（环境工程专业论文）城市污泥制取渗水砖的试验研究.pdf

济南大学硕士学位论文 摘要 目前随着城市化发展日益凸现的问题有：路面硬化，大气降水难以及时渗入地 下，造成“城市荒漠化及“热岛效应”，而地下水资源由于无补给来源导致地表下 沉；在暴雨季节，城区市政排水管网负担过大，造成排水不畅引起城区内涝。除此之 外，污水处理厂的污泥处置问题也日益凸现。本课题的目的，就是利用污泥中无机成 分与建材原料的相似性，用污泥制取渗水砖，以寻找出一条治理污泥问题及缓解“城 市荒漠化 及“热岛效应 的有效途径。将污泥应用于渗水砖的制备，将是污泥利用 的又一途径，具有很高的环保效应。 ： 本文从分析城市污泥、黄河淤泥、煤矸石、水渣等固体废弃物的理化性质及微观 结构出发，结合烧结砖工艺，进行了污泥渗水砖的制备研究与探讨，在后期实验中， 尝试了利用污泥制备免烧砖的工艺。 本研究工作的内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 原料的物化特性。由于人们对污泥的资源化利用心存芥蒂，在原料理化性 质分析中重点分析了污泥。通过s e m 图分析可知污泥中分布着较多的纤维，有机物、 无机物布满了纤维之间的空隙，呈现疏松多孔的结构，可起到成孔剂的作用；通过 x r d 分析知污泥中含有石英、钠长石及方解石等矿物相，可用做制砖原料；通过对比 农用污泥中污染物控制标准( ( m 4 2 8 4 8 8 ) 与污水厂提供污泥重金属数据可知， 试验所用污泥针对酸性土壤农用只有锌稍有超标，而本试验制砖主要采用传统烧结工 艺，烧结工艺能使稍过量的锌很好的固结，可知污泥渗水砖不会对环境造成危害。 ( 2 ) 污泥渗水砖的制备。通过粗骨料的选择实验，在水渣、砂及煤矸石三者中 最终选定为砂。因为水渣在砖坯烧结状态下会发生部分熔融，影响制品渗水性能；而 煤矸石中含有可燃煤成分，影响制品抗压性能。在此基础上通过设计正交试验得到制 备烧结污泥渗水的最优工艺参数：污泥掺量为1 5 w t ，成型压力为2 0 m p a 、于11 0 0 下烧结1 5 h ，砂粒径为1 2 i 砌。得到的污泥渗水砖抗压强度为2 1 8 m p a ，渗水系 数为1 0 3 1 0 五c r a s ，吸水率为1 0 9 3 。 ( 3 ) 污泥渗水砖的烧结机理及渗水机理。对污泥渗水砖烧结机理研究分析表明， 主要是由于粉料颗粒尺寸很小，具有较高的表面能，高温下能促进固体分子( 或原子) 的相互吸引，粉末体产生颗粒粘结，颗粒由较松散的接触变为紧密堆积，同时坯体中 颗粒接触面积小，总表面积很大而处于较高能量状态。根据最小能量原理，它将自发 地向最低能态变化，并伴随系统表面能的减少。对污泥渗水砖渗水机理研究分析表明， i 城市污泥制取渗水砖的试验研究 在污泥渗水砖的断面分布着很多不规则的网状连通孔道，且这些内部的孔道与污泥渗 水砖表面相通。在砖坯高温烧结过程中，砖原料的熔融现象、同时原料间化学反应生 成气体的外逸及原料在烧结中的体积收缩共同作用导致砖坯冷却后形成了孔壁光滑 的孔道，其中贯通孔保证了渗水砖的渗水性能。 ( 4 ) 污泥渗水砖的抗压强度和渗水系数呈现此消彼涨的关系，主要受污泥掺量、 成型压力、烧结温度、骨料粒径等因素影响。在本实验范围内，随着污泥掺量的增加， 砂粒径的增大，制品抗压强度降低，渗水系数增大；随着成型压力的增加，烧结温度 的升高，制品抗压强度提高，渗水系数降低。 ( 5 ) 污泥免烧砖的制备。同在水泥掺量为l o w t 的条件下，用干污泥制备免烧 砖，在养护一段时间后砖坯表面出现白色霉菌；用污泥焚烧灰制备免烧砖，在污泥灰 掺量为3 0 w t ，水渣掺量为5 0 w t 时，得到2 8 d 抗压强度为3 0 8 2 m p a 的成品，但 渗水性能很差。用污泥焚烧灰制备渗水性能要求不高的砖坯亦是污泥资源化切实可行 的一条途径。 关键词：污泥；渗水砖；抗压强度；渗水系数 济南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w ef i n dt h a ta t m o s p h e r i cp r e c i p i t a t i o nc a nn o ts o a ki n t os o i li nm b a n8 x e aw i t ht h e d e v e l o p m e n to fc i t y , w h i c hr e s u l ti n “c i t yd e s e r t i f i c a t i o n ”a n d t h