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水泥窯協(xié)同處理技術(shù)在重金屬污染土壤治理中的應用
水泥窯協(xié)同處理技術(shù)在重金屬污染土壤治理中的應用
一、技術(shù)背景
國際上水泥窯協(xié)同處置廢物技術(shù)發(fā)源于20世紀70年代，第一次真正用于實(shí)踐是1974年在加拿大勞倫斯水泥廠(chǎng)進(jìn)行，隨后在美國的Peerless，Ruderdorf，德國等十多家水泥廠(chǎng)進(jìn)行。到目前為止，歐洲，北美，日本等發(fā)達國家已有30多年的研究和應用歷史，在替代燃料和生態(tài)水泥生產(chǎn)方面積累了許多經(jīng)驗。據統計，2007年荷蘭的燃料替代率達到85％以上，2013年，日本、比利時(shí)、瑞士、奧地利等燃料替代率達到50％以上，而在美國約為30％。
近年來(lái)，我國在水泥窯協(xié)同處理生活垃圾、危險廢物、污泥、重金屬污染土壤治理等方面取得較快發(fā)展。2013年國家發(fā)布了《循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展戰略及近期行動(dòng)計劃》，進(jìn)一步明確提出推進(jìn)水泥窯協(xié)同資源化處理廢棄物的研究。此后，2015年國家出臺了《關(guān)于開(kāi)展水泥窯協(xié)同處置生活垃圾試點(diǎn)工作的通知》，2016年頒布了《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染防治技術(shù)政策》，2017年發(fā)布《水泥窯協(xié)同處置危險廢物經(jīng)營(yíng)許可證審核指南》發(fā)布，切實(shí)推動(dòng)水泥窯協(xié)同處置技術(shù)在我國的發(fā)展。海螺集團、北京金隅、中材集團等傳統水泥企業(yè)都在積極利用水泥窯處置技術(shù)優(yōu)勢，不斷開(kāi)拓水泥窯對城市污泥、危險廢物、生活垃圾、重金屬污染土壤等固體廢棄物的處理，為促進(jìn)固體廢棄物協(xié)同處置，幫助改善當地環(huán)境創(chuàng )造了有利條件。
二、水泥窯協(xié)同處理重金屬污染土壤技術(shù)簡(jiǎn)介
1、技術(shù)原理
利用水泥回轉窯內的高溫、氣體長(cháng)時(shí)間停留、熱容量大、熱穩定性好、堿性環(huán)境、無(wú)廢渣排放等特點(diǎn)，在生產(chǎn)水泥熟料的同時(shí)，焚燒固化處理污染土壤。污染土壤從窯尾煙氣室進(jìn)入水泥回轉窯，窯內溫度最高可達1800℃，物料溫度約為1450℃。在水泥窯的高溫條件下，污染土壤中的有機污染物轉化為無(wú)機化合物，高溫氣流與高細度、高濃度、高吸附性、高均勻性分布的堿性物料(CaO、CaCO?等)充分接觸，有效地抑制酸性物質(zhì)的排放，使硫、氯等轉化成無(wú)機鹽類(lèi)固定下來(lái);重金屬污染土壤從生料配料系統進(jìn)入水泥窯，使重金屬固定在水泥熟料中。
2、水泥窯協(xié)同處置技術(shù)優(yōu)勢
（1）水泥窯熟料生產(chǎn)溫度高，強堿、對流、渦旋的環(huán)境有利于廢棄物質(zhì)100%處置；
（2）水泥窯協(xié)同處置采用閉路生產(chǎn)措施，分選出來(lái)的無(wú)機渣土、二次衍生燃料及粉塵全部被熔入水泥熟料；
