水泥窑协同处置污水厂污泥的现状与发展趋势

黄菊文 朱昊辰 贺文智 李光明

（1 同济大学环境科学与工程学院 上海 200092 2 污染控制与资源化国家重点实验室 上海 200092）

引言

随着我国经济发展和工业化过程中对环境保护意识的不断加强，城镇污水处理行业得到了迅速发展，我国城镇污水处理率从1998 年的不足16.2%上升至2017 年底的90.0%以上。根据住房城乡建设部关于2017 年上半年全国城镇污水处理设施建设和运行情况的通报，截至2017 年6 月底，全国城镇累计建成运行污水处理厂4063 座，污水处理能力达1.78 亿立方米/日[1]。与此同时，随着城镇污水排放量的与日俱增，其污泥产生量也显著增加，按照1 万吨污水产生7 吨左右含水率为75%的湿泥估算，我国污水处理厂每年将产生有超过4 千万吨湿污泥[2]，据有关专家预测，2020 年我国全年污泥年产量为8000 万吨[3]。基于此，我国在《“十三五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》明确提出，到2020 年底，地级及以上城市污泥无害化处置率达到90%，并要求我国新增或改造污泥（按含水率80%的湿污泥计）无害化处理处置设施能力6.01 万吨/日[4]，较“十二五”全国规划建设城镇污泥处理处置规模518 万吨/年[5]增长了近4.2 倍。

目前我国污泥处理方式仍主要采用填埋、堆肥、自然干化、焚烧等方式[6]，但存在着污泥产生量大、有效处置率低，缺乏引领工艺路线以及处理设备良莠不齐等状况，使得大量污泥没有得到规范化的处理，严重影响着生态环境。《国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》提出了“十三五”期间单位国内生产总值能源消耗降低15%，单位国内生产总值二氧化碳排放降低18%，主要污染物排放量降低10～15%的约束性指标。将污泥用于建材生产，尤其是水泥窑协同处置污水厂污泥作为资源化利用的方式，是实现上述指标的重要途径之一[7]，这也是欧美等工业发达国家污泥利用的重要途径[8]。

1 国内外水泥窑协同处置污水厂污泥现状

1.1 国外水泥窑协同处置污水厂污泥现状

利用水泥窑焚烧协同处置城市工业废弃物在20 世纪80 年代初期就已经在欧、美、日等发达国家开始应用[9]；瑞士的HCB Rekingen 水泥厂是世界上首座具有处置城市生活垃圾、污泥和危险废弃物的水泥厂，并得到了ISO14001 国际标准的认证，开创了水泥工业协同处置城市污泥的先河。近年来，水泥窑协同处置污泥因其生态环境效益显著，在国外备受关注，并取得了长足的技术进步和应用发展。2003 年，瑞士水泥窑协同处置污泥的比例高达19%，2010 年德国达14.6%，2015 年日本高达28.7%[10]，美国有近200 座污水处理厂采用焚烧方式处理污泥，其中6%的污泥采用协同焚烧方式处置[11]。

1.2 我国水泥窑协同处置污水厂污泥现状

近年来，在借鉴国外先进经验的基础上，我国也进行了污泥水泥窑协同处置的探索实践，金隅集团北京水泥厂有限公司的水泥回转窑是全国首条专业处置城市工业废弃物示范线，年处置和综合利用工业废弃物能力为10×104吨，2005 年11 月正式投入使用[12]。广州越堡水泥厂污泥协同处置生产线于2009 年正式运行，设计污泥处理能力600t/d，当前处理能力为300t/d，是当时国内规模最大的水泥窑协同处置城市污泥示范线[13]。随着污泥水泥窑协同处置技术的发展和项目逐年增加，该技术已经成为我国污泥热化学处理处置的手段之一，表1 为处理量300t/d 及以上的我国部分水泥窑协同处置污泥项目的基本情况。

表1 我国部分污泥水泥窑协同处置项目基本情况[10][14]

