水泥窯協(xié)同處理污水處理廠剩余污泥的研究進(jìn)展

楊健雄

（中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明 650000）

城鎮(zhèn)污水處理廠核心工藝段為生化池，其產(chǎn)泥量占比超過全廠污泥量的90%，含水率介于60%～80%。污泥固體成分主要由有機(jī)殘片、細(xì)菌菌體、無機(jī)顆粒、膠體及絮凝所用藥劑等組成，包含有潛在利用價值的有機(jī)質(zhì)、氮（N）、磷（P）、鉀（K）和各種微量元素，工業(yè)污水處理廠污泥還含有各種成分的重金屬。截至2018年12月底，全國城鎮(zhèn)污水處理廠日處理能力約為22 846 萬t，按每萬噸污水產(chǎn)生5～10 t 含水率80%的城市污泥計(jì)算，全國平均每天將產(chǎn)生近20 萬t 污泥。如此龐大的污泥給環(huán)境造成了較大的壓力，在眾多的污泥處置技術(shù)中，水泥窯協(xié)同處理技術(shù)工藝簡單，既能實(shí)現(xiàn)污泥減量化，又能變廢為寶，是未來污泥處置的一個發(fā)展方向。

1 污泥處置方法

1.1 衛(wèi)生填埋

衛(wèi)生填埋是常規(guī)污泥處置技術(shù)，工藝簡單，操作靈活，投資較少，不需要增添污泥處理設(shè)備，是傳統(tǒng)常規(guī)處理方法。但是，污泥衛(wèi)生填埋仍存在明顯的缺點(diǎn)。一是侵占土地。填埋污泥需要很大的場地，但是填埋場地資源是有限的，減少土地利用率。二是二次污染。污泥的穩(wěn)定性差，風(fēng)吹雨淋下會腐爛變質(zhì)，有害成分聚集，產(chǎn)生滲濾液會造成土壤與水體污染，后續(xù)處置成本較高。三是污染大氣。污泥有機(jī)物自然分解釋放出惡臭氣體，污染大氣。此外，運(yùn)輸儲存污泥時的滲漏逸散會污染道路和周圍空氣，加之污泥衛(wèi)生填埋并不是無害化、資源化的解決途徑，只是把污泥污染封閉起來，把污染風(fēng)險轉(zhuǎn)移至未來。

1.2 焚燒處置

污泥焚燒處置利用高溫氧化燃燒反應(yīng)，在過量空氣的條件下，使污泥中的全部有機(jī)質(zhì)、病原體等物質(zhì)在高溫下氧化分解，并被徹底破壞。這是一種較為徹底的處置技術(shù)，焚燒灰體積僅為原有污泥體積的10%左右，從而實(shí)現(xiàn)污泥處置的無害化和減量化。污泥焚燒產(chǎn)生的熱量可以用來發(fā)電、供熱等，焚燒灰可以做建筑材料，制磚瓦、陶瓷等[1]，達(dá)到資源化的目的。由此可見，焚燒處置在污泥處置方法中處于非常重要的地位。但是，污泥焚燒需要購置專用設(shè)備，建設(shè)投資大，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高，燃燒熱量回收少。若焚燒工藝設(shè)置不合理，焚燒過程中會產(chǎn)生大量飛灰、爐渣和廢氣，會產(chǎn)生二噁英等劇毒中間產(chǎn)物，會產(chǎn)生嚴(yán)重的二次污染。另外，如果將污泥直接用于焚燒，污泥中的氮、磷等有用化合物將被分解和排放，不能二次利用。

1.3 生產(chǎn)生態(tài)水泥

自日本市場推廣生態(tài)水泥以來，利用污泥生產(chǎn)生態(tài)水泥成為一種解決污泥污染的新途徑。水泥工業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)消耗大量資源，必須找到新技術(shù)，降低資源消耗。污泥就是一種新資源，可以在水泥行業(yè)發(fā)揮較大的作用[2]。污泥主要由微生物和有機(jī)、無機(jī)顆粒構(gòu)成，具有較高的熱值，同時含有多種化合物，包括SiO2、Fe2O3和A12O3等，與水泥元素組成類似。通過添加劑的調(diào)理，污泥可以部分替代硅質(zhì)原料進(jìn)行配料，減少砂石開采，同時提供熱能，降低能源消耗。污泥本是一種成分復(fù)雜的固體廢物，水泥生產(chǎn)工程實(shí)踐對其進(jìn)行資源化處置，實(shí)現(xiàn)了水泥的生態(tài)化生產(chǎn)。生態(tài)水泥的生產(chǎn)溫度高達(dá)1 300 ℃左右，污泥在如此高的溫度下燃燒，其中含有的有害物質(zhì)（包括病菌、細(xì)菌等）都能被消除，重金屬元素也幾乎全部被固溶到熟料中[3]，污泥實(shí)現(xiàn)了無害化、資源化處置。

