隨著我國(guó)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(wàn)t增長(zhǎng)至2017年的7436萬(wàn)t。據(jù)預(yù)測(cè)2023年的污泥處理市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到867億元。但由于我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)“重水輕泥”，污泥處理問(wèn)題未能得到有效解決。開(kāi)發(fā)實(shí)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(dú)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(guò)程清潔的廢棄物處置方式，利用水泥生產(chǎn)過(guò)程的高溫環(huán)境來(lái)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(guò)程中，有機(jī)物被徹底分解，二噁英很難形成。同時(shí)污泥焚燒產(chǎn)生的熱能被回收，殘?jiān)惋w灰作為水泥成分配人熟料中，實(shí)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(huì)產(chǎn)生二次污染，滿足“減量化、無(wú)害化、資源化”的原則。
近年來(lái)，我國(guó)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(jī)。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(jì)，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(wàn)t；協(xié)同處置污泥24條，年處置污泥約195萬(wàn)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(jiàn)，水泥窯協(xié)同處置技術(shù)形成了良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)，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(wú)機(jī)物以及菌體等有機(jī)物兩類(lèi)。如處置不當(dāng)，會(huì)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(duì)密度上基本相似，在穩(wěn)固性、膨脹密度、固化時(shí)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(lèi)，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(jì)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(guó)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(jiàn)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(cāng)后，倉(cāng)內(nèi)設(shè)置液壓滑架，通過(guò)滑架的往復(fù)運(yùn)動(dòng)防止污泥在倉(cāng)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(cāng)頂部卸料口設(shè)置液壓翻板門(mén)，以使倉(cāng)處于密封常態(tài)。倉(cāng)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(kāi)的形式噴入，增加換熱面積，從而降低污泥對(duì)窯系統(tǒng)的影響。污泥倉(cāng)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(guò)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(guò)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(duì)節(jié)省了污泥預(yù)處理的費(fèi)用，但易造成煙室內(nèi)的溫度波動(dòng)，影響水泥生產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)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(duì)污泥進(jìn)行熱干化預(yù)處理，利用水泥生產(chǎn)過(guò)程中的廢熱煙氣作為熱源，直接或者通過(guò)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(jiàn)圖2。
圖2 污泥投入分解爐的工藝流程圖
污泥送人污泥倉(cāng)后，依次經(jīng)過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)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(guò)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(shí)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(wú)害化徹底、工藝技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，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(chǎng)越來(lái)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)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(jiàn)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(guò)污泥車(chē)運(yùn)輸?shù)轿勰鄠}(cāng)，污泥倉(cāng)底部的液壓滑架驅(qū)使倉(cāng)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(cāng)。通過(guò)垃圾坑加入是將爐前污泥倉(cāng)的污泥送入垃圾坑中，利用抓斗的攪拌實(shí)現(xiàn)污泥與垃圾的混合。此摻燒方式系統(tǒng)簡(jiǎn)單，費(fèi)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(guò)進(jìn)料裝置處加入是將污泥送至爐排爐推料平臺(tái)上，在平臺(tái)上實(shí)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(dú)設(shè)置污泥存儲(chǔ)和輸送系統(tǒng)，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，還可以根據(jù)運(yùn)行實(shí)況控制污泥的摻燒比例，運(yùn)行可靠。為了保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)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(guò)程中的臭氣及有毒物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)污泥的無(wú)害化處理，還降低了對(duì)水泥生產(chǎn)的影響。
03 技術(shù)優(yōu)勢(shì)
填埋、堆肥存在二次污染的同時(shí)還占用大量土地資源。焚燒工藝中單獨(dú)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(wú)害化、資源化和經(jīng)濟(jì)性上有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：
(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(shí)間長(zhǎng)，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(guò)程中也被完全分解。
(2)重金屬等無(wú)殘留，無(wú)二次污染。在水泥窯協(xié)同處置過(guò)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(wú)二次污染。
(3)資源化效率高。污泥中有機(jī)成分和無(wú)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(shí)產(chǎn)生熱量，無(wú)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(duì)處理的污泥量大；水泥窯運(yùn)行穩(wěn)定，熱容量大，處理工藝穩(wěn)定、方便。
(5)投資少及運(yùn)營(yíng)成本低。協(xié)同處置工藝不額外占用土地，無(wú)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(yùn)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(duì)環(huán)境的無(wú)害化，還要確保水泥窯工藝穩(wěn)定、避免對(duì)水泥質(zhì)量的影響。為此，從以下幾個(gè)角度進(jìn)行了探討：
(1)污泥對(duì)水泥窯工藝的影響。水泥生產(chǎn)時(shí)窯內(nèi)溫度達(dá)1000℃以上，協(xié)同處置污泥時(shí)，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(huì)引起窯內(nèi)溫度的驟變，對(duì)水泥生產(chǎn)不利。同時(shí)，污泥中的微量組份也會(huì)對(duì)水泥窯工藝的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響，引入的有害組份如鉀、鈉、氯、硫等會(huì)引起系統(tǒng)粘結(jié)堵塞，從而直接影響設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率和水泥熟料品質(zhì)。
(2)污泥對(duì)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(guò)高帶來(lái)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(shí)污泥中堿的過(guò)量存在會(huì)破壞水泥熟料礦物的形成，使得水化過(guò)快，凝結(jié)時(shí)間變短，對(duì)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(diǎn)關(guān)注重金屬浸出問(wèn)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(wèn)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(yùn)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(guó)內(nèi)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，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(yǔ)
本文對(duì)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(wú)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(kāi)發(fā)利用開(kāi)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(lái)更廣闊的未來(lái)。
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