水泥窑处置污泥烘干废气的污染与防治

张灵辉，苏达根

水泥窑处置污泥烘干废气的污染与防治

张灵辉1、2，苏达根1

采用HAPSITE便携式气相色谱/质谱仪、盐酸萘乙二胺分光光度法等检测废气成分，研究了水泥窑处置城市污水污泥烘干过程中废气的污染与防治。实验结果表明，含水量较高的城市污水污泥烘干时会产生恶臭气味的尾气，其成分包括NH3、H2S和芳香族化合物、卤代烃等，直接排放会污染环境。以新鲜热风烘干污水污泥后的废气与煤粉在950℃燃烧，不仅可分解废气中多种有害组分，而且还可降低废气NOX浓度。利用窑尾废气直接烘干污泥的技术方案值得商榷，建议采用回收水泥回转窑筒体冷却热风或熟料冷却机热风烘干污水污泥，其废气再进入水泥窑燃烧的技术方案。

城市污水污泥；水泥窑；NOX；废气；防治

利用水泥窑处理城市污水污泥有很多优势，但也存在着一些问题。城市污水污泥经过压滤后还含有相当的水分，一般需要烘干才能被进一步利用，在此过程中排放的废气常带有恶臭，不但污染周围环境，影响附近居民的日常生产生活，还会给人体健康造成危害。为此，本文研究水泥窑处置城市污水污泥烘干过程中有害气体的污染与防治。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

（1）煤粉：广东某水泥厂生产用烟煤粉，热值26.33kJ/g，氮含量0.89%，硫含量0.75%。

（2）污泥：广州市某污水处理厂脱水污泥，热值11.14kJ/g，氮含量4.08%，硫含量1.03%，含水率52.5%。

1.2 实验方法及设备

煤粉及其混合物的煅烧实验在快速升温管式电炉SJG-16中进行，采用硅碳棒作为加热元件。

废气成分的测定：

（1）用HAPSITE便携式气相色谱/质谱仪测定链状烷烃、环烷烃、芳香烃、醇类、苯酚类、醛、脂肪酮、苯胺类、腈类、酯类和含氮杂环化合物等有机物；

（2）参照GB8969——88《空气质量氮氧化物的测定盐酸萘乙二胺比色法》，采用盐酸萘乙二胺分光光度法测定氮氧化物；

（3）参照 GB/T14668——93《空气质量氨的测定纳氏试剂比色法》，采用纳氏试剂分光光度法测定NH3；

（4）采用《空气和废气监测分析方法（第四版）》中亚甲基蓝分光光度法（国家环境保护总局《空气和废气监测分析方法》编委会，2003）测定硫化氢。

表1 污泥干燥尾气成分分析

2 结果与讨论

2.1 污泥干燥尾气的成分分析

将城市生活污水脱水污泥置于真空烘箱内，加热至90℃保温1h，用采样器将干燥尾气收集后测定其成分。

分析两种典型恶臭成分NH3和H2S，结果表明，以纳氏试剂分光光度法测得氨浓度为4.9mg/m3；以亚甲基蓝分光光度法测得硫化氢浓度为0.2mg/m3。

采用HAPSITE便携式气相色谱/质谱仪，由仪器自带标准数据库对比分析废气其他成分。结果见表1。

由以上实验结果可以看出，90℃烘干污泥的尾气中，氨的浓度为4.9mg/m3，远高于其他成分，另外含有硫化氢及多种有机成分组分：包括芳香族化合物，如苯、甲苯、乙苯等；卤代烃，如二氯甲烷、二氯乙烷、5-氟溴苯、四氯甲烷等；含硫化合物，如乙硫醇、硫醚类等；含氧有机物，如醇、酯等；其他烃类，如烯烃、正己烷等。其中，烷烃、烯烃、芳香烃和卤代烃所占的比重较大，且链状烷烃占80%以上。

污泥干燥尾气中的物质主要来自于污水处理过程中大分子有机物的分解产物和溶解在水中的化合物，它们通过沉淀、吸附或被微生物吸收的方式转移到污泥中。干燥时随着温度的升高，首先是随水分蒸发释放出沸点低、易挥发物质，随着温度继续增加，污泥中极不稳定化合物分解，并释放出挥发性物质，另外由于污泥受热不均匀，造成局部干燥过度而产生物质，这部分物质的成分十分复杂，与受热条件有关[1]。

