陈建飞

(武汉中科水生环境工程股份有限公司，湖北 武汉 430070)

1 引言

近年来，随着我国新建、改建、提规运营污水处理厂数量不断增加，对污水处理的副产物市政污泥的处置问题更加凸出与处置需求愈加强烈。据统计，截至2018年9月底，我国已有4306座污水处理厂在运行，处理能力合计约1.93亿m3/d[1]。假定污泥含水率为80%[2]，产泥量按每10000 m3产5 t计，估算出市政污泥年产生量约3522万t，预测到2021年底，市政污泥产量极有可能超过7500万t。市政污泥含水率高，体积大，易腐烂且含大量病菌、重金属、难生物降解有毒有害物质等[3]，如不及时处理，将会对地表水、地下水、土壤和空气产生不可预估的污染和危害，甚至直接对人类身体健康造成威胁。污泥产量递增趋势明显，而国内污泥处置效率却未见鲜明提升。目前，国内污水处理厂中约90%配备了污泥脱水车间，但仅有不足3%的污水处理厂实现了污泥的生态稳定化处理，长此下去，势必对社会发展造成严重的消极影响。

2 我国市政污泥处理技术现状

在国内有填埋、堆肥、焚烧和农业利用等传统的市政污泥处理处置技术方法(图1)。

图1 我国市政污泥处理及利用途径分布

我国市政污泥处理及利用以农用和填埋为主，但仍有13.79%市政污泥未处理。市政污泥逐年累积，不仅影响和阻碍环境的可持续发展，还影响我国经济与社会可持续发展。市政污泥同大部分固体废物一样，具有“废物”和“资源”的二重属性。市政污泥中有机物质多，热值较高，可作为替代燃料使用，其具体热值见表1[4,5]。

表1 典型市政污泥燃烧热值

目前，国内外以实现市政污泥资源化为目标的技术方法[6～9]见表2。

表2中用污泥替代部分水泥生产原燃料技术，降低了水泥企业的生产成本，过程中不产生二次污染，对有毒有害无/有机物，重金属的去除效果明显，所产水泥性能均达到国家标准，是一条可持续发展的市政污泥处理处置道路。

3 水泥窑协同处置市政污泥技术与优势

市政污泥焚烧飞灰成分中Si，Al，Fe元素含量比例满足水泥生产黏土质原料指标要求，可作为水泥生产原料使用。市政污泥焚烧飞灰各组成成分见表3[4，5]。

目前，常见的水泥窑协同处置市政污泥技术有两种，一种是利用水泥窑直接处置污泥，另一种是预处理市政污泥使其经废气热干化后再进入水泥窑协同焚烧处理，其中，第二种方法的实现有两种工艺，分别为直接接触干燥和间接换热干燥。研究发现污泥经干化处理后进入水泥窑内能大大减少窑内热量损失，具有明显经济意义，所以水泥窑处置工艺一般以“先干化，后处理”为主。常规的水泥窑协同处置市政污泥系统流程如图2所示。

表2 国内外以实现市政污泥资源化为目标的技术方法

表3 市政污泥焚烧飞灰成分

图2 水泥窑协同处置市政污泥系统流程

由图2可知，污泥干化热源来自窑尾的废热烟气，一方面降低了废气排出温度，另一方面利用废气余热预干化污泥实现了废气资源化利用。与其它污泥处理处置技术相比，该技术方法还存在如下优点[10,11]。

(1)水泥生产过程中，窑内物料温度一般高于900 ℃，气体温度则高于1200 ℃，且在窑内的停留时间大于4 s，并且回转窑内的物料状态为高度湍流态，混合均匀性极好。当污泥与水泥原料同时输送至进入窑炉后，污泥以燃料形式被利用，污泥中有害有机物能得到充分燃烧去除并能稳定高效抑制二噁英的形成。

(2)市政污泥焚烧飞灰替代部分水泥生产原料进入水泥窑与原有生料原料混合焚烧后，对水泥熟料各成分比例影响很小，对熟料品质负影响可忽略,节省了原料消耗，降低了水泥熟料生产成本。

(3)市政污泥输送至窑炉后，在水泥烧成生产过程中，污泥中的重金属被牢固的固化在水泥熟料的晶格中，且固化效果稳定，从而有效避免重金属浸出产生二次污染。

(4)与焚烧、混合焚烧工艺技术相比，该技术将市政污泥焚烧后的废气粉尘在窑尾布袋收尘器集中收集后再返回至水泥回转窑内煅烧，几乎不产生飞灰。

(5)水泥生产量大，可处置的污泥量多，且水泥回转窑热容量大、工作状态稳定，处理污泥简便高效。

4 水泥窑协同处置市政污泥技术重难点

我国水泥窑协同处置市政污泥技术起步较晚，但在充分借鉴学习国外先进经验的基础上，也逐步走向市场，先后建立并成功运营若干个水泥窑协同处置市政污泥项目，并达到预设的经济环境效益。水泥窑协同处置市政污泥技术经济环境效益高，应用前景广，但仍存在技术重难点。主要表现在以下几方面。

4.1 污泥干化热源及干化臭气问题

污泥干化热源选择问题。如抽取余热发电蒸汽干化污泥可能导致发电效益下降；废热热泵干燥技术能消除对水泥窑和发电的影响，但需要两次换热操作，增加了制热和发电成本；直接抽取利用水泥窑高温烟气能缩小对余热发电影响，但反过来可能改变水泥窑内热平衡，从而增加生产运营成本；若单独建立热源供应站，不仅增加投资建设成本，而且影响周边环境。此外，污泥干化过程中的臭气带来的二次污染问题也亟待改善。

4.2 污泥喂料点及投配比的选择问题

目前可选择的喂料点有分解炉底部，窑尾等部位，污泥喂料点不同，焚烧效果不同，经济环境效益不同，大大增加了实际工程运营难度与运行成本。同时，即使是同一喂料点，投配比对水泥窑焚烧的影响也存在差异。污泥投配比越大，资源化利用程度越高，但过大的投配比可能导致水泥窑局部温度骤变，影响燃烧效果，增大煤耗量，并增加后续烟气处理达标排放压力，甚至会对水泥产品的品质产生影响。目前，我国水泥窑协同处置市政污泥技术日趋成熟，但仍需更多的实际运行参数经验作为喂料点和投配比选择的理论依据。

4.3 污泥中难/易挥发重金属问题

污泥含Ni和Cr难挥发的重金属，在回转窑炉内煅烧通过固相反应、液相烧结等物理化学过程烧结固化至熟料晶格中，但当Cr过量时，可能导致硅酸三钙的分解，从而降低水泥熟料的品质。此外，污泥中的Zn和Pb重金属不易挥发，在高温下可形成硫酸盐和氯化物，容易在窑和预热器内形成内循环，最终聚集在窑内导致窑尾和预热器部分位置出现结皮、堵塞，严重时影响烧成系统的稳定和正常运行。污泥中还含有易挥发的Cd、As和Hg重金属，在水泥回转窑焚烧过后主要存在于烟气中，如若控制不当容易造成排放污染。

5 结语

就目前我国市政污泥处理处置的的工业技术水平和行业发展趋势来看，水泥窑协同处理市政污泥是当下最合适、最经济、最有效的一种处理技术，该技术也获得了我国环保和水泥行业极大的关注和肯定，现在一些水泥企业正积极探讨积累运行经验。未来市政污泥水泥窑处理将是我国市政污泥处理主要处理方式。