印染污泥无害化处置优化研究及生命周期评价.pdf

印染污泥无害化处置优化研究及生命周期评价 * 买帅 1， 2 王兴润 2 马丽娜 2 李中和 1 农泽喜 1 1. 中国矿业大学 北京化学与环境工程学院， 北京100083; 2. 中国环境科学研究院 固体废物污染控制技术研究所， 北京100012 摘要 提出印染污泥的优化处置方案， 并通过生命周期评价方法 LCA 对优化方案进行环境影响评价。结果表明 与 原处置工艺相比优化后环境负荷降低了 11. 50 。 关键词 印染污泥;LCA; 环境负荷 OPTIMIZATION OF PRINTING AND DYEING SLUDGE DISPOSAL AND LIFE CYCLE ASSESSMENT Mai Shuai1， 2Wang Xingrun2Ma Lina2Li Zhonghe1Nong Zexi1 1. School of Chemical and Environmental Engineering ，China University of Mining ＆ Technology，Beijing 100083， China; 2. Institute of Solid Waste Management，Chinese Research Academy of Environment Sciences，Beijing 100012， China AbstractThe optimization of printing and dyeing sludge disposal scheme was advanced. An environmental impact assessment on the scheme was given by Life Cycle Assessment LCA . The results showed that as compared with the original disposition process the environmental load of the optimized one was reduced by 11. 50 . Keywordsdyeing sludge; LCA;environmental load * 国家 “十一五” 科技支撑计划重大项目“清洁生产与循环经济的关键 技术与示范研究” 课题 2006BAC02A19， 2007BAC16B03 。 0引言 印染污泥是印染废水处理的二次产物， 据不完全 统计， 随着我国经济高速发展， 我国日排放 1. 5 万 t 左右印染污泥 含水率为 97 ， 印染污泥的处理处 置已经成为我国许多城市可持续发展的重要制约 因素。 印染污泥含有染料、 浆料、 助剂等， 成分非常复 杂， 其中染料的结构具有硝基和氨基化合物及 Pb、 Cu、 Ni 等重金属元素， 且具有较大的生物毒性， 对环 境的污染很强。印染污泥有机质含量高， 资源化潜力 大。表 1 为印染污泥与轻柴油和燃煤元素分析和工 业分析的比较结果 质量分数 。 目前我国印染污泥的主要去向是危险废物集中 焚烧处置。通过焚烧能够实现有机污染物的氧化分 解和减量化， 这些可以通过转化为电能实现资源化利 用。本研究分析了燃煤电厂共处置印染污泥的可行 性， 并通过生命周期评价方法对比研究燃煤共处置与 集中焚烧处置的环境影响。 表 1元素分析和工业分析结果 / 物料名称轻柴油燃煤印染污泥 元 素 分 析 工业 分析 C86. 2661. 546. 93 H13. 743. 652. 09 O8. 632. 00 N0. 030. 980. 40 S0. 200. 629. 97 M0. 0517. 980 A0. 106. 6078. 61 低位热值 / kJ kg － 1 43 89024 0108 360 注 M水分; A灰分。 1印染污泥燃煤电厂共处置可行性分析 1. 