在污水处理时，污水中大量含氮化合物被转移到污泥中，经过厌氧消化处理稳定污泥后，其中的硝酸盐氮、亚硝酸盐氮被还原为氮气，而大部分可经生物降解的氮转化为氨。同时随着污泥降解过程的进行，由碳水化合物分解生成的二氧化碳等酸性物质将溶于水中的氨大量转化为碳酸氢铵等不挥发的铵离子。但碳酸氢铵的热稳定性极差，35℃以上即可发生分解，所以在污泥干燥过程中碳酸氢铵几乎全部被分解释放出氨，这是尾气中氨气的重要来源[1，2]。另外，溶解在水中未反应的氨会随水分挥发而释放出一部分氨。

硫化氢的产生过程与氨相似，污泥厌氧分解时，大部分有机硫或硫氧化物等含硫物质被转化为硫化氢，但硫化氢在水中的溶解度很低，因此污泥中游离硫化氢很少，而是与金属离子形成硫化物固定在污泥中。在干燥时污泥分解产生有机酸，使硫化物转化为硫化氢，并释放到尾气中[3，4]。

有的水泥企业利用窑尾废气直接烘干城市污水污泥，其烘干尾气含有氨、硫化氢、链状烷烃、芳香烃、含氮杂环化合物等有害成分，会产生令人厌恶的臭鸡蛋气味，直接排放会污染环境，危害人体健康。如果对废气另作净化处理，其运行成本也相当高。

2.2 新鲜热风烘干污泥废气与煤燃烧废气研究

以90℃新鲜热风烘干城市污水污泥，并将干燥尾气与空气混掺后作为煤粉燃烧的载气输送至管式电炉内，煤粉在950℃燃烧，采集燃烧后的烟气进行成分分析。

检测结果表明，950℃燃烧后的尾气中硫化氢及有机成分的芳香族化合物、卤代烃等均未能检测出来，臭鸡蛋味也已消失。废气中NOX浓度见表2。

从表2可见，无论掺入水泥生料与否，经混入部分城市污水污泥烘干尾气后，煤在950℃燃烧所排放烟气中NOX浓度均降低，而且原烘干尾气中NH3浓度也明显降低。

煤在950℃燃烧所排放烟气中NOX主要是燃料型NOX。在混入部分城市污水污泥烘干尾气后，其NOX排放浓度降低是烘干尾气中多种成分作用的结果。干燥尾气中的氨类、含硫化合物和烯烃、烷烃等碳氢化合物都会影响到氮氧化物的生成。原烘干废气中NH3浓度经煤燃烧后已明显降低，即大部分NH3已参与了NOX的还原反应，尽管也会有少部分与O2发生氧化反应生成NO，但总体效果是使NOX降低。

新井纪男等的研究表明[5，6]，NH3不直接与NO发生还原反应，需通过基元反应生成NHi，再由NH2、NH与NO作用生成N2。还原反应过程中NH2是重要的中间物质，自由基·OH则起着重要作用。而自由基·OH的来源，最主要是通过NH2与NO反应生成NNH的链循环反应产生，同时，从自由基水平来看消耗一个NH2可获得4个·OH自由基，从而有足够的OH提供给NH3产生NH2进行NH2+NO生成N2的链终止反应和NH2+NO生成NNH的链循环反应，并且反应也使更多的NO消耗。

在燃烧过程中，尾气中的硫化氢等含硫化合物被氧化，同时与煤竞争空气自由基（O、H、OH），也会使所生成的氮氧化物浓度减少。此外，由烯烃、烷烃等碳氢化合物受热力作用生成的大量小分子碳氢化合物CH4、C2H2等，会造成气氛中总的H/C值减少，燃烧时与含氮基团竞争空气中自由基，在局部燃烧区域形成贫氧区，限制含氮中间产物向NOX的转化。

水泥窑尾废气的氧气浓度相当低，将其烘干城市污水污泥后，再次进入水泥窑作高温处理，不仅能耗高，而且副作用也较大。如对废气另作净化处理，需付出相当的运行成本代价。所以采用此技术方案值得商榷。

