摘要:随着城市化进程加快,我国污水处理设施产生的污泥量显著增加,其处置已成为环保领域的重要议题。污泥中不仅含有大量有机物、病原体及重金属,传统的处理方法效率低下且存在环境风险。文章综述了水泥窑协同焚烧污泥处置技术原理,利用水泥窑的高温焚烧环境实现污泥减量化、无害化处理,还通过将干污泥作为替代燃料,降低了水泥生产成本。此外,文章还详细评估了协同技术的经济和环境两项效益,为推动污泥资源化利用提供了依据。
关键词:污泥;协同处置;环保;经济效益
中图分类号:TQ172.6;X703文献标志码:A
0 引言
随着我国城镇化进程的加速,城市污水处理能力的提升导致污泥产量的急剧增加已成为我国污泥处理处置的难题之一。据相关统计,我国污水处理设施年产污泥可达6000万吨(以含水率80%计算)[1]。目前,我国污泥处理的主要方法包括填埋、农用、堆肥等,但这些传统方法在环境保护和固废资源利用等方面存在诸多不足。为响应国家环保政策和固废资源循环利用的要求,热解气化、干化焚烧、造粒制陶等技术应用的占比逐年提高,以实现污泥的减量化、无害化和资源化处置[2]。2022年国家发改委、住建部和生态环境部联合印发《污泥无害化处理和资源化利用实施方案》,明确规定有效利用本地垃圾焚烧厂、火力发电厂、水泥窑等窑炉处理能力,协同焚烧处置污泥,有序推进污泥焚烧处理[3]。水泥窑协同焚烧污泥处置项目有增长之势。
1 技术原理及实施方式
1.1 技术原理
水泥窑协同焚烧污泥处置的技术原理在于其独特的高温焚烧环境,能有效实现污泥的无害化处理和资源回收。水泥窑是一种大型旋转的热设备,主要用于水泥熟料的生产,包括预热器、煅烧器和冷却器3个主要部分,工作温度可达1450 ℃以上,高温环境对有机物的分解和无机成分的固化极为有利。经高值化处理后的干污泥作为一种替代燃料被引入水泥窑焚烧,其工艺流程如图1所示。污泥在预热器中被干燥和预热(高值化处理),处理后的干污泥热值可提升至13~14 MJ/kg,随后进入煅烧器中完全燃烧,在这一过程中,污泥中的有机物被高温彻底氧化分解。此外,污泥中的无机成分如硅、铝和铁等,与水泥原料反应形成C3S(3CaO·SiO2)和C2S(2CaO·SiO2)等硅酸盐矿物,可改善水泥熟料的品质,实现资源化利用[4]。与传统的焚烧炉相比,水泥窑内高温焚烧环境呈现碱性,能够处理不同种类和特性的污泥,可有效地降低污泥内重金属的挥发和控制二噁英的生成[5],不会产生二次污染。
1.2 实施方式
污泥在水泥窑中的加入方式及操作调整是确保协同处置效率和环境安全的关键环节。干污泥作为替代燃料和原料,在水泥生产中的加入需要精确控制,以适应水泥窑的操作特性并最大化其环保和经济效益。
污泥加入水泥窑的方式主要有两种。(1)直接加入方式:将经过初步脱水处理的污泥直接送入水泥窑煅烧系统,在煅烧区高温下完成焚烧。这种方式要求污泥的水分含量较低(如含水率60%及以下),以减少水泥窑内部温度的影响。(2)预处理后加入方式:通过如蒸汽热干化、烟气热干化或机械干化等方式使污泥达到更低的水分含量(如含水率降至40%及以下)和更适合燃烧的物理状态,然后投入水泥窑系统。
水泥窑的操作调整方面,为了适应污泥的物理和化学特性,水泥窑需进行一系列调整以优化燃烧效果和熟料质量,包括调整窑内温度、气流和物料流等措施。(1)温度调整是通过控制燃烧空气的供给和窑内物料的停留时间来实现的,确保污泥中的有机物质得到完全燃烧,同时控制熟料的烧成温度。有研究表明,水泥窑在处理含污泥的混合物时,窑内运行温度维持在1350~1450 ℃[6],这一温度区间能确保污泥中有机物质的彻底燃烧并最大限度减少NOx的生成[7]。(2)气流调整主要是为了优化燃烧空气的分布和提高热效率,防止局部温度过高或过低影响熟料的质量。有研究指出,适当增加空气供给量并优化气流分布,可以提高水泥窑的热效率并减少局部温度过高或过低的问题,气流量的调整可以提高熟料的烧成质量并减少能耗。(3)物料流调整是通过调节原料的进泥速率和成分比例,以适应加入污泥后新的化学反应平衡。为适应污泥的化学特性,调整原料的投料比,如增加石灰石比例以稳定熟料的硅酸盐组成,将有助于保持熟料的质量并优化化学反应。此外,为了确保环境标准的达标,水泥窑在加入污泥后还需要加强排放控制,特别是对二噁英、NOx和SOx等污染物的监控和管理,实施先进的排放控制技术,如SCR和ESP,显著降低了NOx和SOx的排放,同时粉尘排放也得到了有效控制。
1.3 技术优点
水泥窑协同焚烧污泥处置的优点:
(1)能高效分解污泥中的有机物和固化重金属等有害物质。
(2)高值化处理后的干污泥可以替代水泥窑的燃料煤,降低水泥生产的原材料和能源成本,增强水泥企业的市场竞争力。
(3)减轻污泥处理设施的环境负担。本文主要综述该技术的应用现状,阐明了污泥干化耦合水泥窑协同处置过程所产生的经济效益和环境影响。
2 经济及环境效益