eh e a ti s l a n de f f e c t 皿1 e s u b s i d e n c ed u et ot h e r ei sn or e p l e n i s h m e n tt og r o u n d w a t e rr e s o u r c e sa n dt h ec i t yw o u l d b ef l o o d e dd u r i n gs t o r mp e r i o d i na d d i t i o n , s l u d g ed i s p o s a lp r o b l e mg e tc o n c e r n e d g 阴d u a l l y 1 1 1 ep u r p o s eo f t h i si s s u ei st ou s i n gs l u d g et om a n u f a c t u r i n gw a t e rp e r m e a b l e b r i c k s t h e nf i n dt h ee f f e c t i v ew a y st h a tc a nd i s p o s a ls l u d g ea n dm i t i g a t i n gt h e “c i t yo f d e s e r t i f i c a t i o n a n d h e a ti s l a n de f f e c t i nt h i sw a y , w ec a ng e tah i g hd e g r e eo f e n v i r o n m e n t a le f f e c t s t h i sp a p e rs t a r t e df r o ma n a l y s i sp h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t ya n dm i c r o s t r u c t u r eo f h u a n gf i v e rs i l t ，c o a lg a n g u e ，m u n i c i p a ls l u d g ea n dg r a i ns l a g ，t h e nc o m b i n e dw i t h t e c h n o l o g yo ff i r e db r i c k s ，w er e s e a r c h e do nm a n u f a c t u r i n gw a t e rp e r m e a b l eb r i c k s i nt h e l a t t e rp a r to fe x p e r i m e n t ，w et r yt om a n u f a c t u r eu n f i r e db r i c k sw i t hs l u d g e p a r t i c u l a rc o n t e n t si nt h i sp a p e rw e r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) ，n l ep h y s i c o - c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i co fl a wm a t e r i a l s w ef o c u so ns l u d g e b e c a u s ep e o p l ew o r r i e da b o u tt h eh m m f u lc o n t e n t si ni t t h r o u g hs e ma n a l y s i s ，w ek n o w t h a ts l u d g ec o m p o s e dw i t hf i b e r ，o r g a n i ca n di n o r g a n i cm a t t e rf i l l e du pt h eg a pb e t w e e n f i b e r , a n di th a dp o r o u ss t r u c t u r e ，w h i c hc a np l a yt h er o l eo fp o r e - f o r m i n ga g e n t t h r o u g h x r d a n a l y s i s ，w ek n o wt h a ts