编者按：剩余污泥处理/处置目前在我国已成为比污水处理更为棘手的问题。有关污泥处理、处置，“扔（填埋）”和“烧（焚烧）”两种极端方式目前并存。但对于大城市而言，填埋“无地自容”已成为现实问题，这就使得其它处置方式被迫上马，如，堆肥、厌氧消化、干化焚烧等等。从资源/能源回收与投资/运行费用综合比较评价来看，干化焚烧不失为一种可持续的选择方式，因此，变“土葬（填埋）”为“火葬（焚烧）”的终极方式未来将成为一种主流。然而，很多人对污泥焚烧“谈烧色变”，唯恐焚烧尾气带来二噁英、重金属以及NOx、甚至NxO等新的环境问题。事实上，污泥焚烧与垃圾焚烧一样，并非新生事物，对它们的实践几十年前在欧洲等国便已开始。特别是早先以污泥厌氧消化为主的欧洲国家，对厌氧消化残留污泥回田应用受阻的情况下，焚烧不得不再被辅以“断后”。如果你身临其境一些处于市区的国外污泥焚烧厂，只见白烟（蒸气）而闻不到异味情况会作何感想？附近居民与工作人员也不会因冒白烟而频频向政府投诉，因为他们相信政府的监管，排放尾气中不含对人体的有害成分。为此，我们曾在2019年对污泥焚烧尾气主要成分进行了理论与实际的分析，从产生原理、潜在危害到控制/处理技术、成套设备等方面进行全面审视，以揭开污泥焚烧神秘的面纱，并以发达国家相应技术报告作为佐证，目的是消除国人“谈烧色变”的心理障碍，以推动污泥干化、焚烧的应用。
01、尾气污染物的生成
二噁英生成、危害及其影响因素
二噁英类物质是多氯代二苯并-对-二噁英 (PCDDs) 和多氯代二苯并呋喃(PCDFs) 的总称，属于氯代三环芳香族化合物。由于其具有一定的毒性，我国以及欧美等发达国家固体废物焚烧二噁英排放浓度标准：0.1ng-TEQ/m3。污泥焚烧过程中二噁英的生成机理主要有两种: ①高温气相反应生成; ②低温异相催化反应生成。二噁英的产生会造成人体免疫功能降低、生殖和遗传功能改变、恶性肿瘤易发等健康问题。而在抑制二噁英的产生上，研究发现污泥中氯元素对二噁英生成起着至关重要的作用，以及城市生活垃圾加煤（含S）焚烧可有效抑制二噁英的生成。更有趣的是有试验表明，污泥单独焚烧时噁英排放浓度最高值仅为0.0917ng-TEQ/m3。因此，在不对尾气进行任何处理的情况下，二噁英排放浓度已低于欧盟规定的排放标准。
表1 剩余污泥与城市生活垃圾中主要元素比例（均值）
重金属迁移、危害及影响因素
污泥中的重金属主要有 8 种，按其在污泥中的含量依次排序为：
Zn＞Cu＞Cr＞Pb＞Ni＞As＞Cd＞Hg
表2列出了我国市政污泥主要重金属含量(均值) 以及焚烧烟气重金属排放标准。
表 2 污泥中主要重金属含量及焚烧烟气排放标准
污泥在焚烧过程中，重金属因温度和挥发性不同其存在形式也不尽相同，挥发性大小依次为：Hg＞Cd＞Pb＞As＞Cr＞Cu＞Zn＞Ni。所以，污泥焚烧过程中捕获的重金属并去除的主要是Hg、Cd及Pb。事实上，污泥中Hg与Cd含量很低，Pb的含量也不是很高，因此焚烧进入烟气中的这3种重金属含量很低。然而，固体废物焚烧过程中氯的存在是导致重金属更易向烟气中迁移的主要原因。但剩余污泥中氯的含量很低，从而抑制了重金属的迁移，试验发现在不对尾气进行任何处理的情况下，三种重金属含量均低于我国规定值。
NOx生成、危害及影响因素
污泥燃烧时生成的NOx主要包括NO和NO2，并以NO为主( NO2含量很少)。NOx的生成主要与焚烧工况有关，生成量随炉膛温度、过剩空气量增大而升高。我国固体废物焚烧NOx排放标准为500 mg/m3。试验表明，污泥焚烧NOx生成量为471.6mg/m3，在不对尾气进行任何处理的情况下，NOx生成量已低于我国规定的排放标准。与二噁英和重金属类似，已达标排放的烟气经大气扩散和稀释后，进入人体内的NOx含量微乎其微，不足以影响人体健康。
