城市污泥深度脫水和水泥窯協同處理的集成應用

匡鴻，馬勇，王誠，盧波

城市污泥深度脫水和水泥窯協同處理的集成應用

Deep Dehydration of City Sewage and Integrated Application of Disposing of it with Cement Kiln

匡鴻，馬勇，王誠，盧波

1 前言

隨著社會經濟的快速發展和城市化水平的不斷提高，城市污水處理率逐年提高，污水處理廠的污泥產出率也急劇增加。沒有妥善處理處置的污泥給城市造成的環境壓力和經濟負擔是巨大的，污泥如何安全合理的消納已成為城市基礎設施建設中亟待解決的問題。

污泥中含水率很高（80%）且脫水異常困難。污泥成分復雜，其中含有大量的揮發性固體、碳水化合物、脂肪、蛋白質及灰分，還可能含有毒、有害、難降解的有機物、重金屬、病原菌及寄生蟲（卵）等，容易腐化發臭。總而言之，污泥結構的復雜多變性決定了對其高效處理存在一定的難度。

目前填埋、堆肥和焚燒是我國處理污泥的主要方法，但都有其局限之處。從發達國家處理污泥的經驗來看，利用水泥窯協同處置城市污泥是一種既安全又經濟的處理方法，但是對污泥中某些組分有限制要求，如汞、氯等，參見表1。

2 本項目目標

我們對污泥采用化學調理和機械壓濾相結合的深度脫水技術路線，將污泥脫水至含水率50%～60%，再送入水泥廠回轉窯焚燒。需要指出的是化學調理劑不能使用含氯的組分，目前國內常用的FeCl3不應使用于脫水污泥的后續處理。

利用水泥窯系統的高溫煅燒功能處理污泥，一方面可利用污泥的發熱量，另一方面其灰分也可成為水泥配料的一部分，實現了污泥處理的零排放，無疑是一項兩全齊美的處理途徑。我們把這種將污染控制與資源化利用結合到一起的技術稱之為城市污泥的多元集成處置技術。

3 項目完成情況

為了充分研究了解污泥深度脫水技術以及水泥窯協同處置城市污泥技術，我們建設了兩條示范線——污泥深度脫水示范線和水泥窯協同處置城市污泥示范線。通過對污泥采用化學調理和機械壓濾相結合的深度脫水技術路線，處理市政污泥，使污泥的含水率小于60%，再送至萬安公司水泥窯焚燒處置。項目完成后，污泥深度脫水能力達60t/d（折合含水率80%），全部送到水泥窯處理，每年能消納城市污泥2萬多噸。

3.1 污泥深度脫水示范線

3.1.1 示范線概況

我公司在上海金興水處理工程有限公司（即興塔污水廠）內建設一條深度脫水示范線，污泥深度脫水工序是水泥窯焚燒污泥的前置工序，采用化學調理和機械壓濾復合方法，比采用加熱烘干技術更加節約能源。深度脫水系統采用全自動控制的一體化設備，使污泥深度處理更加經濟和簡便，該系統的技術特點以下：

表1目前國內脫水污泥處理處置方式對比分析

（1）當污泥的含水率一般在80%左右時，經過添加調理藥劑，在隔膜式板框壓濾機脫水后，污泥的含水率一般在50%～55%左右，污泥體積減少一半。

（2）在壓濾過程中，其壓力一般在1.6MPa以內。進料及隔膜保壓時間在90min以內。解決了污泥的大規模生產的問題。

（3）含水率50%～60%的脫水污泥呈現餅狀，經破碎后方便送入水泥回轉窯焚燒。

（4）污泥深度脫水的調理劑無有害成分，不含氯離子，不會產生新的污染。

（5）脫水污泥惡臭氣味減少，有機物、重金屬得到較好穩定，不易發生腐敗變質，不易溶脹。脫水污泥已經成型，方便污泥運輸與貯存。

（6）從污泥中分離出的水可以通過原污水處理廠處理達標。

3.1.2 深度脫水原理

采用化學調理劑是深度脫水的關鍵技術。化學調理劑是數種無機物與有機物藥劑的復合體，由于不同污泥其性質各異，因此要達到有效改性，需要有針對性的復合配方，針對某一種污泥會有一組適合的改性藥劑配方，同時還可殺滅污泥中的細菌等病原體微生物，達到殺菌、除毒的無害化效果。

