隨著我國污水治理行業(yè)的蓬勃發(fā)展，污水處理廠的污泥產(chǎn)量逐年增加，從2010年的5427萬t增長至2017年的7436萬t。據(jù)預(yù)測2023年的污泥處理市場規(guī)模將達(dá)到867億元。但由于我國長期以來“重水輕泥”，污泥處理問題未能得到有效解決。開發(fā)實施新型、環(huán)保的污泥處置技術(shù)成為當(dāng)下的迫切要求。

01 水泥窯協(xié)同處置技術(shù)及現(xiàn)狀

污泥的處置主要有填埋、堆肥和焚燒三種方式，焚燒處置是污泥減量化最顯著的方式。焚燒處置又分為建設(shè)獨立的焚燒系統(tǒng)和依托現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造兩種，后者可依托現(xiàn)有電廠、燃煤鍋爐、垃圾焚燒爐及水泥窯等裝置，將污泥與煤或垃圾混燒。

水泥窯協(xié)同處置污泥作為全過程清潔的廢棄物處置方式，利用水泥生產(chǎn)過程的高溫環(huán)境來焚燒污泥，窯內(nèi)呈堿性，可有效避免酸性物質(zhì)和重金屬揮發(fā)。水泥窯協(xié)同處置污泥過程中，有機(jī)物被徹底分解，二噁英很難形成。同時污泥焚燒產(chǎn)生的熱能被回收，殘渣和飛灰作為水泥成分配人熟料中，實現(xiàn)資源化和污泥減量化。與污泥其它處理方式相比，水泥窯處置技術(shù)更徹底，也不會產(chǎn)生二次污染，滿足“減量化、無害化、資源化”的原則。

近年來，我國在水泥窯協(xié)同處置上攻克了許多技術(shù)難關(guān)，取得了初步成績。水泥窯協(xié)同處置技術(shù)成功地投入生產(chǎn)應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，目前已建成水泥窯協(xié)同處置生活垃圾生產(chǎn)線43條，年處置垃圾約500萬t；協(xié)同處置污泥24條，年處置污泥約195萬t，在建和擬建的水泥窯協(xié)同處置生產(chǎn)線還有90多條。由此可見，水泥窯協(xié)同處置技術(shù)形成了良好的發(fā)展態(tài)勢，前景廣闊。

02 處置方案及技術(shù)路線

一、污泥特性

污泥成分復(fù)雜，含有各種微生物、多種重金屬及大量的難降解物質(zhì)，具體分為泥、沙等無機(jī)物以及菌體等有機(jī)物兩類。如處置不當(dāng)，會造成環(huán)境再污染。相關(guān)研究表明：污泥的化學(xué)特性與水泥生產(chǎn)所用的原料基本相似。與普通硅酸鹽水泥相比，利用污泥和焚燒飛灰產(chǎn)生的水泥在顆粒度、相對密度上基本相似，在穩(wěn)固性、膨脹密度、固化時間上也較好。因此，利用水泥窯協(xié)同處置污泥是一種可行的資源化處理方式。

二、處置方案及技術(shù)路線

污泥預(yù)處理工藝與投入水泥窯位置作為水泥窯協(xié)同處置污泥技術(shù)的關(guān)鍵要素，依此分類，協(xié)同處置污泥的主要工藝路線如下。

1、投入窯尾煙室

參考《水泥窯協(xié)同處置污泥工程設(shè)計規(guī)范》(GB50757-2012)：含水率為30％-80％的污泥可從窯尾煙室處進(jìn)料，但是宜設(shè)置噴槍等強(qiáng)制給料設(shè)備，且煙室內(nèi)溫度下降宜控制在100℃以內(nèi)，以防造成局部堵塞結(jié)皮。水泥窯協(xié)同處置技術(shù)中將含水率70％-80％的污泥直接進(jìn)入窯尾煙室焚燒是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的，該技術(shù)占全部處置生產(chǎn)線的50％以上，工藝流程見圖1。

