城市污泥處理處置與建材化利用研究

王珂樂

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450003）

0 引言

城市污泥是污水處理廠逐級處理污水所得的水中剩余物質(zhì)［1］。污泥具有很高的含水率，通常為99%，主要呈流態(tài)，脫水后轉(zhuǎn)為絮凝態(tài)。污泥主要由有機物、重金屬和污染物等組成，其中既包括具有利用價值的鈣、硅、鋁等礦物質(zhì)，也包括大量的病原體、寄生蟲，這些物質(zhì)的存在限制了污泥的回收與再利用。隨著城市的發(fā)展，污泥量大幅度增加。加之當(dāng)前傳染病肆虐［2］，大量廢物無法回收以降低污染風(fēng)險，污泥的處置已經(jīng)成為亟待解決的環(huán)境安全問題。污泥在滿足穩(wěn)定化、安全化的前提下，資源化是其最終處理目標(biāo)，其符合我國的可持續(xù)發(fā)展方向。另一方面，建筑行業(yè)的發(fā)展使原材料的需求增加，如果能將污泥中氮、磷、鉀及有機物等物質(zhì)合理利用，走上建材化道路，不僅能消納大量污泥，也為大規(guī)模利用污泥提供了途徑，有利于建立循環(huán)性經(jīng)濟(jì)。

本研究首先總結(jié)了近年來污泥的處理處置技術(shù)，然后對污泥在制水泥、磚和陶粒等方面的最新技術(shù)加以闡述。最后對建材化利用的其他方面進(jìn)行總結(jié)，為污泥處置提供參考。

1 污泥處理處置技術(shù)

1.1 污泥的處理技術(shù)

目前，污泥處理技術(shù)主要有濃縮、脫水、干化、焚燒、厭氧或好氧處理，一般采用多種處理技術(shù)組合的方法以達(dá)到污泥的減量、穩(wěn)定和無害化處理，最終實現(xiàn)污泥的處置。

1.1.1 濃縮和脫水技術(shù)。污泥濃縮和脫水技術(shù)的主要目的是降低污泥的含水率，減小體積，便于后期貯存、運輸?shù)炔僮?，是污泥處理的必要步驟。處理后可以使污泥的含水率降至60%~80%，污泥濃縮包括重力濃縮、氣浮濃縮和機械濃縮（離心法、帶式法、轉(zhuǎn)鼓機械法），濃縮是脫水的預(yù)處理階段。污泥脫水的方法有自然干化和機械脫水（帶式壓濾、板框壓濾、螺旋壓榨、離心法和真空過濾法）。脫水效率因污泥性質(zhì)和脫水設(shè)備的不同會產(chǎn)生差異，主要去除污泥顆粒間的水和一部分毛細(xì)結(jié)合水。

1.1.2 干化技術(shù)。由于濃縮和脫水只是去除部分水分，泥質(zhì)中還存在大量的病原體、寄生蟲，發(fā)生二次污染的可能性較大，因此污泥的干化技術(shù)是至關(guān)重要的一步。此技術(shù)可以在提高污泥熱值的同時，殺死微生物及病原體，使污泥的含水率降至50%。污泥的干化技術(shù)包括熱力干化技術(shù)（傳統(tǒng)）和水熱干化技術(shù)（新型），熱力干化技術(shù)主要通過加熱使污泥中的水分蒸發(fā)。水熱干化技術(shù)主要利用水熱反應(yīng)破壞污泥中的細(xì)胞質(zhì)，從而解決污泥難脫水的技術(shù)難題，是一種脫水效果好、環(huán)保的污泥干化處理技術(shù)。

1.1.3 熱處理技術(shù)。污泥的熱處理是在高溫下破壞有機污染物，實現(xiàn)環(huán)保的處理技術(shù)，包括污泥的焚燒、熱解和氣化技術(shù)［3］。

污泥的焚燒是在氧氣足夠的情況下，經(jīng)過預(yù)脫水處理或干化處理的污泥在高溫（850~1 100℃）情況下，其中的有機物和病原體開始氧化、分解。污泥焚燒方式速度快，可以最大限度地減少污泥量，并且能夠就地進(jìn)行，不需要長距離運輸，回收的能量可以用于供電和發(fā)熱，并且可以分解有機物，徹底消滅病菌、蟲卵［4］。但是焚燒的成本較高，焚燒后的污泥顆粒也需進(jìn)一步處理，而且在污泥燃燒過程中還會產(chǎn)生飛灰、二噁英等有毒物質(zhì)，使環(huán)境和人體健康受到威脅。因此，在污泥焚燒過程中應(yīng)注意對其煙氣進(jìn)行凈化。

污泥熱解技術(shù)是在無氧環(huán)境中加熱干燥的污泥，使其在干餾和熱分解的作用下將其中的大分子有機物轉(zhuǎn)換成小分子，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為焦油、合成氣體、水和殘渣(炭)等4類物質(zhì)。相比于焚燒，此過程不會產(chǎn)生大量的有毒氣體，具有處理成本低、二次污染小等優(yōu)點。雖然其裝置比較復(fù)雜，但是最大限度地利用了污泥中豐富的有機物［5］。由于熱解工藝、設(shè)備條件以及污泥的含水率、組成成分等使熱解反應(yīng)復(fù)雜多變，污泥熱解技術(shù)還需進(jìn)一步研究。

