環(huán)保面前，沒有旁觀者
 

 水泥窯協(xié)同處置 

隨著我國城鎮(zhèn)污水處理率的不斷提高，城鎮(zhèn)污水處理廠污泥產生量急劇增加。利用水泥廠煅燒設備處理污水處理廠污泥，不僅解決了污水處理廠污泥處理問題，還可以利用污泥替代部分水泥原料生產熟料，充分利用污泥焚燒過程中所釋放的低位熱值，達到污泥穩(wěn)定化、無害化、減量化和資源綜合利用的目的。近年來，越來越多的相關技術被研發(fā)并申請專利。目前，水泥窯協(xié)同處理城市污泥技術在推廣應用方面不是很普遍，因此，本文通過檢索2013年6月31日以前公開的有關水泥窯處理污泥的世界范圍專利和中國專利（中國專利包括發(fā)明和實用新型），重點綜述了我國利用水泥窯處理城市污水廠污泥的專利技術，為選擇污泥處理處置的有效方法提供參考和借鑒。

1 國內外專利申請概況

上世紀七十年代中期由德國和日本率先提出水泥窯協(xié)同處理污泥的技術，并申請了相關專利。世界各國相關專利的申請情況如圖1所示。由圖1可見，在世界范圍內，水泥窯協(xié)同處理污泥技術的專利申請量呈逐年增長的趨勢，尤其是進入21世紀以來，十年的申請量由上世紀90年代的40件增長為166件，增長率超過300%。其中，日本專利所占的比例最高，近十年的增長趨勢也比較迅猛。值得關注的是，相關技術的中國專利在2005年開始出現，至2012年申請量達到了33件。
 

世界各國對污泥的處理和資源化利用方式愈加重視，已成為環(huán)境科學領域的重要研究課題之一。由于各國在自然環(huán)境、經濟水平和科技水平等方面存在差異，各國對污泥的處理方法也不盡相同。日本和德國的污泥處理處置技術相對較成熟，通過對其技術的分析，可為我國污泥處理處置帶來一定的參考和借鑒。

目前德國污泥已經實現100%穩(wěn)定化處理，污水廠最高60%的能耗可以通過污泥生物質能回收。污泥已不再被視為污染物，污泥處理從單純的消納處置轉變?yōu)橘Y源與能源的綜合利用。2000年之后，德國的水泥窯協(xié)同處理污泥的專利申請量迅速減少，重點轉到作為能源利用的污泥處置方面。為了減輕填埋場的負擔，日本較大規(guī)模地采取了以干化焚燒為主的污泥處理方法。焚燒灰渣和部分脫水污泥進入水泥廠制作建材、熔融渣作為路基材料等。因此，近年來相關專利的申請量增長顯著�？吹剿�泥窯協(xié)同處理污泥技術在中國市場發(fā)展的前景，日本于2005-2008年在中國也申請了干燥設備、粉塵收集設備、減少污染的方法等方面的專利（水泥燒成裝置及高含水有機廢棄物的干燥方法；水泥燒成設備的排氣處理方法和處理系統(tǒng)；含水污泥的處理方法以及處理設備）。

中國最早的專利是2001年由天津水泥工業(yè)設計研究院申請的“處理工業(yè)和生活污泥的方法”。該發(fā)明是將工業(yè)和生活污泥直接進入烘干機攪拌機烘干，烘干后的污泥送入流化床的懸浮爐；出爐物料經旋風收塵器收下后直接進入水泥熟料燒成系統(tǒng)。該方法使污泥中的有機組分在燃燒中作熱值加以利用，細菌及惡臭氣體徹底燃盡，無機組分包裹在水泥熟料中，無二次污染。2007年以前，專利的申請單位主要集中于大學、設計院、科研院所等研究單位。隨著相關技術的應用，企業(yè)申請專利的數量逐漸增多，發(fā)明內容主要涉及相關設備的改進和發(fā)明方面（圖2）。

2 水泥窯協(xié)同處理污泥的工藝

水泥窯協(xié)同處理污泥的方式按水泥生產過程可分：污泥用于作水泥原料，在生料配料時加入；在水泥燒成系統(tǒng)的某個環(huán)節(jié)加入，高溫焚燒污泥；把污泥煅燒活化成堿激發(fā)水泥等3類。

