污泥焚烧过程中污染物排放及控制分析

摘 要：本文主要阐述污泥焚烧过程中污染物如重金属、二英、酸性气体及焚烧灰渣产生机理、种类及如何控制排放。通过对各种污染物产生的机理分析，发现可以通过控制污泥焚烧过程中的焚烧温度、焚烧环境、工艺参数及外加吸附剂等条件来抑制污染物产生，从而降低污泥焚烧二次污染的风险，旨在为推进我国污泥焚烧处理工艺提供参考。

关键词：污泥 焚烧过程 污染物排放及控制 分析

1.污水污泥焚烧处理技术概述

污泥是一种由有机残片、微生物、无机颗粒、胶体等组成的非均质体，污泥含有有毒有机物、致病微生物和重金属，会对环境产生严重危害，随着污泥产量的急剧增加，污泥的减量化越来越受到人们的重视。污泥组成成分包括固相中的无机相和有机相，流动相中的水分和水溶性成分。污泥减量主要是减少流动相中的水分，其中毛细水、空隙水和吸附水可以通过物理化学方法对污泥进行改性而减量或去除，但对于内部水只有通过焚烧干化处理技术才能去除。污泥焚烧是最彻底的处理方法，它能将有机物全部氧化分解，彻底杀死病原体，大大提高重金属的稳定性，污泥焚烧后剩余灰的体积只有机械脱水污泥体积的10%并且污泥的处理速度快，不需要长时间储存，减少占地面积。

污泥焚烧主要分直接焚烧、干化后焚烧和混合焚烧三类，直接焚烧技术由于污泥的含水率较高，因此会消耗大量的辅助燃料，物耗和能耗都较高，运行费用高；干化后焚烧设备投资成本较大，但是处理成本较低，从经济性与安全考虑，具有价格优势；污泥混合焚烧技术是指将污泥与其他可燃物进行混合燃烧，既充分利用了污泥的热值，又达到了固体废物综合循环利用的目的，只需建立污泥输送系统，系统简单，操作方便，从固体废物综合利用的角度考虑，混合焚烧技术成为污泥焚烧处理的首选工艺。

国外在污泥焚烧技术方面有许多值得借鉴的经验，德国是污泥产量最高的欧洲国家之一，目前在德国每年约有250～300万t的污泥产生，其中14%用于焚烧，30%用于农业堆肥，56%用于填埋；且污泥的填埋处理比例在近十年来大幅度下降，焚烧比例逐年提高。日本因其国土面积小，因此对于污泥处理以达到最大减量化作为终极目标。据统计，运用焚烧处理工艺污水处理厂处理的污泥量约占日本全国污泥产量的60%以上，在世界各国中名列前茅。

污泥焚烧过程中产生的污染物如重金属、二英、酸性气体及焚烧灰渣容易对环境造成二次污染，下面将对这些污染物分别进行分析阐述。

2.重金属排放机理及控制分析

2 . 1排放机理

污泥中重金属种类较多，参考国内外对污泥中重金属总量研究的数据，重金属在污泥中主要以氧化物、氢氧化物、硅酸盐、不可溶盐或有机络合物的形式存在，其次为硫化物。

重金属的挥发性大小为：Hg>Se>Cd>Pb>As>Sb>Cr>Cu>Mn>Co>Ni。重金属在焚烧过程中可以凝聚在较大颗粒上以固态形式排出，不能完全凝聚在较大的颗粒上的以气态和气溶胶的形式排出焚烧炉，以气态或气溶胶形式排出的重金属对人体的危害最大。为了控制重金属以气态或气溶胶形式从焚烧炉中后处理系统逃逸，可将重金属富集在粒度较大的焚烧底渣上，减轻重金属污染对环境的压力。

2 . 2排放影响因素及其控制

污泥焚烧过程中影响重金属排放的因素主要是焚烧温度及外加的吸附剂。焚烧温度对重金属的外在影响主要体现在不同焚烧温度和升温速率对重金属捕集的影响和温度提高对焚烧渣物相的改变两个方面，内在影响主要体现在重金属化合物的热力学稳定性。

