城鎮(zhèn)污水處理廠污泥生產(chǎn)燒結(jié)磚的應(yīng)用研究

李 林

（山西省長(zhǎng)治市縣域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，山西 長(zhǎng)治 046300）

0 引言

城鎮(zhèn)水處理廠處理污水時(shí)產(chǎn)生有固態(tài)、半固態(tài)及液態(tài)的廢棄物，主要為污泥。城鎮(zhèn)水處理廠污泥含有大量的有機(jī)物，豐富的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，硅、鋁、鐵、鈣等無(wú)機(jī)物，同樣也含有重金屬以及致病菌和病原菌等，若不加處理任意排放，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的二次污染，同時(shí)污泥也可以作為資源加以利用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020 年，我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠有2 618 座，全年污水處理量達(dá)674 億m3，產(chǎn)生污泥約3 007 萬(wàn)t（含水率80%）。

為規(guī)范污泥的處理處置，減少因處理處置不當(dāng)造成的二次污泥的風(fēng)險(xiǎn)，住建部、環(huán)保部、發(fā)改委、山西省人民政府等部門近年來(lái)相繼發(fā)布了《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置》8 項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置及污染防治技術(shù)政策（試行）》、2021 年1 月1日山西省《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》等規(guī)范。隨著污泥管理法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格及污泥處理處置技術(shù)的提高，污泥填埋比例將逐漸下降，而污泥焚燒發(fā)電、土地利用、建材利用等的比例將逐漸增加[1-2]。

1 工程概況

山西長(zhǎng)治某污水處理廠主體采用A2/O 處理工藝，污水排放標(biāo)準(zhǔn)為COD 40 mg/L、氨氮質(zhì)量濃度2 mg/L，設(shè)計(jì)處理能力為80 萬(wàn)t/a。該污水處理廠實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，污泥產(chǎn)生受到具體排水體制、進(jìn)水水質(zhì)、污水及污泥處理工藝等多種因素影響，污泥量產(chǎn)生率變化很大。該污水處理廠采用的A2/O 處理工藝，基本活性污泥法污泥產(chǎn)生率較高，污泥產(chǎn)生率達(dá)到10 t 污泥/104m3污水（含水率80%）。根據(jù)2021 年污水處理廠處理規(guī)模和工藝，若按80%的處理負(fù)荷率估算，預(yù)計(jì)當(dāng)年將產(chǎn)生污泥23.36 萬(wàn)t，如果處置不當(dāng)，大量污泥極易造成二次污染，從而嚴(yán)重威脅到當(dāng)?shù)氐乃h(huán)境安全[3-4]。

土地利用是最有發(fā)展?jié)摿Φ奈勰嗵幹梅绞剑捎行Ц纳仆寥蕾|(zhì)量，促進(jìn)植被生長(zhǎng)。但是污泥中含有重金屬和難降解物質(zhì)，將其施用于土地特別是農(nóng)田，存在著環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，中低產(chǎn)土壤面積相當(dāng)大，將市政污泥用于農(nóng)田、綠化、森林等是實(shí)現(xiàn)污泥有效利用的主要途徑。我國(guó)的污泥中無(wú)機(jī)物的主要成分與黏土、頁(yè)巖等建筑原料相近，可替代部分原料生產(chǎn)水泥、陶粒、玻璃、生化纖維板、燒結(jié)磚等建筑材料。污泥中含有60%～70%的有機(jī)成分，干污泥的熱值可達(dá)2 000～3 500 kcal/kg，可用于發(fā)電、生產(chǎn)沼氣、生產(chǎn)燃料等。污泥的熱化學(xué)處置（焚燒、熱解、氣化）可有效地實(shí)現(xiàn)污泥的減量化，回收能源。主文主要是山西長(zhǎng)治某污水處理廠污泥燒結(jié)磚的利用進(jìn)行研究。

2 污泥生產(chǎn)燒結(jié)磚利用研究

2.1 工藝路線

污泥脫水→干燥→入庫(kù)（測(cè)熱值）→粉碎（加頁(yè)巖）→充分?jǐn)嚢琛酂岷娓伞淼栏G燒制→成品→性能測(cè)試[5]。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

污泥生產(chǎn)煤磚以利廢、節(jié)地、節(jié)能和保護(hù)環(huán)境為主要特征，產(chǎn)品是一種名副其實(shí)的生態(tài)墻體材料。選取城市污水處理廠所產(chǎn)生的固態(tài)污泥，研究其成分、組成、熱特性以及所含不同重金屬Zn、Cr、Cd、Pb、Hg、Co、Ni、As 在焚燒產(chǎn)物中的遷移規(guī)律[6]。研究表明：城鎮(zhèn)污水處理廠污泥成分較接近黏土，熱值也較高，可以替代黏土或者燃料配合頁(yè)巖制成建筑用磚塊。

2.3 工程規(guī)模及技術(shù)指標(biāo)

城鎮(zhèn)污水處理廠污泥生產(chǎn)燒結(jié)磚建材資源綜合利用項(xiàng)目可年產(chǎn)12000 萬(wàn)塊污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚。

主要技術(shù)指標(biāo)：成品磚規(guī)格為240 mm×115 mm×90 mm，尺寸偏差長(zhǎng)、寬、高分別為長(zhǎng)≤2.5 mm、寬2 mm、高1.5 mm；強(qiáng)度平均值為Mu15 磚≥16 MPa，Mu10 磚≥11 MPa，Mu5 磚≥5.0 MPa，Mu3.5 磚≥3.5 MPa；變異系數(shù)≤0.21，抗風(fēng)化性能平均值≤17，飽和系數(shù)平均值≤0.8，孔洞率≥26%，磚墻體傳熱系數(shù)K 值≥1.5 W/（m2·K）。