水泥窯協(xié)同處置污泥工藝包括:污泥運輸系統(tǒng)、進廠接收系統(tǒng)、分析鑒別系統(tǒng)、預處理系統(tǒng)、焚燒系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)（圖3）。

水泥窯宜處理性質相對穩(wěn)定、量大的污泥。包括：城市污水處理廠污泥和工業(yè)污泥，如：制藥廠、印染廠、采油廠等污水處理后的污泥、不銹鋼冷軋脫水污泥、石油、石化、船舶、涂料、油料、顏料等行業(yè)排放的含烴類有機物污泥、造紙污泥等；以及河湖疏浚污泥。其中，針對城市污水處理廠污泥處置的專利技術最多。

3 水泥窯協(xié)同處理污泥的專利技術

在水泥生產中協(xié)同處理的污泥可以是未經干化的濕污泥，也可以是干燥污泥。不經過干化處理的濕污泥，直接用于水泥原料，在生料配料時加入。干化污泥則可以在水泥燒成系統(tǒng)包括分解爐到冷卻機各個環(huán)節(jié)加入。

3.1 水泥窯協(xié)同處理未經干化的濕污泥

城市污水廠的污泥進入水泥廠后，經過特性分析（如含水率、含砂率、固定碳、揮發(fā)分、水分、化學成分以及有害元素等）的分析，與生產水泥的其它原料按一定比例混合，作為水泥生產的部分替代原料進入水泥生產系統(tǒng)。該種方法適于處理絮凝劑處理高濃度有機污水所產生的含稀土污泥和含鐵塵泥等含水量為20~60%)的濕態(tài)污泥�；蛘�將含水率≥70%的造紙污泥直接加入立磨，與水泥原料混合、磨細，制成水泥生料，造紙污泥的加入量為水泥生料重量的5%~12%，均化后導入煅燒系統(tǒng)中燒制成水泥熟料。依據處理濕態(tài)污泥的化學成分，按硅酸鹽或鋁酸鹽為主的熟料設計要求，計量污泥替代水泥原料，將污泥與水泥原料混合均勻并制成生料棒或生料球，直接送入水泥窯以1200~1300℃燒制水泥熟料。該種治理高濃度有機污水所產生的污泥的處理方法，無害化處理污泥的同時，提高了水泥熟料強度、產量，還可以減少生產水泥對自然礦物的消耗，有效燃盡污泥中的有機物消除有機物和重金屬元素的污染。

不銹鋼冷軋脫水污泥與石灰石、粘土、煤灰、鐵礦粉、石膏等混合配制成的水泥生料可以燒制成硅酸鹽水泥熟料。石灰主要成分是氧化鈣(CaO)。

每投加1 kg 的氧化鈣就有0.32 kg的水被結合成為氫氧化鈣。另外，該反應為放熱反應，生成的熱量相當于蒸發(fā) 0.5 kg 的水所需要的熱。所以加入石灰后，污泥中的一部分水被結合生成固體物質氫氧化鈣，還有一部分水被反應釋放的熱量蒸發(fā)，從而減少了污泥的含水量。氫氧化鈣遇到空氣中的二氧化碳，可以生成碳酸鈣，即石灰石。石灰石是生產水泥的原料之一，因此采用濕污泥配制水泥生料時，加入石灰減少含水量是常用的技術手段。首先分析污泥的含水量，根據含水量加入石灰以及其他配料，使其達到水泥窯進料標準；根據配料比例進行混合攪拌，使污泥的含水率為10%~40%。這種方法也可以用于利用立式水泥窯處理污水處理廠、造紙廠的污泥。

3.2 水泥窯協(xié)同處理干化污泥的技術

污泥作為水泥原料在生料配料時加入這種處理方式，污泥的熱量不僅得不到利用，還會對水泥生產造成不利影響，對環(huán)境也形成二次污染。水泥廠的污泥綜合利用通常首先需要利用水泥生產過程的廢熱煙氣作為污泥干燥的熱源使用，然后再將干化后的污泥放入水泥窯系統(tǒng)內進行煅燒處置。干燥污泥的熱源包括水泥生產余熱、生產中高溫氣體以及外熱（如太陽能）三類。
 

