市政污泥资源化集中处置对大气环境的影响及防治对策

陈 玲 ，陈 晨

(1.湖南省气象服务中心，湖南 长沙410118；2.湖南省气象技术装备中心，湖南 长沙410007)



市政污泥资源化集中处置对大气环境的影响及防治对策

陈 玲1，陈 晨2

(1.湖南省气象服务中心，湖南 长沙410118；2.湖南省气象技术装备中心，湖南 长沙410007)

用实例对城市污泥资源化集中处置(水泥窑协同)的大气环境影响进行了评价，分析了防治对策，认为：水泥窑处置废弃物处理温度高、焚烧空间大、焚烧停留时间长，处理规模大、无二次渣排放；采用这种国际上先进的技术和装备，在服务社会的同时，也将有效地解决城市污水处理厂污泥处理处置问题，实现生态友好的目标。

市政污泥；资源化处理；水泥窑协同；大气环境影响；防治对策

1 项目由来

我国在污水治理上一向存在着“重污水、轻污泥”特点。污泥是污水处理的产物，污水中约一半的污染物直接转移到污泥中，不解决好污泥处置的问题，污水处理的效果只能是事倍功半。国内许多污水处理厂污泥现主要采用填埋方式处置，而现有城市垃圾填埋场处理能力不足，进入填埋场的污泥已经给填埋场留下了很多的问题：导致污染源的扩散，存在严重的“二次污染”隐患。污泥处置利用发展的严重滞后，导致目前的污泥形成简单填埋为主的局面，逐渐变成市政部门的一大隐患。因此，市政污泥的资源化处理成了摆在我们面前的一项重要任务。

污泥因其热值较低(含水率在35%～45%的市政污泥净热值为6700～7000kJ/kg)，成为一种“废弃物”。这种“废弃物”在水泥窑处置中可替代部分燃料。有关研究资料表明，在分解炉加入水分在30%的市政污泥，大约可节省燃料3.75%左右；此外，“废弃物”焚烧后的残渣(例如污泥残渣)，均成为无害盐类，往往具有可利用的组分，能替代部分天然原料；并且在处理过程中，“废弃物”直接参与了熟料的固相反应、液相反应和熟料烧结过程，参与熟料的形成。因此水泥窑处理市政污泥不存在焚烧灰渣的二次处理和周转污染。

2 案例

2.1 工程概况

建设范围：利用现有5000t/d新型干法水泥窑处置市政污水处理厂污泥，处理市政污泥规模为400t/d(含水率80%，310d计)，年处理12.4万t。

技术方案：将城市污水处理厂已经深度脱水处理至含水率50%以下的污泥，用车辆罐装封闭运送至本项目泥饼储存仓，经水泥窑尾余热进一步热干化至含水率<30%后进入新型干法水泥窑协同处置。污泥经预处理后可作为熟料烧成的部分替代燃料(煤、电)，污泥残余灰渣可作为水泥的硅质原料，替代少量硅质原料(如粘土、页岩等)。利用低温余热发电系统发电后出口烟气(180℃)为干化热源，对现有低温余热发电系统热量进行了再利用，能大大提高水泥企业对余热(能源)的综合利用效率。污泥处置工艺流程见图1。

2.2 大气污染源分析及防治对策

工程施工期对大气环境的影响是短暂有限的，其对大气的污染随着施工活动的结束而结束。因此我们着重分析营运期对大气环境的污染及主要防治对策。

运营期产生和排放的大气污染物主要包括：污泥干化过程中产生的臭气、污泥煅烧过程中产生的含极微量二噁英的窑炉烟气及污泥运输车辆在运输过程中产生的尾气。本项目主要产污环节及污染物详见图2。