首先在污泥中先加入一定量的污泥結合水轉化劑，將污泥中的結合水大部分轉化為游離態水，使污泥細胞間質水發生解體，釋放出間隙水，使脫水變得相對容易，為下一步采用機械方式脫水干化創造了條件。再加入絡合沉淀劑、穩定劑和助濾劑等，使污泥中重金屬物質等有毒、有害成分固定，并進一步去除污泥中的惡臭成分后，用泵將穩定化后的污泥送入隔膜式板框壓濾機，進行固液分離，使污泥中的水分以液態的形式分離，污泥含水率可以從80%降低到50%～55%，污泥體積減少一半，減量化效果顯著，出泥基本無臭，性質穩定。壓濾后的濾餅通過專用汽車送至附近的金山水泥廠，送入回轉窯焚燒。

為使調理劑有效滲入污泥中，并對污泥中的水分子充分發揮效用，首先必須使藥劑能均勻地分散到污泥毛細結構中去，因此需要設置具有高速剪切性能的攪拌機，才能達到改性的作用。

經過改性的污泥，將束縛水變成了間隙水，脫水變得相對容易，但因污泥的顆粒很細，在壓濾過程中既要有利于排水，又使濾布不被污泥顆粒堵塞，故要選用專有濾布和保證壓濾機較高的操作壓力，這都是保證高效脫水的關鍵。因此我們沒考慮效果較差的離心式壓濾機和皮帶壓濾機，而選用隔膜式板框壓濾機。

總之，污泥的化學改性技術綜合利用了物理、化學及過程動力學等基本原理，通過藥劑之間的協同作用，破壞了污泥原有的網架結構，促使污泥中親水性有機膠體物質分解，減少泥水間的親和力，改變了污泥中水分存在形式及性質，再經過專用特種脫水機械壓榨后，污泥含水率可以降低到50%左右，減量化效果顯著，出泥基本無臭，性質穩定（見表2）。

3.1.3 污泥深度脫水效果

我公司選用的興源X16MZFG400/1500-UK型隔膜式板框壓濾機，過濾面積400m2，濾餅厚度≤35mm。閉合時，相鄰濾板的凹面構成了一個壓力密封室。當調理后污泥送至壓濾機時，堆積在每個室的濾布上，形成了一塊高固體含量的泥餅，再經過高壓壓榨，進一步降低泥餅含水率。過濾液通過濾布由接液槽從壓濾機排出。壓濾周期結束后，液壓系統打開壓濾機，壓縮空氣吹掃，污泥落地。

經過多次試驗，我們發現，壓濾機工作時，壓榨壓濾定在1.6MPa，保壓時間至少40min，方可取得較好的壓濾效果。

此外，濾布需要經常清洗，否則會大大影響壓濾效果，購買壓濾機時需要考慮購買備用濾布和工業洗衣機。若攪拌不夠完全、濾布不干凈、壓力未達到要求，則需要大大延長壓濾時間。

3.1.4 深度脫水壓出水水質

前期試驗表明，盡管試驗數據有所變化，但總體來看其壓出水質沒有太多差異。

數據顯示壓出水均符合納管要求（見表3）。

3.2 水泥窯焚燒處置污泥示范線

3.2.1 示范線概況

我們在萬安企業總公司建設一條處置脫水污泥的示范線，在窯尾新增污泥輸送、喂料裝置和預燒分解爐，污泥深度脫水后的濾餅利用專用汽車輸送至水泥廠，經破碎后入儲料倉，通過提升機到喂料倉，從倉底卸出的污泥通過皮帶秤喂入分解爐煅燒。污泥送入分解爐焚燒后繼續隨生料進入回轉窯煅燒。

表2 污泥水分測定

表3 壓出水水質

圖1 城市污泥多元集成處置工藝示意圖

表4污泥處理后的重金屬含量，mg/kg

表5 壓濾后污泥工業分析及燃燒特性(干基)

表6 壓濾后污泥的化學分析(干基)，%

興塔深度脫水示范線建成運行后，能完全處理興塔、朱涇、楓涇和廊下等四個污水廠供應的污泥。自7月5日正式運行至9月30日，深度脫水示范線3個月共處理含水率80%的污泥345t，以及含水率95%的污泥296t，送至萬安公司的脫水污泥累計207t。

3.2.2 污泥組分及熱值分析

本項目主要處理興塔鎮附近的四個污水處理廠的污泥（興塔、朱涇、楓涇、廊下），興塔直接提供含水率95%的污泥，自己已不再開壓濾設備，其他三廠將含水率80%的污泥送至興塔污水廠。目前都是采用含水率80%的污泥和含水率95%的污泥1：1的形式混合稀釋，不再加清水稀釋。

處理污泥后水泥中的重金屬含量檢測見表4。

再從污泥熱值分析。根據表5，經過深度脫水后的污泥，含水率在50%左右，低位熱值為2790kJ/kg（667大卡）。可見將污泥深度脫水至50%～60%，即可最大化地發揮減量效果，又可以使污泥中的熱值得到發揮，使污泥對水泥回轉窯有熱量貢獻，這比替代原料更有價值。