l u d g ec o n t a i nq u a r t z , a l b i t ea n dc a l c i t e ，w h i c hc a nh et h er a w m a t e r i a lt op r o d u c i n gb r i c k s t h r o u g hc o m p a r i n g ( t h ep o l l u t a n t sc o n t r o ls t a n d a r d so f s l u d g eu s e df o ra g r i c u l t u r e ) ) ( g b 4 2 8 4 8 8 ) w i t hh e a v ym e t a l sc o n t e n ti ns l u d g ep r o v i d e d w i mw a s t e w a t e rt r e a t m e n t , w ec a ns e et h a to n l yz i n cs l i g h t l yh i g l l e rt h a ns t a n d a r di na c i d i cs o i l b u tw em a i n l ya d o p tf i r e dp r o c e s si ne x p e r i m e n t , w h i c hc o u l db eg o o da ts o l i d i f y i n gh e a v ym e t a l s s o w a t e rp e r m e a b l eb r i c k sw i t hs l u d g ea r en o th a r m f u lt oe n v i r o n m e n t ( 2 ) m a n u f a c t u r i n gw a t e rp e r m e a b l eb r i c k s 谢t 1 1s l u d g e t h r o u g he x p e r i m e n to f c h o o s i n gc o a r s ea g g r e g a t e ，f i n a l l yw ec h o o s es a n da m o n gc o a lg a n g u e ，s a n da n dg r a i ns l a g b e c a u s eg r a i ns l a gp a r t i a lm e l tw h e ns i n t e r i n gt h a tw o u l da f f e c tt h ep e r m e a b i l i t ya n dc o a l g a n g u ec o n t a i nc o a lt h a tw o u l da f f e c tt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha f t e rs i n t e r i n g t h e nw eg e t o p t i m a lt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r st h r o u g ho r t h o g o n a lt e s t i tw a sc o n c l u d e dt h a ta15 1 1 1 城市污泥制取渗水砖的试验研究 w e i g h tc o n t e n to fs l u d g eu n d e ram o l d i n gp r e s s u r eo f2 0 m p aa n das i n t e r i n gc o n d i t i o no f 110 0 ( 2f o r1 5 hc o u l dg e n e r a t eab r i c kw i t hac o m p r e s s i v es t r e n g t ho f2 1 8 m p a , a p e r m e a b i l i t yo f1 0 3 xlo 吐c m sa n da w a t e r - a b s o r b i n go f10 9 3 ( 3 ) t h em e c h a n i c so fs i n t e r i n ga n dp e n e t r a t i o n t h es t u d yo fs i n t e r i n gm e c h