圖1 污泥投入窯尾煙室的工藝流程圖

污泥送入污泥倉后，倉內(nèi)設(shè)置液壓滑架，通過滑架的往復(fù)運動防止污泥在倉底淤積，形成死角、起拱。污泥在滑架的作用下進(jìn)入卸料口，經(jīng)雙螺旋給料機(jī)輸送至單杠閘柱塞泵內(nèi)去窯尾煙室。污泥倉頂部卸料口設(shè)置液壓翻板門，以使倉處于密封常態(tài)。倉卸料區(qū)域設(shè)置格柵，防止大塊雜物進(jìn)入堵塞柱塞泵。在污泥輸送管道入窯尾煙室的末端設(shè)置給料噴槍，以使污泥均勻、散開的形式噴入，增加換熱面積，從而降低污泥對窯系統(tǒng)的影響。污泥倉的臭氣一部分作為冷卻風(fēng)進(jìn)入水泥窯篦冷機(jī)，另一部分經(jīng)過活性炭除臭裝置除臭達(dá)標(biāo)后，由引風(fēng)機(jī)送人煙囪排放。在水泥線檢修期間臭氣通過活性炭除臭裝置處理后達(dá)標(biāo)排放。

投入水泥窯窯尾煙室下污泥不進(jìn)行預(yù)處理，相對節(jié)省了污泥預(yù)處理的費用，但易造成煙室內(nèi)的溫度波動，影響水泥生產(chǎn)線的穩(wěn)定運行。

2、投入分解爐

依規(guī)范，含水率不大于30％的污泥可從水泥窯分解爐處進(jìn)料。此工藝下要對污泥進(jìn)行熱干化預(yù)處理，利用水泥生產(chǎn)過程中的廢熱煙氣作為熱源，直接或者通過換熱裝置間接將熱量傳遞給污泥，降低污泥的含水率，工藝流程見圖2。

圖2 污泥投入分解爐的工藝流程圖

污泥送人污泥倉后，依次經(jīng)過液壓驅(qū)動滑架、雙螺旋給料機(jī)，經(jīng)污泥泵輸送到造粒機(jī)造粒，再經(jīng)過干燥機(jī)干燥，干化后呈細(xì)粉狀的污泥經(jīng)輸送機(jī)送人分解爐焚燒。干燥機(jī)作為換熱裝置工作時熱源為水泥生產(chǎn)中的廢熱資源。熱煙氣可與污泥直接接觸，也可間接接觸。

熱干化技術(shù)具有占地小、無害化徹底、工藝技術(shù)成熟等優(yōu)點，結(jié)合熱干化與投入分解爐的污泥處置方式在污泥處置市場越來越受到重視。

3、投入爐排爐或氣化爐

本工藝下水泥窯協(xié)同處理是依托水泥窯裝置設(shè)置爐排爐(或氣化爐)實現(xiàn)對垃圾和污泥混合處理。在爐排爐焚燒垃圾的基礎(chǔ)上，將污泥按一定的比例摻入，實現(xiàn)污泥與生活垃圾的混合焚燒，爐排爐焚燒產(chǎn)生的煙氣送入水泥窯分解爐，工藝流程見圖3。

圖3 污泥投入爐排爐的工藝流程圖

污泥摻入垃圾主要有垃圾坑加入與在爐排爐進(jìn)料裝置處加入兩種方式。污泥通過污泥車運輸?shù)轿勰鄠}，污泥倉底部的液壓滑架驅(qū)使倉內(nèi)污泥滑人破碎機(jī)破碎，破碎后的污泥送至爐前污泥倉。通過垃圾坑加入是將爐前污泥倉的污泥送入垃圾坑中，利用抓斗的攪拌實現(xiàn)污泥與垃圾的混合。此摻燒方式系統(tǒng)簡單，費用低，但污泥由于粒徑小、密度大，在抓取中易掉落沉到坑底，增加滲濾液和淤泥的清理工作。通過進(jìn)料裝置處加入是將污泥送至爐排爐推料平臺上，在平臺上實現(xiàn)污泥與垃圾混合，混合后送爐排爐。此摻燒方式只需單獨設(shè)置污泥存儲和輸送系統(tǒng)，系統(tǒng)簡單，還可以根據(jù)運行實況控制污泥的摻燒比例，運行可靠。為了保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，污泥的摻混質(zhì)量比為5％-20％。

結(jié)合水泥窯的爐排爐摻燒污泥方式不僅處理了垃圾與污泥過程中的臭氣及有毒物質(zhì)，實現(xiàn)污泥的無害化處理，還降低了對水泥生產(chǎn)的影響。

03 技術(shù)優(yōu)勢

填埋、堆肥存在二次污染的同時還占用大量土地資源。焚燒工藝中單獨建設(shè)焚燒系統(tǒng)投資高，而且不能完全資源化處理飛灰、爐渣等。依托水泥窯裝置的水泥窯協(xié)同處理污泥技術(shù)在無害化、資源化和經(jīng)濟(jì)性上有獨特的優(yōu)勢：