1技术可行性分析 一般而言， 危险废物焚烧要求废物应能满足低位 热值至少在 4 000 kJ/kg， 最好高于 5 000 kJ/kg， 印染 污泥的平均低位热值为 8 360 kJ/kg 满足要求。从 911 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 表 2可以看到， 从焚烧 4 大控制参数焚烧温度、 气体 停留时间、 搅拌混合程度及过剩空气率 一般称为 “ 3T E”temperature， time， turbulence 和 excess air 等条件考虑， 技术十分成熟的燃煤电厂将印染污泥进 行燃煤共处置是可行的。 表 2焚烧 4 大控制参数比较 项目危险废物焚烧炉电厂燃煤锅炉 焚烧温度要求温度≥1 100℃炉型不同， 温度最高可以达 到 1 500℃ 以 上， 一 般 均 在 900℃ 以上; 而印染废物对热 解温度要求最高的是 850℃ ， 可以满足要求。 气体停留时间≥2. 0≥2. 0 搅拌混合程度使废 物 与 助 燃 空 气充分接触、 燃烧 气体 与 助 燃 空 气 充分混合。 以空气流扰动的方式满足燃 烧的搅拌混合程度要求， 是 扰 动 方 式 中 效 果 最 好 的 一种。 过剩空气率α 1. 7 左右α 1. 7 燃煤锅炉除尘前 ， α 1. 8 燃煤锅炉除尘后 。 1. 2环境保护可行性分析 在环境保护方面， 大型燃煤电厂一直走在技术的 最前沿。其中 SO2的去除率能保证不低于 80 ; 随 着燃煤电厂脱硝工程的广泛应用， NOx的产生量在燃 煤电厂焚烧处置过程中能够得到很好的控制; 而就除 尘效果而言， 危险废物焚烧炉的布袋除尘器除尘效率 要优于电除尘器， 但是由于印染污泥在燃煤电厂处置 过程中掺杂比较低， 对烟气的影响可以忽略不计。这 里不妨做一个极端假设， 1 台装机容量为600 MW的 机组 24 h 的耗煤大约 5 500 t， 将全国的印染污泥 1. 5 万 t/a 集中到该锅炉进行焚烧处置， 此时印染污泥在 燃料中的比例约为 0. 75 。即燃煤锅炉在进行印染 污泥的焚烧处置过程中， 基本上无需对原工况做出调 整。另外， 国内很多大中型发电厂企业的固体废渣和 废水已经实现了零排放， 和危险废物焚烧炉的废渣固 化填埋相比较更合理。 2环境影响负荷对比分析 2. 1目标与范围 运用生命周期评价方法分别对功能单位为 1 t 的 印染污泥的两种处置过程的环境影响进行系统的分 析、 评价， 有助于量化废物处置过程中能源物质消耗、 废弃物排放， 全面而正确地分析废物处置过程中污染 物的来源及其对环境的影响。以此为依据为决策者 在处理危险废物处置设施的新建、 扩建或优化问题时 提供一种理论评价体系。 1 研究目标。第一种方案是指保持原有处置工 艺不变即 采用危险废物旋转窑式焚烧炉进行焚烧处 置; 第二种方案是将印染污泥送往某燃煤电厂 装机 总容量在 2. 0 106kW 以上 部分替代燃煤进行焚烧 发电。电厂处置印染污泥前后生产工艺产生的变化 情况与第一方案进行比较。 2 系统边界。在分析过程中重点考察生命周期 能源消耗与环境排放， 因此对于一些过于边缘化的其 他影响因素未予以考虑， 比如厂房建设和设备制造过 程中的物质与能源消耗等指标。基于此， 构造了一个 相对封闭的生命周期系统， 便于进行印染污泥处置生 命周期的能源消耗与环境排放。见图 1。 图 1印染污泥处置生命周期评价边界 2. 2清单分析 清单分析主要在系统边界内列举出与系统所消 耗的资源能源数据以及该系统向外的排放数据。其 中原料输入、 能源与电力消耗来源为青岛市某燃煤电 厂以及危险废物焚烧炉处置设施的生产记录， 在保证 原工况热值不变的基础上， 计算得到辅助燃料的添加 量， 最后根据质量守恒计算估算污染物的排放量和环 保处置设施输入物的用量。见表 3 部分数据参考 Simpro7. 0 。 2. 