市政污泥資源化集中處置對大氣環境的影響及防治對策

陳 玲 ，陳 晨

(1.湖南省氣象服務中心，湖南 長沙410118；2.湖南省氣象技術裝備中心，湖南 長沙410007)

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市政污泥資源化集中處置對大氣環境的影響及防治對策

陳 玲1，陳 晨2

(1.湖南省氣象服務中心，湖南 長沙410118；2.湖南省氣象技術裝備中心，湖南 長沙410007)

用實例對城市污泥資源化集中處置(水泥窯協同)的大氣環境影響進行了評價，分析了防治對策，認為：水泥窯處置廢棄物處理溫度高、焚燒空間大、焚燒停留時間長，處理規模大、無二次渣排放；采用這種國際上先進的技術和裝備，在服務社會的同時，也將有效地解決城市污水處理廠污泥處理處置問題，實現生態友好的目標。

市政污泥；資源化處理；水泥窯協同；大氣環境影響；防治對策

1 項目由來

我國在污水治理上一向存在著“重污水、輕污泥”特點。污泥是污水處理的產物，污水中約一半的污染物直接轉移到污泥中，不解決好污泥處置的問題，污水處理的效果只能是事倍功半。國內許多污水處理廠污泥現主要采用填埋方式處置，而現有城市垃圾填埋場處理能力不足，進入填埋場的污泥已經給填埋場留下了很多的問題：導致污染源的擴散，存在嚴重的“二次污染”隱患。污泥處置利用發展的嚴重滯后，導致目前的污泥形成簡單填埋為主的局面，逐漸變成市政部門的一大隱患。因此，市政污泥的資源化處理成了擺在我們面前的一項重要任務。

污泥因其熱值較低(含水率在35%～45%的市政污泥凈熱值為6700～7000kJ/kg)，成為一種“廢棄物”。這種“廢棄物”在水泥窯處置中可替代部分燃料。有關研究資料表明，在分解爐加入水分在30%的市政污泥，大約可節省燃料3.75%左右；此外，“廢棄物”焚燒后的殘渣(例如污泥殘渣)，均成為無害鹽類，往往具有可利用的組分，能替代部分天然原料；并且在處理過程中，“廢棄物”直接參與了熟料的固相反應、液相反應和熟料燒結過程，參與熟料的形成。因此水泥窯處理市政污泥不存在焚燒灰渣的二次處理和周轉污染。

2 案例

2.1 工程概況

建設范圍：利用現有5000t/d新型干法水泥窯處置市政污水處理廠污泥，處理市政污泥規模為400t/d(含水率80%，310d計)，年處理12.4萬t。

技術方案：將城市污水處理廠已經深度脫水處理至含水率50%以下的污泥，用車輛罐裝封閉運送至本項目泥餅儲存倉，經水泥窯尾余熱進一步熱干化至含水率<30%后進入新型干法水泥窯協同處置。污泥經預處理后可作為熟料燒成的部分替代燃料(煤、電)，污泥殘余灰渣可作為水泥的硅質原料，替代少量硅質原料(如粘土、頁巖等)。利用低溫余熱發電系統發電后出口煙氣(180℃)為干化熱源，對現有低溫余熱發電系統熱量進行了再利用，能大大提高水泥企業對余熱(能源)的綜合利用效率。污泥處置工藝流程見圖1。

2.2 大氣污染源分析及防治對策

工程施工期對大氣環境的影響是短暫有限的，其對大氣的污染隨著施工活動的結束而結束。因此我們著重分析營運期對大氣環境的污染及主要防治對策。

運營期產生和排放的大氣污染物主要包括：污泥干化過程中產生的臭氣、污泥煅燒過程中產生的含極微量二噁英的窯爐煙氣及污泥運輸車輛在運輸過程中產生的尾氣。本項目主要產污環節及污染物詳見圖2。