利用水泥窯系統(tǒng)廢氣烘干污泥水分，干化后的污泥作為替代燃料入窯煅燒，實現較高的替代率。該污泥預處理與水泥窯綜合利用系統(tǒng)以廢治廢，可使污泥得到安全、無害、資源化的處置和利用。利用水泥生產余熱干化污泥的技術包括：將要處理的污泥先進行分類，將重金屬含量高的污泥與燃煤混合，利用轉窯頭的余熱烘干后，加入轉窯高溫帶；污泥經1400~1600℃的高溫焚燒后成為灰燼，灰燼制成水泥產品；焚燒的廢氣經除去惡臭后排出；重金屬含量不超標的污泥，利用水泥窯尾的余熱烘干后與水泥窯灰混合制成肥料產品。將含水量75%的工業(yè)或生活污泥直接進入烘干攪拌機，攪拌機的烘干熱源來自水泥熟料燒成窯頭熱的三次風，出烘干攪拌機的污泥送入帶流化床的懸浮爐，出爐物料經旋風收塵器收集后直接進入水泥熟料燒成系統(tǒng)。還有利用水泥回轉窯外壁輻射高溫加熱污泥城市污水處理廠污泥或河湖疏浚污泥，經過二段干化后與粘土質原料混合，再與石灰質原料混合，形成生料，燒制成水泥。將干法水泥生產中熟料冷卻機的熱風引入烘干機中烘干污泥，干污泥再送入水泥窯尾或分解爐焚燒，焚燒的熱量供給水泥燒成過程，灰渣作為水泥原料形成熟料。水泥生產余熱、生產中高溫氣體干化污泥的方法不需要額外補充燃料、能分解污泥中的有害氣體實現污泥無害化處理、能利用污泥熱量、節(jié)能、不影響水泥熟料品質。

加熱的方式又分為熱介質直接與污泥接觸的直接加熱方式和熱介質不直接與污泥接觸而通過換熱的間接加熱的方式。直接干燥系將熱煙氣直接引入干燥器，通過熱氣體與濕污泥的直接接觸、對流進行換熱，污泥中的水分得以蒸發(fā)，含水率降低，得到最終產品-干化污泥。間接干燥是熱煙氣的熱量通過熱交換器，傳給某種介質（如蒸汽）后再與濕污泥傳導或接觸進行換熱，降低污泥的含水率。

4 水泥窯協(xié)同處理污泥在我國的應用

4.1 北京水泥廠污泥處理

北京水泥廠有限責任公司的處置污水處理廠污泥工程是我國首個利用水泥窯余熱干化處置污水處理廠污泥的示范項目。污泥處理量為500噸/日。處理工藝流程主要包括取熱、干化、水處理三部分。城市污水處理廠的污泥收集送至水泥廠，經計量、儲存，再送入污泥干化系統(tǒng)。污泥的干化工藝采用渦輪薄層干燥技術。干化后，污泥的含水率從80%降低到35%（半干化）或10%（全干化）。干化污泥作為摻和料與水泥工藝用料一同進入水泥窯進行處置。污泥干化的熱源來自水泥窯煙氣產生的熱量，經過氣液間接交換后，熱量傳遞給導熱油，導熱油被循環(huán)加熱，最終將熱量傳遞給污泥使其干燥。干化過程中產生的臭氣直接送入水泥窯進行焚燒處理，同時，干化過程中產生的冷凝廢水排入配套的污水處理站凈化處理，處理后可做為循環(huán)冷凝水使用。同時少量冷卻后不可凝氣體連同污泥儲存過程中的臭氣一并送入水泥窯焚燒（圖4）。
 

污泥干化采用的是間接干化的方式。采用了《一種處置污泥的方法及其裝置》專利技術，利用污泥焚燒處置系統(tǒng)工作過程中產生的余熱烘干濕污泥，將烘干過程中產生的廢氣導入廢氣處理系統(tǒng)中處理達標后再排出，得到的干污泥送入污泥焚燒處置系統(tǒng)，不添加輔助燃料直接焚燒，得到的殘渣用于生產水泥。這種方法處置污泥，既節(jié)省了干化污泥所需的燃料，又避免了廢氣廢渣的污染，同時也節(jié)省了廢氣廢渣處理的成本，從而達到了節(jié)能環(huán)保的目的。

