利用水泥窯協(xié)同處置河道底泥工藝的研究與應(yīng)用

王雨晴 李媛 王永利 高翠英 王振雷 李英華＊

(1吉林化工學院，吉林 吉林 132022；2吉林金隅冀東環(huán)?？萍加邢薰?，吉林 永吉 132200；3吉林市環(huán)境保護科學研究院，吉林 吉林 132000)

隨著化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展，河道、湖泊等水體的污染問題日益嚴重，各種污水被排放進河道，底泥中的污染物質(zhì)越來越多，種類越來越復(fù)雜。這些有害物質(zhì)經(jīng)過生物富集和生物放大，最終對人的健康、自然環(huán)境以及生態(tài)系統(tǒng)都有著很大危害[1]。傳統(tǒng)的填埋、固化和護坡等處理方式很難從根本上解決問題，導(dǎo)致河道底泥的處置面臨新的考驗[2]。水泥窯協(xié)同處置是水泥工業(yè)提出的一種新的廢棄物處置方法，是將滿足或經(jīng)過預(yù)處理后滿足入窯要求的固體廢物投入水泥窯，在進行水泥熟料生產(chǎn)的同時實現(xiàn)對固體廢物的無害化處置過程。在一些發(fā)達國家，水泥窯處理固體廢物已經(jīng)得到比較廣泛的應(yīng)用[3-5]。新型干法回轉(zhuǎn)窯擁有煅燒溫度高、高溫停留時間長、廢物能得到綜合利用且無害化處理等特點，這使其在生活垃圾、污泥和危險固體廢物的協(xié)同處置上具備獨特優(yōu)勢，在創(chuàng)造一定經(jīng)濟效益的同時解決環(huán)境治理問題，符合我國“節(jié)能減排”的環(huán)境保護發(fā)展要求，在近年來得到了快速發(fā)展[6-8]。

本文在對吉林某河道底泥進行詳細的調(diào)查和分析基礎(chǔ)上，探討利用新型干法回轉(zhuǎn)窯協(xié)同處置河道底泥的技術(shù)和工藝，并考察實際應(yīng)用對產(chǎn)品熟料質(zhì)量及環(huán)境的影響。

1 底泥采樣與分析結(jié)果

為了解某河道底泥污染情況，首先根據(jù)《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》進行采集與保存，再按照需要進行底泥含水率、燒失量、無機組分、重金屬和有機質(zhì)等項目的分析。

1.1 重金屬元素分析

通過對底泥重金屬含量進行分析（見表1），對照GB36600-2018《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風險管控標準（試行）》中第一類用地篩選值標準，發(fā)現(xiàn)除1#樣品Ni超標外，其他重金屬含量均未超標。但是，其仍不適合按常規(guī)方法進行填埋或護坡處理，有必要進行本文提及的水泥窯協(xié)同處置。

表1 底泥重金屬含量分析結(jié)果(mg/kg)

1.2 含水率分析

底泥的含水率會影響水泥生產(chǎn)過程進料條件的穩(wěn)定性，是影響協(xié)同處置的首要因素。分析底泥的平均含水率為23%-34%，在協(xié)同處置之前需要進行預(yù)處理。

表2 底泥含水率數(shù)據(jù)表

1.3 底泥的有機質(zhì)含量分析

河道底泥取自黑臭水體，色沉、有嚴重異味，說明含有大量的有機質(zhì)。由表3分析結(jié)果可見，底泥的有機質(zhì)在5%-10%之間。所以，在水泥窯協(xié)同處置的兩種主要綜合利用方式中，排除其作為輔助燃料的可行性，而考慮通過熱解爐高溫去除有機質(zhì)后代替部分原料使用。

表3 河道底泥有機質(zhì)測定結(jié)果

1.4 無機組分分析

從無機組分分析結(jié)果看（表4），河道底泥含有大量硅、鋁、鈣、鎂等元素，可以考慮替代部分的水泥原料，從而實現(xiàn)底泥在水泥生產(chǎn)過程中的資源綜合利用。

表4 底泥無機組分分析結(jié)果(mg/kg)

2 水泥窯生產(chǎn)工藝改進

參考GB 50757-2012《水泥窯協(xié)同處置污泥工程設(shè)計規(guī)范》、GB 50634-2010《水泥窯協(xié)同處置工業(yè)廢物設(shè)計規(guī)范》和GB 30760-2014《水泥窯協(xié)同處置固體廢物技術(shù)規(guī)范》，判斷預(yù)處理底泥用于回轉(zhuǎn)窯協(xié)同處置的可行性，需要滿足以下要求：1）水泥窯系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定；2）水泥產(chǎn)品和污染物排放標準滿足環(huán)境保護標準；3）具有一定的經(jīng)濟效益。