可考虑利用水泥窑的其他热源，以新鲜热空气烘干污泥再通入窑内燃烧的技术方案。如利用水泥回转窑筒体冷却热风或部分熟料冷却机热风等来烘干城市污水污泥，烘干后废气再进入水泥窑燃烧的技术方案。此类氧气浓度较高的烘干废气再进入水泥窑燃烧，既有利于处理有害气体，还能降低水泥窑氮氧化物浓度。

表2 焚烧后NOX和NH3浓度

3 结论

（1）城市污水污泥含水量较高需要烘干，烘干过程会产生有恶臭气味的废尾气，其成分包括NH3、H2S等无机污染物质和芳香族化合物、卤代烃、正己烷等易挥发有机物。其中含较高浓度的NH3，且含H2S及烷烃、烯烃、芳香烃和卤代烃等，直接排放会污染环境。

（2）以新鲜热空气烘干城市污水污泥，其排放的废气在950℃燃烧，不仅能够分解芳香族化合物、卤代烃等，消除废气中的臭鸡蛋味，而且还能使烟气中NOX排放浓度降低。

（3）利用水泥窑尾废气直接烘干污泥的技术方案值得商榷，其烘干产生的废气直接排放必然会污染环境，另作净化处理其成本也相当高。建议采用回收水泥回转窑筒体冷却热风或部分熟料冷却机热风等烘干城市污水污泥，烘干后的废气再进入水泥窑燃烧的技术方案。

[1]刘瓒.污泥干燥处理中典型恶臭的释放特点[D].杭州:浙江大学,2007.

[2]王兴润,金宜英,王志玉,等.污水污泥间壁热干燥实验研究[J].环境科学,2007,28(2):12-15.

[3]翁焕新,高彩霞,刘瓒,等.污泥硫酸盐还原菌(SRB)与硫化氢释放[J].环境科学学报,2009(10):2094-2102.

[4]P.GOSTELOWM,S.A.PARSONS,R.M.STU⁃ETZ.Odour Measurements for Sewage Treat⁃ment Works[J].Water Research,2001,Vol.35:579-597.

[5]新井纪男.燃烧生成物的发生与抑制技术[M].北京:科学出版社,2001,12:56-89.

[6]Tayyeb M,Javeda,Naseem Irfana,et al.Con⁃trol of combustion-generated nitrogen oxides by selective non-catalytic reduction[J].Journal of Environmental Management.2006,(3):l-39.

Contamination and Prevention of Drying Waste Gas during Processing Sludge in the Cement Kiln

ZHANG Ling-hui1,2,SU Da-gen1
(1 School of Materials Science and Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,Guangdong; 2 Jiaying University,Meizhou 514015,Guangdong)

Contamination and prevention of drying waste gas during processing municipal sewage sludge in the cement kiln were investigated,utilizing HAPSITE portable gas chromatograph/mass spectrometer and N(1-naph⁃ty1)-ethylene diamine dihydrochloride spectrophotometric method to measure the waste gas composition.The re⁃sults show that,offensive odor off-gases are produced from the municipal sewage sludge with a high moisture content during the drying process,the composition of which includes ammonia,hydrogen sulfide,aromatic com⁃pounds,halohydrocarbon and so on and the direct emission of which contaminates the environment.The waste gas,from sewage sludge drying using the fresh hot air,can combust with pulverized coal at 950℃,which not only leads to the decomposition of several harmful components in the waste gas but also reduces the NOx concentra⁃tion.The approach to directly dry the sludge with kiln back-end waste gas is questionable.It is suggested that the hot gas from cement rotary kiln shell cooling or the clinker cooler is recovered and used to dry sewage sludge,following which the waste gas enters the kiln for combustion.

Municipal sewage sludge;Cement kiln;NOx;Waste gas;Prevention

TQ172.622.29

A

1001-6171（2011）06-0033-03

通讯地址：1广东省广州市天河区五台路华南理工大学材料学院，广东广州 510640；2广东省梅州市梅松路嘉应学院，广东梅州 514015；

2011-09-05；

吕 光

国家自然科学基金项目资助（20877027）