水泥窑协同处理技术在重金属污染土壤治理中的应用
水泥窑协同处理技术在重金属污染土壤治理中的应用
一、技术背景
国际上水泥窑协同处置废物技术发源于20世纪70年代，第一次真正用于实践是1974年在加拿大劳伦斯水泥厂进行，随后在美国的Peerless，Ruderdorf，德国等十多家水泥厂进行。到目前为止，欧洲，北美，日本等发达国家已有30多年的研究和应用历史，在替代燃料和生态水泥生产方面积累了许多经验。据统计，2007年荷兰的燃料替代率达到85％以上，2013年，日本、比利时、瑞士、奥地利等燃料替代率达到50％以上，而在美国约为30％。
近年来，我国在水泥窑协同处理生活垃圾、危险废物、污泥、重金属污染土壤治理等方面取得较快发展。2013年国家发布了《循环经济发展战略及近期行动计划》，进一步明确提出推进水泥窑协同资源化处理废弃物的研究。此后，2015年国家出台了《关于开展水泥窑协同处置生活垃圾试点工作的通知》，2016年颁布了《水泥窑协同处置固体废物污染防治技术政策》，2017年发布《水泥窑协同处置危险废物经营许可证审核指南》发布，切实推动水泥窑协同处置技术在我国的发展。海螺集团、北京金隅、中材集团等传统水泥企业都在积极利用水泥窑处置技术优势，不断开拓水泥窑对城市污泥、危险废物、生活垃圾、重金属污染土壤等固体废弃物的处理，为促进固体废弃物协同处置，帮助改善当地环境创造了有利条件。
二、水泥窑协同处理重金属污染土壤技术简介
1、技术原理
利用水泥回转窑内的高温、气体长时间停留、热容量大、热稳定性好、碱性环境、无废渣排放等特点，在生产水泥熟料的同时，焚烧固化处理污染土壤。污染土壤从窑尾烟气室进入水泥回转窑，窑内温度最高可达1800℃，物料温度约为1450℃。在水泥窑的高温条件下，污染土壤中的有机污染物转化为无机化合物，高温气流与高细度、高浓度、高吸附性、高均匀性分布的碱性物料(CaO、CaCO?等)充分接触，有效地抑制酸性物质的排放，使硫、氯等转化成无机盐类固定下来;重金属污染土壤从生料配料系统进入水泥窑，使重金属固定在水泥熟料中。
2、水泥窑协同处置技术优势
（1）水泥窑熟料生产温度高，强碱、对流、涡旋的环境有利于废弃物质100%处置；
（2）水泥窑协同处置采用闭路生产措施，分选出来的无机渣土、二次衍生燃料及粉尘全部被熔入水泥熟料；
（3）弃物带入的重金属等微量元素在高温焚烧中以固态化合物形式固化在水泥熟料的晶格中，不会对水泥质量和生态环境产生不良影响；
（4）水泥窑碱性还原及持续高温等天然工况，能有效抑制二f英形成，减少有毒气体排放；二次衍生燃料对煤的替代，有助于减少CaCO?的分解和碳燃烧产生的CO?，从而减少CO?的排放。
3、系统构成和主要设备
水泥窑协同处置包括污染土壤贮存、预处理、投加、焚烧和尾气处理等过程。在原有的水泥生产线基础上，需要对投料口进行改造，还需要必要的投料装置、预处理设施、符合要求的贮存设施和实验室分析能力。
水泥窑协同处置主要由土壤预处理系统、上料系统、水泥回转窑及配套系统、监测系统组成。
土壤预处理系统在密闭环境内进行，主要包括密闭贮存设施(如充气大棚)，筛分设施(筛分机)，尾气处理系统(如活性炭吸附系统等)，预处理系统产生的尾气经过尾气处理系统后达标排放。
上料系统主要包括存料斗、板式喂料机、皮带计量秤、提升机，整个上料过程处于密闭环境中，避免上料过程中污染物和粉尘散发到空气中，造成二次污染。
水泥回转窑及配套系统主要包括预热器、回转式水泥窑、窑尾高温风机、三次风管、回转窑燃烧器、篦式冷却机、窑头袋收尘器、螺旋输送机、槽式输送机。监测系统主要包括氧气、粉尘、氮氧化物、二氧化碳、水分、温度在线监测以及水泥窑尾气和水泥熟料的定期监测，保证污染土壤处理的效果和生产安全。
4、关键技术参数或指标
影响水泥窑协同处置效果的关键技术参数包括：水泥回转窑系统配置、污染土壤中碱性物质含量、重金属污染物的初始浓度、氯元素和氟元素含量、硫元素含量、污染土壤添加量。
(1)水泥回转窑系统配置
采用配备完善的烟气处理系统和烟气在线监测设备的新型干法回转窑，单线设计熟料生产规模不宜小于2000吨/天。
(2)污染土壤中碱性物质含量
污染土壤提供了硅质原料，但由于污染土壤中K?O、Na?O含量高，会使水泥生产过程中产生的中间产品及最终产品的碱性物质含量增高，影响水泥品质，因此，在开始水泥窑协同处置前，应根据污染土壤中的K?O、Na?O含量确定污染土壤的添加量。
(3)重金属污染物初始浓度
