編者按：剩余污泥處理/處置目前在我國已成為比污水處理更為棘手的問題。有關污泥處理、處置，“扔（填埋）”和“燒（焚燒）”兩種極端方式目前并存。但對于大城市而言，填埋“無地自容”已成為現(xiàn)實問題，這就使得其它處置方式被迫上馬，如，堆肥、厭氧消化、干化焚燒等等。從資源/能源回收與投資/運行費用綜合比較評價來看，干化焚燒不失為一種可持續(xù)的選擇方式，因此，變“土葬（填埋）”為“火葬（焚燒）”的終極方式未來將成為一種主流。然而，很多人對污泥焚燒“談燒色變”，唯恐焚燒尾氣帶來二噁英、重金屬以及NOx、甚至NxO等新的環(huán)境問題。事實上，污泥焚燒與垃圾焚燒一樣，并非新生事物，對它們的實踐幾十年前在歐洲等國便已開始。特別是早先以污泥厭氧消化為主的歐洲國家，對厭氧消化殘留污泥回田應用受阻的情況下，焚燒不得不再被輔以“斷后”。如果你身臨其境一些處于市區(qū)的國外污泥焚燒廠，只見白煙（蒸氣）而聞不到異味情況會作何感想？附近居民與工作人員也不會因冒白煙而頻頻向政府投訴，因為他們相信政府的監(jiān)管，排放尾氣中不含對人體的有害成分。為此，我們曾在2019年對污泥焚燒尾氣主要成分進行了理論與實際的分析，從產(chǎn)生原理、潛在危害到控制/處理技術、成套設備等方面進行全面審視，以揭開污泥焚燒神秘的面紗，并以發(fā)達國家相應技術報告作為佐證，目的是消除國人“談燒色變”的心理障礙，以推動污泥干化、焚燒的應用。
01、尾氣污染物的生成
二噁英生成、危害及其影響因素
二噁英類物質(zhì)是多氯代二苯并-對-二噁英 (PCDDs) 和多氯代二苯并呋喃(PCDFs) 的總稱，屬于氯代三環(huán)芳香族化合物。由于其具有一定的毒性，我國以及歐美等發(fā)達國家固體廢物焚燒二噁英排放濃度標準：0.1ng-TEQ/m3。污泥焚燒過程中二噁英的生成機理主要有兩種: ①高溫氣相反應生成; ②低溫異相催化反應生成。二噁英的產(chǎn)生會造成人體免疫功能降低、生殖和遺傳功能改變、惡性腫瘤易發(fā)等健康問題。而在抑制二噁英的產(chǎn)生上，研究發(fā)現(xiàn)污泥中氯元素對二噁英生成起著至關重要的作用，以及城市生活垃圾加煤（含S）焚燒可有效抑制二噁英的生成。更有趣的是有試驗表明，污泥單獨焚燒時噁英排放濃度最高值僅為0.0917ng-TEQ/m3。因此，在不對尾氣進行任何處理的情況下，二噁英排放濃度已低于歐盟規(guī)定的排放標準。
表1 剩余污泥與城市生活垃圾中主要元素比例（均值）
重金屬遷移、危害及影響因素
污泥中的重金屬主要有 8 種，按其在污泥中的含量依次排序為：
Zn＞Cu＞Cr＞Pb＞Ni＞As＞Cd＞Hg
表2列出了我國市政污泥主要重金屬含量(均值) 以及焚燒煙氣重金屬排放標準。
表 2 污泥中主要重金屬含量及焚燒煙氣排放標準
污泥在焚燒過程中，重金屬因溫度和揮發(fā)性不同其存在形式也不盡相同，揮發(fā)性大小依次為：Hg＞Cd＞Pb＞As＞Cr＞Cu＞Zn＞Ni。所以，污泥焚燒過程中捕獲的重金屬并去除的主要是Hg、Cd及Pb。事實上，污泥中Hg與Cd含量很低，Pb的含量也不是很高，因此焚燒進入煙氣中的這3種重金屬含量很低。然而，固體廢物焚燒過程中氯的存在是導致重金屬更易向煙氣中遷移的主要原因。但剩余污泥中氯的含量很低，從而抑制了重金屬的遷移，試驗發(fā)現(xiàn)在不對尾氣進行任何處理的情況下，三種重金屬含量均低于我國規(guī)定值。
NOx生成、危害及影響因素