3环境影响评价 将环境影响评价分为环境影响分类、 特征化、 量 化以及生命周期解释 4 个部分。 1 分类。分类是一个将清单分析的结果划分到 影响类型的过程。环境影响分类见表 4。 021 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 表 3每吨印染污泥焚烧处置的环境负荷清单分析 项目旋转焚烧炉电厂燃煤锅炉焚烧 能 源 消 耗 电能 / kWh1. 31 102 － 2. 78 103 柴油 /kg 3. 05 1032. 71 103 燃煤 /kg 3. 02 1032. 63 103 物 料 消 耗 水泥 /kg 8. 88 10 － 2 稳定化药剂 /kg9. 83 10 － 3 Ca OH 2/kg4. 77 10 － 3 2. 54 10 － 1 发泡剂 /kg－ 4. 68 10 － 5 NaOH/kg7. 69 10 － 1 4. 35 水 /kg 1. 99 10 － 1 活性炭 /kg5. 88 10 － 4 净化剂 /kg1. 20 10 － 2 1. 20 10 － 2 絮凝剂 /kg5. 59 10 － 3 5. 59 10 － 3 污 染 物 排 放 CO2/kg 4. 51 1034. 01 103 NOx/kg3. 79 1023. 37 102 SOx/kg2. 40 1032. 13 103 固废 /kg 6. 14 1025. 42 102 表 4环境影响识别分类 环境影响类别危险废物焚烧炉电厂燃煤锅炉焚烧 能源消耗 EDP煤、 电力 煤、 电力 资源消耗 ADP原油、 黏土等 原油、 黏土、 废物等 温室效应 GWPCO2、 CH4CO2、 CH4 环境酸化 APSO2、 NOxSO2、 NOx 人 类 健 康 损 害 HT 粉 尘、SO2、NOx、 重金属 粉尘、 SO2、 NOx、 重金属 2 特征化。根据表 4 所列的环境影响分类， 特征 化是根据环境影响指标分类， 依据一定的模型将各编 目分析的数据转化为相应的环境影响指标。特征化 通常采用相对定量的方法， 即对每种环境影响指标选 定一种参照物， 将其他污染物的环境影响作用以这种 参照物的当量表示。两种生产状况下环境负荷比较 见表 5。 表 5两种生产情况下环境负荷比较 影响类型危险废物焚烧炉电厂燃煤锅炉焚烧 EDP1. 14 1058. 86 104 ADP3. 05 1032. 71 103 GWP1. 25 1041. 11 104 AP1. 33 1031. 18 103 HT4. 78 1034. 23 103 环境负荷计算公式见式 1 。 环境负荷相对指数 环境负荷当量数 环境负荷总当量数 1 对两种生产情况下的环境负荷数据作标准化处理， 结 果如图 2 所示。 图 2印染污泥两种处置条件下环境影响比较 3 量化。在特征化后， 为了得出两种生产情况 下总的环境影响量化值， 必须对各种环境影响类型间 的权重进行确定。加权是使用基于价值选择的数值 系数， 将不同的影响类型指标结果进行换算的过程， 还可包括加权后参数结果的合并。本文主要使用层 次分析法 AHP 法 与相对重要性标度法结合根据现 有的我国相关能源、 资源、 污染物排放数据以及专家 意见， 将各种环境影响重要性标度确定如表 6 所示。 表 6环境影响类型相对重要性标度 EDPADPGWPAPHT EDP111 /31 /61 /7 ADP111 /31 /61 /7 GWP33111 /5 AP66111 /3 HT77531 经过计算， 判断指标 C. R 0. 027 0. 1， 因此判 断矩阵 A 能够通过一致性检验。即各种环境影响间 的权重系数合理。最终得到的各种环境影响间的权 重系数合理， 如表 7 所示。 表 7各种环境影响的相对权重系数 环境影响权重系数 EDP0. 052 ADP0. 052 GWP0. 132 AP0. 256 HT0. 