a n i c s s h o w e dt h a tp a r t i c l ei nah i 曲s u r f a c ee n e r g yd u et oi t ss m a l ls i z e h i g ht e m p e r a t u r ec a n p r o m o t ep a r t i c l ea t t r a c t i n gm u t u a l l y s u b s e q u e n t l yp a r t i c l eb e g i n sb o n i n g ，w h i c hi n d u c e b r i c kg e ti n t e n s i v ea c c u m u l a t i o n a tt h e & t n l et i m e ，b e f o r es i n t e r i n gb r i c kh a v el a r g e s u r f a c ea r e a i na c c o r d a n c ew i t ht h em i n i n l u n le n e r g yp r i n c i p l e ，i tw i l ls p o n t a n e o u s l y c h a n g et ot h em i n i m u n le n e r g ys t a t e ，w h i c ha c c o m p a n i e dw i t ht h ed e c r e a s i n go fs u r f a c e e n e r g y t h es t u d yo fp e n e t r a t i o nm e c h a n i c ss h o w e dt h a tt h e r ew e r em a n yi r r e g u l a r c o n n e c t i v i t yc h a n n e l s ，a n dt h e s ei n t e r n a lc h a n n e l sc o m m u n i c a t e dw i t ht h es u r f a c eo fw a t e r p e r m e a b l eb r i c k d u r i n gt h es i n t e r i n gp e r i o d ，m e l t i n g ，t h eg a se s c a p i n go fc h e m i c a l r e a c t i o na n dt h e s i n t e r i n gs h r i n k a g ea l l l e a dc h a n n e l s ，t h e r e i n t ot h r o u g hc h a n n e l s g u a r a n t e e st h ep e r m e a b i l i t y ( 4 ) t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha n dp e r m e a b i l i t yo fw a t e rp e r m e a b l eb r i c k sw e r e a n t i n o m i e sr e l a t i o n ，w h i c hw e r ea f f e c t e db ys l u d g ea d d i t i o n , s h a p i n gp r e s s u r e ，s i n t e r i n g t e m p e r a t u r ea n da g g r e g a t e s i z e a s s l u d g e a d d i t i o na n da g g r e g a t es i z e i n c r e a s e d ， c o m p r e s s i v es t r e n g t hl o w e ra n dp e r m e a b i l i t yh i g h e r a ss h a p i n gp r e s s u r ea n ds i n t e r i n g t e m p e r a t u r ei n c r e a s e d ，c o m p r e s s i v es t r e n g t hh i g h e ra n dp e r m e a b i l i t yl