城市污泥深度脱水和水泥窑协同处理的集成应用

2012-01-05匡鸿马勇王诚卢波

水泥技术 2012年5期

关键词：压滤机回转窑熟料

匡鸿，马勇，王诚，卢波

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

匡鸿，马勇，王诚，卢波

1 前言

随着社会经济的快速发展和城市化水平的不断提高，城市污水处理率逐年提高，污水处理厂的污泥产出率也急剧增加。没有妥善处理处置的污泥给城市造成的环境压力和经济负担是巨大的，污泥如何安全合理的消纳已成为城市基础设施建设中亟待解决的问题。

污泥中含水率很高（80%）且脱水异常困难。污泥成分复杂，其中含有大量的挥发性固体、碳水化合物、脂肪、蛋白质及灰分，还可能含有毒、有害、难降解的有机物、重金属、病原菌及寄生虫（卵）等，容易腐化发臭。总而言之，污泥结构的复杂多变性决定了对其高效处理存在一定的难度。

目前填埋、堆肥和焚烧是我国处理污泥的主要方法，但都有其局限之处。从发达国家处理污泥的经验来看，利用水泥窑协同处置城市污泥是一种既安全又经济的处理方法，但是对污泥中某些组分有限制要求，如汞、氯等，参见表1。

2 本项目目标

我们对污泥采用化学调理和机械压滤相结合的深度脱水技术路线，将污泥脱水至含水率50%～60%，再送入水泥厂回转窑焚烧。需要指出的是化学调理剂不能使用含氯的组分，目前国内常用的FeCl3不应使用于脱水污泥的后续处理。

利用水泥窑系统的高温煅烧功能处理污泥，一方面可利用污泥的发热量，另一方面其灰分也可成为水泥配料的一部分，实现了污泥处理的零排放，无疑是一项两全齐美的处理途径。我们把这种将污染控制与资源化利用结合到一起的技术称之为城市污泥的多元集成处置技术。

3 项目完成情况

为了充分研究了解污泥深度脱水技术以及水泥窑协同处置城市污泥技术，我们建设了两条示范线——污泥深度脱水示范线和水泥窑协同处置城市污泥示范线。通过对污泥采用化学调理和机械压滤相结合的深度脱水技术路线，处理市政污泥，使污泥的含水率小于60%，再送至万安公司水泥窑焚烧处置。项目完成后，污泥深度脱水能力达60t/d（折合含水率80%），全部送到水泥窑处理，每年能消纳城市污泥2万多吨。

3.1 污泥深度脱水示范线

3.1.1 示范线概况

我公司在上海金兴水处理工程有限公司（即兴塔污水厂）内建设一条深度脱水示范线，污泥深度脱水工序是水泥窑焚烧污泥的前置工序，采用化学调理和机械压滤复合方法，比采用加热烘干技术更加节约能源。深度脱水系统采用全自动控制的一体化设备，使污泥深度处理更加经济和简便，该系统的技术特点以下：

表1目前国内脱水污泥处理处置方式对比分析

（1）当污泥的含水率一般在80%左右时，经过添加调理药剂，在隔膜式板框压滤机脱水后，污泥的含水率一般在50%～55%左右，污泥体积减少一半。

（2）在压滤过程中，其压力一般在1.6MPa以内。进料及隔膜保压时间在90min以内。解决了污泥的大规模生产的问题。

（3）含水率50%～60%的脱水污泥呈现饼状，经破碎后方便送入水泥回转窑焚烧。

（4）污泥深度脱水的调理剂无有害成分，不含氯离子，不会产生新的污染。

（5）脱水污泥恶臭气味减少，有机物、重金属得到较好稳定，不易发生腐败变质，不易溶胀。脱水污泥已经成型，方便污泥运输与贮存。

（6）从污泥中分离出的水可以通过原污水处理厂处理达标。

3.1.2 深度脱水原理

采用化学调理剂是深度脱水的关键技术。化学调理剂是数种无机物与有机物药剂的复合体，由于不同污泥其性质各异，因此要达到有效改性，需要有针对性的复合配方，针对某一种污泥会有一组适合的改性药剂配方，同时还可杀灭污泥中的细菌等病原体微生物，达到杀菌、除毒的无害化效果。

