表3　北京某污水厂污泥的成分分析（空气干燥基）　％

　　荷兰enci水泥厂也曾对所用limburg州某污水厂污泥作了分析，表4为污泥的工业分析，表5和表6为污泥的灰分化学分析和微量元素分析。

表4　荷兰某污水厂污泥的工业分析

　　从表2～表6和国内外其它相关文献反映的信息看出，污水厂污泥若能烘干到含水10％以下，一般都具有10～15mj/kg的热值，可作为水泥窑用的替代燃料；污泥灰分中含有较多的sio2、al2o3、fe2o3和cao等氧化物，可作为水泥熟料的替代原料。污泥中也含有较高的p2o5、so3、k2o、mgo等对水泥窑不利的成分，会影响正常煅烧过程和水泥质量。在有害微量元素中，值得重视的主要是pb、cd和hg，尤其hg在水泥窑系统中是高挥发性物质，会随废气排出，污染周围环境。水泥窑在利用污泥时对这些不利成分要加以控制，或采取相应措施。

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2.2　污泥的其他特性
　　污泥中细菌和有机物的含量较高，易产生臭味，也易在较低温度（400～600℃)下裂解挥发造成污染排放，污泥中还含有苯、氯酚等氯的有机化合物，焚烧过程中会产生二恶英。因此，污泥是不能从低温处加到窑系统中，在预分解窑上可以从窑头、窑尾和分解炉处加入，但在湿法窑或干法长窑上则只能从窑头和窑中1 000℃左右的温度处加入，绝不能与湿料浆或干生料粉一起从窑尾加入，以免造成二次污染。
　　污泥若作为替代燃料从窑头主燃烧器加入就要符合一定要求，例如，有较高的热值，水分含量不宜太高，最好在10％以下，细度要求与天然固体燃料相似，一般为挥发分含量的1/2～1/3，视灰分含量而定。就上述荷兰的污泥应磨细到90μm筛余≤15％，以免污泥颗粒未燃尽就落到窑内物料上影响熟料质量。因此污泥要经过烘干和细磨等制备工序，以及必要的输送和储存。为此，荷兰对污泥的易磨性、易燃易爆性等物理性能作了一些检测。
　　关于污泥的易磨性，文献报道的不多，荷兰的试验得出，干污泥的易磨性很低，哈氏（hardgrove)易磨性指数只有26.75，与石英砂差不多。为了便于比较，表7中列出了水泥工业几种常见原材料的易磨性指数作为参考[3]。干污泥的磨蚀性也很高，粉磨设备的研磨部件、气力输送的相关部件都会受到极大的磨损。

