CN102718378B - 一种城镇污泥增钙钝化后进行水泥窑协同处置的方法 - Google Patents

Abstract

一种城镇污泥增钙钝化后进行水泥窑协同处置的方法，针对城镇污泥有机质含量较低而重金属含量较高且城镇污泥性质不稳定，并且含水率高难于运输的技术难题。实现步骤：先对城镇污泥的成分和含水率进行测定，城镇污泥的pH值通常在6-8范围内，在此pH值或填埋条件下遇到渗滤液，重金属易于溶出，提高城镇污泥的pH值有利于重金属的钝化，降低重金属的溶出。然后与废石灰混合，保证混合物的pH值为9-10，室温下稳定2-7天，然后从预分解炉下方进入新型干法水泥窑，城镇污泥中的硅质、钙质成分以及石灰中钙质成分可以生产硅酸盐水泥，城镇污泥中的有机质燃烧可以替代部分水泥窑燃料。本发明是一种经济、节约燃料、低污染的城镇污泥资源化利用方法。

Description

一种城镇污泥增钙钝化后进行水泥窑协同处置的方法

技术领域

本发明涉及一种城镇污泥增钙钝化后进行水泥窑协同处置的方法，具体涉及含重金属的城镇污泥无害化和资源化利用的方法，属于固体废物处理技术领域。

背景技术

我国城镇污水处理设施经过“十五”和“十一五”时期的高速建设，已经形成规模化的处理能力。截至2010年9月底，全国设市城市、县及部分重点建制镇（以下简称“城镇”）累计建成和在建污水处理能力达到1.69亿m³/d；其中36个大中城市（直辖市、省会城市和计划单列市）建有污水处理厂376座，处理能力达4368万m³/d。在县城及乡、镇中建有污水处理厂1008座，处理能力达1826万m³/d。

城镇污水处理厂和污泥的特点是：

（1）中小规模城镇污水处理厂占有较高比例，其数量为大中城市污水处理厂的3倍，而污水处理厂规模偏小，处理能力仅为大中城市污水处理厂的42%，平均处理能力仅为1.8万m³/d，南方一些小规模城镇污水处理厂的处理规模甚至只有1000-5000m³/d。

（2）污水来源、性质不稳定：中小规模城镇进水包括工业污水和生活污水，工业废水所占比例较高，部分污水处理厂进水中工业污水比例达到80%以上，甚至95%。另外，中小企业性质差别大，由于季节的变化、生产目的的不同、生产工艺的不稳定性导致污水性质波动显著，最终导致污水厂进水性质波动大，污泥成分波动大。

（3）城镇污泥的有机质含量较低、灰分高、热值低：大中城市污水处理厂产生的污泥有机质含量高，占干基60%左右，经消化处理后的污泥有机物含量仍占40%左右，而城镇污水处理厂由于工业污水比例高，导致城镇污泥有机质含量低，相当比例的污水处理厂有机质含量低于30%，甚至只有18.1%；与此同时，灰分的含量显著增高，甚至达78%；城镇污泥的低位收到基热值基本为负值。

（4）城镇污泥中重金属种类繁多，且含量差别显著：由于进水中工业污水占有很高比例，且工业企业的性质差别显著，导致城镇污泥中重金属种类繁多，且含量差别显著，As、Cd、Ni、Pb、Cr、Cu和Zn等含量变化幅度很大，极差最高达几千mg/kg，导致城镇污泥处理处置过程中易产生环境污染严重、高浓度重金属的渗滤液，二次污染严重。

城镇污泥的这些特征严重限制了污泥已有处理技术的使用，而低有机质含量特征使得堆肥不利于顺利开展，高重金属浓度特征限制了城镇污泥堆肥产品的农用和填埋处理，也使得焚烧过程的二次污染严重，低挥发份、高灰分含量和低位收到基热值为负值导致焚烧过程需要消耗更多的燃料。

城镇污泥带来的环境问题尚没有引起足够的重视，有针对性的处理技术也非常匮乏。如何妥善处置城镇污泥，同时达到污染控制与资源利用的双重目标，兼顾环保和经济性的目标，是亟待解决的科技难题。

发明内容

本发明是以解决上述问题为目的，针对城镇污泥有机质含量较低（VS<40%）而重金属含量较高且城镇污泥性质不稳定，并且含水率高难于运输的技术难题，而提供一种经济、低污染的城镇污泥资源化利用方法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：一种城镇污泥增钙钝化后进行水泥窑协同处置的方法，该方法是通过下述步骤实现的：先对城镇污泥的成分和含水率进行测定，城镇污泥的pH值通常在6-8范围内，在此pH值或填埋条件下遇到渗滤液，重金属易于溶出，提高城镇污泥的pH值有利于重金属的钝化，降低重金属的溶出。然后与废石灰混合，保证混合物的pH值为9-10，室温下稳定2-7天，然后从预分解炉下方进入新型干法水泥窑，城镇污泥中的硅质、钙质成分以及石灰中钙质成分可以生产硅酸盐水泥，城镇污泥中的有机质燃烧可以替代部分水泥窑燃料。