入窑配料中重金属污染物的浓度应满足《水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范》(HJ622)的要求。
(4)污染土壤中的氯元素和氟元素含量
应根据水泥回转窑工艺特点，控制随物料入窑的氯和氟投加量，以保证水泥回转窑的正常生产和产品质量符合国家标准，入窑物料中氟元素含量不应大于0.5%，氯元素含量不应大于0.04%。
(5)污染土壤中硫元素含量
水泥窑协同处置过程中，应控制污染土壤中的硫元素含量，配料后的物料中硫化物硫与有机硫总含量不应大于0.014%。从窑头、窑尾高温区投加的全硫与配料系统投加的硫酸盐硫总投加量不应大于3000mg/kg。
(6)污染土壤添加量
应根据污染土壤中的碱性物质含量、重金属含量、氯、氟、硫元素含量及污染土壤的含水率，综合确定污染土壤的投加量。
5、水泥窑协同处置污染土壤工艺流程
利用窑头热风作为烘干热源，对污染土壤进行烘干，降低物料的含水率，之后进入生料配料系统，随生料进入预热器系统，最终参与熟料煅烧过程。烘干后的污染土壤大颗粒输送至暂存仓。废气中携带的污染土壤细颗粒物经旋风收尘器气固分离后形成固体物料，与烘干后的污染土壤大颗粒混合后自然冷却；冷却后的混合污染土壤输送至原料库作为部分替代原料使用。其工艺流程图见图3。
三、水泥窑协同修复周期及参考成本
水泥窑协同处置技术的处理周期与水泥生产线的生产能力及污染土壤投加量相关，而污染土壤投加量又与土壤中污染物特性、污染程度、土壤特性等有关，一般通过计算确定污染土壤的添加量和处理周期，添加量一般低于水泥熟料量的4%。水泥窑协同处置污染土壤在国内的工程应用成本为800-1200元/m3。
四、小结
随着产业结构调整的深入，污染场地修复法规和标准的日益规范和严格，将涌现出更多污染程度重和污染成分复杂的场地，这将给土壤修复技术提出更多的挑战，而水泥窑协同处置技术由于受污染土壤性质和污染物性质影响较小，焚毁去除率高和无废渣排放等特点，将成为一项极具竞争力的土壤修复技术，对于污染土壤处置、资源循环再利用、加强环境保护和使水泥工业可持续发展均具有重要的现实意义。近年，国家陆续出台了污染土壤修复和水泥窑协同处置的标准和规范，这为水泥窑协同处置污染土壤技术的推广创造了条件和提供了依据。
国际上水泥窑协同处置废物技术发源于20世纪70年代，第一次真正用于实践是1974年在加拿大劳伦斯水泥厂进行，随后在美国的Peerless，Ruderdorf，德国等十多家水泥厂进行。到目前为止，欧洲，北美，日本等发达国家已有30多年的研究和应用历史，在替代燃料和生态水泥生产方面积累了许多经验。据统计，2007年荷兰的燃料替代率达到85％以上，2013年，日本、比利时、瑞士、奥地利等燃料替代率达到50％以上，而在美国约为30％。
近年来，我国在水泥窑协同处理生活垃圾、危险废物、污泥、重金属污染土壤治理等方面取得较快发展。2013年国家发布了《循环经济发展战略及近期行动计划》，进一步明确提出推进水泥窑协同资源化处理废弃物的研究。此后，2015年国家出台了《关于开展水泥窑协同处置生活垃圾试点工作的通知》，2016年颁布了《水泥窑协同处置固体废物污染防治技术政策》，2017年发布《水泥窑协同处置危险废物经营许可证审核指南》发布，切实推动水泥窑协同处置技术在我国的发展。海螺集团、北京金隅、中材集团等传统水泥企业都在积极利用水泥窑处置技术优势，不断开拓水泥窑对城市污泥、危险废物、生活垃圾、重金属污染土壤等固体废弃物的处理，为促进固体废弃物协同处置，帮助改善当地环境创造了有利条件。
二、水泥窑协同处理重金属污染土壤技术简介
1、技术原理
利用水泥回转窑内的高温、气体长时间停留、热容量大、热稳定性好、碱性环境、无废渣排放等特点，在生产水泥熟料的同时，焚烧固化处理污染土壤。污染土壤从窑尾烟气室进入水泥回转窑，窑内温度最高可达1800℃，物料温度约为1450℃。在水泥窑的高温条件下，污染土壤中的有机污染物转化为无机化合物，高温气流与高细度、高浓度、高吸附性、高均匀性分布的碱性物料(CaO、CaCO?等)充分接触，有效地抑制酸性物质的排放，使硫、氯等转化成无机盐类固定下来;重金属污染土壤从生料配料系统进入水泥窑，使重金属固定在水泥熟料中。
2、水泥窑协同处置技术优势
（1）水泥窑熟料生产温度高，强碱、对流、涡旋的环境有利于废弃物质100%处置；
（2）水泥窑协同处置采用闭路生产措施，分选出来的无机渣土、二次衍生燃料及粉尘全部被熔入水泥熟料；
