利用水泥窯協同處置河道底泥工藝的研究與應用

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吉林金隅冀東環保科技有限公司，吉林 永吉 132200；3吉林市環境保護科學研究院，吉林 吉林 132000)

隨著化工產業發展，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，底泥中的污染物質越來越多，種類越來越復雜。這些有害物質經過生物富集和生物放大，最終對人的健康、自然環境以及生態系統都有著很大危害[1]。傳統的填埋、固化和護坡等處理方式很難從根本上解決問題，導致河道底泥的處置面臨新的考驗[2]。水泥窯協同處置是水泥工業提出的一種新的廢棄物處置方法，是將滿足或經過預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的同時實現對固體廢物的無害化處置過程。在一些發達國家，水泥窯處理固體廢物已經得到比較廣泛的應用[3-5]。新型干法回轉窯擁有煅燒溫度高、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同處置上具備獨特優勢，在創造一定經濟效益的同時解決環境治理問題，符合我國“節能減排”的環境保護發展要求，在近年來得到了快速發展[6-8]。

本文在對吉林某河道底泥進行詳細的調查和分析基礎上，探討利用新型干法回轉窯協同處置河道底泥的技術和工藝，并考察實際應用對產品熟料質量及環境的影響。

1 底泥采樣與分析結果

為了解某河道底泥污染情況，首先根據《土壤環境監測技術規范》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《土壤環境質量建設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，發現除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同處置。

表1 底泥重金屬含量分析結果(mg/kg)

1.2 含水率分析

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

表2 底泥含水率數據表

1.3 底泥的有機質含量分析

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。由表3分析結果可見，底泥的有機質在5%-10%之間。所以，在水泥窯協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后代替部分原料使用。

表3 河道底泥有機質測定結果

1.4 無機組分分析

從無機組分分析結果看（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，從而實現底泥在水泥生產過程中的資源綜合利用。

表4 底泥無機組分分析結果(mg/kg)

2 水泥窯生產工藝改進

參考GB 50757-2012《水泥窯協同處置污泥工程設計規范》、GB 50634-2010《水泥窯協同處置工業廢物設計規范》和GB 30760-2014《水泥窯協同處置固體廢物技術規范》，判斷預處理底泥用于回轉窯協同處置的可行性，需要滿足以下要求：1）水泥窯系統持續穩定；2）水泥產品和污染物排放標準滿足環境保護標準；3）具有一定的經濟效益。

在不改變主要工藝技術前提下，優化底泥與其他原料配比，提高底泥利用率，保證水泥熟料質量，水泥中可浸出重金屬含量限值符合GB 30485-2013《水泥窯協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《水泥工業大氣污染物排放標準》。

2.1 河道底泥預處理系統

目前有較多的污泥水泥窯協同處置系統，由于性質和成分不同，工藝特征也有區別，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。傳統的水泥協同處置一般采用“先預處理，后脫水控制”“先發酵、后分選”“先焚燒、后處理”“先氣化、后處理”預處理技術,預處理過程中設備采用繁雜，造成能源浪費，增加了環境污染的風險[9-10]。結合本文的河道底泥特征和分析結果，利用原廠水泥生料，采用了一種簡單便捷的底泥預處理方式，降低含水率的同時實現除臭目的，之后通過傳送裝置均勻投加至熱解爐參與后面的協同處置工藝。

2.2 水泥窯協同處置工藝改進

為了對預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量和環境的影響。

在原有水泥生產工藝基礎上改進部分工藝，經預處理底泥含水率達到要求后，通過計量倉計量，由輸送系統均勻送入分解爐，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℃的回轉窯內煅燒成水泥熟料，再經過粉磨生成成品水泥。改進后的底泥協同處置工藝見圖1。

圖1 水泥窯協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，結果見表5和表6。

表5 處置前后水泥熟料質量數據比較

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量并無明顯影響；對照GB 30760-2014《水泥窯協同處置固體廢物技術規范》中的水泥熟料重金屬含量要求，重金屬含量未超標。

3.2 對環境的影響

3.2.1 處理后水泥熟料浸出液實驗結果

河道底泥協同處置后應避免產生二次污染，增加對環境的壓力。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 大氣污染物排放監測結果

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，實現了達標排放。

表8 處置前后大氣污染物濃度(mg/m3)

4 結論

利用水泥回轉窯協同處置技術對河道底泥進行綜合利用的研究及實踐得出以下結論：

1）本次底泥的重金屬超標，不符合GB 36600-2018《土壤環境質量建設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%，有機質為5%-10%，含有大量的無機組分，適合對其預處理后以替代部分水泥原料的形式進行水泥窯協同處置。

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