污泥焚烧前后的成分检测分析

季文君（上海市安装工程集团有限公司， 上海 200080）

随着上海市石洞口污泥焚烧项目的建设完成，随之而来的就是对生产线的性能考核。经过负荷调试确认处理能力可达到额定处理量后，通过干燥系统和焚烧系统的每条单线连续 168 h 额定负荷运行，确认处理能力能够满足设计能力并达到安全稳定运行。考核项目包括处理量、排放污染源、噪声、恶臭等。对排烟尾气等的在线监测及取样结果，也需满足各种规定值。为完成以上考核指标，其中污泥样本的含水率、成分等因素是十分关键的。本文将对污泥成分、含水率、灰渣成分等要素指标的检测分析展开阐述。

1 项目概况

项目为上海石洞口污水处理厂污泥处理二期工程，设计污水处理规模为 40 万 m3/d。厂区主要分为污水处理区、污水深度处理区、 污泥完善工程区域和厂前区。本期工程基本的污泥浓缩脱水处理量是 20 t/d（干污泥），污泥干化处理量 20 t/d（干污泥），污泥焚烧处理量 128 t/d（干污泥）。为充分确保污泥处理效果，在工程项目规划上，涵盖了污泥脱水、干化、焚烧、烟气处理等，以及与之配套的设施。

针对污泥焚烧生产线的处理能力和处理效果，主要涉及的污泥要素指标是化学成分、含水率和焚烧后的灰渣成分。通过此 3 项指标的检测分析，对项目成果的评价将是至关重要的。

2 检测污泥成分来选择污泥焚烧工艺

试验所选污泥样品中，化学元素包括硅、铝、铁、钙、镁、钾、钠、锰、硫、钛、磷等构成的化学成分。石洞口污泥厂污泥中化学成分等含量水平相对较低，满足城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质、水泥熟料生产用泥质等相关泥质的要求。污泥中的有机成分复杂，含有大量的蛋白质、脂肪、洗涤剂、矿物油、氨基酸腐殖质、各种含氮含硫物质、维生素、寄生虫和致病微生物等。污泥中的无机物主要由矿物盐（硝酸盐、亚硝酸盐、氨盐等）、石灰（干 CaO或含水的 Ca(OH)2等）、砂（SiO2）和灰分组成。

采用固化[1]、火焰原子吸收光谱法[2]等试验方法来测定污泥样品中化学成分等数据。首先称取 0.5 g 的污泥样品置于瓷坩埚中，放入电炉上低温炭化至其不冒烟，然后转入箱式电阻炉中进一步灰化（若测定 Cd、Cr、Pb、Ni等化学元素时应选择 450 ℃ 灰化 6 h）。取出待冷却后，转入聚四氟乙烯容器中，用 2 mL 蒸馏水润湿残渣，依次加入 2 mL HNO3、1 mL HF，待混合均匀后在电炉上加热将试样水分及溶液蒸发掉。用 3 mL HNO3溶解蒸发后的残渣，静置 20 min，加入20 mL 蒸馏水，将其加热至沸腾，冷却后用滤纸过滤，再转至 100 mL 容量瓶中定容。根据化学元素的不同，采用对应的空心阴极灯，并将本次测定的污泥样品作溶解处理，并对溶液喷入火焰，从而实现污泥中化学元素吸光度的测定，并取 3 次的平均值，绘制标准工作曲线，从而得到对应的化学成分浓度。

2016 年 6 月-2017 年 10 月，经检测的石洞口污水厂污泥样本化学成分如表 1 所示。

表 1 石洞口污水厂污泥样本化学成分表 单位：%

对表 1 中数据分析，石洞口污水厂污泥灰成分中 SiO2的比例最高，最高值为 54.19%，平均值为 46.98%。通过以上数据最终确定采用干化焚烧技术并采用月岛机械株式会社的专有工艺，利用桨叶干燥机＋流化床干化焚烧系统处理污泥，然后利用尾气处理工艺达到无害化目的。污泥干化焚烧系统示意图如图 1 所示。

图 1 污泥干化焚烧系统示意图

3 污泥焚烧前含水率检测

污泥焚烧前的含水率对实际污泥焚烧过程中焚烧工艺的控制起着重要的作用。污泥含水率的稳定有利于控制污泥焚烧的温度、节省能源的消耗以及更加充分的燃烧，有助于减少有害物质的残留。利用含水率测定仪进行污泥含水率测定。