2.2.1 粉塵

污泥的輸送、破碎、烘干、儲存等生產過程中會產生少量粉塵，其中最主要為泥餅烘干系統排放的粉塵等。由于是利用水泥窯窯尾煙氣余熱烘干泥餅，且在泥餅烘干系統，在廢氣排放口均設置了與窯尾廢氣排放口一樣的袋式除塵器，因此，窯尾粉塵排放減少量大致與烘干系統排放的粉塵量相當。泥餅轉運、輸送過程有少量有組織粉塵的排放。在含水率50%泥餅裝卸過程中也會產生部分粉塵，只要加強污泥的裝卸、轉運、輸送的管理工作，粉塵的排放量基本不增加，對周圍環境影響較小。工程除塵系統詳見表1。

表1 工程除塵系統一覽表

為了有效控制粉塵的排放量，減少其對周圍環境的影響，在設計上采取以防為主，從工藝上盡量減少生產中的粉塵環節，如：對干燥污泥輸送采用密閉式輸送設備。

由于設計用污泥替代部分水泥生產生料以及煤粉，而保持熟料的總產量不變，再加上現有排氣煙囪均采用了高效的除塵器，除塵效率高達99.9%以上，因此，窯頭、窯尾粉塵排放量不增加。

2.2.2 SO2

燒成爐尾排放的SO2主要是由于煤粉和原料在爐內共同燃燒而產生的。處置80%含水率市政污泥400t/d(折合50%的污泥160t/d)，污泥具有一定的節能效果(燃料替代比例約為3.75%，每年可節約標準煤930t/a)，且污泥中的灰分還能替代部分原料使用(原料用量可減少約3.57萬t/a)，而城市污泥的含硫量(0.77%)與標煤含硫量(0.80%)基本相似，原料中亦含有0.01%～46.88%不等的SO3(如石膏含SO3達46.88%，石灰石含SO3為0.03%)，因此，水泥窯加入污泥后，在不增加熟料產能的情況下，SO2的實際產排量與現有工程基本無變化。

2.2.3 NOX

窯尾煙氣需采取低氮燃燒脫硝法對NOx進行控制，以降低NOx排放量。對窯煙囪采用“四通道大推力燃燒器+分解爐助燃空氣分級燃燒技術+末端選擇性非催化還原技術”聯合進行脫硝。脫硝后NOx排放濃度280mg/m3，排放量為1032t/a。

2.2.4 二噁英類

二噁英的形成需要3個條件：①不完全燃燒，尤其是350～500℃下的低溫不完全燃燒反應的存在；②有機氯化合物、有機苯環化合物的存在；③催化劑的存在，主要是銅、鑭等副族元素化合物。

完全不可能創造二噁英的3個形成條件：①通過調整系統的風、料、煤的配合關系，在燃燒條件優越的富氧區域加入干污泥替代燃料，可以保證污泥在分解爐內的高溫燃燒，阻斷二噁英在高溫燃燒區域的形成。污泥只從高溫段進入窯系統，在分解爐內的停留時間長達6s，分解爐內平均溫度在880℃以上，二噁英的分子結構會被分解和破壞，是完全可以保證污泥及燃料的完全燃燒的。此外，通過調整系統的配風，適當增加系統的氧氣含量，可以很好地抑制窯系統出現不完全燃燒反應。②廢氣從水泥窯系統進入上部預熱器，然后逐級換熱降溫至320℃后被排出預分解系統進入原料磨，在整個系統降溫過程中，充滿著高濃度堿性氧化物粉塵，堿性氧化物可抑制二噁英的生成。此外，系統中缺乏合成二噁英的有機氯源，雖然在原料和污泥中含有Cl-，但大都是以氯鹽的形式帶入系統中的，而在系統內的富集循環也是以氯鹽形式出現，基本不具備Cl2形成的條件，所以再度合成二噁英的條件不充分，另外高溫條件下，生成的氯酸鹽還可以氧化破壞已生成的二噁英污染物。③二噁英形成需要催化劑，作為催化劑的重金屬在窯尾主要以礦物的形式分布在生料粉中，在燃燒灰焦的表面存在很少，催化媒介很少，導致二噁英的形成受到很大的抑制。