2 水泥窑协同处置污泥的工艺与优势

2.1 协同处置工艺

污泥因其生物质含量高，热值高，可在水泥窑系统中充分燃烧替代部分燃料；同时污泥灰分与生产水泥生料成分相近，含有CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等生料有效成分，可以直接作为水泥生料的替代原料利用，从而可减少CO2的排放量，同时降低水泥厂生产成本，以解决污泥大量产生带来的环境问题[15]。水泥窑协同处置污水厂污泥的工艺过程中，通常由污泥干化和水泥窑焚烧两大工艺组成，经过干化后的污泥，与生产水泥的原料和燃料进入水泥窑进行煅烧形成熟料，其协同处置污泥工艺流程如图1 所示。

图1 污泥水泥窑协同处置过程的主流工艺路线

2.2 协同处置优势

我国是水泥生产大国，2019 年全国水泥行业企业名录有19510 家，2018 年的水泥产量约占全世界产量的55.9%，显示出水泥窑协同处置污泥的优势与潜力。水泥窑协同处置污泥不仅缓解环境压力，提高污泥资源化利用率，而且与传统的处置方式相比具有十分明显的优势与特点[13][16]。

（1）污泥处理量大。由于水泥回转窑具有焚烧空间大、处理温度高、以及热容量大等特点，加之水泥回转窑运转效率通常高于90%，从而保证了城市污水污泥处理的规模。

（2）有机物分解彻底。水泥回转窑内燃烧温度高，一般在1350～1650℃，物料停留时间长，有机物分解彻底，即使是稳定的有机物如二噁英等也能被完全分解，去除率可达99%，二次污染小。

（3）抑制二噁英产生。由于干化污泥喂入点处在高于850℃的分解炉,分解炉内热容大且温度稳定，水泥回转窑筒体较长，斜度较小，旋转速度较低，污泥在窑炉高温下停留时间长，有效地抑制了二噁英等物质的产生。

（4）固化重金属。水泥煅烧的高温环境有利于促使重金属参与熟料矿物的形成反应，使其转变为难溶的化合状态，最终被固化于矿物晶格中。

（5）能量利用和资源化程度高。利用水泥工业的余热进行污泥烘干，提高水泥厂的能量利用率。水泥窑焚烧后的污泥残渣均为无害的无机盐类或氧化物，可替代黏土作为硅质、铝质原料，从而实现无害化和资源化利用的目的。

（6）总体投资较低。污泥处置与水泥生产协同进行，焚烧设备及部分尾气设备公用，不需额外建焚烧炉，总体投资相对较少。

3 水泥窑协同处置污水厂污泥的发展趋势

水泥窑协同处置污水厂污泥是解决污泥出路与提升污泥处理处置水平实现污泥减量化资源化的有效方法，其进一步发展需重点关注的方向建议如下。

（1）进一步提升水泥窑协同处置污水厂污泥的技术水平

在保证水泥产品质量的前提条件下，进一步提高污泥的添加配比量，提高资源化规模，减小污泥在水泥窑协同处置过程中对外界环境、产品质量、生产设备的影响，是协同处置新技术研发和关键技术装备水平提升的重要方面。

（2）进一步研究水泥窑协同处置污泥的碳减排可持续发展绿色新路

针对水泥行业碳排放大的特点，水泥窑协同处置污水厂污泥可以替代部分化石燃料，实现碳减排。通过大力实施协同处置环保战略，加大污泥处置量，能显著提高碳减排量。同时，鼓励企业积极参与碳交易，获得减排收益，使碳交易制度成为环保战略的有力推手，促进碳交易和环保战略共同发展，为水泥行业可持续发展开辟绿色新路。

（3）进一步建立和完善水泥窑协同处置污泥的激励政策

我国水泥窑协同处置污水厂污泥仍属于发展阶段，相关政策还需完善。应出台更好激励水泥企业积极参与到协同处置中来的机制和制度，推进这一技术路径对实现“减量化、资源化、无害化”终端处理的贡献度，同时也进一步提升水泥企业的社会形象和竞争力，为改善生态环境和经济发展起到积极作用。

结语

水泥窑协同处置污水厂污泥充分发挥了水泥工艺的优势，是一种高效、环保的处置方式，有效地实现了污泥的减量化、无害化和资源化，具有显著的生态环境效益，是污水厂污泥资源化处置的发展途径之一。在大力创导循环经济绿色发展的今天，应更进一步挖掘和提升水泥窑协同处置污水厂污泥的潜力，不断探究水泥窑协同处置污泥的绿色低碳可持续发展之路，进而进一步提升水泥行业企业的经济效益、社会效益和环境效益。