杨健雄
（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，昆明 650000）
城镇污水处理厂核心工艺段为生化池，其产泥量占比超过全厂污泥量的90%，含水率介于60%～80%。污泥固体成分主要由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体及絮凝所用药剂等组成，包含有潜在利用价值的有机质、氮（N）、磷（P）、钾（K）和各种微量元素，工业污水处理厂污泥还含有各种成分的重金属。截至2018年12月底，全国城镇污水处理厂日处理能力约为22 846 万t，按每万吨污水产生5～10 t 含水率80%的城市污泥计算，全国平均每天将产生近20 万t 污泥。如此庞大的污泥给环境造成了较大的压力，在众多的污泥处置技术中，水泥窑协同处理技术工艺简单，既能实现污泥减量化，又能变废为宝，是未来污泥处置的一个发展方向。
1.1 卫生填埋
卫生填埋是常规污泥处置技术，工艺简单，操作灵活，投资较少，不需要增添污泥处理设备，是传统常规处理方法。但是，污泥卫生填埋仍存在明显的缺点。一是侵占土地。填埋污泥需要很大的场地，但是填埋场地资源是有限的，减少土地利用率。二是二次污染。污泥的稳定性差，风吹雨淋下会腐烂变质，有害成分聚集，产生渗滤液会造成土壤与水体污染，后续处置成本较高。三是污染大气。污泥有机物自然分解释放出恶臭气体，污染大气。此外，运输储存污泥时的渗漏逸散会污染道路和周围空气，加之污泥卫生填埋并不是无害化、资源化的解决途径，只是把污泥污染封闭起来，把污染风险转移至未来。
1.2 焚烧处置
污泥焚烧处置利用高温氧化燃烧反应，在过量空气的条件下，使污泥中的全部有机质、病原体等物质在高温下氧化分解，并被彻底破坏。这是一种较为彻底的处置技术，焚烧灰体积仅为原有污泥体积的10%左右，从而实现污泥处置的无害化和减量化。污泥焚烧产生的热量可以用来发电、供热等，焚烧灰可以做建筑材料，制砖瓦、陶瓷等[1]，达到资源化的目的。由此可见，焚烧处置在污泥处置方法中处于非常重要的地位。但是，污泥焚烧需要购置专用设备，建设投资大，运行维护费用高，燃烧热量回收少。若焚烧工艺设置不合理，焚烧过程中会产生大量飞灰、炉渣和废气，会产生二噁英等剧毒中间产物，会产生严重的二次污染。另外，如果将污泥直接用于焚烧，污泥中的氮、磷等有用化合物将被分解和排放，不能二次利用。
1.3 生产生态水泥
自日本市场推广生态水泥以来，利用污泥生产生态水泥成为一种解决污泥污染的新途径。水泥工业经过多年的发展，已经消耗大量资源，必须找到新技术，降低资源消耗。污泥就是一种新资源，可以在水泥行业发挥较大的作用[2]。污泥主要由微生物和有机、无机颗粒构成，具有较高的热值，同时含有多种化合物，包括SiO2、Fe2O3和A12O3等，与水泥元素组成类似。通过添加剂的调理，污泥可以部分替代硅质原料进行配料，减少砂石开采，同时提供热能，降低能源消耗。污泥本是一种成分复杂的固体废物，水泥生产工程实践对其进行资源化处置，实现了水泥的生态化生产。生态水泥的生产温度高达1 300 ℃左右，污泥在如此高的温度下燃烧，其中含有的有害物质（包括病菌、细菌等）都能被消除，重金属元素也几乎全部被固溶到熟料中[3]，污泥实现了无害化、资源化处置。
水泥窑协同处理技术是指经过给料泵加压，将需要处置的污泥从窑尾烟室送入窑尾高温室进行煅烧处置。在水泥窑的高温条件下，污泥中的有机污染物完全燃烧，彻底分解，并迅速蒸发和气化，重金属离子被固化到水泥熟料晶格中。
2.1 国内外研究现状
水泥窑协同处理污泥技术在无害化、资源综合利用和经济性等方面有很多优势。水泥窑热容量大，温度高且稳定，完全能够消除有害气体，可以大量处理污泥，污泥最终转化成水泥熟料产品，无废弃物遗留。相关设施投资少，建设周期短，不占用土地资源，能充分利用一次资源。因此，水泥窑协同处理污泥技术正在受到越来越多的关注。
2.1.1 国外研究现状
水泥窑协同处理污泥技术经济环境效益显著，在国际上得到广泛研究和应用，并取得较好的发展。2001年7月，日本经济产业省提出，2010年水泥行业废弃物和副产品的利用率是400 kg/t 水泥。日本污水处理厂污泥增长较快，至2007年，水泥行业处置污泥317 万吨t，比2000年增加66.6%，污泥成为水泥行业利用的第三大类废弃物。德国和美国水泥行业替代燃料中有8%～15%为干化后的污泥。发达国家在水泥窑协同处置固废领域积累了大量经验，已经建立相关政策体系和技术标准，市场实现系统化和规范化。随着社会经济的不断发展，这必将成为全球各国处理污泥的热点。
