引言

隨著我國(guó)污水處理能力的不斷提高，污泥量也同步大幅度增加。截至 2018 年 6 月底，全國(guó)城市累計(jì)建成污水處理廠 5000 多座，每天的污水處理能力達(dá) 1.90 億立方米，年產(chǎn)生污泥約 5000 多萬(wàn)噸（以含水量 80% 計(jì)，不含工業(yè)污泥）。2020 年我國(guó)污泥年產(chǎn)量突破 6000 萬(wàn)噸（以含水率 80% 計(jì)）。市政污泥成分復(fù)雜，包含有機(jī)物、細(xì)菌微生物、無(wú)機(jī)顆粒和膠體等。市政污泥具有含水量高、易腐敗和散發(fā)惡臭的特點(diǎn)，通常含病原微生物、寄生蟲(chóng)卵等有毒有害物質(zhì)。然而污泥中也有一些有益成分，可被資源化利用，主要包括蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物以及氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，約占干重的一半。近年來(lái)隨著污泥量的快速增加，污泥的無(wú)害化、資源化處理也逐漸被廣泛重視。《污染防治行動(dòng)計(jì)劃》規(guī)定，我國(guó)地級(jí)及以上城市污泥無(wú)害化處理處置率應(yīng)于 2020年年底前達(dá)到 90% 以上。環(huán)保“十三五”規(guī)劃也提出，大力推進(jìn)污泥穩(wěn)定化、無(wú)害化和資源化處理處置，地級(jí)及以上城市污泥無(wú)害化處理處置率達(dá)到 90%，京津冀區(qū)域達(dá)到 95%。但是調(diào)研結(jié)果顯示，我國(guó)污水處理廠所產(chǎn)生的污泥，有 70% 沒(méi)有得到妥善處理，污泥隨意堆放及所造成的污染與再污染問(wèn)題日益凸顯，引起了社會(huì)的重點(diǎn)關(guān)注。本文重點(diǎn)對(duì)比了水泥窯協(xié)同處理的污泥前置處理方式和水泥窯的實(shí)際運(yùn)行效果，以期探索合適的水泥窯協(xié)同處置市政污泥的前置處理工藝。水泥窯協(xié)同處置市政污泥的特點(diǎn)

1. 有效避免酸性物質(zhì)和重金屬的揮發(fā)水泥窯系統(tǒng)煅燒溫度高，熱容量大，窯內(nèi)呈堿性，這樣可有效避免酸性物質(zhì)和重金屬揮發(fā)，窯內(nèi)物料溫度一般高于 1450°C，燒結(jié)過(guò)程中玻璃和結(jié)晶為重金屬提供了空隙，重金屬進(jìn)入到晶體的網(wǎng)格中，進(jìn)而被固化在晶格中，轉(zhuǎn)變成新的晶體相，鎘、鉻、銅、鉛在高溫?zé)Y(jié)下形成新的結(jié)晶相，重金屬的析出量在 950°C～ 1050°C的區(qū)間內(nèi)，隨溫度升高而降低。