（3）弃物带入的重金属等微量元素在高温焚烧中以固态化合物形式固化在水泥熟料的晶格中，不会对水泥质量和生态环境产生不良影响；
（4）水泥窑碱性还原及持续高温等天然工况，能有效抑制二f英形成，减少有毒气体排放；二次衍生燃料对煤的替代，有助于减少CaCO?的分解和碳燃烧产生的CO?，从而减少CO?的排放。
3、系统构成和主要设备
水泥窑协同处置包括污染土壤贮存、预处理、投加、焚烧和尾气处理等过程。在原有的水泥生产线基础上，需要对投料口进行改造，还需要必要的投料装置、预处理设施、符合要求的贮存设施和实验室分析能力。
水泥窑协同处置主要由土壤预处理系统、上料系统、水泥回转窑及配套系统、监测系统组成。
土壤预处理系统在密闭环境内进行，主要包括密闭贮存设施(如充气大棚)，筛分设施(筛分机)，尾气处理系统(如活性炭吸附系统等)，预处理系统产生的尾气经过尾气处理系统后达标排放。
上料系统主要包括存料斗、板式喂料机、皮带计量秤、提升机，整个上料过程处于密闭环境中，避免上料过程中污染物和粉尘散发到空气中，造成二次污染。
水泥回转窑及配套系统主要包括预热器、回转式水泥窑、窑尾高温风机、三次风管、回转窑燃烧器、篦式冷却机、窑头袋收尘器、螺旋输送机、槽式输送机。监测系统主要包括氧气、粉尘、氮氧化物、二氧化碳、水分、温度在线监测以及水泥窑尾气和水泥熟料的定期监测，保证污染土壤处理的效果和生产安全。
4、关键技术参数或指标
影响水泥窑协同处置效果的关键技术参数包括：水泥回转窑系统配置、污染土壤中碱性物质含量、重金属污染物的初始浓度、氯元素和氟元素含量、硫元素含量、污染土壤添加量。
(1)水泥回转窑系统配置
采用配备完善的烟气处理系统和烟气在线监测设备的新型干法回转窑，单线设计熟料生产规模不宜小于2000吨/天。
(2)污染土壤中碱性物质含量
污染土壤提供了硅质原料，但由于污染土壤中K?O、Na?O含量高，会使水泥生产过程中产生的中间产品及最终产品的碱性物质含量增高，影响水泥品质，因此，在开始水泥窑协同处置前，应根据污染土壤中的K?O、Na?O含量确定污染土壤的添加量。
(3)重金属污染物初始浓度
入窑配料中重金属污染物的浓度应满足《水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范》(HJ622)的要求。
(4)污染土壤中的氯元素和氟元素含量
应根据水泥回转窑工艺特点，控制随物料入窑的氯和氟投加量，以保证水泥回转窑的正常生产和产品质量符合国家标准，入窑物料中氟元素含量不应大于0.5%，氯元素含量不应大于0.04%。
(5)污染土壤中硫元素含量
水泥窑协同处置过程中，应控制污染土壤中的硫元素含量，配料后的物料中硫化物硫与有机硫总含量不应大于0.014%。从窑头、窑尾高温区投加的全硫与配料系统投加的硫酸盐硫总投加量不应大于3000mg/kg。
(6)污染土壤添加量
应根据污染土壤中的碱性物质含量、重金属含量、氯、氟、硫元素含量及污染土壤的含水率，综合确定污染土壤的投加量。
5、水泥窑协同处置污染土壤工艺流程
利用窑头热风作为烘干热源，对污染土壤进行烘干，降低物料的含水率，之后进入生料配料系统，随生料进入预热器系统，最终参与熟料煅烧过程。烘干后的污染土壤大颗粒输送至暂存仓。废气中携带的污染土壤细颗粒物经旋风收尘器气固分离后形成固体物料，与烘干后的污染土壤大颗粒混合后自然冷却；冷却后的混合污染土壤输送至原料库作为部分替代原料使用。其工艺流程图见图3。
三、水泥窑协同修复周期及参考成本
水泥窑协同处置技术的处理周期与水泥生产线的生产能力及污染土壤投加量相关，而污染土壤投加量又与土壤中污染物特性、污染程度、土壤特性等有关，一般通过计算确定污染土壤的添加量和处理周期，添加量一般低于水泥熟料量的4%。水泥窑协同处置污染土壤在国内的工程应用成本为800-1200元/m3。
四、小结
随着产业结构调整的深入，污染场地修复法规和标准的日益规范和严格，将涌现出更多污染程度重和污染成分复杂的场地，这将给土壤修复技术提出更多的挑战，而水泥窑协同处置技术由于受污染土壤性质和污染物性质影响较小，焚毁去除率高和无废渣排放等特点，将成为一项极具竞争力的土壤修复技术，对于污染土壤处置、资源循环再利用、加强环境保护和使水泥工业可持续发展均具有重要的现实意义。近年，国家陆续出台了污染土壤修复和水泥窑协同处置的标准和规范，这为水泥窑协同处置污染土壤技术的推广创造了条件和提供了依据。