2.2.1 粉尘

污泥的输送、破碎、烘干、储存等生产过程中会产生少量粉尘，其中最主要为泥饼烘干系统排放的粉尘等。由于是利用水泥窑窑尾烟气余热烘干泥饼，且在泥饼烘干系统，在废气排放口均设置了与窑尾废气排放口一样的袋式除尘器，因此，窑尾粉尘排放减少量大致与烘干系统排放的粉尘量相当。泥饼转运、输送过程有少量有组织粉尘的排放。在含水率50%泥饼装卸过程中也会产生部分粉尘，只要加强污泥的装卸、转运、输送的管理工作，粉尘的排放量基本不增加，对周围环境影响较小。工程除尘系统详见表1。

表1 工程除尘系统一览表

为了有效控制粉尘的排放量，减少其对周围环境的影响，在设计上采取以防为主，从工艺上尽量减少生产中的粉尘环节，如：对干燥污泥输送采用密闭式输送设备。

由于设计用污泥替代部分水泥生产生料以及煤粉，而保持熟料的总产量不变，再加上现有排气烟囱均采用了高效的除尘器，除尘效率高达99.9%以上，因此，窑头、窑尾粉尘排放量不增加。

2.2.2 SO2

烧成炉尾排放的SO2主要是由于煤粉和原料在炉内共同燃烧而产生的。处置80%含水率市政污泥400t/d(折合50%的污泥160t/d)，污泥具有一定的节能效果(燃料替代比例约为3.75%，每年可节约标准煤930t/a)，且污泥中的灰分还能替代部分原料使用(原料用量可减少约3.57万t/a)，而城市污泥的含硫量(0.77%)与标煤含硫量(0.80%)基本相似，原料中亦含有0.01%～46.88%不等的SO3(如石膏含SO3达46.88%，石灰石含SO3为0.03%)，因此，水泥窑加入污泥后，在不增加熟料产能的情况下，SO2的实际产排量与现有工程基本无变化。

2.2.3 NOX

窑尾烟气需采取低氮燃烧脱硝法对NOx进行控制，以降低NOx排放量。对窑烟囱采用“四通道大推力燃烧器+分解炉助燃空气分级燃烧技术+末端选择性非催化还原技术”联合进行脱硝。脱硝后NOx排放浓度280mg/m3，排放量为1032t/a。

2.2.4 二噁英类

二噁英的形成需要3个条件：①不完全燃烧，尤其是350～500℃下的低温不完全燃烧反应的存在；②有机氯化合物、有机苯环化合物的存在；③催化剂的存在，主要是铜、镧等副族元素化合物。

完全不可能创造二噁英的3个形成条件：①通过调整系统的风、料、煤的配合关系，在燃烧条件优越的富氧区域加入干污泥替代燃料，可以保证污泥在分解炉内的高温燃烧，阻断二噁英在高温燃烧区域的形成。污泥只从高温段进入窑系统，在分解炉内的停留时间长达6s，分解炉内平均温度在880℃以上，二噁英的分子结构会被分解和破坏，是完全可以保证污泥及燃料的完全燃烧的。此外，通过调整系统的配风，适当增加系统的氧气含量，可以很好地抑制窑系统出现不完全燃烧反应。②废气从水泥窑系统进入上部预热器，然后逐级换热降温至320℃后被排出预分解系统进入原料磨，在整个系统降温过程中，充满着高浓度碱性氧化物粉尘，碱性氧化物可抑制二噁英的生成。此外，系统中缺乏合成二噁英的有机氯源，虽然在原料和污泥中含有Cl-，但大都是以氯盐的形式带入系统中的，而在系统内的富集循环也是以氯盐形式出现，基本不具备Cl2形成的条件，所以再度合成二噁英的条件不充分，另外高温条件下，生成的氯酸盐还可以氧化破坏已生成的二噁英污染物。③二噁英形成需要催化剂，作为催化剂的重金属在窑尾主要以矿物的形式分布在生料粉中，在燃烧灰焦的表面存在很少，催化媒介很少，导致二噁英的形成受到很大的抑制。