2.1 经济效益
水泥窑协同焚烧污泥处置具有显著的经济效益。首先,将污泥作为替代燃料使用在水泥生产中,可以显著减少对传统化石燃料的依赖。有研究表明,使用污泥替代部分传统燃料后,水泥厂的燃料成本降低。高值化处理后的干污泥(含水率40%)成分及热值,如表1—3所示(污泥取样自山西省长治市某项目)。按100 t/d的污泥协同处置项目折算,每1 t干污泥约替代0.25 t动力煤,动力煤以每吨800元计价,年节约费用约732万元。
此外,污泥的热值利用和无机物的回收能进一步减少生产成本,且材料可循环利用。研究表明,可以使用干城市污泥作为部分替代原料生产与普通水泥所有主要化学成分极度接近的生态水泥,用干污泥代替熟料生产中总原料的15%,铝土矿、泥灰泥和铁矿石的消耗量可分别减少50%、35%和17%。此外,消耗的石灰量将增加6%,其中,干污泥替代量的增加与生态水泥浆体中C2S和C3S的形成分别呈正相关和负相关关系,这极大降低了生产成本,可提高水泥厂经济效益。其次,协同处置技术通过高效的污染物控制,减轻了环境治理的压力,从而降低了企业的环境合规成本。在环保法规越来越严格的背景下,传统的污泥处置方法如填埋或单独焚烧的环境合规成本在不断上升。相比之下,协同处置技术由于其较低的污染物排放,可以有效避免因环保不达标造成的不良后果。
2.2 环境效益
水泥窑协同焚烧污泥处置过程中主要关注的排放物指标包括NOx、NH3、多环芳烃、二噁英、重金属等有害物质。这些物质的存在可能对环境造成重大影响,因此对其排放进行严格控制和评估至关重要。
有研究表明,水泥窑协同焚烧污泥处置有利于减少NOx排放[8],而NOx减少主要取决于污泥中NH3的释放量。同时,烟气中NOx与NH3浓度呈负相关关系(见图2),污泥投料对NOx脱除的贡献随着SNCR系统氨水量的增加而减小。此外,总多环芳烃的排放量似乎随着污泥入窑量的增加而增加。而多环芳烃的分布变化不大,低分子量多环芳烃主要以气相分布,在水泥窑污泥共处理过程中占主要比例[9]。
二噁英是在污泥焚烧过程中可能产生的有害物质之一。二噁英主要通过不完全燃烧有机物质产生,尤其是在温度不稳定或氧气供应不足的情况下更为明显。然而,在水泥窑中,由于工作环境处于高温(通常超过1450℃)和良好的氧化条件下,可以显著减少二噁英的生成。此外,现代水泥窑设备通常配备高效的烟气清洁系统,如静电除尘器和布袋除尘器,这些措施有助于进一步降低二噁英等有害物质的排放。
重金属的排放也是协同处置过程中的一个关键环境问题。污泥中含有铅、镉、汞等重金属,这些元素在高温下可能挥发并通过烟气排放到大气中。然而,研究表明,污泥在水泥窑中协同处理,非挥发性或低挥发性重金属的去除率几乎为100%,但挥发性重金属,特别是汞,不能通过该工艺去除[10],主要原因是大部分重金属能被固化在熟料中,从而减少了其对大气的直接排放。通过调整燃烧条件和优化原料配比,可以进一步降低重金属的挥发性。
3 结语
近年来,我国在污泥处理处置领域的相关政策与法规日趋加强,以应对不断增加的污泥产量及其环境风险。水泥窑协同焚烧污泥处置作为我国污泥干化焚烧的主流工艺之一,是一种有效的资源化和环境友好的污泥处置技术。通过水泥窑的高温焚烧,不仅可以实现污泥中有机物的完全分解,固化重金属,减少对环境的潜在危害,而且通过减少对传统燃料的依赖和提高水泥生产的成本效率,可为水泥厂带来显著的经济效益。
参考文献
[1]张山,李宁,黄婷,等.双碳背景下市政污泥协同处置技术路径碳足迹分析[J].给水排水,2023(11):32-39.
[2]杨健雄.水泥窑协同处理污水处理厂剩余污泥的研究进展[J].中国资源综合利用,2022(40):101-103.
[3]国家发展改革委,住房和城乡建设部,生态环境部.污泥无害化处理和资源化利用实施方案[EB/OL].(2022-09-22)[2023-09-27].https://www.ndrc.gov.cn/xwdt/tzgg/202209/t20220927_1337109.html.
[4]YUSUF R O, NOOR Z Z, ABBA A H, et al. Use of sewage sludge ash (SSA) in the production of cement and concrete: a review[J]. International Journal of Global Environmental, 2012 (12):214-228.
[5]SOBIK-SZOTYSEK J, WYSTALSKA K. Coprocessing of sewage sludge in cement kiln[M]. United Kingdom: Butterworth-Heinemann, 2019.
