交易制度成為環(huán)保戰(zhàn)略的有力推手，促進(jìn)碳交易和環(huán)保戰(zhàn)略共同發(fā)展，為水泥行業(yè)可持續(xù)發(fā)展開辟綠色新路。

（3）進(jìn)一步建立和完善水泥窯協(xié)同處置污泥的激勵(lì)政策

我國(guó)水泥窯協(xié)同處置污水廠污泥仍屬于發(fā)展階段，相關(guān)政策還需完善。應(yīng)出臺(tái)更好激勵(lì)水泥企業(yè)積極參與到協(xié)同處置中來(lái)的機(jī)制和制度，推進(jìn)這一技術(shù)路徑對(duì)實(shí)現(xiàn)“減量化、資源化、無(wú)害化”終端處理的貢獻(xiàn)度，同時(shí)也進(jìn)一步提升水泥企業(yè)的社會(huì)形象和競(jìng)爭(zhēng)力，為改善生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到積極作用。

結(jié)語(yǔ)

水泥窯協(xié)同處置污水廠污泥充分發(fā)揮了水泥工藝的優(yōu)勢(shì)，是一種高效、環(huán)保的處置方式，有效地實(shí)現(xiàn)了污泥的減量化、無(wú)害化和資源化，具有顯著的生態(tài)環(huán)境效益，是污水廠污泥資源化處置的發(fā)展途徑之一。在大力創(chuàng)導(dǎo)循環(huán)經(jīng)濟(jì)綠色發(fā)展的今天，應(yīng)更進(jìn)一步挖掘和提升水泥窯協(xié)同處置污水廠污泥的潛力，不斷探究水泥窯協(xié)同處置污泥的綠色低碳可持續(xù)發(fā)展之路，進(jìn)而進(jìn)一步提升水泥行業(yè)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。