02、尾气污染控制方法
污泥焚烧过程中减少二噁英生成与排放的主要方法是针对燃烧条件的控制，以减少前驱物和二噁英的生成。焚烧过程中，燃烧条件需按照“3T+E”的控制原则来进行。3T即指：燃烧温度(Temperature)、停留时间(Time)、紊流度(Turbulence)；E是过氧控制(Excess)。为满足控制上述燃烧条件的适用范围，则须考虑焚烧炉类型和干化污泥形态。
经过比较，干化污泥的均质形态再加上流化床内的物料循环，是控制尾气污染的最佳组合。同时，流化床焚烧炉炉温恒定在850 ℃左右有利于保证燃烧烟气在高温区的停留时间，并且其大的热容量和良好的物料混合速率可减少过剩空气的产生，使污泥燃尽率大幅提高，二噁英分解彻底，同时可减少重金属向烟气转移以及NOx的生成。
除了实现“3T＋E”控制原则，在运行过程中，常常还会投加生石灰(CaO)、氢氧化钙［Ca( OH)2］等碱性物质，其作用包括对SO2、Cl2等酸性气体脱除、对生成二噁英前驱物五氯苯酚(PCP)和六氯苯酚(HCB) 的阻滞，以及捕获易挥发重金属从而减少它们在烟气中的含量。对于低温冷却区(250~450 ℃) 再次合成的二噁英，往往采用骤冷技术使烟气温度迅速冷却至200 ℃以下，以避免二噁英的再生。
03、尾气污染物处理技术及成套设备
为防止二噁英等尾气污染物进入环境，尾气均会通过净化设备进行处理，相应技术有洗涤除尘、活性炭吸附以及包括光解催化氧化、催化分解、催化过滤、电子束照射和低温等离子体等新型技术。其中，洗涤除尘、活性炭吸附、光解催化氧化、催化分解以及催化过滤不仅可以实现对二噁英的去除，也是去除烟气中重金属、NOx最常用的方式。
总之，不论是传统技术还是新型技术，均可以将污泥焚烧产生的少量二噁英、重金属以及 NOx等污染物进一步去除，效率均可达90%以上。
04、国内外应用案例
针对尾气污染物中的二噁英来说，美国水环境联合会在正式出版的《Wastewater Solid Incineration Systems》一书中早已提及，没有必要为市政污泥焚烧系统设置二噁英排放标准，因为市政污泥焚烧产生的多环芳烃物质(不仅包括二噁英，还包括呋喃以及多氯联苯酚) 的排放值很低。近15年来，德国、英国、西班牙等欧洲发达国家研究报告亦获得相似结论：没有证据表明污泥焚烧甚至生活垃圾焚烧尾气会对人类健康产生影响。
05、结语
综上，针对污泥焚烧中的尾气污染物，从产生原理、潜在危害到控制/处理技术、成套设备等多角度进行分析，亦知，二噁英等尾气污染物在焚烧过程中的生成浓度本来就不高，再加上成熟的控制与处理技术，不必过度担心这些尾气污染物的泄漏以及对人体健康的威胁，同时美、欧等国家早已发布技术报告予以澄清，无需担心污泥焚烧二噁英的产生，它们的产生浓度不经处理直接排放浓度便已在控制标准(0.1ng-TEQ/m3) 以下。
来源：水业碳中和资讯
作者： 陈奇，郝晓地等
污泥焚烧无须顾虑尾气污染物 （北京建筑大学 ：郝晓地，陈 奇，李 季，江 瀚 ）
污泥焚烧无须顾虑尾气污染物
郝晓地，陈奇，李季，江瀚
（北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室中—荷污水处理技术研发中心，北京 100044）