2. 有效消除二噁英排放有機(jī)物燃燒充分，使得水泥窯在高溫運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的二噁英等排放濃度遠(yuǎn)低于國(guó)家對(duì)廢氣排放要求的限值標(biāo)準(zhǔn)。有學(xué)者對(duì)比了協(xié)同處置污泥前后窯尾煙氣中二噁英排放水平，結(jié)果表明，水泥窯協(xié)同處置污泥并不會(huì)造成污染物排放超標(biāo)。同時(shí)，水泥窯中二噁英的主要合成途徑可能發(fā)生變化，表明水泥窯協(xié)同處置污泥對(duì)二噁英的排放水平影響較小。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前已建成水泥窯協(xié)同處置污泥生產(chǎn)線 24 條，年處置污泥約 195 萬(wàn)噸，在建和擬建的水泥窯協(xié)同處置生產(chǎn)線還有 90 多條。水泥窯協(xié)同處置市政污泥具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在控制添加比例的條件下對(duì)水泥生產(chǎn)及水泥品質(zhì)不產(chǎn)生明顯的影響。水泥窯協(xié)同處置技術(shù)形成了良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)，前景廣闊，利用水泥窯協(xié)同處置市政污泥技術(shù)值得發(fā)展和推廣。 水泥窯協(xié)同處置市政污泥的工程應(yīng)用現(xiàn)狀在日本，約污泥產(chǎn)量的 20% 用于硅酸鹽水泥生產(chǎn)中協(xié)同處置。但是市政污泥含水率高，且伴有惡臭，如果直接進(jìn)入水泥窯，能耗較高，容易對(duì)燒成系統(tǒng)的熱工制度產(chǎn)生影響 ；而且產(chǎn)生“鄰避效應(yīng)”，帶來(lái)諸多社會(huì)及環(huán)境的負(fù)面影響，違背了污泥無(wú)害化處置的初衷。目前的水泥窯協(xié)同處置污泥的工藝方案中，大多僅在前置處理中考慮了對(duì)污泥的脫水或干化處理，使其含水率降至30% ～ 60%，以降低對(duì)水泥窯系統(tǒng)產(chǎn)量、熱工制度、能耗的影響。某水泥公司自 2012 年 11 月開(kāi)始利用液壓驅(qū)動(dòng)活塞泵將未經(jīng)處理的城市生活污泥泵送至水泥窯進(jìn)行協(xié)同處置，水泥系統(tǒng)經(jīng)過(guò)改造，能夠穩(wěn)定運(yùn)行，但窯系統(tǒng)臺(tái)時(shí)產(chǎn)量會(huì)有明顯下降，熟料煤耗明顯增加。金華某水泥廠進(jìn)行的濕污泥直噴入窯工藝工業(yè)試驗(yàn)，污泥干基中的成分主要為鈣硅鋁鐵，可以替代水泥生產(chǎn)原料，污泥含水率是影響水泥窯況的主要因素。針對(duì)污泥有機(jī)質(zhì)較低、重金屬含量少、發(fā)熱量不高、營(yíng)養(yǎng)成分不高的情況，采用生物瀝浸＋板框壓濾機(jī)脫水＋水泥窯的協(xié)同處置方式，污泥入窯前含水率需要降到 60%以內(nèi)，但需要考慮含水率要求和配套的煙氣處理設(shè)施而造成較高的運(yùn)行成本的問(wèn)題。有學(xué)者分析了葛洲壩當(dāng)陽(yáng)水泥有限公司利用水泥窯無(wú)害化協(xié)同處置的案例，污水處理廠的污泥，在出廠前已經(jīng)經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)、板框壓濾等措施，使含水率降至 55% 以下，水泥廠脫水污泥從分解爐喂入 ；市政污泥的化學(xué)組成與水泥生產(chǎn)所用的原料基本相似，根據(jù)有害元素的含量，控制污泥的摻入比例，對(duì)燒成系統(tǒng)的影響較小，基本不會(huì)增加煤耗。華潤(rùn)水泥從2010 年開(kāi)始水泥窯協(xié)同處置技術(shù)的研究，采用“污水處理廠內(nèi)干化 + 水泥窯協(xié)同處置”的協(xié)同處置污泥技術(shù)，污泥在污水處理廠內(nèi)采用深度脫水 + 電熱干化，污泥最終脫水降至含水率 30% ～ 35%，質(zhì)量減量比約為 65%，污泥協(xié)同處置項(xiàng)目對(duì)窯產(chǎn)量、質(zhì)量、熟料工序電耗影響在可接受范圍內(nèi)，對(duì)水泥熟料生產(chǎn)線的影響是可控的。株洲市水泥窯協(xié)同處置 50% 含水率污泥，將干化污泥直接投入分解爐內(nèi)，可充分利用污泥中的有機(jī)成分和無(wú)機(jī)成分，水泥窯產(chǎn)量減產(chǎn) 4%，入窯生料分解率略有降低，水泥窯內(nèi)預(yù)熱分解帶負(fù)荷增加。河南省豫鶴同力水泥有限公司為 5000t/d 生產(chǎn)線協(xié)同處置污泥能有效降低 NOx的生成量，除了能得到政府相應(yīng)補(bǔ)貼，還能響應(yīng)環(huán)保政策不停窯帶來(lái)間接收益。遵義賽德水泥有限公司采用市政污泥直接螺桿泵送入生料立磨替代磨內(nèi)噴水，取得了很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。有學(xué)者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和分析，提出了我國(guó)污泥水泥窯協(xié)同處置的 6 種工藝路線，前置處理工藝為脫水或干化，總結(jié)分析了協(xié)同處置污泥對(duì)水泥窯設(shè)備運(yùn)行工況、產(chǎn)品性能及污染物控制等方面的影響，充分證明其具有較高的可靠性。因此在當(dāng)前污泥填埋、土地利用或其他處置方案出路不順暢的情況下，污泥水泥窯協(xié)同處置也是一種較好的選擇。只有在前置處理過(guò)程中，對(duì)污泥的有益成分進(jìn)行提取或有效利用，實(shí)現(xiàn)對(duì)廢舊資源的進(jìn)一步“吃干榨凈”，從而提高污泥處置的附加值 ；同時(shí)降低污泥的含水率和有機(jī)物含量，實(shí)現(xiàn)污泥的減量化 ；而且消除或控制污泥的臭味，從而優(yōu)化水泥廠處理時(shí)的工作環(huán)境，才能有利于后續(xù)的水泥窯協(xié)同處理，提高污泥處置企業(yè)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