污泥氣化技術(shù)是將污泥置于缺氧狀態(tài)下（有限氧氣），在氣化裝置中實現(xiàn)燃燒（氧化）反應(yīng)和氣化（還原）反應(yīng)，使能量轉(zhuǎn)換成H2、CH4、CO、CO2等可燃性氣體的過程。與焚燒技術(shù)相比，污泥氣化技術(shù)排放的有害氣體含量少，產(chǎn)生的氣體可以直接用來發(fā)電，處理過程中不用另外加原料，處理成本低；與污泥熱解技術(shù)相比，其殘渣中的有機物和重金屬浸出毒性低，能量的利用率更高，后續(xù)處理相對更加簡單［6］。

1.1.4 厭氧消化和好氧堆肥技術(shù)。這種污泥處理技術(shù)可以利用微生物將污泥中的有機組分轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的產(chǎn)物。厭氧消化利用微生物在無氧條件下將可降解的有機物轉(zhuǎn)換成沼氣，應(yīng)用性廣，但是反應(yīng)時間長，會有礦物沉積和氣體爆炸的安全問題產(chǎn)生。污泥堆肥技術(shù)是在微生物發(fā)酵作用下，將污泥中不穩(wěn)定的有機質(zhì)降解和轉(zhuǎn)化，形成氣體和無機鹽等［7］。

1.2 污泥的處置措施

污泥的處置措施與污泥的處理技術(shù)一般結(jié)合使用，即深度脫水后的污泥要進(jìn)行應(yīng)急填埋；厭氧消化和好氧發(fā)酵后的污泥需要進(jìn)行土地利用；干化后的污泥一般需要再經(jīng)過熱處理，然后進(jìn)行灰渣填埋和產(chǎn)物的建材利用。下面對污泥的主要處置方式進(jìn)行介紹。處理流程綜合對比如表1所示。

表1 污泥處理工藝綜合處置對比

1.2.1 衛(wèi)生填埋。衛(wèi)生填埋是污泥處理的主要方式之一，它是在污泥經(jīng)過無害化、穩(wěn)定化預(yù)處理后采取技術(shù)措施將其填埋。衛(wèi)生填埋的直接成本較低，但是由于污泥量的加大、人口的增多，會有找不到填埋場的尷尬境地。污泥填埋應(yīng)滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置混合填埋泥質(zhì)》（CJ/T 249—2007）的規(guī)定，預(yù)處理不到位會造成二次污染［8］。

1.2.2 土地利用。污泥中含有豐富的有機物和植物所必需的各種微量元素等。但是，土地利用對污泥泥質(zhì)的要求較高，污泥的重金屬和其他有害物質(zhì)往往超標(biāo)。推廣污泥土地利用時，首先泥質(zhì)要符合相關(guān)規(guī)范，鼓勵用于國土綠化、園林建設(shè)、廢棄的礦場和非農(nóng)用的鹽堿地和沙化地。隨著我國土地資源的減少，此處置措施所占比例將會逐漸降低。

1.2.3 制備建筑材料。污泥的建材利用是采用污泥作為建筑材料的主料或者是輔料，可以直接利用脫水污泥和干化后的污泥，也能利用污泥經(jīng)過熱處理后的灰渣［9］。最常見的污泥制備建筑材料的技術(shù)是利用污泥制磚、水泥和陶粒等，然后將其制作成混凝土或直接應(yīng)用到路面、墻體作為保溫隔熱材料使用。如果使用熱處理后的污泥渣再進(jìn)行建材利用，不僅將其有機物燃燒利用，也能將污泥中的無機成分也充分利用，可以完全穩(wěn)定污泥、固定其重金屬，安全性高，是污泥利用的未來發(fā)展方向。

2 污泥建材化利用

2.1 污泥制水泥

污泥具有較高的燒失量和熱值，其化學(xué)成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3等，與水泥所需配料相似。在水泥生產(chǎn)中，污泥不僅可以部分用于配料，還可以提供熱值節(jié)約燃料，但是燒制過程中釋放的酸性氣體需要及時處理。污泥用于制水泥時，應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《水泥窯協(xié)同處置污泥工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50757—2012），污泥占原料質(zhì)量比（以干污泥計）不宜超過10%。污泥焚燒灰除了CaO含量較大，其他成分與硅酸鹽水泥成分相當(dāng)，能穩(wěn)定燃燒，也可部分用于水泥生產(chǎn)，同時焚燒灰渣也進(jìn)行了建材利用，是一種兩全其美的生產(chǎn)途徑。在適當(dāng)?shù)奈勰鄵搅肯?，污泥確實改善了熟料的易燒性。當(dāng)污泥焚燒溫度較低時，會對水泥水化有延緩作用。使用污泥焚燒灰渣時，應(yīng)注意制得的水泥質(zhì)量需符合相關(guān)規(guī)范的要求。