污泥中總會含有一些重金屬元素，經過處理后的污泥濾餅中的污泥完全滿足CJ/T 314-2009《城鎮污水處理廠污泥處置水泥熟料生產用泥質》的要求（見表6）。

污泥特性顯示，盡管其中含有一定的發熱量，灰分可作為水泥生產的原料，但污泥中含有大量水分是水泥生產所不愿意接受的。水分高導致污泥處理量變大，不僅不能給系統提供熱量，還將增加系統煙氣量。

就生產控制而言，污泥水分越小，對水泥生產的影響越小。但對污泥脫水來說，擬脫除的水分越多，脫水難度越大，脫水成本越高。如何取得一個控制平衡點，來約束兩者的技術控制參數，要從污泥減量和熱量貢獻兩方面進行分析對比。以100kg干污泥量做基準，將不同含水率時對應的污泥質量繪成曲線，見表7。

從表7可直觀地顯示出，當污泥含水率從80%降至50%時，減量效果明顯；而從50%降至20%，減量效果要差很多。

3.2.3 水泥窯協同處置污泥的優勢

在水泥窯協同處置工序中，將送來的深度脫水污泥濾餅直接加入生料磨，可利用窯尾余熱繼續烘干，再隨生料一起入水泥煅燒系統，從水泥窯工藝過程的研究可知，水泥回轉窯處理污泥具有以下特性：

（1）有機物分解徹底

在回轉窯內物料溫度可高達1450℃，氣流溫度更高。燃燒氣體以及窯內物料呈高湍流化狀態。因此窯內的污泥中有害有機物可充分燃燒，焚燒率可達99.999%，即使是穩定的有機物如二惡英等也能被完全分解。

（2）抑制二惡英形成

國內外水泥窯處置有毒有害廢棄物的實踐表明，水泥窯系統內缺乏二惡英生成的條件，廢棄物焚燒后產生的二惡英排放濃度遠低于排放限值（據歐洲平均數據，水泥窯系統產生的二惡英濃度為0.02ngTEQ/m3（標），符合小于0.1ngTEQ/m3（標）的限值要求）。

（3）不產生飛灰

煅燒排出廢氣粉塵經窯尾布袋收塵器收集后作為水泥原料重新進入窯內煅燒，沒有危險廢棄物飛灰產生。

（4）固化重金屬

回轉窯內的耐火磚、原料、窯皮及熟料均為堿性，可吸收SO2，從而抑止其排放。在水泥燒成過程中，污泥灰渣中的重金屬能夠固定在水泥熟料的結構中。

（5）資源化效率高

污泥中的有機成分和無機成分都能得到充分利用，資源化效率高。污泥中含有部分有機質可作為可燃成分參與煅燒，其無機成分相當于水泥生產的原料。

（6）處理量大、見效快

水泥生產量大，需要的污泥量多；水泥廠地域分布廣，有利于污泥就地消納，節省運輸費用；水泥窯的熱容量大，工藝穩定，處理污泥方便，見效快。

3.2.4 數據分析

經過化驗室的取樣和成分分析，我們將5月份未處理污泥之前生產的水泥產品和7月以后處理污泥時的水泥廠生產的水泥的物化性能進行了對比（見表8、9）。

（1）對熟料產量的影響

數據表明處理污泥后，熟料產能略有下降，比不處理污泥時產能下降約8%。原因應是污泥中的水分造成水泥窯溫度下降，且增加了系統的煙氣量；而強度下降不明顯，仍處于正常波動范圍之內（變動范圍＜3%）。

從生料和熟料的率值來看，處理污泥對熟料的性能沒有太大的變換，強度值的結果也驗證了這一結論。

（2）對細菌含量的影響

污泥濾餅因含有大量有機物質，經腐蝕堆積生產的細菌物質含量巨大，但經水泥窯焚燒后，在高溫下，這些有機物和硫化氫及硫醇等惡臭氣體已完全燃燒分解，不會再產生危害。上海市城市排水監測站的數據表明，水泥中基本沒有細菌（表10）。

（3）對大氣污染物排放的影響

水泥廢氣中的SO2主要是由燃料中硫化物及原料中鐵質原料在300～600℃的溫度下分解而成的，污泥中的硫化氫和硫醇進入分解爐后，因燃燒氧化而產生SO2，一部分SO2在回轉窯的燒成帶以CaSO4或R2SO4的形式被固定在水泥熟料中，另一部分SO2則會在窯內富集，采取旁路放風即可打破窯內SO2的循環富集。因此處理污泥對窯尾的SO2、NOx等污染物排放沒有什么影響，且廢氣中不含硫化氫和硫醇等惡臭氣體，仍滿足水泥工業大氣污染物排放標準（見表11）。