（3）棄物帶入的重金屬等微量元素在高溫焚燒中以固態(tài)化合物形式固化在水泥熟料的晶格中，不會(huì )對水泥質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不良影響；
（4）水泥窯堿性還原及持續高溫等天然工況，能有效抑制二f英形成，減少有毒氣體排放；二次衍生燃料對煤的替代，有助于減少CaCO?的分解和碳燃燒產(chǎn)生的CO?，從而減少CO?的排放。
3、系統構成和主要設備
水泥窯協(xié)同處置包括污染土壤貯存、預處理、投加、焚燒和尾氣處理等過(guò)程。在原有的水泥生產(chǎn)線(xiàn)基礎上，需要對投料口進(jìn)行改造，還需要必要的投料裝置、預處理設施、符合要求的貯存設施和實(shí)驗室分析能力。
水泥窯協(xié)同處置主要由土壤預處理系統、上料系統、水泥回轉窯及配套系統、監測系統組成。
土壤預處理系統在密閉環(huán)境內進(jìn)行，主要包括密閉貯存設施(如充氣大棚)，篩分設施(篩分機)，尾氣處理系統(如活性炭吸附系統等)，預處理系統產(chǎn)生的尾氣經(jīng)過(guò)尾氣處理系統后達標排放。
上料系統主要包括存料斗、板式喂料機、皮帶計量秤、提升機，整個(gè)上料過(guò)程處于密閉環(huán)境中，避免上料過(guò)程中污染物和粉塵散發(fā)到空氣中，造成二次污染。
水泥回轉窯及配套系統主要包括預熱器、回轉式水泥窯、窯尾高溫風(fēng)機、三次風(fēng)管、回轉窯燃燒器、篦式冷卻機、窯頭袋收塵器、螺旋輸送機、槽式輸送機。監測系統主要包括氧氣、粉塵、氮氧化物、二氧化碳、水分、溫度在線(xiàn)監測以及水泥窯尾氣和水泥熟料的定期監測，保證污染土壤處理的效果和生產(chǎn)安全。
4、關(guān)鍵技術(shù)參數或指標
影響水泥窯協(xié)同處置效果的關(guān)鍵技術(shù)參數包括：水泥回轉窯系統配置、污染土壤中堿性物質(zhì)含量、重金屬污染物的初始濃度、氯元素和氟元素含量、硫元素含量、污染土壤添加量。
(1)水泥回轉窯系統配置
采用配備完善的煙氣處理系統和煙氣在線(xiàn)監測設備的新型干法回轉窯，單線(xiàn)設計熟料生產(chǎn)規模不宜小于2000噸/天。
(2)污染土壤中堿性物質(zhì)含量
污染土壤提供了硅質(zhì)原料，但由于污染土壤中K?O、Na?O含量高，會(huì )使水泥生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)品及最終產(chǎn)品的堿性物質(zhì)含量增高，影響水泥品質(zhì)，因此，在開(kāi)始水泥窯協(xié)同處置前，應根據污染土壤中的K?O、Na?O含量確定污染土壤的添加量。
(3)重金屬污染物初始濃度
入窯配料中重金屬污染物的濃度應滿(mǎn)足《水泥窯協(xié)同處置固體廢物環(huán)境保護技術(shù)規范》(HJ622)的要求。
(4)污染土壤中的氯元素和氟元素含量
應根據水泥回轉窯工藝特點(diǎn)，控制隨物料入窯的氯和氟投加量，以保證水泥回轉窯的正常生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量符合國家標準，入窯物料中氟元素含量不應大于0.5%，氯元素含量不應大于0.04%。
(5)污染土壤中硫元素含量
水泥窯協(xié)同處置過(guò)程中，應控制污染土壤中的硫元素含量，配料后的物料中硫化物硫與有機硫總含量不應大于0.014%。從窯頭、窯尾高溫區投加的全硫與配料系統投加的硫酸鹽硫總投加量不應大于3000mg/kg。
(6)污染土壤添加量
應根據污染土壤中的堿性物質(zhì)含量、重金屬含量、氯、氟、硫元素含量及污染土壤的含水率，綜合確定污染土壤的投加量。