o w e r ( 5 ) m a n u f a c t u r i n gu n f i r e db r i c k sw i ms l u d g e u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n 、访t l l10 w t c e m e n ta d d i t i o n , w h e nu s i n gd r i e ds l u d g et op r o d u c eu n f i r e db r i c k s ，w ef o u n dw h i t em o u l d f u n g u sg r e wo nt h es u r f a c eo fb r i c ka f a rc u r i n gs o m et i m e w h e nu s i n gi n c i n e r a t i o na s ho f s l u d g e ，w ef o u n da3 0 w e i g h tc o n t e n to fs l u d g ea n da5 0 w e i g h tc o n t e n to fg r a i ns l a g u n d e ram o l d i n gp r e s s u r eo f2 0 m p ac o u l dg e n e r a t eab r i c kw i t ha2 8 dc o m p r e s s i v e s t r e n g t ho f3 0 8 2 m p a , b u tw i t hab a dp e r m e a b i l i t y u s i n gi n c i n e r a t i o na s ho fs l u d g et o m a n u f a c t u r i n gu n f i r e db r i c k sw h i c hh a v eo nr e q u e s to np e r m e a b i l i t yi sag o o dw a yt o u t i l i z a t i o ns l u d g e 1 蛳o r d s ：s l u d g e ；w a t e rp e r m e a b l eb r i c k s ；c o m p r e s s i v es t r e n g t h ；p e r m e a b i l i t y i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：篁函笙 导师签名：j 墨蕴篁 日期：趁：么! 型 济南大学硕士学位论文 1 1 渗水砖概述 1 1 1 渗水砖的研究背景 第一章文献综述 随着城市化进程的加快，造成许多城镇的场地和道路被钢筋混凝土房屋、大型基 础设施、各种不渗水设施所覆盖，使得雨水与地面径流难以及时的渗入城市地下，对 地下水进行补充，加之城市地下水资源长期超量开采，结果造成城市地下水位急剧下 降，引起了地面沉降，也抑止了城市地面植物的生长。而这些不渗水的场地、路面具 有蓄热性，缺乏呼吸性和雨雪渗透性，从而加剧了气候的劣化，带来“热岛效应”等 一系列灾难性的环境问题。同时，因可渗入地表层水量减少，城市地表无法涵养水分， 如果短时间内该地域降雨集中，会造成城市排水系统负荷加重，使城市水平衡系统遭 到破坏，排水不畅，从而易引起城区内涝，造成交通不便和环境污染。联合国环境计划 署( u n i t e dn a t i o n se n v i r o n m e n tp r o g r a m ，简称u n e p ) 针对上述危机而提出并制定 了人类环境宣言和生物多样性公约等生态保护法规。同时，各国开始提倡渗 水性铺装并进行了广泛的研究与应用，渗水砖就是其中的一种渗水性铺装。 1 1 2 渗水砖的特性及国内外的研究现状 渗水砖的特性主要表现在以下5 方面：渗水砖可以使大气降水通过本身与地面 下垫层相通的渗水路径渗入土壤，补充城区日益枯竭的地下水资源，对地下水资源的 保护起着积极的作用，也是有效利用雨水资源的重要途径；渗水砖多孔结构能够吸 收声波，减少城市噪音，创造舒适的生活环境；由于渗水砖自身一系列与外部空气及 下部渗水垫层相连通的多孔构造，加强了地表与空气的热量和水分交换，降低地表温 度，有利于缓解城市的“热岛现象”；由于渗水砖自身良好的渗水性能，能有效地缓 解硬化地面常常出现的雨水蓄积和漫流现象，这就相应地减轻了城市下水道排污的 压力和对江河湖泊的污染，当然也就减少了污水处理的费用；渗水砖还能通过自身 性能接近天然草坪和土壤地面的生态优势减轻城市硬化地面对大自然的破坏程度i l j ， 可以提高地面的渗水透气性，改善地面植物的生长环境，调整生态平衡，同时渗水砖 及下部土壤中丰富的微生物可以针对雨水中的有机杂质进行生物净化，可以保证渗透 城市污泥制取渗水砖的试验研究 雨水的清洁要求，使地下动植物及微生物的生存空间得到有效的保护，体现了自然生 物环境的可持续发展的要求，很好地体现了“与环境共生 的可持续发展理念。 