不同焚烧温度和升温速率对重金属在底灰上的残留率影响较大，低熔点金属如Na 和K 主要富集在细小的微粒上，而高熔点金属如Al 和Ca 主要富集在粗颗粒上。温度引起污泥焚烧渣物相发生变化后对重金属排放也有影响，如挥发性较高的Hg、As在较低温度时就会以气体形式挥发；沸点比较高的Cr和Ni及其化合物其挥发性受水分的影响；Cr的氧化态热力学稳定性大于氯化态，在焚烧过程中首先形成氧化物，以Cr2O3的形式富集在灰分颗粒表面；有些金属的挥发温度较高，主要以残渣态富集在粗颗粒上。

在焚烧的过程中添加吸附剂如石灰石、高岭土等增强对重金属的俘获能力，使重金属发生凝聚时快速的富集在吸附剂上，沉积到底灰中，降低重金属向大气中的挥发，减少对大气和人体的危害，是最安全最理想去除重金属的方式。

3.二英排放机理及控制分析

二英的形成和控制排放是污泥焚烧技术推广的另一个重要的制约因素。二英通常在焚烧过程中以气态或者沉积在飞灰上排出。

3 . 1形成机理

二英的形成机理相当复杂，污泥焚烧过程中生成的可能途径主要有三种：一是包含有PCDD/PCDF 的化合物在燃烧室内的不完全燃烧；二是含氯化合物（如氯酚、氯苯等）在500～800℃温度条件下会热解重排反应，迅速（0.1～0.2 s）产生大量二英，即所谓的“高温同相合成机理”，而在高温下（大于850℃）二英的分解速率远大于由前体合成二英的速率。三是由无机氯化物和有机化合物在催化剂的参与下反应合成，包括从头反应（de-novo反应）和异相前体生成机理，存在灰上的金属化合物在较低的温度范围内（250～400℃）催化生成二英。

3 . 2排放影响因素及其控制

二英的生成受焚烧温度、停留时间、含氧量、含硫/氯量的影响，只要严格控制生产条件和工艺参数，就可有效控制二英的生成。

①当控制燃烧温度大于 850℃，停留时间超过2s二英时，烟气中二英的分解率大于98%。因此生产中控制焚烧温度和停留时间就可以有效控制二英的生成。

②二英再合成的峰值温度区间250～500℃，因此通过烟气的高流速、锅炉的大小以及与猝熄反应器的直接联合或使用急冷塔等措施将烟气迅速降温，以避开二英生成速率最大的温度区间，使焚烧烟气迅速降温到200℃以下，从而减少二英的生成。

③二英生成随氧含量的减少而降低，没有O2则没有二英生成，减少50%的O2就可以减少30%的二英的再次形成，因此一般工程中建议控制含氧量在 8%以下。

④二英的氯主要是以Cl2或HCl形式存在，不完全燃烧时氯的含量和S/Cl比是影响PCDD/PCDF 释放的2个重要参数，参与形成随着污泥中氯含量的增加烟气中PCDD/PCDF 的排放量增加。因此可以通过添加CaO、石灰石等来控制二英前驱物HCl的生成以达到控制的目的。氯气的形成主要是通过Deacon反应生成，SO2可以抑制Deacon 反应，随着污泥中S/Cl比的增加，二英和呋喃的生成浓度降低，从而抑制二英的生成。

4.酸性气体排放机理及控制分析

近期雾霭带来的环境影响，使烟气排放标准日益严重。污泥焚烧过程产生的烟气中含有NOx、SOx等酸性大气污染物，这些污染物的排放与焚烧污泥的成分、焚烧工况等有关。

污泥焚烧过程产生的NOx 分为燃料型和燃烧型两类且以燃烧型为主。研究发现通过控制焚烧温度可以减少NOx的生成，通过加入碱性吸附剂可以吸附NOx，因此通过研究烟气选择性催化反应降低NOx向大气中的排放。