2.2 污泥制磚

污泥制磚中可以直接利用干化污泥，也可利用焚燒后的污泥渣。在磚的焙燒過程中，能夠穩(wěn)定重金屬，很適合作為燒結(jié)磚的原料，并且在摻入磚的過程中，解決了爐渣問題。通常要將污泥磨細(xì)與其他原料混合，加壓焙燒成污泥磚，此工藝需要控制污泥摻量為10%~20%，摻量過大時磚的抗壓強度達(dá)不到其強度標(biāo)準(zhǔn)。污泥摻量、燒結(jié)溫度的不同主要影響磚的抗壓強度、密度、吸水率等。趙思源等［10］利用模壓成型法制備燒結(jié)磚，發(fā)現(xiàn)原料的最佳配比為20%的市政污泥、32%的頁巖、32%的渣土、16%的爐渣，制備燒結(jié)磚的抗壓強度達(dá)到了《燒結(jié)普通磚》（GB/T 5101—2017）中MU15的要求。但是，在焙燒磚的過程中可能有污染氣體產(chǎn)生，磚也存在表面泛霜等缺陷，需要改進(jìn)。在污泥制磚時，要注意調(diào)節(jié)燒結(jié)溫度，使磚的性能達(dá)到最好。

2.3 污泥制陶粒

陶粒可以用于生產(chǎn)輕質(zhì)墻體材料、屋面保溫材料等，其性能優(yōu)良。利用污泥生產(chǎn)陶粒，參照粉煤灰陶粒生產(chǎn)工藝，摻入20%~30%的污泥，生產(chǎn)出的陶粒配置成的混凝土具有良好的抗壓強度，同時重金屬符合要求，按此方法生產(chǎn)陶粒，不僅能消納大量污泥，也解決了重金屬固化的問題。由于陶粒造粒成型需要嚴(yán)格的控制原料含水率，研究者發(fā)現(xiàn)可以利用制造陶粒過程中的煙氣余熱對污泥進(jìn)行干燥處理，干燥后的污泥含水率降至40%，滿足生產(chǎn)要求，也節(jié)能降耗、增加污泥處置量［11］。研究表明，污泥用于生產(chǎn)輕質(zhì)陶粒在技術(shù)上可行，但由于各地污泥的成分含量差異較大，應(yīng)在試驗階段合理控制摻量及燒結(jié)條件，獲得性質(zhì)穩(wěn)定的污泥陶粒，再進(jìn)行大規(guī)模制造。目前，很多學(xué)者繼續(xù)對制造陶粒的造粒設(shè)備、造粒系統(tǒng)、工藝方法進(jìn)行研究和完善，并研究發(fā)明了飛灰、廢氣和污染物的收集處理裝置，具有較大的商業(yè)價值，這對污泥建材化制陶粒方面具有重要的指導(dǎo)意義。

3 總結(jié)與展望

3.1 總結(jié)

污泥建材化利用是將污泥燒制成水泥、磚、陶粒，再進(jìn)一步應(yīng)用于建設(shè)材料中。另外，由于焚燒過后的污泥有火山灰活性，也可以直接將焚燒后的污泥顆粒作為砂漿和混凝土中的添加劑來替代原材料。Prabhakar等［12］將焚燒后的污泥顆粒磨至直徑75μm以下用作水泥的替代品，以降低生產(chǎn)的總體成本并促進(jìn)灰分回收。研究表明，當(dāng)污泥灰替代砂為30%，替代水泥5%時，其28 d的抗壓強度最好，但存在一些殘余的毒性問題，需要加以解決。污泥灰是一種潛在的材料，可用于海堤建設(shè)，還可用污泥灰和碎玻璃生產(chǎn)混凝土鋪路砌塊。結(jié)果表明，混凝土砌塊的強度/耐久性和浸出性能良好，同時有助于兩類固體廢物的回收利用。替代骨料方面，Dubey等［13］使用干化的污泥改性后用于替代細(xì)骨料，可達(dá)到分散水泥顆粒的效果，但摻量僅為1%~5%。國內(nèi)針對污泥焚燒灰渣替代骨料開展的研究表明，污泥灰渣活性較低，用于骨料時對強度有較大影響。除此之外，污泥還有許多其他的利用途徑。例如利用污泥制玻璃、生化纖維板、輕骨料（LWA）等。

3.2 展望

污泥建材資源化利用不僅可以大量消耗污泥，而且生產(chǎn)利用過程對環(huán)境的影響最小，基本避免二次污染，還可變廢為寶，同時有利于使社會效益、經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境效益相統(tǒng)一。不同污泥處理技術(shù)和措施有不同的優(yōu)缺點，污泥處理處置工藝上，不存在一勞永逸的通用解決方案，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)匕l(fā)展?fàn)顩r選擇合適的處理技術(shù)和處置措施，鼓勵采用多元化組合的方式處理污泥。