水泥窑协同处理污泥的专利技术及其在国内外的应用
环保面前，没有旁观者
随着我国城镇污水处理率的不断提高，城镇污水处理厂污泥产生量急剧增加。利用水泥厂煅烧设备处理污水处理厂污泥，不仅解决了污水处理厂污泥处理问题，还可以利用污泥替代部分水泥原料生产熟料，充分利用污泥焚烧过程中所释放的低位热值，达到污泥稳定化、无害化、减量化和资源综合利用的目的。近年来，越来越多的相关技术被研发并申请专利。目前，水泥窑协同处理城市污泥技术在推广应用方面不是很普遍，因此，本文通过检索2013年6月31日以前公开的有关水泥窑处理污泥的世界范围专利和中国专利（中国专利包括发明和实用新型），重点综述了我国利用水泥窑处理城市污水厂污泥的专利技术，为选择污泥处理处置的有效方法提供参考和借鉴。
1 国内外专利申请概况
上世纪七十年代中期由德国和日本率先提出水泥窑协同处理污泥的技术，并申请了相关专利。世界各国相关专利的申请情况如图1所示。由图1可见，在世界范围内，水泥窑协同处理污泥技术的专利申请量呈逐年增长的趋势，尤其是进入21世纪以来，十年的申请量由上世纪90年代的40件增长为166件，增长率超过300%。其中，日本专利所占的比例最高，近十年的增长趋势也比较迅猛。值得关注的是，相关技术的中国专利在2005年开始出现，至2012年申请量达到了33件。
世界各国对污泥的处理和资源化利用方式愈加重视，已成为环境科学领域的重要研究课题之一。由于各国在自然环境、经济水平和科技水平等方面存在差异，各国对污泥的处理方法也不尽相同。日本和德国的污泥处理处置技术相对较成熟，通过对其技术的分析，可为我国污泥处理处置带来一定的参考和借鉴。
目前德国污泥已经实现100%稳定化处理，污水厂最高60%的能耗可以通过污泥生物质能回收。污泥已不再被视为污染物，污泥处理从单纯的消纳处置转变为资源与能源的综合利用。2000年之后，德国的水泥窑协同处理污泥的专利申请量迅速减少，重点转到作为能源利用的污泥处置方面。为了减轻填埋场的负担，日本较大规模地采取了以干化焚烧为主的污泥处理方法。焚烧灰渣和部分脱水污泥进入水泥厂制作建材、熔融渣作为路基材料等。因此，近年来相关专利的申请量增长显著。看到水泥窑协同处理污泥技术在中国市场发展的前景，日本于2005-2008年在中国也申请了干燥设备、粉尘收集设备、减少污染的方法等方面的专利（水泥烧成装置及高含水有机废弃物的干燥方法；水泥烧成设备的排气处理方法和处理系统；含水污泥的处理方法以及处理设备）。
中国最早的专利是2001年由天津水泥工业设计研究院申请的“处理工业和生活污泥的方法”。该发明是将工业和生活污泥直接进入烘干机搅拌机烘干，烘干后的污泥送入流化床的悬浮炉；出炉物料经旋风收尘器收下后直接进入水泥熟料烧成系统。该方法使污泥中的有机组分在燃烧中作热值加以利用，细菌及恶臭气体彻底燃尽，无机组分包裹在水泥熟料中，无二次污染。2007年以前，专利的申请单位主要集中于大学、设计院、科研院所等研究单位。随着相关技术的应用，企业申请专利的数量逐渐增多，发明内容主要涉及相关设备的改进和发明方面（图2）。
2 水泥窑协同处理污泥的工艺
水泥窑协同处理污泥的方式按水泥生产过程可分：污泥用于作水泥原料，在生料配料时加入；在水泥烧成系统的某个环节加入，高温焚烧污泥；把污泥煅烧活化成碱激发水泥等3类。
水泥窑协同处置污泥工艺包括:污泥运输系统、进厂接收系统、分析鉴别系统、预处理系统、焚烧系统、烟气净化系统、污水处理系统（图3）。
水泥窑宜处理性质相对稳定、量大的污泥。包括：城市污水处理厂污泥和工业污泥，如：制药厂、印染厂、采油厂等污水处理后的污泥、不锈钢冷轧脱水污泥、石油、石化、船舶、涂料、油料、颜料等行业排放的含烃类有机物污泥、造纸污泥等；以及河湖疏浚污泥。其中，针对城市污水处理厂污泥处置的专利技术最多。
3 水泥窑协同处理污泥的专利技术
在水泥生产中协同处理的污泥可以是未经干化的湿污泥，也可以是干燥污泥。不经过干化处理的湿污泥，直接用于水泥原料，在生料配料时加入。干化污泥则可以在水泥烧成系统包括分解炉到冷却机各个环节加入。
3.1 水泥窑协同处理未经干化的湿污泥