熱水解提取蛋白質(zhì)法聯(lián)合水泥窯協(xié)同處置工程方案

1. 技術(shù)路線熱水解提取蛋白質(zhì)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)污泥的高附加值資源化再利用，處理后污泥殘?jiān)试?30% ～ 60%，沒(méi)有惡臭，再聯(lián)合水泥窯協(xié)同處置，作為水泥原料或燃料。技術(shù)方案簡(jiǎn)潔可靠，經(jīng)濟(jì)收益可觀。水泥生產(chǎn)企業(yè)也可以作為市政污泥處置的主體在污泥處置行業(yè)中發(fā)揮更重要的作用。

2. 技術(shù)原理污泥中有機(jī)物的 40% ～ 60% 為微生物蛋白，污泥中的蛋白質(zhì)是一類優(yōu)質(zhì)蛋白，可用于制備富含蛋白的動(dòng)物飼料、綠化有機(jī)肥、可降解發(fā)泡劑、泡沫滅火劑等。蛋白質(zhì)一般是由疏水性氨基酸基和親水性氨基酸基構(gòu)成，特點(diǎn)是在分子鏈的末端有氨基和羧基，如果對(duì)氨基或羧基進(jìn)行修飾，就可制得多種特殊的表面活性劑。氨基酸是細(xì)胞的重要組成部分，它在植物生命活動(dòng)中擔(dān)負(fù)著重要作用，氨基酸能增強(qiáng)植物抗旱和抗寒能力，植物可直接吸收土壤中的氨基酸分子，氨基酸肥具有促進(jìn)植株生長(zhǎng)發(fā)育、增強(qiáng)抗逆性、改善土壤狀況和提高作物產(chǎn)量的作用。

3. 技術(shù)可行性污泥提取蛋白質(zhì)是一種環(huán)保、低耗能、高附加值的前置處理方式。根據(jù)蛋白質(zhì)、氨基酸多肽等營(yíng)養(yǎng)元素表面活性特性和植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)特性對(duì)液相進(jìn)行調(diào)質(zhì)、濃縮等技術(shù)處理，形成工業(yè)發(fā)泡類和有機(jī)肥料兩大類副產(chǎn)品。其中蛋白質(zhì)濃縮液中富含蛋白質(zhì)、氨基酸多肽、單糖、多糖等植物有機(jī)養(yǎng)分，其與礦物質(zhì)離子形成各種有機(jī)配位態(tài)，提高礦物質(zhì)養(yǎng)分利用率，以此為原料加工的有機(jī)全營(yíng)養(yǎng)配方肥具有提高產(chǎn)量、改善農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)、防止連作障礙、改良土壤結(jié)構(gòu)、激活土壤微生物等作用，具有較高的市場(chǎng)價(jià)值。熱水解提取蛋白質(zhì)技術(shù)是利用高溫高壓蒸汽（150°C～ 170°C）對(duì)污泥進(jìn)行蒸煮并瞬間泄壓，使污泥菌膠團(tuán)，有機(jī)物顆粒溶解，細(xì)胞物質(zhì)破碎，大分子有機(jī)物質(zhì)水解，徹底殺滅細(xì)菌，從而提高污泥的流動(dòng)性。細(xì)胞內(nèi)水釋放，并聯(lián)用板框壓濾機(jī)等脫水工藝進(jìn)一步降低含水率 ；病原菌全部滅活達(dá)到徹底無(wú)害化，并將惡臭祛除 ；有機(jī)物消減 50% 以上達(dá)到穩(wěn)定化，有效降低了鉀鈉磷等有害物質(zhì)的含量，更有利于后續(xù)水泥窯協(xié)同化處置。

資源化水泥窯協(xié)同處置前景

水泥窯協(xié)同處置市政污泥具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)污泥的無(wú)害化處置。水泥窯協(xié)同處置市政污泥具有天然的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，三十多年來(lái)，歐美等先進(jìn)國(guó)家利用水泥產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)來(lái)處理廢棄物，被稱為“廢棄物終結(jié)者”，污泥中有機(jī)物質(zhì)能被徹底分解從而避免二噁英的產(chǎn)生，處理后的廢棄物再次成為水泥燒制過(guò)程中部分替代原料或燃料，資源再利用達(dá)到最大化，減少了新資源的耗用。水泥窯協(xié)同處置市政污泥需要合適的前置處理工藝，目前多采用干化或深度脫水工藝，以降低對(duì)水泥窯系統(tǒng)產(chǎn)量、熱工制度、能耗的影響。熱水解提取蛋白質(zhì)法能有效地實(shí)現(xiàn)污泥資源化再利用，聯(lián)合水泥窯協(xié)同處置工程方案具有很好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。通過(guò)熱水解提取蛋白質(zhì)結(jié)合水泥窯協(xié)同處置抑或會(huì)成為污泥處置一個(gè)重要的工程應(yīng)用方向。