508 根据环境负荷值以及表 6 所列的环境影响相对 权重系数， 计算得出两种处置情况下加权后的环境负 荷， 危险废物焚烧炉处置环境负荷值以及燃煤电厂焚 121 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 烧处置环境负荷比较， 见表 8。 表 8两种生产情况下加权后的环境负荷比较 相对指数类型处置方式Ⅰ处置方式Ⅱ 环境负荷值 /a － 1 5. 48 1034. 8 103 EDP/0. 460. 40 ADP/0. 030. 03 GWP/0. 800. 80 AP/21. 7721. 84 HT/76. 9576. 92 2. 4生命周期解释 5 种环境负荷， 就比例而言两种焚烧处置工艺基 本相同， 就负荷量而言燃煤电厂焚烧处置的各项环境 负荷均有所降低。降低比例由高到低依次为能源消 耗 EDP 22. 08 ， 人体健康损害 HT11. 56 ， 环 境酸化 AP11. 23 ， 资源消耗 ADP11. 15 ， 温 室效应 GWP11. 09 。 能源消耗最为显著， 主要原因是燃煤锅炉引入印 染污泥后将减少燃煤的使用量; 其次由于印染污泥焚 烧后热能被再次利用发电， 较危险废物焚烧炉电能消 耗大幅较少。人体健康危害、 环境酸化和温室效应减 少主要也源于燃煤使用量的减少导致 SO2、 NOx 的排 放的减少。资源消耗减少是因为优化后前期运输距 离变小， 焚烧过程不需助燃剂等因素导致柴油的使用 量大幅减少造成的; 此外， 造成资源消耗减少的另一 个因素是燃煤电厂焚烧后的废渣可以通过建材加工 实现资源化利用， 比危险废物焚烧炉处置后废渣固化 稳定化填埋相比土地资源得到了很好的保护。 3结论与展望 LCA 分析结果表明， 通过将印染污泥送往燃煤 电厂进行焚烧发电处置与原来的危险废物焚烧炉处 置相 比 较 环 境 负 荷 量 由 5. 48 103/a 降 到 了 4. 85 103/a， 降低幅度达到了 11. 50 。优化研究的 结果不仅可以将废物实现资源化再利用， 而且还可以 降低对环境的危害。 参考文献 ［1 ］ 刘祖文， 田长顺， 王遵尧. 印染废水处理方法及发展趋势［J］ . 科技广场， 2008 2 68- 71. ［2 ］ 李晓阁，潘静，奚旦立， 等. 印染污泥中重金属形态分析及生 物有效性［J］ . 岩矿测试， 2002， 8 1 10- 14. ［3 ］ 杨卫国， 白庆中， 魏铁军. 产品生命周期评价在固体废弃物管 理中的应用［J］ . 环境污染治理技术与设备， 2003， 4 3 92- 94. ［4 ］ 杨建新， 王寿兵， 徐成. 生命周期清单分析中的分配方法［J］ . 中国环境科学， 1999， 19 3 285- 288. ［5 ］ 王露， 王京芳. 产品生命周期评价方法的改进策略评价［J］ . 环 境与可持续发展， 2006 5 25- 28. ［6 ］ 王静， 宾鸿赞. 产品生命周期评价及其指标体系的建立［J］ . 机 械设计与制造工程， 2001 3 1- 2. ［7 ］ 陈苏， 孙丽娜， 孙铁珩， 等. 城市污泥处理处置技术及资源化利 用研究［J］ . 生态科学， 2006， 25 4 375- 378. ［8 ］ 徐亦冬， 吴萍， 周士琼. 粉煤灰再生混凝土生命周期评价初探 ［J］ . 混凝土， 2004 6 29- 32. ［9 ］ 孙启宏， 万年青， 范与华. 国外生命周期评价 LCA 研究综述 ［J］ . 世界标准化与质量管理， 2000 12 24- 25. ［ 10］ 李贵奇， 聂祚仁， 左铁镛. 环境协调性评价 LCA 方法研究进展 ［J］ . 材料导报， 2002， 6 1 7- 10. ［ 11］ Bruder-Hubscher V，Lagarde F，Leroy M J F，et al. 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