焚烧过程中SOx 的生成主要是由于污泥中的硫元素在焚烧过程中与氧的化合，燃烧过程脱硫通过添加固硫剂使之固定下来，通过烟气脱硫装置进行烟气净化除硫。目前很多的研究表明硫元素和污泥焚烧重金属控制以及二英控制有一定的关联，因此在控制重金属和二英的同时考虑到SOx的去除才符合清洁焚烧的要求。

5.灰渣排放机理及控制分析

污泥焚烧产生的烟尘包括黑烟、飞灰和灰渣三部分，污泥中的重金属在焚烧后沉积在焚烧灰渣上（包括底渣和飞灰），使污泥焚烧灰渣具有较大的危害性。因此，对灰的安全处置是污泥焚烧灰渣环境安全性的重要组成环节，可通过灰渣熔融处理技术将灰渣送入温度为1200℃以上的熔化炉内熔化过后， PCDD/ PCDF 的分解率达到99.77%，是一种较为有效的灰渣处理手段，保障污泥焚烧环境安全性。

近年来，国内外都加大了对污泥减量化程度最高的焚烧技术的研究，尤其是针对一些产泥量大而且难于资源化处理的行业，如造纸、皮革等，以解决日益紧张的人口和土地问题。我国焚烧技术不成熟普及率不高，经费和技术上的不足，尤其是对焚烧尾气治理落后导致我国污泥焚烧处理落后于其他国家。通过对污染物产生机理分析，可以通过控制污泥焚烧过程中的焚烧温度、焚烧环境、工艺参数及外加吸附剂等条件来抑制污染物产生，从而降低污泥焚烧二次污染的风险，推进污泥焚烧处理工艺。总体来说我国的污泥焚烧处理仍需要更加长久的发展，更需要当代科技工作者继续努力。

参考文献：

[1]周旭红，郑卫星，祝坚，等.污泥焚烧技术的研究进展.能源环境保护，2008；22（4）：5-8.

[2]刘沪滨.各种焚烧炉在市政下水污泥焚烧中的应用.中国高新技术企，2009；（15）：34-35.

[3]黄祥，姜言欣，蒋文举.城市污水处理厂污泥焚烧处理技术综述.四川化工，2012；（2）：26 -29.

[4]Werther J，Ogada T. Sewage sludge combustion.Progress in energy and combustion science，1999；（25）55-116.[5]秦翠娟，李红军，钟学进.我国污泥焚烧技术的比较与分析.能源与环境，2001；（1）：52- 56.

[6]王静，卢宗文，田顺，等.国内外污泥研究现状及进展.市政技术，2006；24（3）：140-142.

[7]刘沪滨.各种焚烧炉在市政下水污泥焚烧中的应用.中国高新技术企，2009；（15）：34-35.

[8]周旭红，郑卫星，祝坚，等.污泥焚烧技术的研究进展.能源环境保护，2008；22（4）：5-8.[9]唐小辉，赵力.污泥处置国内外进展.环境科学与管理，2005；30（3）：68-70.

[10]李金红，何群彪.欧洲污泥处理处置概况.中国给水排水，2005；21（1）：101-103.[11]李媛.斯图加特市污水处理厂污泥焚烧工艺.节能与环保，2004；（7）：16-18.

[12]刘则华，刘锡建，陈思浩，肖稳发.日本的污泥处理现状及对策.上海工程技术大学学报，2006；20（4）：291- 294.

[13]尹军，韩卫泽.日本的污泥处理现状及展望.中国给水排水，1995；（3）：48-49.

[14]陈涛，孙水裕，刘敬勇，陈敏婷，城市污水污泥焚烧二次污染物控制研究进展.化工进展， 2010：29（1）：157- 162.

[15]张岩，池涌，李建新，等.污泥焚烧过程中重金属排放特性试验研究.电站系统工程，2005；21（3）：27-30.

[16]李诗媛，别如山.城市生活垃圾焚烧过程中二次污染物的生成与控制.环境污染治理技术与设备，2003；4（3）：63-67.

[17]李鹤，尹连庆，康鹏.流化床污泥焚烧工艺的影响因素及排放控制研究.科技信息，2012；（21）：99-100.