污泥焚燒前后的成分檢測分析

季文君（上海市安裝工程集團有限公司， 上海 200080）

隨著上海市石洞口污泥焚燒項目的建設完成，隨之而來的就是對生產線的性能考核。經過負荷調試確認處理能力可達到額定處理量后，通過干燥系統和焚燒系統的每條單線連續 168 h 額定負荷運行，確認處理能力能夠滿足設計能力并達到安全穩定運行。考核項目包括處理量、排放污染源、噪聲、惡臭等。對排煙尾氣等的在線監測及取樣結果，也需滿足各種規定值。為完成以上考核指標，其中污泥樣本的含水率、成分等因素是十分關鍵的。本文將對污泥成分、含水率、灰渣成分等要素指標的檢測分析展開闡述。

1 項目概況

項目為上海石洞口污水處理廠污泥處理二期工程，設計污水處理規模為 40 萬 m3/d。廠區主要分為污水處理區、污水深度處理區、 污泥完善工程區域和廠前區。本期工程基本的污泥濃縮脫水處理量是 20 t/d（干污泥），污泥干化處理量 20 t/d（干污泥），污泥焚燒處理量 128 t/d（干污泥）。為充分確保污泥處理效果，在工程項目規劃上，涵蓋了污泥脫水、干化、焚燒、煙氣處理等，以及與之配套的設施。

針對污泥焚燒生產線的處理能力和處理效果，主要涉及的污泥要素指標是化學成分、含水率和焚燒后的灰渣成分。通過此 3 項指標的檢測分析，對項目成果的評價將是至關重要的。

2 檢測污泥成分來選擇污泥焚燒工藝

試驗所選污泥樣品中，化學元素包括硅、鋁、鐵、鈣、鎂、鉀、鈉、錳、硫、鈦、磷等構成的化學成分。石洞口污泥廠污泥中化學成分等含量水平相對較低，滿足城鎮污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質、水泥熟料生產用泥質等相關泥質的要求。污泥中的有機成分復雜，含有大量的蛋白質、脂肪、洗滌劑、礦物油、氨基酸腐殖質、各種含氮含硫物質、維生素、寄生蟲和致病微生物等。污泥中的無機物主要由礦物鹽（硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨鹽等）、石灰（干 CaO或含水的 Ca(OH)2等）、砂（SiO2）和灰分組成。

采用固化[1]、火焰原子吸收光譜法[2]等試驗方法來測定污泥樣品中化學成分等數據。首先稱取 0.5 g 的污泥樣品置于瓷坩堝中，放入電爐上低溫炭化至其不冒煙，然后轉入箱式電阻爐中進一步灰化（若測定 Cd、Cr、Pb、Ni等化學元素時應選擇 450 ℃ 灰化 6 h）。取出待冷卻后，轉入聚四氟乙烯容器中，用 2 mL 蒸餾水潤濕殘渣，依次加入 2 mL HNO3、1 mL HF，待混合均勻后在電爐上加熱將試樣水分及溶液蒸發掉。用 3 mL HNO3溶解蒸發后的殘渣，靜置 20 min，加入20 mL 蒸餾水，將其加熱至沸騰，冷卻后用濾紙過濾，再轉至 100 mL 容量瓶中定容。根據化學元素的不同，采用對應的空心陰極燈，并將本次測定的污泥樣品作溶解處理，并對溶液噴入火焰，從而實現污泥中化學元素吸光度的測定，并取 3 次的平均值，繪制標準工作曲線，從而得到對應的化學成分濃度。

2016 年 6 月-2017 年 10 月，經檢測的石洞口污水廠污泥樣本化學成分如表 1 所示。

表 1 石洞口污水廠污泥樣本化學成分表 單位：%

對表 1 中數據分析，石洞口污水廠污泥灰成分中 SiO2的比例最高，最高值為 54.19%，平均值為 46.98%。通過以上數據最終確定采用干化焚燒技術并采用月島機械株式會社的專有工藝，利用槳葉干燥機＋流化床干化焚燒系統處理污泥，然后利用尾氣處理工藝達到無害化目的。污泥干化焚燒系統示意圖如圖 1 所示。

圖 1 污泥干化焚燒系統示意圖

3 污泥焚燒前含水率檢測

污泥焚燒前的含水率對實際污泥焚燒過程中焚燒工藝的控制起著重要的作用。污泥含水率的穩定有利于控制污泥焚燒的溫度、節省能源的消耗以及更加充分的燃燒，有助于減少有害物質的殘留。利用含水率測定儀進行污泥含水率測定。