烘干废气中二噁英浓度按0.023ngTEQ/Nm3、烘干废气量按5.8万Nm3/h，一年按7500h进行核算，则烘干废气中二噁英的产排量为：1.001×10-8t/a；本项目窑处置污泥后窑烟气中二噁英浓度按0.008ngTEQ/Nm3、回转窑废气量按50.6万Nm3/h，一年按7500h进行核算，则窑处置污泥后窑烟气中二噁英的产排量为：3.036×10-8t/a；因此，本项目二噁英的总排放量为4.037×10-8t/a。

2.2.5 尾气中的重金属浓度

本项目利用城市污水处理厂污泥作为部分硅质原料(仅占总原料的4%)。污泥中微量的重金属成分将进入熟料中，并不会影响熟料的质量。污泥中含有微量的重金属铅、铜、镉和汞，污泥经烘干破碎后进入回转窑与生料一起煅烧，回转窑温度为1400～1500℃，上述重金属中铅的沸点为1725℃，铜的沸点为2595℃，镉的沸点为770℃，汞的沸点为375℃，在焚烧过程中铜和部分铅将会留在污泥中最终进入熟料产品中，而汞、镉和另一部分铅将会转化成气体进入尾气中，在经过除尘器和热交换器后，尾气温度由200℃降为130℃，随粉尘外排。

本项目回转窑废气量50.6万Nm3/h，一年按7500h计算，铅、镉、汞排放浓度按同类工程环保验收窑废气中重金属浓度监测平均浓度最大值进行核算，则本项目窑处置污泥后窑烟气中重金属的排放量分别为：铅0.129t/a、镉2.58×10﹣3t/a、汞7.63×10﹣4t/a。

2.2.6 恶臭气体

恶臭气体主要是在污泥储运和污泥干化阶段产生和排放的，即便是含水率50%的污泥，仍有少量臭气产生和散发出来。针对污泥储存及干化阶段的工艺特性，工程污泥预处理车间采用负压操作，维持负压所抽取的空气及异味气体的混合物同烘干废气一同进行生物除臭。车间内废气及干化尾气经过喷淋降温、脱酸并除去部分臭气后，进入生物滴滤除臭系统。通过喷淋层洗涤后，废气中的SO2、HCl、HF 等污染物被吸收，喷淋液循环使用。

本项目污泥干化废气的特征污染物主要为H2S、NH3和少量的CH4S。结合同类工程污泥烘干系统排放气体臭气浓度，并综合考虑到生物处理系统的不稳定性，核算出本工程H2S、NH3和CH4S的排放量分别为0.00035kg/h(0.003t/a)、0.041kg/h(0.308t/a)、0.00006kg/h(0.001t/a)，排放浓度分别为0.006mg/m3、0.700mg/m3、0.001mg/m3。

2.2.7 污泥运输车

作为污泥运输工具的罐装污泥运输车排放的废气也是拟建项目的大气污染源之一。汽车废气污染物主要来自曲轴箱漏气、燃油系统挥发和排气管的排放，大部分的碳氢化合物和全部的NOx、CO来自排气管。根据估算，日平均运输污泥约8～10车次，选取汽车进厂后的行驶速度为10km/h、行驶距离按1000m计。参考国内外汽车尾气排放系数，大型汽车在低速进、出地面停车场时的汽车尾气排放系数列于表2。一年按315d计。具体污染排放量见表3。

表2 大型货车低速行驶时的尾气排放系数 (g/km)

表3 污泥运输车在进、出场地过程中大气污染物排放量

市政污泥要采用密闭的罐车进行运输，保证密封严格、不洒不漏，并安排合理的运输时间，避开交通高峰时段，随时检查专用运输车的严密性和完好度，防止气味逸出。

2.3 大气污染物排放情况

工程大气污染物排放情况见表4。

表4 大气污染物排放情况汇总表

3 防护距离

根据《HJ2.2-2008环境影响评价技术导则 大气环境》 “为保护人群健康，减少正常排放条件下大气污染物对居住区的环境影响，在项目厂界外设置环境防护距离”要求，采用推荐模式中的大气环境防护距离模式计算厂区各无组织排放源的大气环境防护距离。