在国外，日本是最早开始研制渗水性铺装的国家。日本【2 】为解决“因抽取地下水 而引起地基下沉 等问题，于8 0 年代初期推行“雨水渗透计划，采取了“雨水的地 下还原对策”，先后开发应用了渗水性沥青混凝土铺装和渗水性水泥混凝土铺装，日 本渗水性铺装主要应用于公园广场、停车场、运动场及城市道路。1 9 9 6 年初，仅东 京都就铺设渗水性铺装4 9 5 0 0 0 平方米。据统计，东京渗水性铺装市区雨水流出率由 5 1 8 降低到5 4 。德国针对城市不渗水地面对地下水资源的负面影响也提出了一项 要把城市8 0 的地面改为渗水地面的计划。德国新建小区( 无论是工业、商业、居住 区) 之前均要设计雨洪利用项目，若无雨洪利用措施，政府将征收雨洪排水设施费和 雨洪排放费。 在国内，渗水砖的生产起步较晚，虽从2 0 0 0 年以来在陕西、河南、山东、河北 等地相继出现了一些生产陶瓷渗水砖的企业，但生产规模均较小，多数没有连续生产。 目前研制的高渗水性生态砖主要以工业固体废物为原料，其工业废料都是经过高温烧 过的，所以它的烧制过程除燃料本身放出的气体外，很少有有害的气体产生，这就减 轻了废气对环境的污染。现阶段国内不少学者与科研机构也进行了采用以固体工业废 料、生活垃圾和建筑垃圾为主要原料的渗水砖的研制，如陕西科技大学的殷海荣【3 】 等人以废玻璃、陶瓷废料和粘土为主要原料研制出的环保陶瓷透水砖，其透水系数为 0 1 0 e m s ，抗压强度为1 2 1 m p a 。武汉理工大学的徐晓虹【4 】等人利用某大型工矿企业 的尾矿废渣试制渗水砖，该渗水砖强度达2 4 2 0 m p a ，渗水率为3 4 9x1 0 。2 l m 2 s 。 景德镇陶瓷学院的孙国梁【5 】等人以废匣钵料为骨料，添加适量粘结剂为熔剂制备多孔 渗水砖，其成品渗水速度2 1 0 五e m s ，抗折强度1 8 m p a 。 1 2 原料综合利用概况 固体废物一般来说是指人类在工农业生产、商品流通和生活消费中排除的一般不 具有原使用价值的固体，半固体或泥状物质。废物具有相对性，在一定的时空条件， 一种过程的废物，往往可以成为另一种过程的原料，所以废物也有“在错误时间放在 错误地点的原料”之称。固体废物具有两个特点，第一，固体废物是各种污染物的终 态，特别是从污染控制设施排出的固体废物，浓集了许多污染成分，人们往往对这类 污染物质存有稳定呆滞的错觉；第二，在自然条件影响下，固体废物中的一些有害成 2 济南大学硕士学位论文 分会转入大气、水体、土壤，参与生态系统的物质循环，因而具有潜在的，长期的危 害性。固体废物对人类环境的危害，表现在侵占土地，污染土壤、水体、大气及影响 环境卫生方面。其减量化、无害化和资源化是我国8 0 年代中期提出的控制固体废弃 物污染的三大技术政策，其发展趋势是从无害化趋向资源化，资源化又以无害化为前 提，无害化和减量化应以资源化为条件。 1 2 1 污泥综合利用现状 据2 0 0 4 年底统计【6 】，全国6 6 1 个城市，日处理污水量达到6 6 0 亿m ? ，年处理污 水量达到1 6 2 亿m 3 ，污水处理率达到4 5 6 。污水中含有6 4 7 0 ( 上海) 、7 8 3 ( 美 国) 、1 0 ( 德国) 的污泥( 含水9 6 - - - 9 7 ) 。按此计算，1 6 2 亿m 3 污水，以6 4 7 0 计算，每年将产生湿污泥1 0 4 8 亿t ，干污泥8 4 0 万t ，占全国固体废弃物的3 2 ， 因此污泥的处理问题十分突出。令人欣慰的是，此问题已引起党中央、国务院的重视， 要求在“十一五 期间，固体废弃物综合利用率2 0 1 0 年要达到6 0 ，主要污染物排 放量要减少1 0 。城市污泥的出路问题是目前污水处理厂都感到十分头疼的问题， 但是污泥处置是整个污水处理系统中的一个重要环节，如果污泥处置不当，本来从污 水中分离出来的污染物又会以各种形式回到环境中去，投巨资兴建和运行的污水处理 厂也就丧失了本来的意义。 