先校正水分快速测定仪（精科天美水分测定仪），后清零称量托盘，依次称取 10 g、8 g、6 g、4 g、2 g 稀释污泥(样本-1、样本-2、样本-3、样本-4、样本-5)或脱水污泥均匀平铺在托盘上，脱水污泥应预先破碎至颗粒度≤3 mm。在105 ℃ 条件下开始测定，5 min 记录一次仪器显示的挥发水分质量分数，直到仪器自动显示测定完毕。此时，记录最终污泥水分质量分数。最终污泥水分质量分数减去挥发水分质量分数计算得到污泥蒸发过程中的瞬时含水率。为验证本方法测定值的准确度，单独取 2 g 上述不同类型污泥为研究标本，采用国标法作为依据进行测定比较。单个样品需重复测定 4 次，根据烘干前后的污泥质量差计算污泥的含水率。石洞口污泥厂污泥样本含水率记录见表 2 。

表 2 石洞口污泥样本含水率记录表 单位：%

石洞口污水厂污泥通过始端污泥泵输送至储泥池，之后经过污泥脱水单元处理后，含水率降至 80%，送至污泥干化焚烧单元处理。污泥干化机出口含水率 30% 能够基本确保污泥自持焚烧，最大限度降低低热值工况的辅助燃料添加量，从而减低了天然气、燃油等能源的消耗，大大节省了经济开支。

4 污泥焚烧后的灰渣成分检测

污泥焚烧后的灰渣成分检测[3]是为了更好地区分一般灰渣和有害灰渣，从而可以利用无害的灰渣进行二次利用。利用微波消解仪进行灰渣成分检测。

（1）取 0.5 g 灰渣。灰渣消解方法采用四酸消解法，消解容器采用 50 mL 的特氟龙坩埚，完成后再赶酸，赶酸后用 2% 稀硝酸溶液进行定容，待测。

（2）浸出毒性分析方法。依照环保行业标准 HJ/T 300-2007《固体废物浸出毒性浸出方法醋酸缓冲溶液法》对焚烧 60 min 后的灰渣进行化学成分浸出毒性分析，并将主要化学成分浸出浓度与 GB 16889-2008《生活垃圾填埋场污染控制标准》进行比对。

（3）采用原子荧光光度计，分析测试灰渣中的化学成分 Hg、AS，其他化学成分采用 ICP-OES （电感耦合等离子体发射光谱仪）进行测定。

通过上述三步后，得出灰渣成分检测结果。具体结果表明，污泥经焚烧后化学成分 Hg 全部挥发，灰渣中基本无残留；化学成分 As、Cd、Pb 挥发率均随污泥焚烧时间的加长逐渐增大，焚烧 60 min 之后，As、Cd、Pb 残留率分别为2.14%、6.61%、11.84%。Co、Mn、Ni、Zn、Cu、Sb、Sn 7 种化学成分的挥发率较低，且焚烧时间的加长对挥发率的影响较小，焚烧60 min后，残留率分别为 38.11%、38.87%、40.87%、43.61%、49.91%、62.22%、52.70%；难挥发化学成分如 Cr、Fe，焚烧 60 min 后化学成分残留率分别为 86.91%、77.53%，化学成分的单位含量明显高于污泥中相应化学成分单位含量，出现化学成分累积现象。检测的石洞口污水厂污泥灰渣样本中的化学元素含量如表 3 所示。

表 3 石洞口污水厂污泥灰渣中不同时间检测出的化学元素含量 单位：mg/kg

根据以上检测数据和焚烧控制标准及现有焚烧工艺的工程经验，灰渣和静电除尘器飞灰为一般固体废物，可外运作为建材利用或填埋，而布袋除尘器飞灰以及废弃的布袋，可能其中会含有部分重金属或二噁英，建议将此部分飞灰按照国家相关标准进行鉴定。

5 结 语

研究通过取用石洞口污泥厂污泥样品，采用含水率测定法测定了污泥的含水率，在污泥厂建设完成后的 168 h 的稳定性性能测试中起到了非常重要的作用。干化后的污泥通过螺旋输送带传输到焚烧炉后进行燃烧，如果含水率不稳定将使得焚烧率的温度难以稳定控制。如含水率过高，焚烧炉的温度会被水分带走，温度降低后有害物质也无法完全烧掉，还会启动辅助燃烧器，增加天然气的消耗；如果含水率过低，则焚烧炉会出现瞬间爆燃而出现安全生产事故。所以污泥的含水率指标是实际生产过程中一个非常重要的指标，必须每日检测污泥样品。

依据工程案例做的污泥焚烧特性试验，灰渣粒径分布主要集中在 2～50 mm 的范围内，基本符合集料、碎石、砾石等工程所需建材的级配要求。灰渣中，溶解盐含量较低，为 0.8%～1.0%，因此炉渣处置时，地下水被溶解盐污染的可能性较小。

炉渣酸碱度的缓冲能力较强，初始酸碱度在 11.5 以上，对重金属的浸出能有效抑制。因此，灰渣用于建筑材料中，能提高环保资源的利用率。