城市污水厂的污泥进入水泥厂后，经过特性分析（如含水率、含砂率、固定碳、挥发分、水分、化学成分以及有害元素等）的分析，与生产水泥的其它原料按一定比例混合，作为水泥生产的部分替代原料进入水泥生产系统。该种方法适于处理絮凝剂处理高浓度有机污水所产生的含稀土污泥和含铁尘泥等含水量为20~60%)的湿态污泥。或者将含水率≥70%的造纸污泥直接加入立磨，与水泥原料混合、磨细，制成水泥生料，造纸污泥的加入量为水泥生料重量的5%~12%，均化后导入煅烧系统中烧制成水泥熟料。依据处理湿态污泥的化学成分，按硅酸盐或铝酸盐为主的熟料设计要求，计量污泥替代水泥原料，将污泥与水泥原料混合均匀并制成生料棒或生料球，直接送入水泥窑以1200~1300℃烧制水泥熟料。该种治理高浓度有机污水所产生的污泥的处理方法，无害化处理污泥的同时，提高了水泥熟料强度、产量，还可以减少生产水泥对自然矿物的消耗，有效燃尽污泥中的有机物消除有机物和重金属元素的污染。
不锈钢冷轧脱水污泥与石灰石、粘土、煤灰、铁矿粉、石膏等混合配制成的水泥生料可以烧制成硅酸盐水泥熟料。石灰主要成分是氧化钙(CaO)。
每投加1 kg 的氧化钙就有0.32 kg的水被结合成为氢氧化钙。另外，该反应为放热反应，生成的热量相当于蒸发 0.5 kg 的水所需要的热。所以加入石灰后，污泥中的一部分水被结合生成固体物质氢氧化钙，还有一部分水被反应释放的热量蒸发，从而减少了污泥的含水量。氢氧化钙遇到空气中的二氧化碳，可以生成碳酸钙，即石灰石。石灰石是生产水泥的原料之一，因此采用湿污泥配制水泥生料时，加入石灰减少含水量是常用的技术手段。首先分析污泥的含水量，根据含水量加入石灰以及其他配料，使其达到水泥窑进料标准；根据配料比例进行混合搅拌，使污泥的含水率为10%~40%。这种方法也可以用于利用立式水泥窑处理污水处理厂、造纸厂的污泥。
3.2 水泥窑协同处理干化污泥的技术
污泥作为水泥原料在生料配料时加入这种处理方式，污泥的热量不仅得不到利用，还会对水泥生产造成不利影响，对环境也形成二次污染。水泥厂的污泥综合利用通常首先需要利用水泥生产过程的废热烟气作为污泥干燥的热源使用，然后再将干化后的污泥放入水泥窑系统内进行煅烧处置。干燥污泥的热源包括水泥生产余热、生产中高温气体以及外热（如太阳能）三类。
利用水泥窑系统废气烘干污泥水分，干化后的污泥作为替代燃料入窑煅烧，实现较高的替代率。该污泥预处理与水泥窑综合利用系统以废治废，可使污泥得到安全、无害、资源化的处置和利用。利用水泥生产余热干化污泥的技术包括：将要处理的污泥先进行分类，将重金属含量高的污泥与燃煤混合，利用转窑头的余热烘干后，加入转窑高温带；污泥经1400~1600℃的高温焚烧后成为灰烬，灰烬制成水泥产品；焚烧的废气经除去恶臭后排出；重金属含量不超标的污泥，利用水泥窑尾的余热烘干后与水泥窑灰混合制成肥料产品。将含水量75%的工业或生活污泥直接进入烘干搅拌机，搅拌机的烘干热源来自水泥熟料烧成窑头热的三次风，出烘干搅拌机的污泥送入带流化床的悬浮炉，出炉物料经旋风收尘器收集后直接进入水泥熟料烧成系统。还有利用水泥回转窑外壁辐射高温加热污泥城市污水处理厂污泥或河湖疏浚污泥，经过二段干化后与粘土质原料混合，再与石灰质原料混合，形成生料，烧制成水泥。将干法水泥生产中熟料冷却机的热风引入烘干机中烘干污泥，干污泥再送入水泥窑尾或分解炉焚烧，焚烧的热量供给水泥烧成过程，灰渣作为水泥原料形成熟料。水泥生产余热、生产中高温气体干化污泥的方法不需要额外补充燃料、能分解污泥中的有害气体实现污泥无害化处理、能利用污泥热量、节能、不影响水泥熟料品质。
加热的方式又分为热介质直接与污泥接触的直接加热方式和热介质不直接与污泥接触而通过换热的间接加热的方式。直接干燥系将热烟气直接引入干燥器，通过热气体与湿污泥的直接接触、对流进行换热，污泥中的水分得以蒸发，含水率降低，得到最终产品-干化污泥。间接干燥是热烟气的热量通过热交换器，传给某种介质（如蒸汽）后再与湿污泥传导或接触进行换热，降低污泥的含水率。
4 水泥窑协同处理污泥在我国的应用
4.1 北京水泥厂污泥处理