2 水泥窯協(xié)同處理剩余污泥的技術(shù)研究

水泥窯協(xié)同處理技術(shù)是指經(jīng)過給料泵加壓，將需要處置的污泥從窯尾煙室送入窯尾高溫室進(jìn)行煅燒處置。在水泥窯的高溫條件下，污泥中的有機(jī)污染物完全燃燒，徹底分解，并迅速蒸發(fā)和氣化，重金屬離子被固化到水泥熟料晶格中。

2.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

水泥窯協(xié)同處理污泥技術(shù)在無害化、資源綜合利用和經(jīng)濟(jì)性等方面有很多優(yōu)勢。水泥窯熱容量大，溫度高且穩(wěn)定，完全能夠消除有害氣體，可以大量處理污泥，污泥最終轉(zhuǎn)化成水泥熟料產(chǎn)品，無廢棄物遺留。相關(guān)設(shè)施投資少，建設(shè)周期短，不占用土地資源，能充分利用一次資源。因此，水泥窯協(xié)同處理污泥技術(shù)正在受到越來越多的關(guān)注。

2.1.1 國外研究現(xiàn)狀

水泥窯協(xié)同處理污泥技術(shù)經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益顯著，在國際上得到廣泛研究和應(yīng)用，并取得較好的發(fā)展。2001年7月，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省提出，2010年水泥行業(yè)廢棄物和副產(chǎn)品的利用率是400 kg/t 水泥。日本污水處理廠污泥增長較快，至2007年，水泥行業(yè)處置污泥317 萬噸t，比2000年增加66.6%，污泥成為水泥行業(yè)利用的第三大類廢棄物。德國和美國水泥行業(yè)替代燃料中有8%～15%為干化后的污泥。發(fā)達(dá)國家在水泥窯協(xié)同處置固廢領(lǐng)域積累了大量經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)建立相關(guān)政策體系和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，市場實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化和規(guī)范化。隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，這必將成為全球各國處理污泥的熱點(diǎn)。

2.1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

近年來，國家一直鼓勵發(fā)展水泥窯協(xié)同處理技術(shù)。2013年以來，國家出臺相關(guān)行動計(jì)劃、政策、技術(shù)規(guī)范等，推進(jìn)水泥窯協(xié)同處置城市污水處理廠剩余污泥，著力提升產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展水平，在條件具備的地區(qū)開展水泥窯協(xié)同處理等試點(diǎn)示范。2007年，安徽海螺集團(tuán)有限責(zé)任公司與日本川崎重工業(yè)株式會社開發(fā)出利用新型干法水泥窯處理城市生活垃圾的系統(tǒng)。當(dāng)前，我國企業(yè)不斷推進(jìn)城市污泥水泥窯協(xié)同處置技術(shù)研究，并將研究成果應(yīng)用于城鎮(zhèn)污泥處置工程實(shí)踐，進(jìn)一步推動我國污泥處置行業(yè)穩(wěn)步發(fā)展。

2.2 典型工藝

水泥窯宜處理性質(zhì)相對穩(wěn)定、產(chǎn)生量大的污泥，包括城市生活污水處理廠污泥、工業(yè)污水處理廠污泥。污泥熱值較高，經(jīng)污水處理廠脫水后運(yùn)送至水泥廠焚燒。水泥窯協(xié)同處理污泥的工藝流程如圖1所示，包括污泥運(yùn)輸系統(tǒng)、進(jìn)廠接收系統(tǒng)、污泥分析鑒別系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)、焚燒處置系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)等[4]。

圖1 水泥窯協(xié)同處理污泥的工藝流程

2.3 特點(diǎn)

2.3.1 污泥燃燒率高

在正常運(yùn)行條件下，回轉(zhuǎn)式焚燒爐內(nèi)物料溫度為1 450 ℃，物料在爐內(nèi)停留30～40 min，燃燒時產(chǎn)生的煙氣在爐內(nèi)溫度高于1 300 ℃區(qū)域的停留時間大于4 s。窯內(nèi)污泥中有害有機(jī)物可充分燃燒，燃燒率可達(dá)99.999%，二噁英等污染物在爐內(nèi)完全被分解。

2.3.2 無焚燒殘?jiān)?/p>

焚燒尾氣中的細(xì)顆粒經(jīng)布袋除塵器過濾收集后，大部分作為水泥原料重新進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯，小部分經(jīng)固化處理后進(jìn)入垃圾填埋場，殘?jiān)玫接行占疤幹肹5]。