(1)有機(jī)物分解徹底。水泥窯裝置熱容量大，溫度高，煙氣停留時間長，污泥中的有毒有害物完全分解，焚燒率達(dá)99.999％，二噁英在處理過程中也被完全分解。

(2)重金屬等無殘留，無二次污染。在水泥窯協(xié)同處置過程中，污泥中的重金屬能被固定在水泥熟料中，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。焚燒后煙氣經(jīng)除塵器收塵后，飛灰作為原料送人水泥窯處理系統(tǒng)，無二次污染。

(3)資源化效率高。污泥中有機(jī)成分和無機(jī)成分得到充分利用，部分有機(jī)質(zhì)和可燃成分在水泥窯中焚燒時產(chǎn)生熱量，無機(jī)物作為水泥原料，資源化效率高。

(4)處理量大及工藝穩(wěn)定。水泥生產(chǎn)線多，生產(chǎn)量大，相對處理的污泥量大；水泥窯運行穩(wěn)定，熱容量大，處理工藝穩(wěn)定、方便。

(5)投資少及運營成本低。協(xié)同處置工藝不額外占用土地，無需建設(shè)焚燒設(shè)備。而且水泥廠分布廣，有利于污泥的就地消納，節(jié)省運輸成本。數(shù)據(jù)表明水泥窯協(xié)同處置固廢的成本在500-1000元/t，而焚燒爐處置成本約為2倍以上。

04 關(guān)鍵因素分析

利用水泥窯協(xié)同處置污泥，不僅要確保對環(huán)境的無害化，還要確保水泥窯工藝穩(wěn)定、避免對水泥質(zhì)量的影響。為此，從以下幾個角度進(jìn)行了探討：

(1)污泥對水泥窯工藝的影響。水泥生產(chǎn)時窯內(nèi)溫度達(dá)1000℃以上，協(xié)同處置污泥時，投入的污泥中水分迅速揮發(fā)、固定碳和揮發(fā)分燃燒釋放出大量的熱量。投入污泥會引起窯內(nèi)溫度的驟變，對水泥生產(chǎn)不利。同時，污泥中的微量組份也會對水泥窯工藝的穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響，引入的有害組份如鉀、鈉、氯、硫等會引起系統(tǒng)粘結(jié)堵塞，從而直接影響設(shè)備運轉(zhuǎn)率和水泥熟料品質(zhì)。

(2)污泥對水泥質(zhì)量的影響。由污泥特性可知，污泥可用于水泥生產(chǎn)的原料。但隨著污泥摻燒比例的增加，熟料成分中SiO2含量增加，SiO2比例過高帶來C2S(2CaO·SiO2)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為C3S(3CaO·SiO2)比例的降低，導(dǎo)致水泥早期強(qiáng)度低。同時污泥中堿的過量存在會破壞水泥熟料礦物的形成，使得水化過快，凝結(jié)時間變短，對熟料強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。

(3)污泥中重金屬的影響。我們要重點關(guān)注重金屬浸出問題，這關(guān)系到我們的健康及環(huán)境。水泥窯協(xié)同處置污泥后，污泥中重金屬被固定在熟料礦物相晶格中。晶體結(jié)構(gòu)的熟料為重金屬離子的“固溶”提供了結(jié)構(gòu)上的先決條件。被“固溶”的重金屬必須在礦物相再次被破壞的情況下，如高溫、酸堿腐蝕等，才可能從體系中遷移出。因此，水泥窯協(xié)同處置污泥可以很好地固化污泥中的重金屬，不存在重金屬浸出的問題，安全可靠。

綜上所述，水泥窯協(xié)同處置污泥技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理、環(huán)境上效益顯著，值得推廣。但要保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定及水泥產(chǎn)品質(zhì)量符合要求，必須要控制污泥的摻燒量。參考國內(nèi)外運行經(jīng)驗，污泥投入水泥窯焚燒工藝中污泥摻燒量控制在5％以下。

05結(jié)語

本文對水泥窯協(xié)同處置污泥技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行了探討。利用水泥窯處置污泥不僅可以徹底解決污泥處置的難題，做到“減量化、無害化、資源化”，也還為水泥生產(chǎn)節(jié)約了能源和原材料，為污泥資源的開發(fā)利用開辟了新途徑。隨著水泥窯處置城市污泥技術(shù)不斷完善與推廣，水泥窯協(xié)同處置污泥技術(shù)必將迎來更廣闊的未來。

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