水泥窯協(xié)同處置固廢熟料重金屬含量超標(biāo)原因分析以及控制措施

摘要：文章通過建立水泥窯協(xié)同處置重金屬分析方案，從重金屬來源、配料方案調(diào)整、不同窯況對重金屬固化效率影響等方面系統(tǒng)地分析了熟料重金屬含量超標(biāo)的根本原因，并制定了相應(yīng)控制措施。

案列：我公司現(xiàn)有三條新型干法熟料生產(chǎn)線，其中一條5?000 t/d生產(chǎn)線配套建設(shè)了日處理垃圾300 t/d、污泥200 t/d的固體廢物處置項目，隨著協(xié)同處置項目的正式運(yùn)行，按照GB 30760—2014《水泥窯協(xié)同處置固體廢物技術(shù)規(guī)范》要求，將熟料重金屬納入例行監(jiān)測范圍，通過一段時間檢測發(fā)現(xiàn)，熟料中個別重金屬含量處于超標(biāo)狀態(tài)，尤其是鎘、砷（國標(biāo)要求鎘≤1.5 mg/kg，砷≤40 mg/kg），有時鎘能達(dá)到1.6 mg/kg以上，砷能達(dá)到42 mg/kg以上，存在較大質(zhì)量風(fēng)險，重金屬超標(biāo)成為亟需解決的問題。

1.1　熟料中重金屬來源探討

（1）水泥窯協(xié)同處置廢物，如生活垃圾、污泥等。

（2）熟料生產(chǎn)用原料，如石灰石、粉煤灰、煤矸石、砂巖、河沙、銅渣等。

（3）熟料生產(chǎn)用破碎、粉磨以及燒成用耐火磚、刮片、澆注料等。經(jīng)過與生產(chǎn)技術(shù)人員咨詢與相關(guān)資料文獻(xiàn)查找，上述粉磨、煅燒材質(zhì)基本不含鎘、砷，此項可予以排除。

1.2　不同配料方案以及垃圾（污泥）投入量對重金屬含量影響探索

（1）熟料同一配料方案以及相同原料下，垃圾以及污泥投入量對重金屬含量影響。

（2）熟料不同配料方案對熟料重金屬含量影響。

1.3　重金屬固化效率的影響

水泥窯利用其高溫、堿性環(huán)境、停留時間長、易形成穩(wěn)定的氧化環(huán)境等有利條件，使固廢中的大多數(shù)重金屬都可全部固溶在水泥熟料的晶格中，不再逸出或析出，實(shí)現(xiàn)重金屬在熟料中惰性化、穩(wěn)定化，通過研究不同窯況對重金屬固化效率的影響可探究其是否會導(dǎo)致重金屬含量超標(biāo)。

重金屬檢測方法包含電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP-OES）、火焰原子光譜吸收法（FAAS）、X射線熒光分析方法（XRF）、離子色譜法（IC）等，本試驗采用的是電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP-OES，樣品前處理采用微波消解法）。檢測方法依據(jù)為GB 30760—2014《水泥窯協(xié)同處置固體廢物技術(shù)規(guī)范》以及HJ781—2016《固體廢物22種金屬元素的測定電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》。

ICP-OES法是以電感耦合等離子體為激發(fā)光源的一類光譜分析法，準(zhǔn)確度及精密度高，分析速度快，檢測限可達(dá)0.01 mg/L，是一種非常普遍的分析方法。我公司使用的美國安捷倫ICP-OES 5110型等離子發(fā)射光譜儀，其主要工作原理為：溶解好的待測試樣，經(jīng)過儀器的霧化器霧化后，引入到高頻等離子體火焰中，樣品被激發(fā)后，發(fā)出的光進(jìn)入分光器變成光譜，從中得出所分析元素的吸光度值，通過與已建立的標(biāo)準(zhǔn)曲線比對以及公式轉(zhuǎn)換計算，即可得出所測量重金屬的質(zhì)量濃度（mg/kg）。