2.3.3 吸收酸性氣體

采用石灰石-石膏法，結(jié)合生物處理工藝，水泥窯可以協(xié)同處置污泥，高效去除尾氣中的SO2、揮發(fā)性有機(jī)物、氨等污染物，氣體污染物排放達(dá)到《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 4915—2013）的要求，解決了水泥窯協(xié)同處置污泥的氣體污染問題。

2.3.4 水泥固化重金屬

經(jīng)水泥窯協(xié)同處置后，污泥中難處理的重金屬離子被固化到水泥熟料晶格中。水泥作為建材，用于生產(chǎn)膠凝材料，經(jīng)過水化反應(yīng)后生成穩(wěn)定的混凝土，使其成為有效的重金屬穩(wěn)定劑。

2.3.5 污泥處理量大

新型干法水泥生產(chǎn)企業(yè)分布地域廣，當(dāng)?shù)匚鬯幚韽S較多，方便就地處置污泥，節(jié)省水泥生產(chǎn)資源。水泥生產(chǎn)線較多，回轉(zhuǎn)式焚燒爐燃燒系統(tǒng)穩(wěn)定，污泥投入量和污泥性質(zhì)變化對其影響較小，污泥處理量大。

2.4 應(yīng)用現(xiàn)狀

日本自2001年開始推廣生態(tài)水泥，其采用水泥窯協(xié)同處理污泥，所處置的污泥約有一半來自城鎮(zhèn)污水處理廠，經(jīng)干化后送入窯內(nèi)焚燒處置。瑞典、德國、美國等發(fā)達(dá)國家也大量采用協(xié)同焚燒方式處置污泥。我國在借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上開展水泥窯協(xié)同處理污泥的研究，陸續(xù)建設(shè)多個水泥廠污泥處置項(xiàng)目。這些項(xiàng)目取得較好的環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益，但與發(fā)達(dá)國家相比，我國水泥窯協(xié)同處置污泥項(xiàng)目設(shè)計(jì)處理規(guī)模較低。截至2018年11月，我國具有水泥窯協(xié)同處置危廢經(jīng)營許可證的水泥企業(yè)有37 家，數(shù)量占全國具有危廢處理資質(zhì)企業(yè)總數(shù)的比例不足2%，因此我國水泥窯協(xié)同處理污泥的發(fā)展空間巨大。

2.5 目前存在的問題

2.5.1 工程投資較少

我國城鎮(zhèn)污水處理廠投資主要用于污水處理設(shè)施建設(shè)，而污泥處置設(shè)施投資占比較小。污泥處置缺乏行業(yè)導(dǎo)向性政策，產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)不完善，水泥窯協(xié)同處理技術(shù)更是缺乏市場引導(dǎo)及行業(yè)長期發(fā)展規(guī)劃，相關(guān)產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目建設(shè)投資較少。

2.5.2 技術(shù)受困于污泥含水率高

投加絮凝劑調(diào)理后，我國大部分污水處理廠污泥采用離心、壓濾機(jī)械脫水，污泥含水率（60%～80%）普遍偏高。污泥在水泥窯協(xié)同處置中需要進(jìn)行預(yù)處理（干燥），增加額外能耗，未完全干化污泥會出現(xiàn)膨脹，影響窯尾排風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行，給企業(yè)造成生產(chǎn)壓力。

2.5.3 項(xiàng)目利潤率低

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，企業(yè)對污泥含水率、熱值等評估不足，加上技術(shù)達(dá)不到國際先進(jìn)水平，使得我國水泥窯協(xié)同處理污泥項(xiàng)目投入巨大，實(shí)際生產(chǎn)規(guī)模遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)規(guī)模，造成項(xiàng)目利潤低下，項(xiàng)目面臨投資與收益失調(diào)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，生產(chǎn)普通水泥的利潤率是16%，水泥窯協(xié)同處置污泥項(xiàng)目的利潤率僅為4%，這在一定程度上降低了企業(yè)積極性。

3 結(jié)論

水泥窯協(xié)同處理技術(shù)處置污水處理廠剩余污泥，可以保護(hù)生態(tài)環(huán)境，提高資源利用率。水泥窯協(xié)同處理技術(shù)是一種新型的減量化、無害化、資源化技術(shù)，我國現(xiàn)階段應(yīng)用比例較低，但發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｎ覈鴳?yīng)出臺相關(guān)政策進(jìn)行引導(dǎo)，完善技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，加大企業(yè)補(bǔ)貼，引領(lǐng)市場利用水泥窯協(xié)同處理技術(shù)生產(chǎn)生態(tài)水泥，提高社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。