表7　水泥工业几种材料的哈氏易磨性指数

　　污泥中含有较高的有机物，极易自发热、自燃和爆炸。本文中荷兰污泥的安全特性指数见表8。

表8　荷兰污泥和褐煤粉的安全特性指数

注：①zl-1为原状干污泥；zl-2为磨细干污泥；zl-2-焦炭为70％磨细干污泥和30％焦炭混合磨细。
②bz=2为粉料层短暂起火，随即熄灭；bz=3为只限局部燃烧或发出火光，不扩大；bz=4为一处发光燃烧随即扩大。
③在一块加热的铁板上铺放5mm原料层。
　　从表8看出，磨细污泥的易燃特性与褐煤相似，在细磨输送和储存中都要采取必要的安全措施。
3　在水泥窑中共烧污水厂污泥的实践经验
3.1　瑞士的共烧试验
　　早在20多年前，国外就有在水泥窑上利用污水厂污泥的报道。1986年瑞士曾对此作了比较全面的总结。根据他们的介绍，若将含水高达95％的污泥直接加到水泥窑中，会给水泥窑增加过高的负荷。例如，必须额外追加热能用于蒸发污泥中的水分；降低了污泥加入区窑内的气体温度；由于废气（水蒸气）量的增加，降低了熟料产量；提高了废气排放的电耗等。所以这个方案是不可取的。最好是污泥在入窑之前先用机械方法脱水至含水75％左右，若能用窑尾废气和冷却机余风对经机械脱水后的污泥进一步预烘干至更低的含水量，效果更好，可以更加有效地在熟料煅烧过程中利用干污泥中所含的热值。
　　污泥的加入方式国外应用较多的有2种，一种由窑头主燃烧器直接喷入烧成带；另一种是由带悬浮预热器的干法窑窑尾第二把火处或在分解炉中加入。另外也可以在窑旁增建单独的污泥（或垃圾等废物）燃烧（或气化）炉，将燃烧炉产生的高温热气通入分解炉，只是这方面的实践经验报道不多，本文也不再论述。污泥由主燃烧器加入，主要的优点是能确保完全销毁污泥中的有害有机物质。但是，污泥的热值较低，加入量受到限制，加入前的制备工序还有一定难度。从窑尾第二把火或分解炉处加入，优点是对污泥水分含量和颗粒度要求不严，有较大的灵活性。污泥的加入量或者说对一次燃料的取代量取决以下几个因素：
　　1）污泥含水量和对燃烧区温度的影响程度。　　要保持窑的热工制度和气体与物料的温度分布曲线不受太大的干扰。
　　2）污泥灰分对熟料化学成分和矿物组成的影响，即对熟料和水泥性能的影响。
　　3）对窑系统污染物排放的影响，即所谓的不能增加二次污染。
　　瑞士曾对一台共烧污泥的水泥窑作了一系列的标定和检测，这些数据对我们也有较好的参考意义。所用干污泥含水6％，干基热值为10mj/kg，污泥被制成1.5～4mm的料球，用气力输送方式，以2.77t/h的加料量从窑尾第二把火处加入，部分取代原有的用煤量，这个加入量相当于1kg熟料加入0.044kg污泥。为了得出污泥对窑运行状况和产品质量的影响程度，对窑单独直接运行和与生料磨一起联合运行的两种模式都做了空白试验和使用污泥的在线试验。试验期窑的运行状况没有出现问题，只是一些工艺参数发生了变化：
　　1）熟料煅烧热耗增加94kj/kg（+2.6％）。
　　2）窑尾废气量增加3.7％。
　　3）废气温度上升21℃。
　　4）窑系统压力损失增加8.9％（360pa）。
　　5）单位熟料废气风机电耗上升1kwh/t。
　　在环保方面，绝大部分污染物的排放没有明显变化，较大例外的是：
　　co：排放量提高了50％，因为干污泥的颗粒比原用煤的颗粒粗，燃尽程度较煤差。
　　nox：排放量减少14％～26％，也许因为窑废气中的co含量提高，对nox的排放有抑制作用。
　　气态重金属排放量的变化情况见图1。其中cd和tl的排放量仅有微小上升，只有hg的排放明显增加，尤其在水泥窑单独运行（即不与生料磨联合运行，不用窑废气烘干原料）时hg的排放量增加了5倍，排放值远远超出大气污染物排放限值（德国规定共烧废物时为标态0.03mg/m3)要求。在联合运行中，对hg有一定的滞留作用。有机物质的排放量变化不大，在所有的试验期，toc平均值都在20mg/m3（标态）的水平上。这也说明从预分解窑的窑尾或分解炉中加入干污泥是不会影响有害有机物的污染排放。

图1　在水泥窑中共烧污泥时气态重金属的排放量

　　检验水泥熟料质量发现：
　　1）由于加入污泥使p2o5含量由0.08％上升到0.43％，水泥初凝时间也因此延长约20min。
　　2）由污泥所带入的as、cr、mn和ni量在本底水平的自然波动范围内。
　　3）加入污泥后pb和zn含量也有所上升，pb由0.001 7％上升至0.003 2％，zn由0.011 9％上升至0.025 9％，然而这个含量在水泥熟料中仍在无害的低含量范围内。
3.2　荷兰的污水厂污泥制备经验