先校正水分快速測定儀（精科天美水分測定儀），后清零稱量托盤，依次稱取 10 g、8 g、6 g、4 g、2 g 稀釋污泥(樣本-1、樣本-2、樣本-3、樣本-4、樣本-5)或脫水污泥均勻平鋪在托盤上，脫水污泥應預先破碎至顆粒度≤3 mm。在105 ℃ 條件下開始測定，5 min 記錄一次儀器顯示的揮發水分質量分數，直到儀器自動顯示測定完畢。此時，記錄最終污泥水分質量分數。最終污泥水分質量分數減去揮發水分質量分數計算得到污泥蒸發過程中的瞬時含水率。為驗證本方法測定值的準確度，單獨取 2 g 上述不同類型污泥為研究標本，采用國標法作為依據進行測定比較。單個樣品需重復測定 4 次，根據烘干前后的污泥質量差計算污泥的含水率。石洞口污泥廠污泥樣本含水率記錄見表 2 。

表 2 石洞口污泥樣本含水率記錄表 單位：%

石洞口污水廠污泥通過始端污泥泵輸送至儲泥池，之后經過污泥脫水單元處理后，含水率降至 80%，送至污泥干化焚燒單元處理。污泥干化機出口含水率 30% 能夠基本確保污泥自持焚燒，最大限度降低低熱值工況的輔助燃料添加量，從而減低了天然氣、燃油等能源的消耗，大大節省了經濟開支。

4 污泥焚燒后的灰渣成分檢測

污泥焚燒后的灰渣成分檢測[3]是為了更好地區分一般灰渣和有害灰渣，從而可以利用無害的灰渣進行二次利用。利用微波消解儀進行灰渣成分檢測。

（1）取 0.5 g 灰渣。灰渣消解方法采用四酸消解法，消解容器采用 50 mL 的特氟龍坩堝，完成后再趕酸，趕酸后用 2% 稀硝酸溶液進行定容，待測。

（2）浸出毒性分析方法。依照環保行業標準 HJ/T 300-2007《固體廢物浸出毒性浸出方法醋酸緩沖溶液法》對焚燒 60 min 后的灰渣進行化學成分浸出毒性分析，并將主要化學成分浸出濃度與 GB 16889-2008《生活垃圾填埋場污染控制標準》進行比對。

（3）采用原子熒光光度計，分析測試灰渣中的化學成分 Hg、AS，其他化學成分采用 ICP-OES （電感耦合等離子體發射光譜儀）進行測定。

通過上述三步后，得出灰渣成分檢測結果。具體結果表明，污泥經焚燒后化學成分 Hg 全部揮發，灰渣中基本無殘留；化學成分 As、Cd、Pb 揮發率均隨污泥焚燒時間的加長逐漸增大，焚燒 60 min 之后，As、Cd、Pb 殘留率分別為2.14%、6.61%、11.84%。Co、Mn、Ni、Zn、Cu、Sb、Sn 7 種化學成分的揮發率較低，且焚燒時間的加長對揮發率的影響較小，焚燒60 min后，殘留率分別為 38.11%、38.87%、40.87%、43.61%、49.91%、62.22%、52.70%；難揮發化學成分如 Cr、Fe，焚燒 60 min 后化學成分殘留率分別為 86.91%、77.53%，化學成分的單位含量明顯高于污泥中相應化學成分單位含量，出現化學成分累積現象。檢測的石洞口污水廠污泥灰渣樣本中的化學元素含量如表 3 所示。

表 3 石洞口污水廠污泥灰渣中不同時間檢測出的化學元素含量 單位：mg/kg

根據以上檢測數據和焚燒控制標準及現有焚燒工藝的工程經驗，灰渣和靜電除塵器飛灰為一般固體廢物，可外運作為建材利用或填埋，而布袋除塵器飛灰以及廢棄的布袋，可能其中會含有部分重金屬或二噁英，建議將此部分飛灰按照國家相關標準進行鑒定。

5 結 語

研究通過取用石洞口污泥廠污泥樣品，采用含水率測定法測定了污泥的含水率，在污泥廠建設完成后的 168 h 的穩定性性能測試中起到了非常重要的作用。干化后的污泥通過螺旋輸送帶傳輸到焚燒爐后進行燃燒，如果含水率不穩定將使得焚燒率的溫度難以穩定控制。如含水率過高，焚燒爐的溫度會被水分帶走，溫度降低后有害物質也無法完全燒掉，還會啟動輔助燃燒器，增加天然氣的消耗；如果含水率過低，則焚燒爐會出現瞬間爆燃而出現安全生產事故。所以污泥的含水率指標是實際生產過程中一個非常重要的指標，必須每日檢測污泥樣品。

依據工程案例做的污泥焚燒特性試驗，灰渣粒徑分布主要集中在 2～50 mm 的范圍內，基本符合集料、碎石、礫石等工程所需建材的級配要求。灰渣中，溶解鹽含量較低，為 0.8%～1.0%，因此爐渣處置時，地下水被溶解鹽污染的可能性較小。

爐渣酸堿度的緩沖能力較強，初始酸堿度在 11.5 以上，對重金屬的浸出能有效抑制。因此，灰渣用于建筑材料中，能提高環保資源的利用率。