城市生活污水污泥建材利用現(xiàn)狀與研究進展

錢覺時，謝從波，謝小莉，陳 偉，楊海林

（重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400045）

城市生活污水污泥是經(jīng)城市污水處理廠多級處理形成的含水率1）文中涉及的含水率、含量等均為質(zhì)量分數(shù).為75%～99%的流體狀廢棄物.污泥呈黑色或黑褐色，水分和有機物含量很高，易腐敗產(chǎn)生刺鼻惡臭味，此外污泥還含有大量的病原體、寄生蟲卵、重金屬和多種有害的有機污染物［1］.按含水率98%～99%計，每萬t污水要產(chǎn)生約10～20t干基污泥［2］，如需深度處理，污泥量還會增加50%甚至更高.2010年我國含水率80%的脫水污泥（經(jīng)城市污水處理廠壓濾或離心脫水得到的污泥）年排放量達到3 000萬t［3］，如單純進行污泥處理處置將給污水處理廠和環(huán)境帶來非常大的壓力，因此污泥資源化利用是一種必然趨勢.

國內(nèi)外有關(guān)污泥資源化利用最初是從有利于污泥處理處置方面展開的，資源化技術(shù)涉及污泥堆肥、制備生物燃料和生產(chǎn)建筑材料等，同時關(guān)注污泥資源化后的環(huán)境影響.隨著中國城鎮(zhèn)化進程的加速和環(huán)境保護要求提高，污泥排放量增加幅度非常明顯，而城鎮(zhèn)化建設(shè)同時要消耗大量的建筑材料，如果將污泥有效用于建材生產(chǎn)則能為污泥找到可行的消納渠道.已有研究［4］結(jié)果表明，從處理量、經(jīng)濟性和環(huán)境安全等多個角度考慮，污泥的建材利用是最為可行的途徑之一.

本文首先分析國內(nèi)外污泥現(xiàn)有處理處置技術(shù)以及資源化技術(shù)，然后分析國內(nèi)外污泥建材利用現(xiàn)狀與研究進展，最后探討污泥建材利用的方向和面臨的問題，以期為進一步研究和技術(shù)開發(fā)提供參考.

1 污泥處理處置技術(shù)與資源化利用現(xiàn)狀

1.1 污泥處理處置技術(shù)

脫水污泥含水率通常在75%～90%范圍內(nèi)，還需要進行進一步的處理和處置，以使污泥穩(wěn)定、減量和無害.污泥處理和處置過程會影響到其資源化利用.

1.1.1 污泥處理

污泥處理主要通過固化、加熱干化和焚燒等方式，可促使污泥穩(wěn)定、濃縮和減量.GB 16889—2008《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，污泥含水率小于60%才可進入生活垃圾填埋場進行填埋處置.混入生石灰可以顯著降低污泥含水率，且有殺菌和穩(wěn)定作用［5］，但這使處理成本顯著增加，同時還增加了污泥處理量.干化后污泥體積顯著降低，當(dāng)有機質(zhì)含量較高時還可以作為燃料使用［6］，或者重金屬含量較低時可作為肥料使用［7］，但這同樣使綜合處理成本明顯增加，而且作為燃料和肥料使用時均存在環(huán)境隱患.焚燒是最為徹底有效的后處理方式，但是，污泥焚燒成本非常高，設(shè)備投資巨大，同時焚燒過程中的間接污染控制也存在較大難度.

1.1.2 污泥處置

污泥處置的目的是為了使污泥無害回歸自然，并降低對環(huán)境的影響.污泥處置主要包括衛(wèi)生填埋、土地利用或干化積肥、建材利用等途徑.污泥衛(wèi)生填埋方法簡單，處置污泥量大，是很多國家常用的方法，但這種方法運行成本比較高，特別是污泥含水率較高時會影響填埋場的運轉(zhuǎn).污泥利用途徑相對比較多，但污泥通常需先經(jīng)過特殊的處理工序才能利用，如干化后作為肥料，生石灰穩(wěn)定后作為回填材料，焚燒后灰渣用于水泥混凝土等.由于擔(dān)心污泥回用的次生環(huán)境問題，這類處置方式難以大量消納迅速增加的污泥，絕大部分污泥仍需通過衛(wèi)生填埋進行處置.