烘干廢氣中二噁英濃度按0.023ngTEQ/Nm3、烘干廢氣量按5.8萬Nm3/h，一年按7500h進行核算，則烘干廢氣中二噁英的產排量為：1.001×10-8t/a；本項目窯處置污泥后窯煙氣中二噁英濃度按0.008ngTEQ/Nm3、回轉窯廢氣量按50.6萬Nm3/h，一年按7500h進行核算，則窯處置污泥后窯煙氣中二噁英的產排量為：3.036×10-8t/a；因此，本項目二噁英的總排放量為4.037×10-8t/a。

2.2.5 尾氣中的重金屬濃度

本項目利用城市污水處理廠污泥作為部分硅質原料(僅占總原料的4%)。污泥中微量的重金屬成分將進入熟料中，并不會影響熟料的質量。污泥中含有微量的重金屬鉛、銅、鎘和汞，污泥經烘干破碎后進入回轉窯與生料一起煅燒，回轉窯溫度為1400～1500℃，上述重金屬中鉛的沸點為1725℃，銅的沸點為2595℃，鎘的沸點為770℃，汞的沸點為375℃，在焚燒過程中銅和部分鉛將會留在污泥中最終進入熟料產品中，而汞、鎘和另一部分鉛將會轉化成氣體進入尾氣中，在經過除塵器和熱交換器后，尾氣溫度由200℃降為130℃，隨粉塵外排。

本項目回轉窯廢氣量50.6萬Nm3/h，一年按7500h計算，鉛、鎘、汞排放濃度按同類工程環保驗收窯廢氣中重金屬濃度監測平均濃度最大值進行核算，則本項目窯處置污泥后窯煙氣中重金屬的排放量分別為：鉛0.129t/a、鎘2.58×10﹣3t/a、汞7.63×10﹣4t/a。

2.2.6 惡臭氣體

惡臭氣體主要是在污泥儲運和污泥干化階段產生和排放的，即便是含水率50%的污泥，仍有少量臭氣產生和散發出來。針對污泥儲存及干化階段的工藝特性，工程污泥預處理車間采用負壓操作，維持負壓所抽取的空氣及異味氣體的混合物同烘干廢氣一同進行生物除臭。車間內廢氣及干化尾氣經過噴淋降溫、脫酸并除去部分臭氣后，進入生物滴濾除臭系統。通過噴淋層洗滌后，廢氣中的SO2、HCl、HF 等污染物被吸收，噴淋液循環使用。

本項目污泥干化廢氣的特征污染物主要為H2S、NH3和少量的CH4S。結合同類工程污泥烘干系統排放氣體臭氣濃度，并綜合考慮到生物處理系統的不穩定性，核算出本工程H2S、NH3和CH4S的排放量分別為0.00035kg/h(0.003t/a)、0.041kg/h(0.308t/a)、0.00006kg/h(0.001t/a)，排放濃度分別為0.006mg/m3、0.700mg/m3、0.001mg/m3。

2.2.7 污泥運輸車

作為污泥運輸工具的罐裝污泥運輸車排放的廢氣也是擬建項目的大氣污染源之一。汽車廢氣污染物主要來自曲軸箱漏氣、燃油系統揮發和排氣管的排放，大部分的碳氫化合物和全部的NOx、CO來自排氣管。根據估算，日平均運輸污泥約8～10車次，選取汽車進廠后的行駛速度為10km/h、行駛距離按1000m計。參考國內外汽車尾氣排放系數，大型汽車在低速進、出地面停車場時的汽車尾氣排放系數列于表2。一年按315d計。具體污染排放量見表3。

表2 大型貨車低速行駛時的尾氣排放系數 (g/km)

表3 污泥運輸車在進、出場地過程中大氣污染物排放量

市政污泥要采用密閉的罐車進行運輸，保證密封嚴格、不灑不漏，并安排合理的運輸時間，避開交通高峰時段，隨時檢查專用運輸車的嚴密性和完好度，防止氣味逸出。

2.3 大氣污染物排放情況

工程大氣污染物排放情況見表4。

表4 大氣污染物排放情況匯總表

3 防護距離

根據《HJ2.2-2008環境影響評價技術導則 大氣環境》 “為保護人群健康，減少正常排放條件下大氣污染物對居住區的環境影響，在項目廠界外設置環境防護距離”要求，采用推薦模式中的大氣環境防護距離模式計算廠區各無組織排放源的大氣環境防護距離。

