水泥窯協(xié)同處理技術(shù)在重金屬污染土壤治理中的應(yīng)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(yīng)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(jì)70年代，第一次真正用于實踐是1974年在加拿大勞倫斯水泥廠進(jìn)行，隨后在美國的Peerless，Ruderdorf，德國等十多家水泥廠進(jìn)行。到目前為止，歐洲，北美，日本等發(fā)達(dá)國家已有30多年的研究和應(yīng)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(jù)統(tǒng)計，2007年荷蘭的燃料替代率達(dá)到85％以上，2013年，日本、比利時、瑞士、奧地利等燃料替代率達(dá)到50％以上，而在美國約為30％。
近年來，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(jì)發(fā)展戰(zhàn)略及近期行動計劃》，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)于開展水泥窯協(xié)同處置生活垃圾試點工作的通知》，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)營許可證審核指南》發(fā)布，切實推動水泥窯協(xié)同處置技術(shù)在我國的發(fā)展。海螺集團(tuán)、北京金隅、中材集團(tuán)等傳統(tǒng)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(dāng)?shù)丨h(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)簡介
1、技術(shù)原理
利用水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的高溫、氣體長時間停留、熱容量大、熱穩(wěn)定性好、堿性環(huán)境、無廢渣排放等特點，在生產(chǎn)水泥熟料的同時，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(zhuǎn)窯，窯內(nèi)溫度最高可達(dá)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(jī)污染物轉(zhuǎn)化為無機(jī)化合物，高溫氣流與高細(xì)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(zhuǎn)化成無機(jī)鹽類固定下來;重金屬污染土壤從生料配料系統(tǒng)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(qiáng)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，分選出來的無機(jī)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(xù)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(tǒng)構(gòu)成和主要設(shè)備
水泥窯協(xié)同處置包括污染土壤貯存、預(yù)處理、投加、焚燒和尾氣處理等過程。在原有的水泥生產(chǎn)線基礎(chǔ)上，需要對投料口進(jìn)行改造，還需要必要的投料裝置、預(yù)處理設(shè)施、符合要求的貯存設(shè)施和實驗室分析能力。
水泥窯協(xié)同處置主要由土壤預(yù)處理系統(tǒng)、上料系統(tǒng)、水泥回轉(zhuǎn)窯及配套系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)組成。
土壤預(yù)處理系統(tǒng)在密閉環(huán)境內(nèi)進(jìn)行，主要包括密閉貯存設(shè)施(如充氣大棚)，篩分設(shè)施(篩分機(jī))，尾氣處理系統(tǒng)(如活性炭吸附系統(tǒng)等)，預(yù)處理系統(tǒng)產(chǎn)生的尾氣經(jīng)過尾氣處理系統(tǒng)后達(dá)標(biāo)排放。
上料系統(tǒng)主要包括存料斗、板式喂料機(jī)、皮帶計量秤、提升機(jī)，整個上料過程處于密閉環(huán)境中，避免上料過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(zhuǎn)窯及配套系統(tǒng)主要包括預(yù)熱器、回轉(zhuǎn)式水泥窯、窯尾高溫風(fēng)機(jī)、三次風(fēng)管、回轉(zhuǎn)窯燃燒器、篦式冷卻機(jī)、窯頭袋收塵器、螺旋輸送機(jī)、槽式輸送機(jī)。監(jiān)測系統(tǒng)主要包括氧氣、粉塵、氮氧化物、二氧化碳、水分、溫度在線監(jiān)測以及水泥窯尾氣和水泥熟料的定期監(jiān)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(shù)或指標(biāo)
影響水泥窯協(xié)同處置效果的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)包括：水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)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(zhuǎn)窯系統(tǒng)配置
采用配備完善的煙氣處理系統(tǒng)和煙氣在線監(jiān)測設(shè)備的新型干法回轉(zhuǎn)窯，單線設(shè)計熟料生產(chǎn)規(guī)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，會使水泥生產(chǎn)過程中產(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，在開始水泥窯協(xié)同處置前，應(yīng)根據(jù)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(yīng)滿足《水泥窯協(xié)同處置固體廢物環(huán)境保護(hù)技術(shù)規(guī)范》(HJ622)的要求。