具体作法：先将含水率为80%的城镇污水处理厂污泥与废石灰混合，置于污泥混合搅拌机，进行充分搅拌，保证混合物的pH值为9-10，均匀混合产物自然堆放2-7天，呈松散颗粒状或团状，然后以城镇污泥干重1%-10%的替代比例，即：城镇污泥占生料（生产水泥的原料）的质量比例为1%-10%。从预分解炉下方进入新型干法水泥窑，实现资源化利用。煅烧产物为普通硅酸盐水泥熟料。所应用的水泥窑必须带有符合国家环保要求的环保设备。协同处理城镇污泥和废石灰后，所产生的窑灰需全部或部分回用。所达到的煅烧温度的热源中部分由所述的城镇污泥有机质燃烧提供。

熟料率值是控制水泥质量的重要指标，主要包括石灰饱和系数（KH）、硅率（SM）、铝率（AM）三个率值。硅率表示水泥熟料中SiO₂与Al₂O₃和Fe₂O₃之和的比值，常用SM表示。

$\mathrm{SM}=\frac{{\mathrm{SiO}}_2}{{\mathrm{Al}}_2{O}_3+{\mathrm{Fe}}_2{O}_3}$

铝率表示熟料中Al₂O₃和Fe₂O₃之比，用AM表示。

$\mathrm{AM}=\frac{{\mathrm{Al}}_2{O}_3}{{\mathrm{Fe}}_2{O}_3}$

石灰饱和系数表示熟料中全部氧化硅生成硅酸钙所需的氧化钙含量与氧化硅生成硅酸三钙所需氧化钙最大含量的比值，用KH表示。

$\mathrm{KH}=\frac{\mathrm{CaO}-({1.65\mathrm{Al}}_2{O}_3+{0.35\mathrm{Fe}}_2{O}_3+{0.7\mathrm{SO}}_3)}{{2.8\mathrm{SiO}}_2}$

城镇污泥进行石灰稳定后的产物与水泥生料的比例保证熟料的硅率（SM）约为2.5（无量纲），铝率（IM）约为1.5（无量纲），饱和比（KH）约为0.9（无量纲），然后进入干法水泥窑内煅烧，煅烧温度为1300℃-1450℃。

本发明具有以下优点：

（1）使用废石灰作为城镇污泥钝化剂，实现以废治废，符合循环经济目标；

（2）使用废石灰作为城镇污泥的干燥剂，城镇污泥和废石灰的混合物经过稳定后的含水率为40%-50%，利于运输和后续处理；

（3）使用废石灰作为重金属钝化剂，城镇污泥碱性的提高使得重金属的活动性显著降低；

（4）使用废石灰作为稳定剂，使得城镇污泥的温度升高，达到快速杀菌的效果；

（5）使用废石灰作为钝化剂，降低了城镇污泥处置的成本；

（6）使用的废石灰量低，仅为5%-20%；

（7）城镇污泥和废石灰的混合物进行水泥窑协同处置，实现了资源化利用，避免了混合物的填埋、潜在的重金属污染问题；

（8）采用水泥窑协同处置技术，对城镇污泥的性质（重金属和有机质）波动具有较大范围的适应性；

（9）城镇污泥采用石灰干化并自然堆放后具有一定热值，可以替代部分水泥窑热源，节约燃料。

具体实施方式

本发明所述的城镇污泥增钙钝化后进行水泥窑协同处置的方法，是城镇污泥经过与废石灰混合，实现增钙钝化，利于运输，作为普通硅酸盐水泥的部分替代原料和替代燃料，可以同时实现废物的资源回收利用和能源回收利用。

具体步骤如下：

首先对城镇污泥进行成分分析，明确重金属、有机质和水分各自百分含量；将城镇污泥与废石灰混合，废石灰的添加比例为城镇污泥的5%-20%，置于污泥混合搅拌机，进行充分搅拌，均匀混合产物自然堆放2-7天，呈松散颗粒状或团状，然后以1%-10%（以城镇污泥干重进行计算）的替代比例，保证熟料的硅率、铝率和饱和比在合适的范围内，从预分解炉下方进入新型干法水泥窑，进行煅烧，生产普通硅酸盐水泥。

下面通过具体事例对本发明的方法进行说明，但本发明并不局限于此。下述实例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述设备和材料，如无特殊说明，均可以从工业生产或商业途径获得；