1.2 污泥資源化利用現(xiàn)狀

污泥資源化利用主要包括土地利用、熱能利用和建材利用等方面.

1.2.1 污泥土地利用

將污泥直接或?qū)⑵渑c無機肥復(fù)合造粒制成土壤改良劑或復(fù)合肥，可用于農(nóng)田、園林綠化或土地改良等場合［8］，但施用次數(shù)過多會存在重金屬富集問題.為避免污泥中重金屬等有毒有害物質(zhì)對人體健康和環(huán)境帶來威脅，污泥的泥質(zhì)指標(biāo)、施用周期、最大施用量、允許施用作物要求極為嚴格.一些發(fā)達國家甚至規(guī)定污泥制備的肥料和土壤調(diào)節(jié)劑，不能施用于進入人類食物鏈的植物或用來種植草皮及樹木（如生態(tài)林）［9］.

1.2.2 污泥熱能利用

污泥熱能利用包括熱解油化、合成固體燃料、氣化和直接作為燃料使用.表1給出的是污泥和煤的干基燃燒熱值［9］，可以看出污泥干基燃燒熱值與劣煤相當(dāng).但是要將高含水率污泥濃縮為干污泥，不僅需要特定工藝，而且能耗很高，實際上干化能耗已遠超其自身干基燃燒熱值.

表1 污泥和煤的干基燃燒熱值Table 1 Combustion heat value in dry basis of sewage sludge and coal kJ·kg－1

1.2.3 污泥建材化利用

污泥中除含有機物外，主要為硅鋁質(zhì)無機物，與建筑材料常用的黏土原料組分相近.目前，污泥建材化利用可直接利用脫水污泥（含水率80%左右），也可利用干化后的污泥，此外還能利用污泥焚燒后的灰渣.顯然，直接利用脫水污泥是最佳途徑，而后2種方式需要經(jīng)過高成本的前處理過程，因此只能作為污泥處置的備選手段.

2 污泥建材利用的國內(nèi)外進展

污泥作為建材原材料或用于生產(chǎn)建筑材料的途徑比較多，以下將根據(jù)污泥利用的初始形態(tài)進行分類介紹.

2.1 污泥干化后的利用

將污泥干化后用于建材生產(chǎn)是污泥建材利用最初形式，國內(nèi)外這方面的研究結(jié)果比較多.污泥干化后可以作為燒土制品和水泥生產(chǎn)的原料.

污泥中40%以上是有機物，燒制陶粒時能顯著增加陶粒燒脹系數(shù)，獲得超輕陶粒［10］.干化污泥用作燒結(jié)磚部分原料［11－12］，可以顯著提高燒結(jié)磚混合料的塑性指數(shù)，顯著降低燒結(jié)磚的熱導(dǎo)率，當(dāng)干化污泥摻量為5%時，燒結(jié)磚的抗壓強度達到15.0MPa，滿足MU10 等級要求，可作為承重磚體使用，且保溫隔熱性能提高5.4%（見圖1），但是摻量再增加，由于污泥中硫酸鹽和磷酸鹽含量的影響，燒結(jié)磚會出現(xiàn)泛霜現(xiàn)象.

圖1 污泥摻量對燒結(jié)磚性能的影響Fig.1 Effects of sewage sludge contents（by mass）on properties of sintered brick

有研究者［13－14］認為干化后污泥可作為原料生產(chǎn)水泥，水泥礦物組成含量、率值（硅率、鋁率和石灰飽和系數(shù)等）以及強度均無明顯變化.甚至有研究者［15－18］發(fā)現(xiàn)污泥中Na，K 堿金屬鹽以及Cu，Pb，Zn重金屬能起到礦化劑和助熔的作用，一定程度上改善水泥的易燒性；適量的污泥可使水泥熟料礦物產(chǎn)生晶格畸變，提高其膠凝性.但Lin等［19］采用P2O5含量為7.5%干基污泥，摻量只有4.69%時，水泥熟料P2O5含量就達到0.46%，而通常水泥熟料P2O5含量低于0.2%.水泥熟料P2O5含量增加會使C3S生成量降低，從而影響水泥強度.污泥摻量超過一定范圍，水泥生料的易燒性會明顯下降［15］.因此，干化污泥在水泥生產(chǎn)中的摻量不可能很高.