[6]WU Y, SONG S, XUE Z, et al. Effect of temperature on hexavalent chromium formation in (Al,Cr)2O3 with calcium aluminate cement in air[J]. ISIJ International, 2019(59):1178-1183.
[7]LI Y, WANG H, ZHANG J, et al. Co-processing sewage sludge in cement kiln in China[J]. Journal of Water Resource and Protection, 2013(5): 906-910.
[8]GU Y, CAO H, LIU W, et al. Impact of co-processing sewage sludge on cement kiln NOx emissions reduction[J]. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2021(9): 105511.
[9]LYU D, ZHU T, LIU R, et al. Effects of co-processing sewage sludge in cement kiln on NOx, NH3 and PAHs emissions[J]. Chemosphere, 2016(159): 595-601.
[10]CONESA J A, GLVEZ A, MATEOS F, et al. Organic and inorganic pollutants from cement kiln stack feeding alternative fuels[J]. Journal of Hazardous Materials, 2008(158): 585-592.
(编辑 姚 鑫编辑)
Review on research progress of collaborative incineration of sludge disposal incement kilns
QU Zhaozhou
(Shanghai Xinhuan Gooryee Environment Group Co., Ltd., Shanghai 201702, China)
Abstract: With the acceleration of urbanization, the amount of sludge generated by sewage treatment facilities in China has significantly increased, and its disposal has become an important issue in the field of environmental protection. Sludge not only contains a large amount of organic matter, pathogens, and heavy metals, but traditional treatment methods are inefficient and pose environmental risks. The article summarizes the principle of collaborative incineration technology for sludge disposal in cement kilns, utilizing the high-temperature incineration environment of cement kilns to achieve sludge reduction and harmless treatment. It also reduces the production cost of cement by using dry sludge as an alternative fuel. In addition, a detailed evaluation of the economic and environmental benefits of collaborative technology was conducted, providing a basis for promoting the utilization of sludge resources.
Key words: sludge; collaborative disposal; environment protection; economic benefit
作者简介:瞿兆舟(1982— ),男,高级工程师,硕士;研究方向:垃圾焚烧处置,污泥处理处置及资源化。