实施例1

一种城镇污泥，含水率为78.2%，挥发分含量为18.1%，重金属Zn、Cu、Cr、Ni的含量分别为1046mg/kg、293mg/kg、244mg/kg和221mg/kg，Sr、Mn、Ba的含量分别为766mg/kg、535mg/kg和386mg/kg。添加10%（质量百分含量）废石灰，采用螺旋输送机输送至污泥混合搅拌机，进行充分搅拌，在阳光直射条件下自然堆放7d，城镇污泥和废石灰的混合物含水率为40%，以城镇污泥和废石灰干重进行计算，与生料（成分见表1）按照2%的替代比例混合，满足熟料的SM=2.5，IM=1.5，KH=0.9。熟料煅烧方法为：城镇污泥和废石灰的均匀混合物与水泥生料均匀混合，加水压制成φ100mm×15mm生料片。105℃烘干24h后在升降电炉中以20℃/min的升温速率升高到1450℃并锻烧1h，空气中急冷(风扇冷却)。冷却后将熟料块在行星研磨仪上磨成0.08mm筛余小于10%的细粉。该方法烧制的熟料与工业生产水泥熟料质量相当。

对经过煅烧后硅酸盐水泥熟料进行检测，熟料中四种主要成分硅酸三钙(C₃S)、硅酸二钙(C₂S)、铝酸三钙(C₃A)和铁铝酸四钙(C₄AF)的含量分别为54%、22.2%、8.1%和9.4%。

经过煅烧后的普通硅酸盐水泥1d、3d和28d抗压强度分别为10MPa、24MPa和52MPa。其他指标满足国标《通用硅酸盐水泥》（GB175—2007）。

对熟料采用国家标准HJ/T299-2007和美国环保署TCLP（ToxicityCharacteristic Leaching Procedure）毒性浸出程序测试，Cd的浸出浓度分别为0.003mg/L和未检测到，Pb的浸出浓度为0.02mg/L，Cu的浸出浓度分别为0.015mg/L和0.02mg/L，Zn的浸出浓度为0.1mg/L和0.03mg/L。以上重金属的浸出浓度均较低。

实施例2

城镇污泥性质同实施例1。添加15%（质量百分含量）废石灰，采用螺旋输送机输送至污泥混合搅拌机，进行充分搅拌，在阳光直射条件下自然堆放7d，城镇污泥和废石灰的混合物含水率为38%，以城镇污泥和废石灰干重进行计算，与生料（成分见表1）按照5%的替代比例混合，满足熟料的SM=2.4，IM=1.5，KH=0.9。熟料煅烧方法同实施例1。

对经过煅烧后硅酸盐水泥熟料进行检测，熟料中四种主要成分硅酸三钙(C₃S)、硅酸二钙(C₂S)、铝酸三钙(C₃A)和铁铝酸四钙(C₄AF)的含量分别为56%、20%、7.9%和9.2%。

经过煅烧后的普通硅酸盐水泥1d、3d和28d抗压强度分别为11MPa、22MPa和54MPa。其他指标满足国标《通用硅酸盐水泥》（GB175—2007）。

对熟料采用国家标准HJ/T299-2007和美国环保署TCLP（ToxicityCharacteristic Leaching Procedure）毒性浸出程序测试，Cd的浸出浓度未检出，Pb的浸出浓度为0.015mg/L和0.018mg/L，Cu的浸出浓度分别为0.01mg/L和0.012mg/L，Zn的浸出浓度为0.15mg/L和0.03mg/L。以上重金属的浸出浓度均较低。

实施例3

城镇污泥性质同实施例1。添加20%（质量百分含量）废石灰，采用螺旋输送机输送至污泥混合搅拌机，进行充分搅拌，在阳光直射条件下自然堆放7d，城镇污泥和废石灰的混合物含水率为30%，以城镇污泥和废石灰干重进行计算，与生料（成分见表1）按照10%的替代比例混合，满足熟料的SM=2.5，IM=1.5，KH=0.9。熟料煅烧方法同实施例1。

对经过煅烧后硅酸盐水泥熟料进行检测，熟料中四种主要成分硅酸三钙(C₃S)、硅酸二钙(C₂S)、铝酸三钙(C₃A)和铁铝酸四钙(C₄AF)的含量分别为53%、20%、8.1%和9.0%。

经过煅烧后的普通硅酸盐水泥1d、3d和28d抗压强度分别为10MPa、21MPa和51MPa。其他指标满足国标《通用硅酸盐水泥》（GB175—2007）。

对熟料采用国家标准HJ/T299-2007和美国环保署TCLP（ToxicityCharacteristic Leaching Procedure）毒性浸出程序测试，Cd的浸出浓度未检出，Pb的浸出浓度为0.025mg/L和0.028mg/L，Cu的浸出浓度分别为未检出和0.012mg/L，Zn的浸出浓度为0.17mg/L和0.09mg/L。以上重金属的浸出浓度均较低。