污泥燃燒時生成的NOx主要包括NO和NO2，并以NO為主( NO2含量很少)。NOx的生成主要與焚燒工況有關，生成量隨爐膛溫度、過剩空氣量增大而升高。我國固體廢物焚燒NOx排放標準為500 mg/m3。試驗表明，污泥焚燒NOx生成量為471.6mg/m3，在不對尾氣進行任何處理的情況下，NOx生成量已低于我國規(guī)定的排放標準。與二噁英和重金屬類似，已達標排放的煙氣經(jīng)大氣擴散和稀釋后，進入人體內(nèi)的NOx含量微乎其微，不足以影響人體健康。
02、尾氣污染控制方法
污泥焚燒過程中減少二噁英生成與排放的主要方法是針對燃燒條件的控制，以減少前驅(qū)物和二噁英的生成。焚燒過程中，燃燒條件需按照“3T+E”的控制原則來進行。3T即指：燃燒溫度(Temperature)、停留時間(Time)、紊流度(Turbulence)；E是過氧控制(Excess)。為滿足控制上述燃燒條件的適用范圍，則須考慮焚燒爐類型和干化污泥形態(tài)。
經(jīng)過比較，干化污泥的均質(zhì)形態(tài)再加上流化床內(nèi)的物料循環(huán)，是控制尾氣污染的最佳組合。同時，流化床焚燒爐爐溫恒定在850 ℃左右有利于保證燃燒煙氣在高溫區(qū)的停留時間，并且其大的熱容量和良好的物料混合速率可減少過�？諝獾漠a(chǎn)生，使污泥燃盡率大幅提高，二噁英分解徹底，同時可減少重金屬向煙氣轉(zhuǎn)移以及NOx的生成。
除了實現(xiàn)“3T＋E”控制原則，在運行過程中，常常還會投加生石灰(CaO)、氫氧化鈣［Ca( OH)2］等堿性物質(zhì)，其作用包括對SO2、Cl2等酸性氣體脫除、對生成二噁英前驅(qū)物五氯苯酚(PCP)和六氯苯酚(HCB) 的阻滯，以及捕獲易揮發(fā)重金屬從而減少它們在煙氣中的含量。對于低溫冷卻區(qū)(250~450 ℃) 再次合成的二噁英，往往采用驟冷技術使煙氣溫度迅速冷卻至200 ℃以下，以避免二噁英的再生。
03、尾氣污染物處理技術及成套設備
為防止二噁英等尾氣污染物進入環(huán)境，尾氣均會通過凈化設備進行處理，相應技術有洗滌除塵、活性炭吸附以及包括光解催化氧化、催化分解、催化過濾、電子束照射和低溫等離子體等新型技術。其中，洗滌除塵、活性炭吸附、光解催化氧化、催化分解以及催化過濾不僅可以實現(xiàn)對二噁英的去除，也是去除煙氣中重金屬、NOx最常用的方式。
總之，不論是傳統(tǒng)技術還是新型技術，均可以將污泥焚燒產(chǎn)生的少量二噁英、重金屬以及 NOx等污染物進一步去除，效率均可達90%以上。
04、國內(nèi)外應用案例
針對尾氣污染物中的二噁英來說，美國水環(huán)境聯(lián)合會在正式出版的《Wastewater Solid Incineration Systems》一書中早已提及，沒有必要為市政污泥焚燒系統(tǒng)設置二噁英排放標準，因為市政污泥焚燒產(chǎn)生的多環(huán)芳烴物質(zhì)(不僅包括二噁英，還包括呋喃以及多氯聯(lián)苯酚) 的排放值很低。近15年來，德國、英國、西班牙等歐洲發(fā)達國家研究報告亦獲得相似結(jié)論：沒有證據(jù)表明污泥焚燒甚至生活垃圾焚燒尾氣會對人類健康產(chǎn)生影響。
05、結(jié)語
綜上，針對污泥焚燒中的尾氣污染物，從產(chǎn)生原理、潛在危害到控制/處理技術、成套設備等多角度進行分析，亦知，二噁英等尾氣污染物在焚燒過程中的生成濃度本來就不高，再加上成熟的控制與處理技術，不必過度擔心這些尾氣污染物的泄漏以及對人體健康的威脅，同時美、歐等國家早已發(fā)布技術報告予以澄清，無需擔心污泥焚燒二噁英的產(chǎn)生，它們的產(chǎn)生濃度不經(jīng)處理直接排放濃度便已在控制標準(0.1ng-TEQ/m3) 以下。