各城市污泥由于污水水源的不同，水污染程度的不同，以及污水处理工艺的差异， 污泥的性质也有一定的差异，但以下几点是相同的：刚下线的污泥呈黑色或黑褐色， 呈粘滞状，颗粒很细，含水6 0 - - 7 0 时为固体状，含水5 0 时为粘土状。存放易 腐败发臭。干固后有似于失效的水泥，呈比较坚硬的固体，而不呈分散状；污泥的 主要物相组成是有机质和硅酸盐粘土矿物；含有丰富的有机营养成分，例如氮、磷、 钾以及植物所需的各种微量元素，如c a 、m g 、z n 、f e 等；含有一定的重金属离子， 如铜、砷、铅、锌、铝、汞等：含有较多病原菌和寄生虫卵。污泥中化学组分均值 【7 】见表1 1 。 污泥处理应以减量化、稳定化、无害化为处理目的，避免对环境造成二次污染。 一般而言处理可供选择的方案大致有浓缩、消化、脱水、焚烧、堆肥等，然后是最终 处置。因此污泥处理方案的选定，应根据当地污泥的性质与数量；投资情况与运行管 理费用；环境保护要求及有关法律与法规；城市发展动态及污泥资源化利用，综合考 城市污泥制取渗水砖的试验研究 注：污泥样品在1 0 5 下干燥直到重量恒定为止。 污泥处理过程中庞大的污泥量给处理费用带来的巨大压力令大部分污水处理厂 望“泥 生畏。有报道称一个成熟的污水处理厂5 0 的费用用于污泥的处置0 , 1 m 。因 此从源头下手，最大程度地减少污泥排放量的污泥减量化越来越受到人们的重视。现 有的减量技术主要基于解偶联代谢和隐性生长两种理论。解偶联代谢为细菌的分解代 谢和合成代谢不再由a t p 的合成与分解反应偶联在一起，从而降低微生物的合成量 【l l 】。其减量化技术主要是靠投加解偶联剂或者改变微生物的环境条件来实现的。隐性 生长为微生物靠自身细胞溶解产物生长，从而达到降低污泥的产量目的【1 2 , 1 3 】。其减量 技术主要有两种不同的形式：生物体的生物降解和培养捕食细菌的生物体。即主要靠 采用热处理、酸、碱、超声波、臭氧等一些物理化学手段促进细胞的溶解和投加一些 特别选择的微生物菌株、酶等以强化生物系统的代谢功能。 污泥最终处置的常规方法包括土地利用、填埋和投海。投海对海洋生态环境和人 类食物链造成威胁，国际公约已明令禁止【1 4 ，1 5 】，而污泥中有毒有害物质在土地利用和 填埋过程中对环境造成的危害也逐渐显现，譬如未经处理的污泥直接施用于土壤，造 成土壤板结，植物死亡，重金属在食物链上的积累；填埋则严重污染了填埋场附近的 生态环境，并严重污染了附近的地下水，同时污泥也易造成填埋场渗滤系统的严重堵 塞，大大缩短填埋场的寿命【1 6 1 7 1 。随着人们环保意识的增强，土地资源的日益匮乏， 污泥能土地利用的条件越来越苛刻，而能用于污泥填埋的场地也越来越少，因此在污 泥处理过程中强调污泥的稳定化及无害化，就显得尤为重要，也成为现阶段污泥资源 化利用的瓶颈问题。 4 济南大学硕士学位论文 2 0 世纪8 0 年代以来，国际上提出了污泥资源化的课题。日本在1 9 9 5 年以前，污泥 主要以农用为主，从1 9 9 5 年开始，建材利用超过农业利用，而且从2 0 0 0 年开始，这种 趋势更加明显。据比利时、丹麦、德国、希腊、法国、爱尔兰、卢森堡、荷兰、奥地 利、葡萄牙、芬兰、瑞典、英国等1 3 个国家统计，1 9 9 2 年循环利用数为2 3 5 1 个，到2 0 0 5 年增加到3 9 4 7 个，1 3 年间增长了1 6 8 倍。其中希腊增长7 倍，葡萄牙增长2 8 4 倍，英国 增长2 3 7 倍，爱尔兰增长2 l 倍，法国增长1 9 倍，比利时增长2 7 6 倍。美国1 9 9 8 年产生 干污泥6 9 0 万t ，循环利用达到6 0 ，2 0 1 0 年将达到7 0 。面临污泥量的持续增加，研 究同步消纳污泥的处理工艺及更广的资源化利用途径具有重要的现实意义。目前，国 内外关于污泥资源化利用主要包括以下几个方面： 1 农林利用 我国是一个发展中的国家，又是一个农业大国，城市污水厂污泥的农林利用在污 泥其它资源化利用方面还不成熟的前提下仍是一个重要的途径。针对污泥中重金属可 能造成土壤及作物二次污染，病原体可能对环境造成危害，过高浓度的氮磷等物质可 能造成地下水污染等问题。污泥农林利用前应严格控制污泥中有毒、有害物质及病原 微生物、重金属的含量，同时根据被施用土壤背景值等情况，严格按照计算得到的污 泥施用量进行施用。 2 能源化 由于污泥中含有大量的有机质，其热值可达3 0 0 0 千卡千克左右，仅比日常用的 煤饼稍低一点。因此在污泥中掺入煤粉、重油等物质，帮助引燃污泥，能作为锅炉的 燃料，可完全“榨出污泥中的能量。