3.1　原材料及廢物中重金屬含量

實(shí)際生產(chǎn)過程中，針對使用的原燃材料以及生活垃圾、污泥進(jìn)行多次取樣檢測，結(jié)果顯示，各原燃材料以及污泥、垃圾重金屬含量較為穩(wěn)定，見表1。

從表1可以看出：

（1）銅渣中砷、鎘重金屬含量相對于其他材料高出許多，需要加強(qiáng)關(guān)注；

（2）生活垃圾、污泥總體重金屬含量較低。

3.2　垃圾、污泥投加量與鎘、砷重金屬含量的關(guān)系

選取生產(chǎn)過程中相同配料方案，以垃圾、污泥投加量為變量，進(jìn)行多次取樣試驗，得出垃圾、污泥投加量與熟料中鎘、砷重金屬含量的關(guān)系，分別見圖1和圖2。

圖1　垃圾投加量與熟料中鎘、砷重金屬含量的關(guān)系

圖2　污泥投加量與熟料中鎘、砷重金屬含量的關(guān)系

考慮垃圾、污泥重金屬含量較少，且其投加量占窯喂料量的比例較小，對熟料重金屬的影響不明顯。

3.3　正常配料時銅渣的限值

根據(jù)各原燃料重金屬含量，直觀得出銅渣摻入量多少，對熟料中鎘、砷含量影響較大，結(jié)合目前生產(chǎn)實(shí)際配料方案執(zhí)行情況，按照熟料理論配料方法計算得出銅渣配比限值。本廠配料方案鎘、砷重金屬理論含量計算見表2。

從表2中可以得出：銅渣限值用量為1.9%，超過此限值，砷含量處于超標(biāo)邊緣，若想解決重金屬超標(biāo)問題，必須減少銅渣使用量。

表2　本廠配料方案鎘、砷重金屬理論含量計算

3.4　不同窯況對重金屬固化效率的影響

固化效率=熟料中重金屬含量/進(jìn)總重金屬含量，進(jìn)總重金屬含量=煤灰重金屬含量+灼燒生料重金屬含量+灼燒垃圾和污泥重金屬含量。

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，我們針對不同窯況（過燒、欠燒、正常煅燒）分別多次選取了對應(yīng)階段入窯生料、入窯煤粉、入窯污泥/生活垃圾以及出窯熟料對以上物料進(jìn)行重金屬檢測，并加權(quán)計算得出8大重金屬固化效率，分別見表3~表5。

從表3~表5中可得知，不同窯況對熟料重金屬固化效率有一定影響，但影響相對于其總固化效率來說較小，此項不是導(dǎo)致熟料中重金屬超標(biāo)的主要因素。

通過以上分析，我們得知銅渣作為熟料重金屬鎘、砷含量超標(biāo)的最主要影響因素，控制其使用量可以有效降低熟料中鎘、砷含量，圍繞這一中心思想，我們先后采取了調(diào)整熟料配料方案，采取低鐵配料，后經(jīng)過生產(chǎn)驗證，對熟料物理性能以及窯工藝煅燒有較大影響，此方案作廢。

后續(xù)開始尋找鐵質(zhì)替代原料，試驗使用了硫酸渣配料，適當(dāng)增加含鐵量高物質(zhì)（河沙）使用量，在不影響配料方案執(zhí)行的同時，嚴(yán)格控制銅渣使用量低于1.9%，經(jīng)過對熟料重金屬含量長期追蹤檢測，未再發(fā)生鎘、砷超標(biāo)現(xiàn)象，熟料中重金屬含量全部合格，且噸生料質(zhì)量成本同比降低0.2元，按照年生料用量420萬噸計算，年可節(jié)約成本84余萬元。調(diào)整前后熟料重金屬含量對比見表6。

通過此次試驗研究的開展，查明了熟料中重金屬超標(biāo)的根本原因，規(guī)避了質(zhì)量風(fēng)險，改善了人們對水泥窯協(xié)同處置后產(chǎn)品質(zhì)量沒有保障、有毒、有害等誤解認(rèn)識。同時通過引入硫酸渣、加大河沙用量等措施，有效地降低了生產(chǎn)成本，給企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，同時也為水泥行業(yè)解決類似問題提供了實(shí)踐經(jīng)驗。