首先在污泥中先加入一定量的污泥结合水转化剂，将污泥中的结合水大部分转化为游离态水，使污泥细胞间质水发生解体，释放出间隙水，使脱水变得相对容易，为下一步采用机械方式脱水干化创造了条件。再加入络合沉淀剂、稳定剂和助滤剂等，使污泥中重金属物质等有毒、有害成分固定，并进一步去除污泥中的恶臭成分后，用泵将稳定化后的污泥送入隔膜式板框压滤机，进行固液分离，使污泥中的水分以液态的形式分离，污泥含水率可以从80%降低到50%～55%，污泥体积减少一半，减量化效果显著，出泥基本无臭，性质稳定。压滤后的滤饼通过专用汽车送至附近的金山水泥厂，送入回转窑焚烧。

为使调理剂有效渗入污泥中，并对污泥中的水分子充分发挥效用，首先必须使药剂能均匀地分散到污泥毛细结构中去，因此需要设置具有高速剪切性能的搅拌机，才能达到改性的作用。

经过改性的污泥，将束缚水变成了间隙水，脱水变得相对容易，但因污泥的颗粒很细，在压滤过程中既要有利于排水，又使滤布不被污泥颗粒堵塞，故要选用专有滤布和保证压滤机较高的操作压力，这都是保证高效脱水的关键。因此我们没考虑效果较差的离心式压滤机和皮带压滤机，而选用隔膜式板框压滤机。

总之，污泥的化学改性技术综合利用了物理、化学及过程动力学等基本原理，通过药剂之间的协同作用，破坏了污泥原有的网架结构，促使污泥中亲水性有机胶体物质分解，减少泥水间的亲和力，改变了污泥中水分存在形式及性质，再经过专用特种脱水机械压榨后，污泥含水率可以降低到50%左右，减量化效果显著，出泥基本无臭，性质稳定（见表2）。

3.1.3 污泥深度脱水效果

我公司选用的兴源X16MZFG400/1500-UK型隔膜式板框压滤机，过滤面积400m2，滤饼厚度≤35mm。闭合时，相邻滤板的凹面构成了一个压力密封室。当调理后污泥送至压滤机时，堆积在每个室的滤布上，形成了一块高固体含量的泥饼，再经过高压压榨，进一步降低泥饼含水率。过滤液通过滤布由接液槽从压滤机排出。压滤周期结束后，液压系统打开压滤机，压缩空气吹扫，污泥落地。

经过多次试验，我们发现，压滤机工作时，压榨压滤定在1.6MPa，保压时间至少40min，方可取得较好的压滤效果。

此外，滤布需要经常清洗，否则会大大影响压滤效果，购买压滤机时需要考虑购买备用滤布和工业洗衣机。若搅拌不够完全、滤布不干净、压力未达到要求，则需要大大延长压滤时间。

3.1.4 深度脱水压出水水质

前期试验表明，尽管试验数据有所变化，但总体来看其压出水质没有太多差异。

数据显示压出水均符合纳管要求（见表3）。

3.2 水泥窑焚烧处置污泥示范线

3.2.1 示范线概况

我们在万安企业总公司建设一条处置脱水污泥的示范线，在窑尾新增污泥输送、喂料装置和预烧分解炉，污泥深度脱水后的滤饼利用专用汽车输送至水泥厂，经破碎后入储料仓，通过提升机到喂料仓，从仓底卸出的污泥通过皮带秤喂入分解炉煅烧。污泥送入分解炉焚烧后继续随生料进入回转窑煅烧。

表2 污泥水分测定

表3 压出水水质

图1 城市污泥多元集成处置工艺示意图

表4污泥处理后的重金属含量，mg/kg

表5 压滤后污泥工业分析及燃烧特性(干基)

表6 压滤后污泥的化学分析(干基)，%

兴塔深度脱水示范线建成运行后，能完全处理兴塔、朱泾、枫泾和廊下等四个污水厂供应的污泥。自7月5日正式运行至9月30日，深度脱水示范线3个月共处理含水率80%的污泥345t，以及含水率95%的污泥296t，送至万安公司的脱水污泥累计207t。

3.2.2 污泥组分及热值分析

本项目主要处理兴塔镇附近的四个污水处理厂的污泥（兴塔、朱泾、枫泾、廊下），兴塔直接提供含水率95%的污泥，自己已不再开压滤设备，其他三厂将含水率80%的污泥送至兴塔污水厂。目前都是采用含水率80%的污泥和含水率95%的污泥1：1的形式混合稀释，不再加清水稀释。