5、水泥窯協(xié)同處置污染土壤工藝流程
利用窯頭熱風(fēng)作為烘干熱源，對污染土壤進(jìn)行烘干，降低物料的含水率，之后進(jìn)入生料配料系統，隨生料進(jìn)入預熱器系統，最終參與熟料煅燒過(guò)程。烘干后的污染土壤大顆粒輸送至暫存倉。廢氣中攜帶的污染土壤細顆粒物經(jīng)旋風(fēng)收塵器氣固分離后形成固體物料，與烘干后的污染土壤大顆?；旌虾笞匀焕鋮s；冷卻后的混合污染土壤輸送至原料庫作為部分替代原料使用。其工藝流程圖見(jiàn)圖3。
三、水泥窯協(xié)同修復周期及參考成本
水泥窯協(xié)同處置技術(shù)的處理周期與水泥生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)能力及污染土壤投加量相關(guān)，而污染土壤投加量又與土壤中污染物特性、污染程度、土壤特性等有關(guān)，一般通過(guò)計算確定污染土壤的添加量和處理周期，添加量一般低于水泥熟料量的4%。水泥窯協(xié)同處置污染土壤在國內的工程應用成本為800-1200元/m3。
四、小結
隨著(zhù)產(chǎn)業(yè)結構調整的深入，污染場(chǎng)地修復法規和標準的日益規范和嚴格，將涌現出更多污染程度重和污染成分復雜的場(chǎng)地，這將給土壤修復技術(shù)提出更多的挑戰，而水泥窯協(xié)同處置技術(shù)由于受污染土壤性質(zhì)和污染物性質(zhì)影響較小，焚毀去除率高和無(wú)廢渣排放等特點(diǎn)，將成為一項極具競爭力的土壤修復技術(shù)，對于污染土壤處置、資源循環(huán)再利用、加強環(huán)境保護和使水泥工業(yè)可持續發(fā)展均具有重要的現實(shí)意義。近年，國家陸續出臺了污染土壤修復和水泥窯協(xié)同處置的標準和規范，這為水泥窯協(xié)同處置污染土壤技術(shù)的推廣創(chuàng )造了條件和提供了依據。
國際上水泥窯協(xié)同處置廢物技術(shù)發(fā)源于20世紀70年代，第一次真正用于實(shí)踐是1974年在加拿大勞倫斯水泥廠(chǎng)進(jìn)行，隨后在美國的Peerless，Ruderdorf，德國等十多家水泥廠(chǎng)進(jìn)行。到目前為止，歐洲，北美，日本等發(fā)達國家已有30多年的研究和應用歷史，在替代燃料和生態(tài)水泥生產(chǎn)方面積累了許多經(jīng)驗。據統計，2007年荷蘭的燃料替代率達到85％以上，2013年，日本、比利時(shí)、瑞士、奧地利等燃料替代率達到50％以上，而在美國約為30％。
近年來(lái)，我國在水泥窯協(xié)同處理生活垃圾、危險廢物、污泥、重金屬污染土壤治理等方面取得較快發(fā)展。2013年國家發(fā)布了《循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展戰略及近期行動(dòng)計劃》，進(jìn)一步明確提出推進(jìn)水泥窯協(xié)同資源化處理廢棄物的研究。此后，2015年國家出臺了《關(guān)于開(kāi)展水泥窯協(xié)同處置生活垃圾試點(diǎn)工作的通知》，2016年頒布了《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染防治技術(shù)政策》，2017年發(fā)布《水泥窯協(xié)同處置危險廢物經(jīng)營(yíng)許可證審核指南》發(fā)布，切實(shí)推動(dòng)水泥窯協(xié)同處置技術(shù)在我國的發(fā)展。海螺集團、北京金隅、中材集團等傳統水泥企業(yè)都在積極利用水泥窯處置技術(shù)優(yōu)勢，不斷開(kāi)拓水泥窯對城市污泥、危險廢物、生活垃圾、重金屬污染土壤等固體廢棄物的處理，為促進(jìn)固體廢棄物協(xié)同處置，幫助改善當地環(huán)境創(chuàng )造了有利條件。