2.2 污泥焚燒后的灰渣利用

污泥焚燒后具有一定火山灰活性［20－23］，最有價值的是用作水泥混合材或混凝土摻合料.Tay等［20］研究表明，污泥在1 000℃下焚燒4h，其焚燒灰的火山灰活性最強，而在700℃下焚燒3h，其焚燒灰的活性比較低，只有粉煤灰的50%～60%［21］.Monzó等［22］的研究結(jié)果顯示，由于污泥焚燒溫度較低，因此污泥焚燒灰渣顆粒形貌呈不規(guī)則、多孔狀（見圖2［23］），需水量較大；污泥焚燒灰渣對水泥水化有延緩作用.Pan 等［21］給出的污泥焚燒灰渣中的SO3和P2O5含量較低，分別為2.38%和1.67%，而Monzó等［22］的研究顯示污泥焚燒灰渣中的SO3和P2O5含量非常高（見表2），說明不同來源的污泥焚燒灰渣的化學(xué)組成差異較大.根據(jù)Cyr等［24］的統(tǒng)計結(jié)果（見表2），污泥焚燒灰渣中P2O5含量可高達26.7%，氯離子含量也高達10%，摻入水泥后水泥中氯離子的含量可高達1%［25］，遠超過GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》規(guī)定的水泥中氯離子含量不大于0.06%的要求.因此，污泥焚燒灰渣在水泥混凝土中用量將非常低.還有研究者嘗試將污泥焚燒灰渣用于制備輕質(zhì)保溫隔熱材料等［26］.

圖2 污泥焚燒灰渣的SEM 照片［23］Fig.2 SEM photos of incinerated sewage sludge ash（ISSA）［23］

2.3 脫水污泥直接利用

利用一些建材生產(chǎn)過程中的加熱或煅燒工藝，不需要另增加干化或焚燒工藝，可直接利用高含水率的脫水污泥.

2.3.1 水泥中應(yīng)用

研究結(jié)果顯示，可利用水泥生產(chǎn)過程中的高溫熟料直接干化脫水污泥，如將脫水污泥直接密閉輸送到高溫熟料傾倒區(qū)或篦冷機干化，冷卻后進入熟料儲倉，再和熟料一起粉磨成水泥［27］；也有將脫水污泥先送入水泥生產(chǎn)中的分解爐下部煙室，再與預(yù)熱的生料一起送入水泥回轉(zhuǎn)窯，煅燒成熟料［28］.施德祥等［29］認為水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)環(huán)境呈堿性，能對污泥燃燒后產(chǎn)生的HCl，SO2等酸性物質(zhì)起到中和作用，使其轉(zhuǎn)化成鹽類固定下來.

表2 污泥焚燒灰渣化學(xué)組成Table 2 Chemical compositions（by mass）of incinerated sewage sludge ashes %

脫水污泥由于含水率較高，在水泥生產(chǎn)中直接加入時摻量較低，一般認為在不影響水泥煅燒的情況下，摻量在5%～8%較為合適［28］.即使脫水污泥通過水泥生產(chǎn)中廢氣熱量等方式干化后，由于污泥中有害組分（P2O5和Cl－等）含量較高，其摻量也受到限制.

較多研究者［30－31］認為，脫水污泥在水泥煅燒過程中摻入，由于煅燒溫度高和窯內(nèi)停留時間較長，污泥中絕大多數(shù)重金屬能固化于水泥熟料.表3給出了摻脫水污泥熟料和水泥的重金屬浸出量.由表3可見，摻脫水污泥熟料和水泥的重金屬浸出量遠低于GB 5085.3—2007《危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》要求的限值.但目前還缺乏脫水污泥在水泥煅燒過程中重金屬揮發(fā)的研究結(jié)果.