(4)污染土壤中的氯元素和氟元素含量
應(yīng)根據(jù)水泥回轉(zhuǎn)窯工藝特點，控制隨物料入窯的氯和氟投加量，以保證水泥回轉(zhuǎn)窯的正常生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)，入窯物料中氟元素含量不應(yīng)大于0.5%，氯元素含量不應(yīng)大于0.04%。
(5)污染土壤中硫元素含量
水泥窯協(xié)同處置過程中，應(yīng)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(jī)硫總含量不應(yīng)大于0.014%。從窯頭、窯尾高溫區(qū)投加的全硫與配料系統(tǒng)投加的硫酸鹽硫總投加量不應(yīng)大于3000mg/kg。
(6)污染土壤添加量
應(yīng)根據(jù)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(tǒng)，隨生料進(jìn)入預(yù)熱器系統(tǒng)，最終參與熟料煅燒過程。烘干后的污染土壤大顆粒輸送至?xí)捍鎮(zhèn)}。廢氣中攜帶的污染土壤細(xì)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。其工藝流程圖見圖3。
三、水泥窯協(xié)同修復(fù)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(nèi)的工程應(yīng)用成本為800-1200元/m3。
四、小結(jié)
隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的深入，污染場地修復(fù)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的日益規(guī)范和嚴(yán)格，將涌現(xiàn)出更多污染程度重和污染成分復(fù)雜的場地，這將給土壤修復(fù)技術(shù)提出更多的挑戰(zhàn)，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，焚毀去除率高和無廢渣排放等特點，將成為一項極具競爭力的土壤修復(fù)技術(shù)，對于污染土壤處置、資源循環(huán)再利用、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)和使水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展均具有重要的現(xiàn)實意義。近年，國家陸續(xù)出臺了污染土壤修復(fù)和水泥窯協(xié)同處置的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)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(jù)。
國際上水泥窯協(xié)同處置廢物技術(shù)發(fā)源于20世紀(jì)70年代，第一次真正用于實踐是1974年在加拿大勞倫斯水泥廠進(jìn)行，隨后在美國的Peerless，Ruderdorf，德國等十多家水泥廠進(jìn)行。到目前為止，歐洲，北美，日本等發(fā)達(dá)國家已有30多年的研究和應(yīng)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(jù)統(tǒng)計，2007年荷蘭的燃料替代率達(dá)到85％以上，2013年，日本、比利時、瑞士、奧地利等燃料替代率達(dá)到50％以上，而在美國約為30％。
近年來，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(jì)發(fā)展戰(zhàn)略及近期行動計劃》，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)于開展水泥窯協(xié)同處置生活垃圾試點工作的通知》，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)營許可證審核指南》發(fā)布，切實推動水泥窯協(xié)同處置技術(shù)在我國的發(fā)展。海螺集團(tuán)、北京金隅、中材集團(tuán)等傳統(tǒng)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(dāng)?shù)丨h(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)簡介
1、技術(shù)原理
利用水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的高溫、氣體長時間停留、熱容量大、熱穩(wěn)定性好、堿性環(huán)境、無廢渣排放等特點，在生產(chǎn)水泥熟料的同時，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(zhuǎn)窯，窯內(nèi)溫度最高可達(dá)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(jī)污染物轉(zhuǎn)化為無機(jī)化合物，高溫氣流與高細(xì)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(zhuǎn)化成無機(jī)鹽類固定下來;重金屬污染土壤從生料配料系統(tǒng)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(qiáng)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，分選出來的無機(jī)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(xù)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(tǒng)構(gòu)成和主要設(shè)備