摘要：剩余污泥处理/处置目前在我国似乎已成为比污水处理本身更为棘手的问题。为此，有关污泥处理/处置技术路线选择近年来成为热点话题。“扔”与“烧”两种极端处置方式因投资悬殊争议最大，但在“扔”已几近无路可走的情况下，污泥干化后焚烧在能量平衡、基建投资、还是运行费用等方面较其它选项已被确认为是一种终极选择。然而，国人“谈烧色变”，普遍认为除投资外，焚烧过程产生的二噁英、重金属以及NOx等尾气污染物可能危及环境与健康。对此，从二噁英等污染物在污泥焚烧过程产生原理出发，阐述它们的生成过程及其含量，论述对它们的控制与处理技术，并结合国内外排放标准审视国内污泥焚烧实例中尾气污染物排放浓度。最后，得出二噁英等尾气污染物在焚烧过程中产生的含量本来就不高，再辅以成熟的控制与处理技术，完全可以消除人们过分担心的尾气泄露以及健康威胁问题，并以发达国家相应技术报告予以辅正。
关键词：污泥焚烧；尾气；二噁英；重金属；NOx；控制/处理
剩余污泥是污水处理的副产物，长期以来在我国被看作一种企业的负担。目前，我国的剩余污泥年产量约为4 400万t/yr（80%含水率）；到2020年，年产量预计将达5 100 t/yr[1]。填埋与土地利用终将走向末日，干化后焚烧已被确认为一种终极选择[2]。然而，污泥焚烧在大多数国人眼中，不仅成本高而且焚烧产生的尾气中有二噁英、重金属以及NOx等污染物，会对环境以及人体健康构成危害。
事实上，污泥脱水、干化后直接焚烧无论在能量平衡、基建投资、还是运行费用方面并不比厌氧消化后再焚烧显得高昂，污泥干化后直接焚烧作为综合处理/处置手段其实是一种能量、费用均较为节省的有效途径[2]。
对污泥焚烧所担心的二噁英、重金属以及NOx等尾气污染物是否会成为阻碍污泥焚烧的绊脚石? 对于这个问题确实需要从产生原理、潜在危害到控制/处理技术、成套设备等方面进行全面审视，以揭开这些尾气污染物的面纱，彻底消除人们“谈烧色变”的心理障碍，为的是推动污泥干化、焚烧实际而广泛应用。
1尾气污染物生成
1.1二噁英生成、危害及其影响因素
二噁英类物质是多氯代二苯并-对-二噁英（PCDDs）和多氯代二苯并呋喃（PCDFs）的总称，它们属于氯代三环芳香化族化合物，其化学结构示于图1。由于氯原子数目和位置的不同，可构成75种PCDDs和135种PCDFs；其中，有17种（2、3、7、8位全部被氯原子取代）二噁英具有毒性。在发达国家，把具有209种异构体的共平面多氯联苯（PCBs）也看作为二噁英，其中，12种PCBs具有毒性。二噁英毒性与异构体结构有很大关系，对各异构体毒性大小评价以毒性最强的2、3、7、8-四氯二苯并二噁英（2、3、7、8-TCDDs）作为基准，利用2、3、7、8-TCDDs的毒性当量（TEQ）来表示各异构体的毒性，被称之为毒性当量因子；2、3、7、8-TCDDs毒性当量因子定义为1，其他衍生物毒性为其相对值，常用计量单位为ng-TEQ/m3(烟气)；所谓二噁英浓度，即为具有毒性的二噁英分子毒性当量之和[3]。目前，我国以及欧美等发达国家大多遵循欧盟规定的固体废物焚烧二噁英排放浓度标准：0.1 ng-TEQ/m3[3]。
详见：中国给水排水2019年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会（第十届） 论文集
4国内外应用案例
就尾气污染物中毒性最强的二噁英来说，美国水环境联合会（Water Environment Federation, WEF)在正式出版物《Wastewater Solid Incineration Systems》一书中早已提及，没有必要为市政污泥焚烧系统设置二噁英排放标准，因为市政污泥焚烧产生的多环芳烃物质（不仅包括二噁英，还包括呋喃以及多氯联苯酚）的排放值很低[34]。近15年来，德国、英国、西班牙等欧洲发达国家研究报告亦获得相似结论：没有证据表明污泥焚烧、甚至生活垃圾焚烧尾气会对人类健康产生影响[5]。