处理污泥后水泥中的重金属含量检测见表4。

再从污泥热值分析。根据表5，经过深度脱水后的污泥，含水率在50%左右，低位热值为2790kJ/kg（667大卡）。可见将污泥深度脱水至50%～60%，即可最大化地发挥减量效果，又可以使污泥中的热值得到发挥，使污泥对水泥回转窑有热量贡献，这比替代原料更有价值。

污泥中总会含有一些重金属元素，经过处理后的污泥滤饼中的污泥完全满足CJ/T 314-2009《城镇污水处理厂污泥处置水泥熟料生产用泥质》的要求（见表6）。

污泥特性显示，尽管其中含有一定的发热量，灰分可作为水泥生产的原料，但污泥中含有大量水分是水泥生产所不愿意接受的。水分高导致污泥处理量变大，不仅不能给系统提供热量，还将增加系统烟气量。

就生产控制而言，污泥水分越小，对水泥生产的影响越小。但对污泥脱水来说，拟脱除的水分越多，脱水难度越大，脱水成本越高。如何取得一个控制平衡点，来约束两者的技术控制参数，要从污泥减量和热量贡献两方面进行分析对比。以100kg干污泥量做基准，将不同含水率时对应的污泥质量绘成曲线，见表7。

从表7可直观地显示出，当污泥含水率从80%降至50%时，减量效果明显；而从50%降至20%，减量效果要差很多。

3.2.3 水泥窑协同处置污泥的优势

在水泥窑协同处置工序中，将送来的深度脱水污泥滤饼直接加入生料磨，可利用窑尾余热继续烘干，再随生料一起入水泥煅烧系统，从水泥窑工艺过程的研究可知，水泥回转窑处理污泥具有以下特性：

（1）有机物分解彻底

在回转窑内物料温度可高达1450℃，气流温度更高。燃烧气体以及窑内物料呈高湍流化状态。因此窑内的污泥中有害有机物可充分燃烧，焚烧率可达99.999%，即使是稳定的有机物如二恶英等也能被完全分解。

（2）抑制二恶英形成

国内外水泥窑处置有毒有害废弃物的实践表明，水泥窑系统内缺乏二恶英生成的条件，废弃物焚烧后产生的二恶英排放浓度远低于排放限值（据欧洲平均数据，水泥窑系统产生的二恶英浓度为0.02ngTEQ/m3（标），符合小于0.1ngTEQ/m3（标）的限值要求）。

（3）不产生飞灰

煅烧排出废气粉尘经窑尾布袋收尘器收集后作为水泥原料重新进入窑内煅烧，没有危险废弃物飞灰产生。

（4）固化重金属

回转窑内的耐火砖、原料、窑皮及熟料均为碱性，可吸收SO2，从而抑止其排放。在水泥烧成过程中，污泥灰渣中的重金属能够固定在水泥熟料的结构中。

（5）资源化效率高

污泥中的有机成分和无机成分都能得到充分利用，资源化效率高。污泥中含有部分有机质可作为可燃成分参与煅烧，其无机成分相当于水泥生产的原料。

（6）处理量大、见效快

水泥生产量大，需要的污泥量多；水泥厂地域分布广，有利于污泥就地消纳，节省运输费用；水泥窑的热容量大，工艺稳定，处理污泥方便，见效快。

3.2.4 数据分析

经过化验室的取样和成分分析，我们将5月份未处理污泥之前生产的水泥产品和7月以后处理污泥时的水泥厂生产的水泥的物化性能进行了对比（见表8、9）。

（1）对熟料产量的影响

数据表明处理污泥后，熟料产能略有下降，比不处理污泥时产能下降约8%。原因应是污泥中的水分造成水泥窑温度下降，且增加了系统的烟气量；而强度下降不明显，仍处于正常波动范围之内（变动范围＜3%）。

从生料和熟料的率值来看，处理污泥对熟料的性能没有太大的变换，强度值的结果也验证了这一结论。

（2）对细菌含量的影响

污泥滤饼因含有大量有机物质，经腐蚀堆积生产的细菌物质含量巨大，但经水泥窑焚烧后，在高温下，这些有机物和硫化氢及硫醇等恶臭气体已完全燃烧分解，不会再产生危害。上海市城市排水监测站的数据表明，水泥中基本没有细菌（表10）。