二、水泥窯協(xié)同處理重金屬污染土壤技術(shù)簡(jiǎn)介
1、技術(shù)原理
利用水泥回轉窯內的高溫、氣體長(cháng)時(shí)間停留、熱容量大、熱穩定性好、堿性環(huán)境、無(wú)廢渣排放等特點(diǎn)，在生產(chǎn)水泥熟料的同時(shí)，焚燒固化處理污染土壤。污染土壤從窯尾煙氣室進(jìn)入水泥回轉窯，窯內溫度最高可達1800℃，物料溫度約為1450℃。在水泥窯的高溫條件下，污染土壤中的有機污染物轉化為無(wú)機化合物，高溫氣流與高細度、高濃度、高吸附性、高均勻性分布的堿性物料(CaO、CaCO?等)充分接觸，有效地抑制酸性物質(zhì)的排放，使硫、氯等轉化成無(wú)機鹽類(lèi)固定下來(lái);重金屬污染土壤從生料配料系統進(jìn)入水泥窯，使重金屬固定在水泥熟料中。
2、水泥窯協(xié)同處置技術(shù)優(yōu)勢
（1）水泥窯熟料生產(chǎn)溫度高，強堿、對流、渦旋的環(huán)境有利于廢棄物質(zhì)100%處置；
（2）水泥窯協(xié)同處置采用閉路生產(chǎn)措施，分選出來(lái)的無(wú)機渣土、二次衍生燃料及粉塵全部被熔入水泥熟料；
（3）棄物帶入的重金屬等微量元素在高溫焚燒中以固態(tài)化合物形式固化在水泥熟料的晶格中，不會(huì )對水泥質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不良影響；
（4）水泥窯堿性還原及持續高溫等天然工況，能有效抑制二f英形成，減少有毒氣體排放；二次衍生燃料對煤的替代，有助于減少CaCO?的分解和碳燃燒產(chǎn)生的CO?，從而減少CO?的排放。
3、系統構成和主要設備
水泥窯協(xié)同處置包括污染土壤貯存、預處理、投加、焚燒和尾氣處理等過(guò)程。在原有的水泥生產(chǎn)線(xiàn)基礎上，需要對投料口進(jìn)行改造，還需要必要的投料裝置、預處理設施、符合要求的貯存設施和實(shí)驗室分析能力。
水泥窯協(xié)同處置主要由土壤預處理系統、上料系統、水泥回轉窯及配套系統、監測系統組成。
土壤預處理系統在密閉環(huán)境內進(jìn)行，主要包括密閉貯存設施(如充氣大棚)，篩分設施(篩分機)，尾氣處理系統(如活性炭吸附系統等)，預處理系統產(chǎn)生的尾氣經(jīng)過(guò)尾氣處理系統后達標排放。
上料系統主要包括存料斗、板式喂料機、皮帶計量秤、提升機，整個(gè)上料過(guò)程處于密閉環(huán)境中，避免上料過(guò)程中污染物和粉塵散發(fā)到空氣中，造成二次污染。
水泥回轉窯及配套系統主要包括預熱器、回轉式水泥窯、窯尾高溫風(fēng)機、三次風(fēng)管、回轉窯燃燒器、篦式冷卻機、窯頭袋收塵器、螺旋輸送機、槽式輸送機。監測系統主要包括氧氣、粉塵、氮氧化物、二氧化碳、水分、溫度在線(xiàn)監測以及水泥窯尾氣和水泥熟料的定期監測，保證污染土壤處理的效果和生產(chǎn)安全。
4、關(guān)鍵技術(shù)參數或指標
影響水泥窯協(xié)同處置效果的關(guān)鍵技術(shù)參數包括：水泥回轉窯系統配置、污染土壤中堿性物質(zhì)含量、重金屬污染物的初始濃度、氯元素和氟元素含量、硫元素含量、污染土壤添加量。
(1)水泥回轉窯系統配置