从国际上近几十年污泥焚烧实践来看情况确实如此。加拿大Lakeview污泥处理厂污泥焚烧二噁英排放浓度仅为0.0032 ng-TEQ/m3[5~6]；日本横滨市、藤伬市等6大污泥焚烧处理厂均建在了市中心，二噁英排放浓度只有0.01 ng-TEQ/m3[35]；全球最大的污泥焚烧厂——香港T-Park、国内深圳上洋污泥焚烧厂二噁英排放浓度均小于欧盟最严格的标准0.1 ng-TEQ/m3[5~6]。甚至连瑞士苏黎世、德国法兰克福、德国波恩、瑞典哥德堡、奥地利维也纳等城市的固体废物（垃圾、污泥）焚烧厂均都建在市区，且二噁英排放浓度小于欧盟排放标准（0.1 ng-TEQ/m3）[5]。另外，这些实际工程案例中污泥焚烧重金属、NOx的排放浓度亦均都低于欧盟排放标准[5~6,35]。
5结语
污泥焚烧反应原理显示，在800℃以上燃烧温度，二噁英分解速度远远大于其生成速度。这样，二噁英残留在尾气中的浓度一般不会很高，净产生浓度不经处理即可低于欧盟排放标准（0.1 ng-TEQ/m3）。再者，剩余污泥中Cl含量仅有0.06%，致使S:Cl比高达20，可以有效抑制90%以上二噁英生成。
重金属在850 ℃焚烧温度下，仅可能会有含量很低的Hg、Cd、Pb进入尾气。适当处理后尾气中的重金属含量很容易达到排放标准。
污泥焚烧过程也会产生一定含量NOx，但其产生量平均（471.6 mg/m3）低于国家排放标准（500 mg/m3）。即使参考较为严格的欧盟排放标准（200 mg/m3），亦存在成熟应用技术，可轻松做到达标排放。
总之，二噁英等尾气污染物在焚烧过程中的生成浓度本来就不高，再加上成熟的控制与处理技术，完全可以使人们放心，大可不必过度担心这些尾气污染物的泄露以及对人体健康的威胁。为此，美、欧等国家早已发布技术报告予以澄清，无需担心污泥焚烧二噁英的产生，它们的产生浓度不经处理直接排放浓度便已在控制标准（0.1 ng-TEQ/m3）以下。
参考文献:
[1]杭世珺, 傅涛, 戴晓虎, 等. 污泥绿皮书: 污泥的困境如何破?[EB/OL].http://www.h2o-china.com/news/285197.html.2018-12-21.
HANG Shi-jun, FU Tao, DAI Xiao-hu, et al. Sludge green book: How is the dilemma of sludge broken?[EB/OL]. http://www.h2o-china.com/news/285197.html. 2018-12-21.
[2]郝晓地, 陈奇, 李季, 等. 污泥干化焚烧乃污泥处理/处置终极方式[J]. 中国给水排水, 2019, 35(2): 1-9.
HAO Xiao-di, CHEN Qi, LI Ji, et al. The ultimate approach to handle excess sludge: Incineration and drying[J]. China Water & Wastewater. 2019, 35(2): 1-9.
[3]Kulkarni P S, Crespo J G, Afonso C A M. Dioxins sources and current remediation technologies—A review[J]. Environment International, 2008, 34(1): 139-153.
[4]Fullana A, Conesa J A, Font R, et al. Formation and destruction of chlorinated pollutants during sewage sludge incineration[J]. Environmental Science & Technology, 2004, 38(10): 2953-2958.