北京水泥廠有限責任公司還利用污泥中的氨氮，在處置污泥的同時使水泥窯分解爐中形成還原氣氛，可直接將大部分的氮氧化物還原成氮氣，從而降低水泥窯尾氣中氮氧化物排放；而且降低了污泥處置的成本，還增加了污泥的處置量。發(fā)明的處置污泥的噴槍裝置可通過高壓空氣打散噴槍出口處的工業(yè)污泥，將打散后工業(yè)污泥直接送入到水泥窯中進行噴燒，并且不對水泥窯產生任何影響。 

4.2 廣州越堡水泥有限公司污泥處理

廣州市越堡水泥有限公司污泥處理項目被廣東省環(huán)保局列為“廣東省水泥窯協(xié)同處置固體廢棄物試驗試點示范工程”，同時還被列為國家“十一五”科技支撐計劃的“工業(yè)及城市廢棄物在水泥窯中的處置技術及裝備研究”攻關項目內容。項目設計日處置量為 600 噸(含水率80%)、 年處置量為 18.6 萬噸。該種水泥窯處理污泥系統(tǒng)，包括污泥干燥裝置、污泥焚燒裝置、污泥烘干廢氣處理裝置、廢水處理裝置等（圖5）。整個系統(tǒng)廢渣、廢水零排放，廢氣排放低于國家排放標準限值，實現了污泥處置資源化和無害化的目的。
 

處理的程序大體分兩步：首先是利用水泥窯的鍋爐余熱將含水率為80%的城市污水廠的濕污泥干化為含水量小于 30%的半干污泥；然后，將半干污泥通過接口設備加入水泥熟料燃燒，半干污泥可替代部分原煤。

焚燒殘渣含有大量二氧化硅、氧化鋁，可以替代黏土做為硅質、鋁質原料，使廢棄物變成能源 減少黏土的使用量，實現污泥的資源化利用。由于借鑒了歐洲的先進經驗，該廠的水泥窯協(xié)同處理城市污水廠污泥的項目在設計之初就考慮到了污泥回收處理的功能。污泥在水泥窯內焚燒，焚燒溫度更高、高溫停留時間更長，可以保證污泥中有害有機物可充分燃燒、分解。

另外，基于干化尾氣含較高濃度的二氧化硫，采用了一種污泥高溫脫水產生的惡臭廢氣的凈化方法，達到除臭和生產脫硫石膏的雙重目的。該工藝方法同時包含石灰石－石膏脫硫系統(tǒng)和高溫生物滴濾塔除臭系統(tǒng)兩個部分。惡臭廢氣先通過脫硫塔去除其中的二氧化硫，然后由生物滴濾塔利用生物填料中的高溫除臭嗜熱菌群降解惡臭廢氣中的惡臭有機組分。該發(fā)明創(chuàng)新組合工藝的優(yōu)點是：除臭效果明顯，無需配套冷卻系統(tǒng)，避免大量冷凝水析出，投資省，運行成本低，無二次污染。該項目的工程實踐為國內有機廢棄物的處理處置和資源化利用探索了一條具有循環(huán)經濟特點的示范途徑。

5 結 語

利用水泥窯處理城市污水廠污泥的技術具有如下優(yōu)點：
（1）水泥回轉窯中溫度高，污泥中的有害物質可充分燃燒、分解。
（2）回轉窯穩(wěn)定，處理量大，不影響水泥產品的質量。
（3）污泥灰渣中的重金屬能夠被固定在水泥熟料的結構中，減少了對環(huán)境的二次污染。
（4）有效地利用現有設施，處理污泥和獲取熱源，污泥達到減量化、無害化和資源化的目的。在我國，水泥窯協(xié)同處理城市污水廠污泥是比較新的技術，這種技術為城市污水處理廠污泥的無害化處置和資源化利用提供了一種新的模式和途徑。
 

文章刊登于《環(huán)境工程》2014年卷11期，作者單位為： 國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作北京中心；中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心。