來源：水業(yè)碳中和資訊
作者： 陳奇，郝曉地等
污泥焚燒無須顧慮尾氣污染物 （北京建筑大學 ：郝曉地，陳 奇，李 季，江 瀚 ）
污泥焚燒無須顧慮尾氣污染物
郝曉地，陳奇，李季，江瀚
（北京建筑大學城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點實驗室中—荷污水處理技術研發(fā)中心，北京 100044）
摘要：剩余污泥處理/處置目前在我國似乎已成為比污水處理本身更為棘手的問題。為此，有關污泥處理/處置技術路線選擇近年來成為熱點話題。“扔”與“燒”兩種極端處置方式因投資懸殊爭議最大，但在“扔”已幾近無路可走的情況下，污泥干化后焚燒在能量平衡、基建投資、還是運行費用等方面較其它選項已被確認為是一種終極選擇。然而，國人“談燒色變”，普遍認為除投資外，焚燒過程產(chǎn)生的二噁英、重金屬以及NOx等尾氣污染物可能危及環(huán)境與健康。對此，從二噁英等污染物在污泥焚燒過程產(chǎn)生原理出發(fā)，闡述它們的生成過程及其含量，論述對它們的控制與處理技術，并結(jié)合國內(nèi)外排放標準審視國內(nèi)污泥焚燒實例中尾氣污染物排放濃度。最后，得出二噁英等尾氣污染物在焚燒過程中產(chǎn)生的含量本來就不高，再輔以成熟的控制與處理技術，完全可以消除人們過分擔心的尾氣泄露以及健康威脅問題，并以發(fā)達國家相應技術報告予以輔正。
關鍵詞：污泥焚燒；尾氣；二噁英；重金屬；NOx；控制/處理
剩余污泥是污水處理的副產(chǎn)物，長期以來在我國被看作一種企業(yè)的負擔。目前，我國的剩余污泥年產(chǎn)量約為4 400萬t/yr（80%含水率）；到2020年，年產(chǎn)量預計將達5 100 t/yr[1]。填埋與土地利用終將走向末日，干化后焚燒已被確認為一種終極選擇[2]。然而，污泥焚燒在大多數(shù)國人眼中，不僅成本高而且焚燒產(chǎn)生的尾氣中有二噁英、重金屬以及NOx等污染物，會對環(huán)境以及人體健康構成危害。
事實上，污泥脫水、干化后直接焚燒無論在能量平衡、基建投資、還是運行費用方面并不比厭氧消化后再焚燒顯得高昂，污泥干化后直接焚燒作為綜合處理/處置手段其實是一種能量、費用均較為節(jié)省的有效途徑[2]。
對污泥焚燒所擔心的二噁英、重金屬以及NOx等尾氣污染物是否會成為阻礙污泥焚燒的絆腳石? 對于這個問題確實需要從產(chǎn)生原理、潛在危害到控制/處理技術、成套設備等方面進行全面審視，以揭開這些尾氣污染物的面紗，徹底消除人們“談燒色變”的心理障礙，為的是推動污泥干化、焚燒實際而廣泛應用。
1尾氣污染物生成
1.1二噁英生成、危害及其影響因素
二噁英類物質(zhì)是多氯代二苯并-對-二噁英（PCDDs）和多氯代二苯并呋喃（PCDFs）的總稱，它們屬于氯代三環(huán)芳香化族化合物，其化學結(jié)構示于圖1。由于氯原子數(shù)目和位置的不同，可構成75種PCDDs和135種PCDFs；其中，有17種（2、3、7、8位全部被氯原子取代）二噁英具有毒性。在發(fā)達國家，把具有209種異構體的共平面多氯聯(lián)苯（PCBs）也看作為二噁英，其中，12種PCBs具有毒性。二噁英毒性與異構體結(jié)構有很大關系，對各異構體毒性大小評價以毒性最強的2、3、7、8-四氯二苯并二噁英（2、3、7、8-TCDDs）作為基準，利用2、3、7、8-TCDDs的毒性當量（TEQ）來表示各異構體的毒性，被稱之為毒性當量因子；2、3、7、8-TCDDs毒性當量因子定義為1，其他衍生物毒性為其相對值，常用計量單位為ng-TEQ/m3(煙氣)；所謂二噁英濃度，即為具有毒性的二噁英分子毒性當量之和[3]。目前，我國以及歐美等發(fā)達國家大多遵循歐盟規(guī)定的固體廢物焚燒二噁英排放濃度標準：0.1 ng-TEQ/m3[3]。