3.1 粉尘

据工程分析，水泥生产线粉尘无组织排放主要产生于：①汽车运输产生的粉尘；②泥饼装卸、转运、输送等生产过程。本工程厂区粉尘各无组织排放源强详见表5。本工程粉尘标准浓度限值依据环评导则规定的一次浓度值为日均浓度值3倍的比例关系换算得到，即取0.9mg/m3。工程建成后大气环境防护距离计算结果见表6。

表6 工程投产后大气环境防护距离

经模式计算，得到本工程投产后无组织排放大气环境防护距离为150m，厂界外东面厂界、西面厂界、北面30m、南面30m为大气环境防护区域，因厂界外大气环境防护区域范围内无居民，故大气环境防护距离内无环保搬迁。

3.2 恶臭气体

无组织排放恶臭气体主要是在污泥储存阶段产生和排放的，即便是含水率50%的污泥，仍有少量臭气产生和散发出来。污泥干化废气的特征污染物主要为H2S、NH3。工程H2S、NH3和CH4S的排放量分别为0.00035kg/h(0.003t/a)、0.041kg/h(0.308t/a)，排放浓度分别为0.006mg/m3、0.700mg/m3。现按最大恶臭气NH3排放量0.041kg/h(0.308t/a)，并结合平面布置图，确定恶臭气需要控制的范围。本工程投产后恶臭无组织排放源强详见表7。

表7 工程投产后恶臭排放源强

经模式计算，得到本工程投产后恶臭无组织排放大气环境无超标点，因此不设置恶臭大气防护距离。

3.3 卫生防护距离

式中：Cm-环境空气浓度限值(mg/m3)；L-工业企业所需卫生防护距离，m；r-有害气体无组织排放源所在生产单元的等效半径，m，根据该生产单元占地面积S(m2)计算；A、B、C、D-卫生防护距离计算系数；Qc-工业企业有害气体无组织排放量可以达到的控制水平。

根据生产区恶臭的无组织排放量作为计算源强，计算参数及计算结果见表8。

表8 卫生防护距离计算参数及结果

经计算，卫生防护距离为50m。工程污泥接受及储存车间50m的卫生防护距离均位于厂区内部，卫生防护距离内无环境敏感点。

4 结语

水泥窑处置废弃物处理温度高、焚烧空间大、焚烧停留时间长，处理规模大、无二次渣排放。市政污水处理厂污泥因产生量大、且成份复杂，是当前急需处理处置的问题。给市政污泥寻求解决出路，对其进行减量化、稳定化、无害化和资源化是十分必要和迫切的。通过采用国际上最先进的技术和装备，能实现高效、节能、低耗的目的，实现单位产品的最低投入，在环保、节能、降耗上达到最好的水平，在服务社会的同时，也将有效地解决城市污水处理厂污泥处理处置问题，实现生态友好的目标。

[1]环境影响评价技术导则 总纲:HJ2.1-2011[S].

[2]环境影响评价技术导则 大气环境:HJ2.2-2008[S].

[3]环境空气质量标准:GB3095-2012[S].

[4]工业企业设计卫生标准:TJ36-79[S].

Environment Influence of Centralized Reusing the Sludge from Domestic Wastewater Treatment Plant on Air Quality

CHEN Ling1，CHEN Chen2

(1.Hunan Weather Service Center, Changsha Hunan 410118 ,China)

Sludge resource centralized treatment provided city government a new way to harmlessly recycle the sludge. The influence of the centralized disposal method on atmospheric environment was evaluated. The prevention measures were put forward as well. The cement kiln technology had many advantages of high temperature, spacious incineration space, long detention time, large treatment volume and no second discharge of sludge. This advanced technology would deal with the sludge issue effectively to serve the social well and to realize the goal of environmentalfriendly.

sludge from domestic wastewater treatment plant; recycling; cement kiln; air environment; prevention measures

2016-04-22

X703

A

1673-9655(2016)06-0061-06