采用配備完善的煙氣處理系統和煙氣在線(xiàn)監測設備的新型干法回轉窯，單線(xiàn)設計熟料生產(chǎn)規模不宜小于2000噸/天。
(2)污染土壤中堿性物質(zhì)含量
污染土壤提供了硅質(zhì)原料，但由于污染土壤中K?O、Na?O含量高，會(huì )使水泥生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)品及最終產(chǎn)品的堿性物質(zhì)含量增高，影響水泥品質(zhì)，因此，在開(kāi)始水泥窯協(xié)同處置前，應根據污染土壤中的K?O、Na?O含量確定污染土壤的添加量。
(3)重金屬污染物初始濃度
入窯配料中重金屬污染物的濃度應滿(mǎn)足《水泥窯協(xié)同處置固體廢物環(huán)境保護技術(shù)規范》(HJ622)的要求。
(4)污染土壤中的氯元素和氟元素含量
應根據水泥回轉窯工藝特點(diǎn)，控制隨物料入窯的氯和氟投加量，以保證水泥回轉窯的正常生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量符合國家標準，入窯物料中氟元素含量不應大于0.5%，氯元素含量不應大于0.04%。
(5)污染土壤中硫元素含量
水泥窯協(xié)同處置過(guò)程中，應控制污染土壤中的硫元素含量，配料后的物料中硫化物硫與有機硫總含量不應大于0.014%。從窯頭、窯尾高溫區投加的全硫與配料系統投加的硫酸鹽硫總投加量不應大于3000mg/kg。
(6)污染土壤添加量
應根據污染土壤中的堿性物質(zhì)含量、重金屬含量、氯、氟、硫元素含量及污染土壤的含水率，綜合確定污染土壤的投加量。
5、水泥窯協(xié)同處置污染土壤工藝流程
利用窯頭熱風(fēng)作為烘干熱源，對污染土壤進(jìn)行烘干，降低物料的含水率，之后進(jìn)入生料配料系統，隨生料進(jìn)入預熱器系統，最終參與熟料煅燒過(guò)程。烘干后的污染土壤大顆粒輸送至暫存倉。廢氣中攜帶的污染土壤細顆粒物經(jīng)旋風(fēng)收塵器氣固分離后形成固體物料，與烘干后的污染土壤大顆?；旌虾笞匀焕鋮s；冷卻后的混合污染土壤輸送至原料庫作為部分替代原料使用。其工藝流程圖見(jiàn)圖3。
三、水泥窯協(xié)同修復周期及參考成本
水泥窯協(xié)同處置技術(shù)的處理周期與水泥生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)能力及污染土壤投加量相關(guān)，而污染土壤投加量又與土壤中污染物特性、污染程度、土壤特性等有關(guān)，一般通過(guò)計算確定污染土壤的添加量和處理周期，添加量一般低于水泥熟料量的4%。水泥窯協(xié)同處置污染土壤在國內的工程應用成本為800-1200元/m3。
四、小結
隨著(zhù)產(chǎn)業(yè)結構調整的深入，污染場(chǎng)地修復法規和標準的日益規范和嚴格，將涌現出更多污染程度重和污染成分復雜的場(chǎng)地，這將給土壤修復技術(shù)提出更多的挑戰，而水泥窯協(xié)同處置技術(shù)由于受污染土壤性質(zhì)和污染物性質(zhì)影響較小，焚毀去除率高和無(wú)廢渣排放等特點(diǎn)，將成為一項極具競爭力的土壤修復技術(shù)，對于污染土壤處置、資源循環(huán)再利用、加強環(huán)境保護和使水泥工業(yè)可持續發(fā)展均具有重要的現實(shí)意義。近年，國家陸續出臺了污染土壤修復和水泥窯協(xié)同處置的標準和規范，這為水泥窯協(xié)同處置污染土壤技術(shù)的推廣創(chuàng )造了條件和提供了依據。