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3.2.1　污泥细磨
　　荷兰的enci水泥厂自1997年开始在一条178m长带二级预热器的干法窑上共烧污水厂污泥，污泥的化学成分和物理性能见表4～表6。这是一条带多筒冷却机的老式回转窑，年产熟料97.5万t。污泥制备成适合窑用的替代燃料由窑头主燃烧器加入。主燃烧器为f.l.smidth公司的swirlax型燃烧器，可同时共烧9～10种不同燃料，包括气体和液体燃料。为了适应窑头共烧，污泥必须粉磨至90μm筛余15％以下，该厂首先在一台现有的开路球磨机上作干污泥细磨试验，所采取的防爆安全措施有：
　　1）将污泥与一种或几种焦炭以70∶30的比例混合共同粉磨，借以抑制爆炸极限，降低爆炸危险性。
　　2）通过给系统充氮的方式，将系统内o2体积含量降低到≤14％，以保证生产安全。充氮方法是将2个液体氮储罐蒸发出来的气态氮引入球磨机入料端，再从球磨机出料端通过一循环风管道将部分出磨空气引回到入料端。
　　3）产品温度控制≤75℃。
　　试磨期间，球磨机产量约为15t/h，产品90μm筛余15％，电耗高达32kwh/t，很难磨，钢球和衬板磨损严重，要保持磨内o2体积含量≤14％，单位产品n2的消耗量为0.35t/t，成本太高。由于采用开路粉磨和敞开式存放未经粉磨的污泥，车间内有很大的异味，甚至在车间外也能闻到。
　　该厂还曾采用过锤式磨细磨污泥，能耗更高，产品90μm筛余25％，粉磨电耗就高达80kwh/t。后来采用球环式立磨，产量6.0t/h，产品90μm筛余15％，电耗40kwh/t，钢球磨损也严重，但不影响产量。立磨烘干能力强，可以全封闭式作业，后来该厂选定了claudius peters公司的球环式立磨。
3.2.2　污泥储存
　　干污泥会不断地产生co和ch4，自发热也容易自燃，在储运中要采取相应的安全措施。enci厂所采取的措施和要求有：
　　1）进厂的污泥温度＜40℃，水分含量＜10％，因为高水分含量会引发生物活化和自发热。
　　2）存放时间要尽可能短，因为自发热是很难避免的，否则就必须采取额外的安全措施。
　　3）采用气力输送时要用冷却器冷却输送空气，使输送空气温度＜60℃。
　　4）储料仓要加装co和ch4探测器以及温度传感器。在不通风的储料仓中，有料时co和ch4会不断积蓄，浓度逐渐升高，探测器的报警值co为0.45％～0.5％，ch4为0.015％～0.02％。
　　5）粉磨系统要采取如加装防爆阀及备用co2气体使局部惰性化的措施，不能减压的设备如螺旋输送机、泵和气力输送设备等要采取按0.9mpa的压强作防爆设计等一般性防爆措施。
　　荷兰的enci水泥厂经过几年的试验和实践，积累了许多经验，证明球环式立磨适合细磨干污泥，可以用来制备窑头主燃烧器用的替代燃料，若设计和措施得当，粉磨系统不会散出臭味，制备过程也没有出现有害气体和重金属的超量污染排放。
4　结束语
　　通过本文的实例，结合其他报道，可以得出以下几条综合意见，供参考：
　　1）城镇污水厂污泥可以作为水泥窑用的替代燃料加以利用。
　　2）从窑头主燃烧器加入，利用效率高，能确保完全销毁污泥中的有害有机物质，但需要细磨和一系列安全措施，投入和成本较高。从2008年1月31日德国水泥厂协会（vdz）召开的“水泥工艺”专业会议上也反映出，瑞士和德国共烧污泥的水泥窑，大部分是将污泥由主燃烧器加入，少数由分解炉加入。存在的主要问题仍然是污泥的自燃倾向。对此，瑞士水泥协会正与德国freiburg大学共同立项对自燃的原因和机理进行研究，也可以说，此问题尚未很好解决。
　　3）从预分解窑窑尾或分解炉处加入，可以免去污泥细磨工序，水分含量也可以适度放宽（如30％左右），对污泥的制备相对简单一些，只是要注意co和有机气体污染排放。从总体上看，这种加入方式更容易一些，对我们也更有现实意义。
　　4）污泥中含有一些对熟料煅烧和质量有害的物质，如p2o5、k2o和so3等，要格外注意。据国外文献报道，常常由于污泥中p2o5含量过高而限制了用量，必要时要从煅烧工艺上采取措施，消除不利影响。
　　5）污泥中还含有一些有害的重金属，如pb、cd和hg，尤其是hg在水泥窑系统中挥发率极高，用一般的收尘系统很难将hg回收下来，对hg含量较高的污泥一般采用减少污泥用量或降低污泥中hg含量的办法加以控制。但对hg含量太高的污泥还应慎重对待，因为有些污泥hg含量较高（6～9mg/kg的干基），环保排放对hg的限定较严，不得＞0.03mg/m3（标态）。高hg含量的污泥即使减少用量，若加入率不均匀也会产生hg排放峰值。国外对hg的污染监控越来越严，已陆续采用连续监测手段24h监控，如德国水泥工业到目前已装设了34台连续工作的hg排放监测仪。这里还应注意，对污染物排放不仅要控制平均值，还要控制峰值。德国早在20世纪80年代就规定，连续监测的污染排放物，如粉尘，不仅要求以半小时平均值计的日、月、年平均值在限值以下，还要求所有半小时平均值中有90％＜规定限值，97％＜1.2倍规定限值，100％＜2倍规定限值，也可以说不准有超过限值1倍的峰值。
　　总之，就目前的工业技术水平和发展趋势来看，在水泥窑中共烧城镇污水厂污泥是最好的污泥销毁途径，我国环保和水泥行业也给予了极大的关注，在即将试行和推广之前，仅以此文中的点滴信息供大家参考，希望此项工作能更加顺利进行。