[5]王建军. 讨论二噁英的危害前, 必须要先弄明白二噁英的含量[EB/OL]. http://www.cn-hw.net/html/baike/201701/56546_3.html. 2017-01-06.
WANG Jan-jun. Before discussing the harm of dioxins, we must first understand the content of dioxins[EB/OL]. http://www.cn-hw.net/html/baike/201701/56546_3.html. 2017-01-06.
[6]郑明辉. 占总大气排放量小于1.4%的二噁英, 其实没必要谈虎色变[EB/OL]. http://www.sohu.com/a/162309304_804257. 2017-08-04.
ZHENG Ming-hui. Unnecessary worry about dioxins that account for less than 1.4% of total atmospheric emissions[EB/OL]. http://www.sohu.com/a/162309304_804257. 2017-08-04.
[7]Lin X, Li X, Lu S, et al. Influence of organic and inorganic flocculants on the formation of PCDD/Fs during sewage sludge incineration[J]. Environmental Science & Pollution Research International, 2015, 22(19): 29-36.
[8]Zhou H, Meng A, Long Y, et al. A review of dioxin-related substances during municipal solid waste incineration[J]. Waste Management, 2015, 36: 106-118.
[9]Zhan M X, Fu J Y, Chen T, et al. Suppression of dioxins by S-N inhibitors in pilot-scale experiments[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2016, 23(16): 16463-16477.
[10]Thomas V M, Mccreight C M. Relation of chlorine, copper and sulphur to dioxin emission factors[J]. Journal of Hazardous Materials, 2008, 151(1): 164-170.
[11]王飞, 朱小玲, 李博, 等. 污泥干化焚烧过程中污染物排放的研究[J]. 给水排水, 2011, 37(5): 22-26.
WANG Fei, ZHU Xiao-ling, LI Bo, et al. Study on the pollutants emission in sludge drying and incineration[J]. Water & Wastewater Engineering, 2011, 37(5): 22-26.
[12]韩军. 下水道污泥焚烧过程中重金属元素的挥发与回收[D]. 华中科技大学, 2005.
HAN Jun. Transformation of heavey metals during sewage sludge incineration[D]. Huazhong University of Science and Technology, 2005.
[13]Hong Y, Naruse I. Combustion characteristics of dried sewage sludge and control of trace-metal emission[J]. Energy Fuels, 2005, 19(6): 2298-2303.
[14]Marrero T W, Mcauley B P, Sutterlin W R, et al. Fate of heavy metals and radioactive metals in gasification of sewage sludge[J]. Waste Management, 2004, 24(2): 169-249.
[15]代永涛. 深圳污水处理厂污泥的干化与焚烧特性研究[D]. 浙江大学, 2011.
DAI Yong-tao. Research on the drying and incineration characteristics of Shenzhen sewage sludge[D]. ZheJiang University, 2011.
[16]Wang K S, Chiang K Y, Tsai C C, et al. The effects of FeCl3on the distribution of the heavy metals Cd, Cu, Cr, and Zn in a simulated multimetal incineration system[J]. Environment International, 2001, 26(4): 257-263.
[17]Hayhurst A N, Lawrence A D. Emissions of nitrous oxide from combustion sources[J]. Progress in Energy & Combustion Science, 1992, 18(6): 529-552.
[18]余兆南, 曾庭华. 污泥流化床焚烧时NOx的排放规律研究[J]. 环境保护, 1998, 14(2): 36-38.
YU Zhao-nan, ZENG Ting-yu. A study on NOx emission in sludge incineration fluidization bed[J]. Environmental Protection, 1998, 14(2): 36-38.
[19]李云玉. 循环流化床一体化污泥焚烧工艺实验研究[D]. 中国科学院研究生院, 2012.
LI Yun-yu. Experimental study on integrated incineration technique for sewage sludge in circulating fluidized bed[D].Graduate University of Chinese Academy of Sciences, 2012
[20]Gullett B K, Natschke D F, Bruce K R. Thermal treatment of 1,2,3,4-tetrachlorodibenzo-p-dioxin by reaction with ca-based sorbents at 23~300 °C[J]. Environmental Science & Technology, 1997, 31(7): 1855-1862.