在不改變主要工藝技術(shù)前提下，優(yōu)化底泥與其他原料配比，提高底泥利用率，保證水泥熟料質(zhì)量，水泥中可浸出重金屬含量限值符合GB 30485-2013《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染控制標準》，空氣污染物排放量符合GB 4915-2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》。

2.1 河道底泥預(yù)處理系統(tǒng)

目前有較多的污泥水泥窯協(xié)同處置系統(tǒng)，由于性質(zhì)和成分不同，工藝特征也有區(qū)別，有的集中在給料方式上，如利用污泥泵或噴槍直接輸入水泥窯窯尾，有的對污泥先進行深度壓濾脫水形成泥餅，再進入分解爐。傳統(tǒng)的水泥協(xié)同處置一般采用“先預(yù)處理，后脫水控制”“先發(fā)酵、后分選”“先焚燒、后處理”“先氣化、后處理”預(yù)處理技術(shù),預(yù)處理過程中設(shè)備采用繁雜，造成能源浪費，增加了環(huán)境污染的風險[9-10]。結(jié)合本文的河道底泥特征和分析結(jié)果，利用原廠水泥生料，采用了一種簡單便捷的底泥預(yù)處理方式，降低含水率的同時實現(xiàn)除臭目的，之后通過傳送裝置均勻投加至熱解爐參與后面的協(xié)同處置工藝。

2.2 水泥窯協(xié)同處置工藝改進

為了對預(yù)處理后的底泥進行綜合利用，還需要考慮摻入底泥與原料的配比。當配比合適時，引入的微量元素在熟料燒結(jié)過程中會起到礦化和助熔作用，提高水泥熟料的易燒性。一般情況下，加入1%～5%的污泥可降低熟料中游離鈣的含量。本文研究了配比為5%條件下對水泥熟料的質(zhì)量和環(huán)境的影響。

在原有水泥生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上改進部分工藝，經(jīng)預(yù)處理底泥含水率達到要求后，通過計量倉計量，由輸送系統(tǒng)均勻送入分解爐，分解有機物，并與水泥生料混合進行碳酸鹽分解，然后進入溫度為900-1450℃的回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煅燒成水泥熟料，再經(jīng)過粉磨生成成品水泥。改進后的底泥協(xié)同處置工藝見圖1。

圖1 水泥窯協(xié)同處置工藝流程示意圖

3 工藝改進前后對比

3.1 對水泥熟料的影響

為判斷協(xié)同處置對水泥熟料的影響，對處置前后熟料的主要指標和處置后重金屬含量進行分析，結(jié)果見表5和表6。

表5 處置前后水泥熟料質(zhì)量數(shù)據(jù)比較

表6 水泥熟料重金屬含量限值(mg/kg)

由表5和表6可見，處置前后對水泥熟料質(zhì)量并無明顯影響；對照GB 30760-2014《水泥窯協(xié)同處置固體廢物技術(shù)規(guī)范》中的水泥熟料重金屬含量要求，重金屬含量未超標。

3.2 對環(huán)境的影響

3.2.1 處理后水泥熟料浸出液實驗結(jié)果

河道底泥協(xié)同處置后應(yīng)避免產(chǎn)生二次污染，增加對環(huán)境的壓力。本文對處置后熟料進行了浸出液測試比較，其中的重金屬含量見表7。

表7 處理后水泥熟料浸出液重金屬含量(mg/L)

由表7可見，浸出液中重金屬含量沒有超過GB 30760-2014的標準限值。

3.2.2 大氣污染物排放監(jiān)測結(jié)果

由表8可見，處置前后的大氣污染物排放無明顯變化，且處置后的大氣污染物濃度沒有超出GB 4915-2013的標準限值，實現(xiàn)了達標排放。

表8 處置前后大氣污染物濃度(mg/m3)

4 結(jié)論

利用水泥回轉(zhuǎn)窯協(xié)同處置技術(shù)對河道底泥進行綜合利用的研究及實踐得出以下結(jié)論：

1）本次底泥的重金屬超標，不符合GB 36600-2018《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風險管控標準（試行）》中第一類用地的篩選值要求；含水率在15%-35%，有機質(zhì)為5%-10%，含有大量的無機組分，適合對其預(yù)處理后以替代部分水泥原料的形式進行水泥窯協(xié)同處置。

2）通過對河道底泥進行預(yù)處理，完成脫水固化，滿足進料要求；通過補充與處理系統(tǒng)，并對現(xiàn)有水泥熟料生產(chǎn)工藝進行改進，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯協(xié)同處置河道底泥6萬m3；通過調(diào)整底泥配比為5%，實現(xiàn)協(xié)同處置河道污泥前后對水泥熟料質(zhì)量無明顯影響，排放的廢氣符合水泥工業(yè)大氣污染物排放標準，最終實現(xiàn)了河道底泥的減量化、資源化、無害化處置。