水泥窯協同處置污水廠污泥的現狀與發展趨勢

黃菊文 朱昊辰 賀文智 李光明

（1 同濟大學環境科學與工程學院 上海 200092 2 污染控制與資源化國家重點實驗室 上海 200092）

引言

隨著我國經濟發展和工業化過程中對環境保護意識的不斷加強，城鎮污水處理行業得到了迅速發展，我國城鎮污水處理率從1998 年的不足16.2%上升至2017 年底的90.0%以上。根據住房城鄉建設部關于2017 年上半年全國城鎮污水處理設施建設和運行情況的通報，截至2017 年6 月底，全國城鎮累計建成運行污水處理廠4063 座，污水處理能力達1.78 億立方米/日[1]。與此同時，隨著城鎮污水排放量的與日俱增，其污泥產生量也顯著增加，按照1 萬噸污水產生7 噸左右含水率為75%的濕泥估算，我國污水處理廠每年將產生有超過4 千萬噸濕污泥[2]，據有關專家預測，2020 年我國全年污泥年產量為8000 萬噸[3]。基于此，我國在《“十三五”全國城鎮污水處理及再生利用設施建設規劃》明確提出，到2020 年底，地級及以上城市污泥無害化處置率達到90%，并要求我國新增或改造污泥（按含水率80%的濕污泥計）無害化處理處置設施能力6.01 萬噸/日[4]，較“十二五”全國規劃建設城鎮污泥處理處置規模518 萬噸/年[5]增長了近4.2 倍。

目前我國污泥處理方式仍主要采用填埋、堆肥、自然干化、焚燒等方式[6]，但存在著污泥產生量大、有效處置率低，缺乏引領工藝路線以及處理設備良莠不齊等狀況，使得大量污泥沒有得到規范化的處理，嚴重影響著生態環境。《國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》提出了“十三五”期間單位國內生產總值能源消耗降低15%，單位國內生產總值二氧化碳排放降低18%，主要污染物排放量降低10～15%的約束性指標。將污泥用于建材生產，尤其是水泥窯協同處置污水廠污泥作為資源化利用的方式，是實現上述指標的重要途徑之一[7]，這也是歐美等工業發達國家污泥利用的重要途徑[8]。

1 國內外水泥窯協同處置污水廠污泥現狀

1.1 國外水泥窯協同處置污水廠污泥現狀

利用水泥窯焚燒協同處置城市工業廢棄物在20 世紀80 年代初期就已經在歐、美、日等發達國家開始應用[9]；瑞士的HCB Rekingen 水泥廠是世界上首座具有處置城市生活垃圾、污泥和危險廢棄物的水泥廠，并得到了ISO14001 國際標準的認證，開創了水泥工業協同處置城市污泥的先河。近年來，水泥窯協同處置污泥因其生態環境效益顯著，在國外備受關注，并取得了長足的技術進步和應用發展。2003 年，瑞士水泥窯協同處置污泥的比例高達19%，2010 年德國達14.6%，2015 年日本高達28.7%[10]，美國有近200 座污水處理廠采用焚燒方式處理污泥，其中6%的污泥采用協同焚燒方式處置[11]。

1.2 我國水泥窯協同處置污水廠污泥現狀

近年來，在借鑒國外先進經驗的基礎上，我國也進行了污泥水泥窯協同處置的探索實踐，金隅集團北京水泥廠有限公司的水泥回轉窯是全國首條專業處置城市工業廢棄物示范線，年處置和綜合利用工業廢棄物能力為10×104噸，2005 年11 月正式投入使用[12]。廣州越堡水泥廠污泥協同處置生產線于2009 年正式運行，設計污泥處理能力600t/d，當前處理能力為300t/d，是當時國內規模最大的水泥窯協同處置城市污泥示范線[13]。隨著污泥水泥窯協同處置技術的發展和項目逐年增加，該技術已經成為我國污泥熱化學處理處置的手段之一，表1 為處理量300t/d 及以上的我國部分水泥窯協同處置污泥項目的基本情況。

表1 我國部分污泥水泥窯協同處置項目基本情況[10][14]