[21]Lin X, Yan M, Dai A, et al. Simultaneous suppression of PCDD/F and NOx during municipal solid waste incineration[J]. Chemosphere, 2015, 126: 60-66.
[22]郝晓地, 方晓敏, 李季, 等. 污水碳中和运行潜能分析[J]. 中国给水排水, 2018, 34(10): 11-16.
HAO Xiao-di, FANG Xiao-min, LI Ji, et al. Analysis of potential in carbon-neutral operation of WWTPs[J]. China Water & Wastewater, 2018, 34(10): 11-16.
[23]Hylander L D, Sollenberg H, Westas H. A three-stage system to remove mercury and dioxins in flue gases[J]. Science of the Total Environment, 2003, 304(1-3): 137-144.
[24]Takeshita R, Akimoto Y, Nito S. Effective sampling system for polychlorinated dibenzo-p-dioxins and polychlorinated dibenzofurans in flue gas from municipal solid incinerators[J]. Environmental Science & Technology, 1995, 29(5): 1186-1194.
[25]Zabaniotou A, Theofilou C. Green energy at cement kiln in cyprus-use of sewage sludge as a conventional fuel substitute[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2008, 12(2): 531-541.
[26]Kim B H, Lee S, Maken S, et al. Removal characteristics of PCDDs/Fs from municipal solid waste incinerator by dual bag filter (DBF) system[J]. Fuel, 2007, 86(5-6): 813-819.
[27]Ji S, Yu M, Ren Y, et al. Combined catalytic oxidation and activated carbon adsorption of dioxins[J]. Environmental Progress & Sustainable Energy, 2015, 34(2): 346-350.
[28]黄锦勇, 刘国光, 张万辉, 等. TiO2光催化还原重金属离子的研究进展[J]. 环境科学与技术, 2008, 31(12): 104-108.
HUANG Jin-yong, LIU Guo-guang, ZHANG Wan-hui, et al. Progress on photocatalytic reduction of heavy metal ions in wastewater[J]. Environmental Science & Technology, 2008, 31(12): 104-108.
[29]Yang C C, Chang S H, Hong B Z, et al. Innovative PCDD/F-containing gas stream generating system applied in catalytic decomposition of gaseous dioxins over V2O5–WO3/TiO2-based catalysts[J]. Chemosphere, 2008, 73(6): 0-895.
[30]梁东东, 李大江, 郭持皓, 等. 垃圾焚烧烟气中二噁英脱除技术应用现状[J]. 中国资源综合利用, 2016, 34(10): 41-46.
LIANG Dong-dong, LI Da-jiang, GUO Chi-hao, et al. The application status and development trends of dioxins removal technologies for waste incineration flue gas[J]. China Resources Comprehensive Utilization, 2016, 34(10): 41-46.
[31]Fritsky K J, Kumm J H, Wilken M. Combined PCDD/F destruction and particulate control in a baghouse: experience with a catalytic filter system at a medical waste incineration plant[J]. Journal of the Air & Waste Management Association, 2001, 51(12): 1642-1649.
[32]Mätzing H. Chemical kinetics of flue gas cleaning by irradiation with electrons[M]. Advances in Chemical Physics, 2007, 315-402.
[33]Hung P C, Chang S H, Chi K H, et al. Degradation of gaseous dioxin-like compounds with dielectric barrier discharges[J]. Journal of Hazardous Materials, 2010, 182(1-3): 246-251.
[34]Federation W E. Wastewater solids incineration systems mop 30[M]. Business Expert Press, 2009, 200-202.
[35]徐晓波, 孙卫东, 吕金明, 等. 日本的典型污泥焚烧工程案例及启示[J]. 中国给水排水, 2017, 33(12): 145-148.
XU Xiao-bo, SUN Wei-dong, LU Jin-ming, et al. Enlightenment and cases study of typical sludge incineration project in Japan[J]. China Water & Wastewater, 2017, 33(12): 145-148.