表1水泥生料的组成(wt%)

Claims (4)

1.一种城镇污泥增钙钝化后进行水泥窑协同处置的方法，处理对象城镇污泥的特征是有机质含量VS<40%、灰分高、热值低而重金属含量较高且性质不稳定，该方法是通过下述3个步骤实现的：

第1步，先对城镇污泥的成分和含水率进行测定，城镇污泥的pH值通常在6-8范围内，在此pH值或填埋条件下遇到渗滤液，重金属易于溶出，提高城镇污泥的pH值有利于重金属的钝化，降低重金属的溶出；

第2步，将含水率为80%的城镇污水处理厂污泥与废石灰混合，置于污泥混合搅拌机，进行充分搅拌，保证混合物的pH值为9-10，均匀混合产物在阳光直射条件下自然堆放2-7天，呈松散颗粒状或团状；

第3步，以城镇污泥干重1%-10%的替代比例，即：城镇污泥占水泥生料的质量比例为1%-10%，城镇污泥进行废石灰稳定后的混合物与水泥生料的比例保证熟料的硅率SM为2.5无量纲，铝率IM为1.5无量纲，饱和比KH为0.9无量纲，从预分解炉下方进入干法水泥窑，煅烧温度为1300℃-1450℃，城镇污泥中的硅质、钙质成分以及石灰中钙质成分可以生产硅酸盐水泥，城镇污泥中的有机质燃烧可以替代部分水泥窑燃料。

2.如权利要求1所述的一种城镇污泥增钙钝化后进行水泥窑协同处置的方法，该方法采用的城镇污泥，含水率为78.2%，挥发分含量为18.1%，重金属Zn、Cu、Cr、Ni的含量分别为1046mg/kg、293mg/kg、244mg/kg和221mg/kg，Sr、Mn、Ba的含量分别为766mg/kg、535mg/kg和386mg/kg，按质量百分比添加10%的废石灰，采用螺旋输送机输送至污泥混合搅拌机，进行充分搅拌，在阳光直射条件下自然堆放7d，城镇污泥和废石灰的混合物含水率为40%，以城镇污泥和废石灰干重进行计算，与水泥生料按照2%的替代比例混合，满足熟料的SM=2.5，IM=1.5，KH=0.9，熟料煅烧方法为：城镇污泥和废石灰的均匀混合物与水泥生料均匀混合，加水压制成φ100mm×15mm生料片，105℃烘干24h后在升降电炉中以20℃/min的升温速率升高到1450℃并锻烧1h，空气中急冷，冷却后将熟料块在行星研磨仪上磨成0.08mm筛余小于10%的细粉，该方法烧制的熟料与工业生产水泥熟料质量相当，对经过煅烧后硅酸盐水泥熟料进行检测，熟料中四种主要成分硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙的含量分别为54%、22.2%、8.1%和9.4%，经过煅烧后的普通硅酸盐水泥1d、3d和28d抗压强度分别为10MPa、24MPa和52MPa。

3.如权利要求1所述的一种城镇污泥增钙钝化后进行水泥窑协同处置的方法，该方法中添加质量百分比15%的废石灰，采用螺旋输送机输送至污泥混合搅拌机，进行充分搅拌，在阳光直射条件下自然堆放7d，城镇污泥和废石灰的混合物含水率为38%，以城镇污泥和废石灰干重进行计算，与水泥生料按照5%的替代比例混合，满足熟料的SM=2.4，IM=1.5，KH=0.9，对经过煅烧后硅酸盐水泥熟料进行检测，熟料中四种主要成分硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙的含量分别为56%、20%、7.9%和9.2%，经过煅烧后的普通硅酸盐水泥1d、3d和28d抗压强度分别为11MPa、22MPa和54MPa。

4.如权利要求1所述的一种城镇污泥增钙钝化后进行水泥窑协同处置的方法，该方法中添加质量百分比20%的废石灰，采用螺旋输送机输送至污泥混合搅拌机，进行充分搅拌，在阳光直射条件下自然堆放7d，城镇污泥和废石灰的混合物含水率为30%，以城镇污泥和废石灰干重进行计算，与水泥生料按照10%的替代比例混合，满足熟料的SM=2.5，IM=1.5，KH=0.9，对经过煅烧后硅酸盐水泥熟料进行检测，熟料中四种主要成分硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙的含量分别为53%、20%、8.1%和9.0%，经过煅烧后的普通硅酸盐水泥1d、3d和28d抗压强度分别为10MPa、21MPa和51MPa。