2.1.2 国内研究现状
近年来，国家一直鼓励发展水泥窑协同处理技术。2013年以来，国家出台相关行动计划、政策、技术规范等，推进水泥窑协同处置城市污水处理厂剩余污泥，着力提升产业绿色发展水平，在条件具备的地区开展水泥窑协同处理等试点示范。2007年，安徽海螺集团有限责任公司与日本川崎重工业株式会社开发出利用新型干法水泥窑处理城市生活垃圾的系统。当前，我国企业不断推进城市污泥水泥窑协同处置技术研究，并将研究成果应用于城镇污泥处置工程实践，进一步推动我国污泥处置行业稳步发展。
2.2 典型工艺
水泥窑宜处理性质相对稳定、产生量大的污泥，包括城市生活污水处理厂污泥、工业污水处理厂污泥。污泥热值较高，经污水处理厂脱水后运送至水泥厂焚烧。水泥窑协同处理污泥的工艺流程如图1所示，包括污泥运输系统、进厂接收系统、污泥分析鉴别系统、预处理系统、焚烧处置系统、烟气净化系统和污水处理系统等[4]。
图1 水泥窑协同处理污泥的工艺流程
2.3 特点
2.3.1 污泥燃烧率高
在正常运行条件下，回转式焚烧炉内物料温度为1 450 ℃，物料在炉内停留30～40 min，燃烧时产生的烟气在炉内温度高于1 300 ℃区域的停留时间大于4 s。窑内污泥中有害有机物可充分燃烧，燃烧率可达99.999%，二噁英等污染物在炉内完全被分解。
2.3.2 无焚烧残渣
焚烧尾气中的细颗粒经布袋除尘器过滤收集后，大部分作为水泥原料重新进入回转窑，小部分经固化处理后进入垃圾填埋场，残渣得到有效收集及处置[5]。
2.3.3 吸收酸性气体
采用石灰石-石膏法，结合生物处理工艺，水泥窑可以协同处置污泥，高效去除尾气中的SO2、挥发性有机物、氨等污染物，气体污染物排放达到《水泥工业大气污染物排放标准》（GB 4915—2013）的要求，解决了水泥窑协同处置污泥的气体污染问题。
2.3.4 水泥固化重金属
经水泥窑协同处置后，污泥中难处理的重金属离子被固化到水泥熟料晶格中。水泥作为建材，用于生产胶凝材料，经过水化反应后生成稳定的混凝土，使其成为有效的重金属稳定剂。
2.3.5 污泥处理量大
新型干法水泥生产企业分布地域广，当地污水处理厂较多，方便就地处置污泥，节省水泥生产资源。水泥生产线较多，回转式焚烧炉燃烧系统稳定，污泥投入量和污泥性质变化对其影响较小，污泥处理量大。
2.4 应用现状
日本自2001年开始推广生态水泥，其采用水泥窑协同处理污泥，所处置的污泥约有一半来自城镇污水处理厂，经干化后送入窑内焚烧处置。瑞典、德国、美国等发达国家也大量采用协同焚烧方式处置污泥。我国在借鉴国外先进经验的基础上开展水泥窑协同处理污泥的研究，陆续建设多个水泥厂污泥处置项目。这些项目取得较好的环境效益与经济效益，但与发达国家相比，我国水泥窑协同处置污泥项目设计处理规模较低。截至2018年11月，我国具有水泥窑协同处置危废经营许可证的水泥企业有37 家，数量占全国具有危废处理资质企业总数的比例不足2%，因此我国水泥窑协同处理污泥的发展空间巨大。
2.5 目前存在的问题
2.5.1 工程投资较少
我国城镇污水处理厂投资主要用于污水处理设施建设，而污泥处置设施投资占比较小。污泥处置缺乏行业导向性政策，产业链建设不完善，水泥窑协同处理技术更是缺乏市场引导及行业长期发展规划，相关产业项目建设投资较少。
2.5.2 技术受困于污泥含水率高
投加絮凝剂调理后，我国大部分污水处理厂污泥采用离心、压滤机械脱水，污泥含水率（60%～80%）普遍偏高。污泥在水泥窑协同处置中需要进行预处理（干燥），增加额外能耗，未完全干化污泥会出现膨胀，影响窑尾排风机正常运行，给企业造成生产压力。
2.5.3 项目利润率低
在实际设计过程中，企业对污泥含水率、热值等评估不足，加上技术达不到国际先进水平，使得我国水泥窑协同处理污泥项目投入巨大，实际生产规模远低于设计规模，造成项目利润低下，项目面临投资与收益失调。据统计，生产普通水泥的利润率是16%，水泥窑协同处置污泥项目的利润率仅为4%，这在一定程度上降低了企业积极性。
水泥窑协同处理技术处置污水处理厂剩余污泥，可以保护生态环境，提高资源利用率。水泥窑协同处理技术是一种新型的减量化、无害化、资源化技术，我国现阶段应用比例较低，但发展潜力巨大。我国应出台相关政策进行引导，完善技术标准规范，加大企业补贴，引领市场利用水泥窑协同处理技术生产生态水泥，提高社会效益、环境效益和经济效益。
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