表3 摻脫水污泥熟料和水泥的重金屬浸出量Table 3 Leaching amount of heavy metals in clinker and cement with dewatered sewage sludge（DSS） mg／L

2.3.2 燒土制品中應(yīng)用

陶粒、磚瓦以及陶瓷等燒土制品制坯時通常需要混合料有一定含水率和塑性，采用含水率比較低的黏土原料時，可加入少量脫水污泥，這對制品生產(chǎn)工藝和性能不會有明顯影響；采用頁巖等含水率非常低的原料時，脫水污泥加入量則可以比較高.已有研究［32］顯示，采用含水率為2%的頁巖，80%含水率脫水污泥摻量為30%，混合料達到所需塑性時，脫水污泥的加入還可以降低頁巖破碎或粉磨細度.脫水污泥較高的有機物含量能提供陶粒燒脹所需的碳質(zhì)材料，顯著提高陶粒燒脹性能，使得頁巖陶粒的表觀密度由超過1 700kg／m3降低至700kg／m3［33］.另外，摻入30%的脫水污泥，頁巖燒結(jié)磚的強度可達到MU10等級的要求，而表觀密度降低了10%［34］.還有研究［35］顯示，脫水污泥可直接投入陶瓷生產(chǎn)回轉(zhuǎn)爐，經(jīng)過碳化處理后可得到成本較低并符合要求的陶瓷管原料.

脫水污泥中的有機物熱值還可部分替代頁巖制品生產(chǎn)時的燃料消耗.如頁巖陶粒生料含水率控制在25%，含水率80%脫水污泥（干基熱值約13MJ·kg－1）摻量為30%，則生產(chǎn)每t頁巖陶粒（按燒脹前計算）可節(jié)約26kg標(biāo)煤，同時頁巖陶粒燒脹性明顯提高，頁巖陶粒產(chǎn)量大幅度提高；若頁巖磚的生坯含水率控制在20%，含水率80%脫水污泥摻量為30%，則生產(chǎn)每t頁巖磚（按燒脹前計算）可節(jié)約22kg標(biāo)煤.

3 污泥建材利用的思考

污泥建材利用相比其他資源化途徑優(yōu)勢更為明顯，主要體現(xiàn)在：（1）建材作為基礎(chǔ)性材料，需求量巨大，完全可以作為消納污泥的主要途徑；（2）如用于燒制建材產(chǎn)品和制品，污泥所含無機和有機物均能有效利用；（3）大部分建材制品最終形式為具有一定強度的塊狀固體，相對而言有利于重金屬固化，屬于較為安全的利用途徑.目前，對于污泥建材利用已有一些研究成果和實際應(yīng)用，但仍有很多需要進一步研究的問題.

3.1 污泥建材利用的難點

3.1.1 高含水率的影響

圖3為不同含水率污泥自持燃燒所需的干基熱值要求.圖3考慮了污泥燃燒時不同的熱效率（TE），假定干污泥熱效率為100%時自持燃燒的最低熱值為3.5MJ·kg－1，同時水的汽化熱取2.5MJ·kg－1.從圖3中可以看出：當(dāng)熱效率100%時，含水率80%的污泥要達到自持燃燒，則污泥干基熱值需達到27.4MJ·kg－1以 上，遠超過我國污泥7.5～17.9MJ·kg－1的干基熱值范圍［9］；再考慮熱效率為40%～60%時，假定污泥干基熱值為17.9MJ·kg－1的最高值時，污泥含水率也只有低于60%甚至50%時才能實現(xiàn)自持燃燒.而中國脫水污泥含水率為75%～85%，污泥中的有機物熱能遠低于水分蒸發(fā)需要的熱量.