（3）对大气污染物排放的影响

水泥废气中的SO2主要是由燃料中硫化物及原料中铁质原料在300～600℃的温度下分解而成的，污泥中的硫化氢和硫醇进入分解炉后，因燃烧氧化而产生SO2，一部分SO2在回转窑的烧成带以CaSO4或R2SO4的形式被固定在水泥熟料中，另一部分SO2则会在窑内富集，采取旁路放风即可打破窑内SO2的循环富集。因此处理污泥对窑尾的SO2、NOx等污染物排放没有什么影响，且废气中不含硫化氢和硫醇等恶臭气体，仍满足水泥工业大气污染物排放标准（见表11）。

（4）处理污泥后对水泥放射性的影响

对建筑材料放射性物质含量的限值是基于辐射防护基本安全标准而确定的，并以常见的放射性核素226Ra、232Th和40K的比活度表征。国际放射防护委员会（ICRP）对公众规定的五年内平均年有效剂量限值为1mSv，如果建造住房和工作用房的建筑材料中226Ra（镭）、232Th（钍）和40K（钾）的比活度分别为120、100和1000Bq/kg（这一放射性水平接近现行国际规定的极限），并假定公众在室内的居留因子为0.8，则建材放射性对公众个体造成的年有效照射剂量约为1.1mSv，已经略为超过ICRP确定的上述有效剂量限值。

在水泥窑处理污泥后，我们有必要对水泥产品的放射性进行评估，以避免对居民健康产生不良影响，表12是国家建筑材料测试中心对水泥的测试结果。

可见处理污泥后水泥产品的放射性符合国家标准，即使考虑居民大部分时间呆在室内，其接受的辐射量也远远低于国际放射防护委员会规定的有效剂量值，可以认为处理污泥后的水泥不可能对人体健康产生确定性效应的危害。

表7 污泥含水率和污泥质量的关系

表8 未处理污泥时生产数据

表9处理污泥时生产数据

表10 环境卫生检测结果

表11 大气污染物排放对比,mg/m3

（5）重金属浸出毒性测试

由于大部分的重金属元素在熟料烧成过程中参与了熟料矿物的形成反应，已经被结合进熟料晶格中，因此判断重金属离子的危害作用，不应看其在原料和水泥中的含量，而应观察其从水泥试块中的浸出量，只有这部分重金属才有可能对环境和人畜造成危害。处理污泥后水泥中的重金属浸出量检测见表13。

欧美日等发达国家处理污泥的研究表明，以铬为例的浸出性试验并未达到德国饮用水法规的元素限值，即使浸出时间延长，结果仍然不变。因此本项目处理污泥时的重金属基本可固化在水泥结构中，不会对环境产生影响。

表12 处理污泥后水泥的放射性

表13 处理污泥后的水泥中的重金属浸出量，mg/L

4 社会效益

在社会发展过程中，随着经济的增长，同时也带来环境污染和资源减少的负面效应。世界上众多工业发达国家在经历了严重的环境污染之后，才开始大力发展“无污染”技术和提高资源利用率，以期减少废弃物。欧美等发达国家对此进行了大量的探索和实践，取得了很多成功的经验，走出“自然资源-产品-废弃物排放-环境污染-再生利用-环境改善”的线性经济路线，变为“废物排放-再生利用”的循环经济模式，不仅带来了全新的社会环境效益，也带来了巨大的经济效益。

利用水泥窑处置污泥，是实现水泥工业可持续发展的重大途径，变城市垃圾为水泥工业的原燃材料，变污泥为资源，减少了环境负荷，是环保、资源综合利用技术的创新，使水泥工业由耗能工业转变为环境自净能力强、与环境相容性好的绿色产业，成为改善地球环境的重要工业。

这个项目既是污泥处置工程，又是一个能源再生项目，更是治理污染的环境保护项目。项目建成后很好地解决了上海市城市污泥处理处置问题，减少了污泥进入垃圾填埋场的量，增加了垃圾卫生填埋场的填埋年限，使原来对环境造成严重危害的污泥被处理后，实现了无害化、减量化、资源化，大大降低了城市的环境污染，改善人民的生活环境，控制和预防各种传染病、公害病，提高人民健康水平，从而促进城市的经济发展。