（4）處理污泥后對水泥放射性的影響

對建筑材料放射性物質含量的限值是基于輻射防護基本安全標準而確定的，并以常見的放射性核素226Ra、232Th和40K的比活度表征。國際放射防護委員會（ICRP）對公眾規定的五年內平均年有效劑量限值為1mSv，如果建造住房和工作用房的建筑材料中226Ra（鐳）、232Th（釷）和40K（鉀）的比活度分別為120、100和1000Bq/kg（這一放射性水平接近現行國際規定的極限），并假定公眾在室內的居留因子為0.8，則建材放射性對公眾個體造成的年有效照射劑量約為1.1mSv，已經略為超過ICRP確定的上述有效劑量限值。

在水泥窯處理污泥后，我們有必要對水泥產品的放射性進行評估，以避免對居民健康產生不良影響，表12是國家建筑材料測試中心對水泥的測試結果。

可見處理污泥后水泥產品的放射性符合國家標準，即使考慮居民大部分時間呆在室內，其接受的輻射量也遠遠低于國際放射防護委員會規定的有效劑量值，可以認為處理污泥后的水泥不可能對人體健康產生確定性效應的危害。

表7 污泥含水率和污泥質量的關系

表8 未處理污泥時生產數據

表9處理污泥時生產數據

表10 環境衛生檢測結果

表11 大氣污染物排放對比,mg/m3

（5）重金屬浸出毒性測試

由于大部分的重金屬元素在熟料燒成過程中參與了熟料礦物的形成反應，已經被結合進熟料晶格中，因此判斷重金屬離子的危害作用，不應看其在原料和水泥中的含量，而應觀察其從水泥試塊中的浸出量，只有這部分重金屬才有可能對環境和人畜造成危害。處理污泥后水泥中的重金屬浸出量檢測見表13。

歐美日等發達國家處理污泥的研究表明，以鉻為例的浸出性試驗并未達到德國飲用水法規的元素限值，即使浸出時間延長，結果仍然不變。因此本項目處理污泥時的重金屬基本可固化在水泥結構中，不會對環境產生影響。

表12 處理污泥后水泥的放射性

表13 處理污泥后的水泥中的重金屬浸出量，mg/L

4 社會效益

在社會發展過程中，隨著經濟的增長，同時也帶來環境污染和資源減少的負面效應。世界上眾多工業發達國家在經歷了嚴重的環境污染之后，才開始大力發展“無污染”技術和提高資源利用率，以期減少廢棄物。歐美等發達國家對此進行了大量的探索和實踐，取得了很多成功的經驗，走出“自然資源-產品-廢棄物排放-環境污染-再生利用-環境改善”的線性經濟路線，變為“廢物排放-再生利用”的循環經濟模式，不僅帶來了全新的社會環境效益，也帶來了巨大的經濟效益。

利用水泥窯處置污泥，是實現水泥工業可持續發展的重大途徑，變城市垃圾為水泥工業的原燃材料，變污泥為資源，減少了環境負荷，是環保、資源綜合利用技術的創新，使水泥工業由耗能工業轉變為環境自凈能力強、與環境相容性好的綠色產業，成為改善地球環境的重要工業。

這個項目既是污泥處置工程，又是一個能源再生項目，更是治理污染的環境保護項目。項目建成后很好地解決了上海市城市污泥處理處置問題，減少了污泥進入垃圾填埋場的量，增加了垃圾衛生填埋場的填埋年限，使原來對環境造成嚴重危害的污泥被處理后，實現了無害化、減量化、資源化，大大降低了城市的環境污染，改善人民的生活環境，控制和預防各種傳染病、公害病，提高人民健康水平，從而促進城市的經濟發展。

5 結論

（1）本項目能夠使含水率80%的污泥進行化學調理和機械壓濾后，使其含水率降至50%左右，所需能耗比用余熱烘干節省70%（一次性壓濾污泥10t，耗電約200kWh，脫出廢水約2.5t，耗電80kWh/t廢水）；

（2）興塔深度脫水示范線一班即可完成20t污泥的脫水工作，只要人手滿足，且來料穩定，其產能可以達到處理60t/d污泥（含水率80%）的設計要求；

（3）萬安企業總公司的水泥回轉窯能夠完成處理含水率50%的污泥，不留殘渣，對熟料燒成和熟料質量的影響可控；

（4）興塔深度脫水示范線已運行五個月，運轉正常，周邊無居民反映環境問題；萬安企業總公司處理污泥后，各地用戶沒有反映水泥質量有明顯變化。

TQ172.44

A

1001-6171（2012）05-0034-05

通訊地址：上海建筑材料集團水泥有限公司，上海 201210；

2012-04-10；

沈 穎