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揭开污泥焚烧神秘面纱 剩余污泥不必“谈烧色变”
更新时间:2022-01-21 来源:水业碳中和资讯 作者:陈奇,郝晓地等

  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。

  1.尾气污染物的生成

  二噁英生成、危害及其影响因素

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  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)

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  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

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  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。

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  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。

  2.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。

  3.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。

  4.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。

  5.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。


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