2.4 主要設(shè)備及運(yùn)行管理

主要設(shè)備包括輪式裝載機(jī)、振動(dòng)給料機(jī)、強(qiáng)力錘式破碎機(jī)、可調(diào)式高細(xì)破碎機(jī)、雙軸攪拌機(jī)、可逆皮帶布料機(jī)、液壓多斗挖掘機(jī)、強(qiáng)力攪拌擠出機(jī)、程控自動(dòng)切條切坯系統(tǒng)、隧道焙燒窯等。關(guān)鍵的檢測(cè)設(shè)備有自動(dòng)量熱儀、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、微型高速粉碎機(jī)、液塑限測(cè)定儀、電液式壓力試驗(yàn)機(jī)等。

3 污泥生產(chǎn)燒結(jié)磚的生產(chǎn)試驗(yàn)研究

3.1 污泥分析

山西長(zhǎng)治某污水處理廠生產(chǎn)的污泥做簡(jiǎn)單脫水后達(dá)到50%殘余含水率后，對(duì)污泥進(jìn)行成分檢測(cè)，結(jié)果為pH 值為6.28，含水率59.5%，有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38.5%，總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12 389 mg/kg，總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15 493 mg/kg，總鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12 349 mg/kg，總鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.8 mg/kg，總鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55.7 mg/kg，總鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為512mg/kg，總汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)為266mg/kg，總砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.5mg/kg，總銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為977mg/kg，總鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1287mg/kg，總鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為103mg/kg?；痉铣擎?zhèn)污水處理廠污泥生產(chǎn)燒結(jié)磚的要求。

3.2 生產(chǎn)工藝的參數(shù)研究

3.2.1 污泥摻配量與燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度關(guān)系

為確定合適的污泥摻配量，進(jìn)行了污泥摻配量與燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系試驗(yàn)。取不同的污泥摻配量（0、10%、20%、30%、40%、50%），測(cè)試生產(chǎn)的燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 污泥摻配量與燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度的關(guān)系圖

從圖1 可知，隨著污泥摻配量從0 增加至50%時(shí)，燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)為降低趨勢(shì)，當(dāng)污泥摻入量小于10%時(shí)，燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度是大于12 MPa，完全滿足燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度性能指標(biāo)。

3.2.2 污泥摻入量與燒結(jié)磚密度關(guān)系

燒結(jié)磚的密度影響到建筑物的性能，必須控制和掌握污泥燒結(jié)磚的密度。為確定合適的污泥摻配量，進(jìn)行了污泥摻配量與燒結(jié)磚的密度之間的關(guān)系試驗(yàn)。取不同的污泥摻配量（0、10%、20%、30%、40%、50%），測(cè)試生產(chǎn)的燒結(jié)磚密度，試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 污泥摻配量與燒結(jié)磚密度的關(guān)系圖

從圖2 可知，隨著污泥摻配量從0 增加至50%時(shí)，燒結(jié)磚密度呈現(xiàn)為降低趨勢(shì)，當(dāng)污泥摻入量小于10%時(shí)，燒結(jié)磚密度是大于1 700 kg/m3MPa，完全滿足燒結(jié)磚密度性能指標(biāo)。

3.2.3 污泥摻配量與磚的保溫隔熱性能關(guān)系

為確定合適的污泥摻配量，進(jìn)行了污泥摻配量與燒結(jié)磚保溫隔熱性能之間的關(guān)系試驗(yàn)。取不同的污泥摻配量（0、10%、20%、30%、40%、50%），測(cè)試生產(chǎn)的燒結(jié)磚的導(dǎo)熱系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 污泥摻量與燒結(jié)磚導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系圖

從圖3 可知，隨著污泥摻配量從0 增加至50%時(shí)，燒結(jié)磚的導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)為降低趨勢(shì)，燒結(jié)磚的導(dǎo)熱系數(shù)處在0.14～0.34 W/（m·K）之間，能增加保溫隔熱性能，燒結(jié)磚符合節(jié)能減排的產(chǎn)業(yè)政策。

3.2.4 污泥摻入量的確定

經(jīng)以上試驗(yàn)研究分析，在城鎮(zhèn)污水處理廠污泥生產(chǎn)燒結(jié)磚項(xiàng)目中，脫水后的污泥按9%～10%的比例（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）摻配在黏土內(nèi)生產(chǎn)燒結(jié)磚是合理的，可以實(shí)現(xiàn)污泥的充分利用，此時(shí)生產(chǎn)的燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度、密度、保溫隔熱性能、重金屬含量均符合生產(chǎn)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，城鎮(zhèn)污水處理廠污泥生產(chǎn)燒結(jié)磚項(xiàng)目生產(chǎn)正常，日產(chǎn)燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚12 萬(wàn)塊。隨著我國(guó)城市化建設(shè)的不斷發(fā)展，此類產(chǎn)品的需求量日益增加，為適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)和高新技術(shù)發(fā)展需要，該項(xiàng)目的各項(xiàng)性能指標(biāo)已經(jīng)圓滿完成。項(xiàng)目總投資10 610 萬(wàn)元，其中設(shè)備投資4 000 萬(wàn)元，運(yùn)行費(fèi)用2 800 萬(wàn)元/a。經(jīng)濟(jì)凈效益為每年1 100 萬(wàn)元，投資回收年限為10 年。污水廠+污泥生產(chǎn)燒制燒結(jié)磚利用項(xiàng)目的實(shí)施可每年節(jié)約填埋污泥用地約0.133 km2，節(jié)省黏土生產(chǎn)燒結(jié)磚用地0.086 7 km2，通過(guò)污泥熱值的利用，每年節(jié)省煤炭1.27 萬(wàn)t。