詳見：中國給水排水2019年中國城鎮(zhèn)污泥處理處置技術與應用高級研討會（第十屆） 論文集
4國內(nèi)外應用案例
就尾氣污染物中毒性最強的二噁英來說，美國水環(huán)境聯(lián)合會（Water Environment Federation, WEF)在正式出版物《Wastewater Solid Incineration Systems》一書中早已提及，沒有必要為市政污泥焚燒系統(tǒng)設置二噁英排放標準，因為市政污泥焚燒產(chǎn)生的多環(huán)芳烴物質(zhì)（不僅包括二噁英，還包括呋喃以及多氯聯(lián)苯酚）的排放值很低[34]。近15年來，德國、英國、西班牙等歐洲發(fā)達國家研究報告亦獲得相似結(jié)論：沒有證據(jù)表明污泥焚燒、甚至生活垃圾焚燒尾氣會對人類健康產(chǎn)生影響[5]。
從國際上近幾十年污泥焚燒實踐來看情況確實如此。加拿大Lakeview污泥處理廠污泥焚燒二噁英排放濃度僅為0.0032 ng-TEQ/m3[5~6]；日本橫濱市、藤伬市等6大污泥焚燒處理廠均建在了市中心，二噁英排放濃度只有0.01 ng-TEQ/m3[35]；全球最大的污泥焚燒廠——香港T-Park、國內(nèi)深圳上洋污泥焚燒廠二噁英排放濃度均小于歐盟最嚴格的標準0.1 ng-TEQ/m3[5~6]。甚至連瑞士蘇黎世、德國法蘭克福、德國波恩、瑞典哥德堡、奧地利維也納等城市的固體廢物（垃圾、污泥）焚燒廠均都建在市區(qū)，且二噁英排放濃度小于歐盟排放標準（0.1 ng-TEQ/m3）[5]。另外，這些實際工程案例中污泥焚燒重金屬、NOx的排放濃度亦均都低于歐盟排放標準[5~6,35]。
5結(jié)語
污泥焚燒反應原理顯示，在800℃以上燃燒溫度，二噁英分解速度遠遠大于其生成速度。這樣，二噁英殘留在尾氣中的濃度一般不會很高，凈產(chǎn)生濃度不經(jīng)處理即可低于歐盟排放標準（0.1 ng-TEQ/m3）。再者，剩余污泥中Cl含量僅有0.06%，致使S:Cl比高達20，可以有效抑制90%以上二噁英生成。
重金屬在850 ℃焚燒溫度下，僅可能會有含量很低的Hg、Cd、Pb進入尾氣。適當處理后尾氣中的重金屬含量很容易達到排放標準。
污泥焚燒過程也會產(chǎn)生一定含量NOx，但其產(chǎn)生量平均（471.6 mg/m3）低于國家排放標準（500 mg/m3）。即使參考較為嚴格的歐盟排放標準（200 mg/m3），亦存在成熟應用技術，可輕松做到達標排放。
總之，二噁英等尾氣污染物在焚燒過程中的生成濃度本來就不高，再加上成熟的控制與處理技術，完全可以使人們放心，大可不必過度擔心這些尾氣污染物的泄露以及對人體健康的威脅。為此，美、歐等國家早已發(fā)布技術報告予以澄清，無需擔心污泥焚燒二噁英的產(chǎn)生，它們的產(chǎn)生濃度不經(jīng)處理直接排放濃度便已在控制標準（0.1 ng-TEQ/m3）以下。
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