圖3 不同含水率污泥自持燃燒的干基熱值Fig.3 Heat value in dry basis of sewage sludge with different moisture contents for self－combustion

3.1.2 有害組分的影響

從污泥的性質(zhì)來看，污泥在建材中可利用的是其含有的熱能和黏土質(zhì)組分，很顯然污泥含有的熱能可在高溫?zé)平ú牡倪^程中得到利用，以補充一部分能耗，黏土質(zhì)組分也能減少黏土資源消耗.但污泥中的SO3，P2O5和Cl－等有害組分將會對建材性能產(chǎn)生不利影響，使建材強度下降和出現(xiàn)泛霜等，較為可行的做法是限制建材產(chǎn)品或制品中污泥的含量.干化污泥或者污泥焚燒灰渣雖然不受含水率的影響，但摻量將仍受制于有害組分的含量.

3.1.3 污染的控制

現(xiàn)有研究重點關(guān)注污泥用于建材以及制品的環(huán)境浸出性質(zhì)，主要測試重金屬的浸出濃度.雖然相關(guān)研究［36］結(jié)果均顯示，經(jīng)過高溫過程或作為水泥混凝土組分處理后污泥中的重金屬都能被很好固化，但建材生產(chǎn)過程中的另外2種污染控制不能被忽視，一是燒制過程中重金屬揮發(fā)和二噁英等污染物生成的控制，二是在建材生產(chǎn)中污泥揮發(fā)氣味的控制.

3.2 污泥建材利用的方向

目前，一些污泥建材利用方式僅作為城市污水污泥處置的一種后續(xù)手段，雖然相比其他污泥處置手段，污泥建材利用的處置效果明顯且有一定的利用價值，如脫水污泥用于燒制水泥，干化污泥用于燒制水泥、陶粒和磚等，但這些利用需要調(diào)整生產(chǎn)工藝或增加設(shè)備，生產(chǎn)成本也有明顯增加，僅從建材生產(chǎn)角度來說是得不償失的，同時摻量過高時建材產(chǎn)品性能有明顯下降.因此，應(yīng)當(dāng)將實現(xiàn)污泥處置和建材利用有效融合，使其同時有利于污泥處置和建材生產(chǎn)，而污泥用于頁巖燒結(jié)制品則是這類利用的代表.

中國的頁巖資源非常豐富，通常可以替代黏土使用.頁巖含水率通常在3%以下，因此生產(chǎn)建材產(chǎn)品時需破碎后加入一定水分，以獲得必要的塑性而有利于制坯或者成型.頁巖中摻加脫水污泥后就不需要外加水分，同時污泥中的有機物還可以作為燒土制品的內(nèi)摻燃料.相比煤炭，污泥顆粒更細，與頁巖混合更為充分，更有利于燒土制品性能.表4顯示在含水率3.5%的頁巖中加入含水率82.5%的脫水污泥，當(dāng)污泥摻量為30%時就能滿足磚坯擠壓成型的塑性要求［34］，也能滿足陶粒成球的工藝要求.另外，即使污泥的干基熱值只有3.0MJ／kg，但在含水率3.5%的頁巖中加入含水率80%的污泥，當(dāng)污泥摻量為30%時，燒制頁巖制品的能耗可降低15%左右（見圖4）.研究［33］結(jié)果顯示，頁巖中摻入污泥后，頁巖陶粒燒脹性能明顯提高（圖5），即使無燒脹性的頁巖都能燒制輕質(zhì)陶粒.

表4 頁巖與脫水污泥混合料的塑性指數(shù)Table 4 Plasticity indexes of mixtures of shale and dewatered sewage sludge（DSS）

圖4 摻與未摻脫水污泥頁巖的熱分析結(jié)果Fig.4 Thermal analysis of shale with and without dewatered sewage sludge（DSS）added

圖5 摻與未摻脫水污泥頁巖陶粒燒脹后的SEM 照片［33］Fig.5 SEM photos of expanded shale with and without dewatered sewage sludge added［33］

將污泥用于粉煤灰燒制磚和陶粒制品也是一種有效選擇.任伯幟等［37］研究表明，摻入30%含水率為80%的污泥，可顯著改善粉煤灰的塑性，滿足磚坯成型要求，同時污泥中的有機物和粉煤灰中未燃碳能起到造孔作用，燃燒后形成大量微孔，使制品具有輕質(zhì)保溫隔熱性能.胡明玉等［38］研究表明，按污泥摻量30%，濕排粉煤灰摻量65%，助熔劑摻量5%配比燒結(jié)的磚抗壓強度可達到26.7 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.170 6W／（m·K），只有普通磚的1／3.