2 水泥窯協同處置污泥的工藝與優勢

2.1 協同處置工藝

污泥因其生物質含量高，熱值高，可在水泥窯系統中充分燃燒替代部分燃料；同時污泥灰分與生產水泥生料成分相近，含有CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等生料有效成分，可以直接作為水泥生料的替代原料利用，從而可減少CO2的排放量，同時降低水泥廠生產成本，以解決污泥大量產生帶來的環境問題[15]。水泥窯協同處置污水廠污泥的工藝過程中，通常由污泥干化和水泥窯焚燒兩大工藝組成，經過干化后的污泥，與生產水泥的原料和燃料進入水泥窯進行煅燒形成熟料，其協同處置污泥工藝流程如圖1 所示。

圖1 污泥水泥窯協同處置過程的主流工藝路線

2.2 協同處置優勢

我國是水泥生產大國，2019 年全國水泥行業企業名錄有19510 家，2018 年的水泥產量約占全世界產量的55.9%，顯示出水泥窯協同處置污泥的優勢與潛力。水泥窯協同處置污泥不僅緩解環境壓力，提高污泥資源化利用率，而且與傳統的處置方式相比具有十分明顯的優勢與特點[13][16]。

（1）污泥處理量大。由于水泥回轉窯具有焚燒空間大、處理溫度高、以及熱容量大等特點，加之水泥回轉窯運轉效率通常高于90%，從而保證了城市污水污泥處理的規模。

（2）有機物分解徹底。水泥回轉窯內燃燒溫度高，一般在1350～1650℃，物料停留時間長，有機物分解徹底，即使是穩定的有機物如二噁英等也能被完全分解，去除率可達99%，二次污染小。

（3）抑制二噁英產生。由于干化污泥喂入點處在高于850℃的分解爐,分解爐內熱容大且溫度穩定，水泥回轉窯筒體較長，斜度較小，旋轉速度較低，污泥在窯爐高溫下停留時間長，有效地抑制了二噁英等物質的產生。

（4）固化重金屬。水泥煅燒的高溫環境有利于促使重金屬參與熟料礦物的形成反應，使其轉變為難溶的化合狀態，最終被固化于礦物晶格中。

（5）能量利用和資源化程度高。利用水泥工業的余熱進行污泥烘干，提高水泥廠的能量利用率。水泥窯焚燒后的污泥殘渣均為無害的無機鹽類或氧化物，可替代黏土作為硅質、鋁質原料，從而實現無害化和資源化利用的目的。

（6）總體投資較低。污泥處置與水泥生產協同進行，焚燒設備及部分尾氣設備公用，不需額外建焚燒爐，總體投資相對較少。

3 水泥窯協同處置污水廠污泥的發展趨勢

水泥窯協同處置污水廠污泥是解決污泥出路與提升污泥處理處置水平實現污泥減量化資源化的有效方法，其進一步發展需重點關注的方向建議如下。

（1）進一步提升水泥窯協同處置污水廠污泥的技術水平

在保證水泥產品質量的前提條件下，進一步提高污泥的添加配比量，提高資源化規模，減小污泥在水泥窯協同處置過程中對外界環境、產品質量、生產設備的影響，是協同處置新技術研發和關鍵技術裝備水平提升的重要方面。

（2）進一步研究水泥窯協同處置污泥的碳減排可持續發展綠色新路

針對水泥行業碳排放大的特點，水泥窯協同處置污水廠污泥可以替代部分化石燃料，實現碳減排。通過大力實施協同處置環保戰略，加大污泥處置量，能顯著提高碳減排量。同時，鼓勵企業積極參與碳交易，獲得減排收益，使碳交易制度成為環保戰略的有力推手，促進碳交易和環保戰略共同發展，為水泥行業可持續發展開辟綠色新路。

（3）進一步建立和完善水泥窯協同處置污泥的激勵政策

我國水泥窯協同處置污水廠污泥仍屬于發展階段，相關政策還需完善。應出臺更好激勵水泥企業積極參與到協同處置中來的機制和制度，推進這一技術路徑對實現“減量化、資源化、無害化”終端處理的貢獻度，同時也進一步提升水泥企業的社會形象和競爭力，為改善生態環境和經濟發展起到積極作用。

結語

水泥窯協同處置污水廠污泥充分發揮了水泥工藝的優勢，是一種高效、環保的處置方式，有效地實現了污泥的減量化、無害化和資源化，具有顯著的生態環境效益，是污水廠污泥資源化處置的發展途徑之一。在大力創導循環經濟綠色發展的今天，應更進一步挖掘和提升水泥窯協同處置污水廠污泥的潛力，不斷探究水泥窯協同處置污泥的綠色低碳可持續發展之路，進而進一步提升水泥行業企業的經濟效益、社會效益和環境效益。