3.1 粉塵

據工程分析，水泥生產線粉塵無組織排放主要產生于：①汽車運輸產生的粉塵；②泥餅裝卸、轉運、輸送等生產過程。本工程廠區粉塵各無組織排放源強詳見表5。本工程粉塵標準濃度限值依據環評導則規定的一次濃度值為日均濃度值3倍的比例關系換算得到，即取0.9mg/m3。工程建成后大氣環境防護距離計算結果見表6。

表6 工程投產后大氣環境防護距離

經模式計算，得到本工程投產后無組織排放大氣環境防護距離為150m，廠界外東面廠界、西面廠界、北面30m、南面30m為大氣環境防護區域，因廠界外大氣環境防護區域范圍內無居民，故大氣環境防護距離內無環保搬遷。

3.2 惡臭氣體

無組織排放惡臭氣體主要是在污泥儲存階段產生和排放的，即便是含水率50%的污泥，仍有少量臭氣產生和散發出來。污泥干化廢氣的特征污染物主要為H2S、NH3。工程H2S、NH3和CH4S的排放量分別為0.00035kg/h(0.003t/a)、0.041kg/h(0.308t/a)，排放濃度分別為0.006mg/m3、0.700mg/m3。現按最大惡臭氣NH3排放量0.041kg/h(0.308t/a)，并結合平面布置圖，確定惡臭氣需要控制的范圍。本工程投產后惡臭無組織排放源強詳見表7。

表7 工程投產后惡臭排放源強

經模式計算，得到本工程投產后惡臭無組織排放大氣環境無超標點，因此不設置惡臭大氣防護距離。

3.3 衛生防護距離

式中：Cm-環境空氣濃度限值(mg/m3)；L-工業企業所需衛生防護距離，m；r-有害氣體無組織排放源所在生產單元的等效半徑，m，根據該生產單元占地面積S(m2)計算；A、B、C、D-衛生防護距離計算系數；Qc-工業企業有害氣體無組織排放量可以達到的控制水平。

根據生產區惡臭的無組織排放量作為計算源強，計算參數及計算結果見表8。

表8 衛生防護距離計算參數及結果

經計算，衛生防護距離為50m。工程污泥接受及儲存車間50m的衛生防護距離均位于廠區內部，衛生防護距離內無環境敏感點。

4 結語

水泥窯處置廢棄物處理溫度高、焚燒空間大、焚燒停留時間長，處理規模大、無二次渣排放。市政污水處理廠污泥因產生量大、且成份復雜，是當前急需處理處置的問題。給市政污泥尋求解決出路，對其進行減量化、穩定化、無害化和資源化是十分必要和迫切的。通過采用國際上最先進的技術和裝備，能實現高效、節能、低耗的目的，實現單位產品的最低投入，在環保、節能、降耗上達到最好的水平，在服務社會的同時，也將有效地解決城市污水處理廠污泥處理處置問題，實現生態友好的目標。

[1]環境影響評價技術導則 總綱:HJ2.1-2011[S].

[2]環境影響評價技術導則 大氣環境:HJ2.2-2008[S].

[3]環境空氣質量標準:GB3095-2012[S].

[4]工業企業設計衛生標準:TJ36-79[S].

Environment Influence of Centralized Reusing the Sludge from Domestic Wastewater Treatment Plant on Air Quality

CHEN Ling1，CHEN Chen2

(1.Hunan Weather Service Center, Changsha Hunan 410118 ,China)

Sludge resource centralized treatment provided city government a new way to harmlessly recycle the sludge. The influence of the centralized disposal method on atmospheric environment was evaluated. The prevention measures were put forward as well. The cement kiln technology had many advantages of high temperature, spacious incineration space, long detention time, large treatment volume and no second discharge of sludge. This advanced technology would deal with the sludge issue effectively to serve the social well and to realize the goal of environmentalfriendly.

sludge from domestic wastewater treatment plant; recycling; cement kiln; air environment; prevention measures

2016-04-22

X703

A

1673-9655(2016)06-0061-06