3.3 污泥建材利用需進一步解決的問題

3.3.1 燒成過程中的污染控制

污泥建材如經(jīng)歷高溫?zé)七^程，其中重金屬會發(fā)生部分揮發(fā)，含氯塑料等還可能生成二噁英.將污泥摻入頁巖中制備燒結(jié)制品時，重金屬揮發(fā)率低于污泥單獨焚燒時的揮發(fā)率，這是因為污泥中重金屬高溫下可與頁巖組分發(fā)生固化反應(yīng)，而且頁巖制品為塊狀或顆粒狀，重金屬揮發(fā)受到更大阻力的緣故，不過重金屬Pb等揮發(fā)率仍比較高［39］.郭輝等［40］認為，避免二噁英產(chǎn)生需要高溫和充足的燃燒時間，燃燒時間不足產(chǎn)生“漚煙”的現(xiàn)象是產(chǎn)生二噁英的重要誘因，而建材制品需經(jīng)過1 000℃左右長達30min的燒結(jié)，因此產(chǎn)生二噁英風(fēng)險較小.但是有關(guān)二噁英生成風(fēng)險的研究很少.因此，對于污泥用于高溫?zé)平ú闹破?，仍需要進行重金屬和二噁英揮發(fā)的風(fēng)險評價和控制技術(shù)研究.

3.3.2 生產(chǎn)過程中的污泥氣味控制

污泥氣味來源于其中的含硫化合物、含氮化合物和烴類化合物，雖然這些物質(zhì)高溫下能被完全處理，但是在建材制備過程中的氣味污染仍是主要問題之一.污泥與頁巖混合后可以明顯減少氣味的逸出，但坯料烘干過程中隨溫度升高氣味逸出速度明顯增加.因此需要借鑒污泥焚燒采用的氣味控制技術(shù)，并結(jié)合現(xiàn)有建材生產(chǎn)工藝條件，對生產(chǎn)過程中的污泥氣味進行控制.

3.3.3 污泥與頁巖或粉煤灰的有效混合

現(xiàn)有研究和應(yīng)用結(jié)果已表明，高含水率污泥不能單獨用于建材生產(chǎn)，必須與頁巖或粉煤灰等組分復(fù)合，但呈膠體狀的污泥與其他組分混合比較困難，混合不均勻則會顯著降低建材制品性能.有研究在污泥沉降階段就將頁巖或粉煤灰加入［41］，不僅能使得污泥與頁巖有效混合，混合物含水率大幅度降低，還能減少污泥運輸以及與頁巖混合過程中氣味逸出.進一步的工作需要研究可行的混合工藝，同時研究頁巖或粉煤灰形態(tài)對混合效果的影響.

4 結(jié)語

污泥在建材中利用有經(jīng)過脫水的高含水的流態(tài)、干化處理后的固態(tài)和焚燒后的灰渣等形式，國內(nèi)外已有研究和工業(yè)化試驗結(jié)果展示了污泥建材利用的潛在優(yōu)勢.然而干化污泥和污泥焚燒灰渣的建材利用只關(guān)注在處置污泥方面的作用，未能考慮污泥建材生產(chǎn)的經(jīng)濟效益，甚至忽視了污泥摻量過高時對建材性能的不利影響.從經(jīng)濟角度來說應(yīng)關(guān)注高含水率的脫水污泥的建材利用，雖然脫水污泥中干基污泥含量很低，建材消納的干基污泥量有限.考慮到污泥中有害組分對污泥建材性能的不利影響，干化污泥或污泥焚燒灰渣在污泥建材中摻量并不能過高.將高含水率的脫水污泥與頁巖和粉煤灰等混合用于燒制陶粒和磚等制品是值得重視的方向，進一步研究需要關(guān)注燒制過程中污泥重金屬和氣味揮發(fā)污染控制以及混合工藝技術(shù)的改進.

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