水泥窯協(xié)同處置包括污染土壤貯存、預(yù)處理、投加、焚燒和尾氣處理等過程。在原有的水泥生產(chǎn)線基礎(chǔ)上，需要對投料口進(jìn)行改造，還需要必要的投料裝置、預(yù)處理設(shè)施、符合要求的貯存設(shè)施和實驗室分析能力。
水泥窯協(xié)同處置主要由土壤預(yù)處理系統(tǒng)、上料系統(tǒng)、水泥回轉(zhuǎn)窯及配套系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)組成。
土壤預(yù)處理系統(tǒng)在密閉環(huán)境內(nèi)進(jìn)行，主要包括密閉貯存設(shè)施(如充氣大棚)，篩分設(shè)施(篩分機(jī))，尾氣處理系統(tǒng)(如活性炭吸附系統(tǒng)等)，預(yù)處理系統(tǒng)產(chǎn)生的尾氣經(jīng)過尾氣處理系統(tǒng)后達(dá)標(biāo)排放。
上料系統(tǒng)主要包括存料斗、板式喂料機(jī)、皮帶計量秤、提升機(jī)，整個上料過程處于密閉環(huán)境中，避免上料過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(zhuǎn)窯及配套系統(tǒng)主要包括預(yù)熱器、回轉(zhuǎn)式水泥窯、窯尾高溫風(fēng)機(jī)、三次風(fēng)管、回轉(zhuǎn)窯燃燒器、篦式冷卻機(jī)、窯頭袋收塵器、螺旋輸送機(jī)、槽式輸送機(jī)。監(jiān)測系統(tǒng)主要包括氧氣、粉塵、氮氧化物、二氧化碳、水分、溫度在線監(jiān)測以及水泥窯尾氣和水泥熟料的定期監(jiān)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(shù)或指標(biāo)
影響水泥窯協(xié)同處置效果的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)包括：水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)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(zhuǎn)窯系統(tǒng)配置
采用配備完善的煙氣處理系統(tǒng)和煙氣在線監(jiān)測設(shè)備的新型干法回轉(zhuǎn)窯，單線設(shè)計熟料生產(chǎn)規(guī)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，會使水泥生產(chǎn)過程中產(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，在開始水泥窯協(xié)同處置前，應(yīng)根據(jù)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(yīng)滿足《水泥窯協(xié)同處置固體廢物環(huán)境保護(hù)技術(shù)規(guī)范》(HJ622)的要求。
(4)污染土壤中的氯元素和氟元素含量
應(yīng)根據(jù)水泥回轉(zhuǎn)窯工藝特點，控制隨物料入窯的氯和氟投加量，以保證水泥回轉(zhuǎn)窯的正常生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)，入窯物料中氟元素含量不應(yīng)大于0.5%，氯元素含量不應(yīng)大于0.04%。
(5)污染土壤中硫元素含量
水泥窯協(xié)同處置過程中，應(yīng)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(jī)硫總含量不應(yīng)大于0.014%。從窯頭、窯尾高溫區(qū)投加的全硫與配料系統(tǒng)投加的硫酸鹽硫總投加量不應(yīng)大于3000mg/kg。
(6)污染土壤添加量
應(yīng)根據(jù)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(tǒng)，隨生料進(jìn)入預(yù)熱器系統(tǒng)，最終參與熟料煅燒過程。烘干后的污染土壤大顆粒輸送至?xí)捍鎮(zhèn)}。廢氣中攜帶的污染土壤細(xì)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。其工藝流程圖見圖3。
三、水泥窯協(xié)同修復(fù)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(nèi)的工程應(yīng)用成本為800-1200元/m3。
四、小結(jié)
隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的深入，污染場地修復(fù)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的日益規(guī)范和嚴(yán)格，將涌現(xiàn)出更多污染程度重和污染成分復(fù)雜的場地，這將給土壤修復(fù)技術(shù)提出更多的挑戰(zhàn)，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，焚毀去除率高和無廢渣排放等特點，將成為一項極具競爭力的土壤修復(fù)技術(shù)，對于污染土壤處置、資源循環(huán)再利用、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)和使水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展均具有重要的現(xiàn)實意義。近年，國家陸續(xù)出臺了污染土壤修復(fù)和水泥窯協(xié)同處置的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)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(jù)。