北京水泥厂有限责任公司的处置污水处理厂污泥工程是我国首个利用水泥窑余热干化处置污水处理厂污泥的示范项目。污泥处理量为500吨/日。处理工艺流程主要包括取热、干化、水处理三部分。城市污水处理厂的污泥收集送至水泥厂，经计量、储存，再送入污泥干化系统。污泥的干化工艺采用涡轮薄层干燥技术。干化后，污泥的含水率从80%降低到35%（半干化）或10%（全干化）。干化污泥作为掺和料与水泥工艺用料一同进入水泥窑进行处置。污泥干化的热源来自水泥窑烟气产生的热量，经过气液间接交换后，热量传递给导热油，导热油被循环加热，最终将热量传递给污泥使其干燥。干化过程中产生的臭气直接送入水泥窑进行焚烧处理，同时，干化过程中产生的冷凝废水排入配套的污水处理站净化处理，处理后可做为循环冷凝水使用。同时少量冷却后不可凝气体连同污泥储存过程中的臭气一并送入水泥窑焚烧（图4）。
污泥干化采用的是间接干化的方式。采用了《一种处置污泥的方法及其装置》专利技术，利用污泥焚烧处置系统工作过程中产生的余热烘干湿污泥，将烘干过程中产生的废气导入废气处理系统中处理达标后再排出，得到的干污泥送入污泥焚烧处置系统，不添加辅助燃料直接焚烧，得到的残渣用于生产水泥。这种方法处置污泥，既节省了干化污泥所需的燃料，又避免了废气废渣的污染，同时也节省了废气废渣处理的成本，从而达到了节能环保的目的。
北京水泥厂有限责任公司还利用污泥中的氨氮，在处置污泥的同时使水泥窑分解炉中形成还原气氛，可直接将大部分的氮氧化物还原成氮气，从而降低水泥窑尾气中氮氧化物排放；而且降低了污泥处置的成本，还增加了污泥的处置量。发明的处置污泥的喷枪装置可通过高压空气打散喷枪出口处的工业污泥，将打散后工业污泥直接送入到水泥窑中进行喷烧，并且不对水泥窑产生任何影响。
4.2 广州越堡水泥有限公司污泥处理
广州市越堡水泥有限公司污泥处理项目被广东省环保局列为“广东省水泥窑协同处置固体废弃物试验试点示范工程”，同时还被列为国家“十一五”科技支撑计划的“工业及城市废弃物在水泥窑中的处置技术及装备研究”攻关项目内容。项目设计日处置量为 600 吨(含水率80%)、 年处置量为 18.6 万吨。该种水泥窑处理污泥系统，包括污泥干燥装置、污泥焚烧装置、污泥烘干废气处理装置、废水处理装置等（图5）。整个系统废渣、废水零排放，废气排放低于国家排放标准限值，实现了污泥处置资源化和无害化的目的。
处理的程序大体分两步：首先是利用水泥窑的锅炉余热将含水率为80%的城市污水厂的湿污泥干化为含水量小于 30%的半干污泥；然后，将半干污泥通过接口设备加入水泥熟料燃烧，半干污泥可替代部分原煤。
焚烧残渣含有大量二氧化硅、氧化铝，可以替代黏土做为硅质、铝质原料，使废弃物变成能源 减少黏土的使用量，实现污泥的资源化利用。由于借鉴了欧洲的先进经验，该厂的水泥窑协同处理城市污水厂污泥的项目在设计之初就考虑到了污泥回收处理的功能。污泥在水泥窑内焚烧，焚烧温度更高、高温停留时间更长，可以保证污泥中有害有机物可充分燃烧、分解。
另外，基于干化尾气含较高浓度的二氧化硫，采用了一种污泥高温脱水产生的恶臭废气的净化方法，达到除臭和生产脱硫石膏的双重目的。该工艺方法同时包含石灰石－石膏脱硫系统和高温生物滴滤塔除臭系统两个部分。恶臭废气先通过脱硫塔去除其中的二氧化硫，然后由生物滴滤塔利用生物填料中的高温除臭嗜热菌群降解恶臭废气中的恶臭有机组分。该发明创新组合工艺的优点是：除臭效果明显，无需配套冷却系统，避免大量冷凝水析出，投资省，运行成本低，无二次污染。该项目的工程实践为国内有机废弃物的处理处置和资源化利用探索了一条具有循环经济特点的示范途径。
5 结 语
利用水泥窑处理城市污水厂污泥的技术具有如下优点：
（1）水泥回转窑中温度高，污泥中的有害物质可充分燃烧、分解。
（2）回转窑稳定，处理量大，不影响水泥产品的质量。
（3）污泥灰渣中的重金属能够被固定在水泥熟料的结构中，减少了对环境的二次污染。
（4）有效地利用现有设施，处理污泥和获取热源，污泥达到减量化、无害化和资源化的目的。在我国，水泥窑协同处理城市污水厂污泥是比较新的技术，这种技术为城市污水处理厂污泥的无害化处置和资源化利用提供了一种新的模式和途径。
文章刊登于《环境工程》2014年卷11期，作者单位为： 国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心；中国科学院生态环境研究中心。