既利用了污泥的热能，同时又排除了污泥的二 次污染，燃烧后的污泥能与锅炉煤灰一起成为筑路和制砖的建筑材料，污泥中原有的 重金属还可通过收集燃烧后的烟尘，得到再次利用。据了解，常州第一热电厂共有七 台大小不同的锅炉，每台锅炉一小时可处理污泥近2 0 吨，完全可“吃掉 市区污水处 理厂的所有污泥【l 引。另一方面，利用污泥中有机质在加热条件下的部分热裂解过程， 可将污泥转化为燃烧特性优越的油、炭和可燃气。e b a y e r 首先提出了污泥低温热解 技术，即通过无氧加热污泥干燥至3 0 0 5 0 0 ，停留时间3 0 r a i n ，由干馏和热分解作 用使污泥转化为油、反应水、不凝性气体和炭四种产物【1 9 】。加拿大污水技术中心开发 的污泥低温炼油技术已进行了生产性实验，获得了较高的产油率【2 0 】。我国近年来利用 热化学制油的研究表明，在2 5 0 - - 一3 0 0 。c 的反应温度范围内，每千克挥发性固体( v s ) 可得油0 4 o 4 4k g ，相应有机质转化率为7 0 , - - , 8 0 【2 1 ，2 2 】。而世界上第一座工业规模 城市污泥制取渗水砖的试验研究 的污泥炼油厂位于澳大利亚柏斯，处理干污泥量可达2 5 t d 2 3 1 。这些研究表明，污泥中 大量的有机质蕴涵着巨大的能量，而污泥利用过程中有效避免有毒有害物质的负面影 响同时获得更高的产油率仍待进一步的研究。 3 吸附剂 污泥热解的衍生物具有很好的吸附性，使得污泥制取吸附剂的技术越来越受到人 们的关注。j e y a s e e l a n 2 4 等在温度6 5 0 。c 的条件下对污泥进行热解炭化处理2 h ，得到的 吸附剂的比表面积为3 0 9m 2 g ，性能较好。日本以脱水污泥滤饼为原料，开发出了高 性能活性炭。在5 0 0 - 6 0 0 下碳化脱水，经酸洗除杂质，再用碱活化。该法制得的活 性炭其细孔的比表面积是市售品的1 1 8 倍以上，吸附能力大大增强。任爱玲等【2 5 】通过 正交试验确定了以污泥为基本原料，氯化锌为活化剂制备活性炭的最佳工艺条件：4 0 的氯化锌，2 0 m i n 的活化时间，在6 0 0 的活化温度下选择l ：2 - - 1 ：3 的固液比，同时将 制得的活性碳用于处理c o d 为2 4 0 0 m g l 、色度2 5 0 的制药废水，发现其c o d 去除率 8 7 、色度去除率 8 0 。目前由于受污泥含碳量的限制，污泥制得的活性炭质量远不 及传统商业活性炭，同时受到重金属的影响，其应用场合也受限。因此采用不同添加 剂来提高污泥中的含碳量及控制污泥中重金属的含量仍是一个急需解决的问题。 4 污泥中蛋白质的利用 污泥中的粗蛋白占2 8 7 - - 4 0 9 ，而7 0 的粗蛋白以氨基酸形式存在，其中以蛋 氨酸、胱氨酸、苏氨酸和缬氨酸为主。s s c h i s h u 分析了污泥中蛋白质的精细组成， 并对比了家畜饲料中所需要的氨基酸，发现污泥蛋白中含有几乎所有的家畜饲料中 所要的氨基酸。因此，有可能作为饲料蛋白加以利用。另一方面，李亚东等【2 6 】利用剩 余活性污泥制成蛋白质灭火剂克服了化学灭火剂对环境的污染及灭火场地相关物件 的腐蚀；同时克服了植物蛋白质成本高、动物蛋白质气味太重而污染空气的缺点，经 测试其灭火特性均达到中华人民共和国公共安全行业标准( g a 2 1 9 1 9 9 9 ) 。污泥中蛋 白质的研究，让我们看到了污泥资源化利用的另一崭新市场，但是将污泥作为饲料蛋 白，对食物链的负面影响尚需研究。 5 聚合物复合材料 利用脱水污泥和废塑料为主要原料，张召述等【2 7 】采用热塑复合法制备出聚合物复 合材料及对应的微孔材料，最终材料表现出混凝土的刚度和聚合物的韧性，具有木材 的性质，可锯、可钉、可切割、可装饰，而原料污泥中的有害物质重金属经聚合物固 化和表面处理不会渗出，污泥的恶臭也被消除，因而这种材料能在工业及民用建筑领 6 济南大学硕士学位论文 域得到应用。污泥制聚合物复合材料这一工艺的出现，无疑缓解了木材市场的压力， 特别是以污泥与废塑料为主要原料这一特点，不仅解决了污泥问题，还解决了由废塑 料带来的白色污染，为环保事业的发展拓展了新的方向。 6 建材化利用 污泥中含有大量的有机物，除此之外还含有2 0 - - 3 0 的无机物，主要是硅、铝、 铁、钙等，这与许多建筑材料常用的原料成分相近。各地学者积极探索利用污泥中的 无机成分和有机成分并使之建材化的可行性已被证实，且多项技术已经成熟并已转向 产业化，但是污泥建材化的制品目前还多用于市政建设。研究污泥建材化工艺以拓宽 其应用领域一直是研究工作者的努力方向。 1 2 2 黄河淤泥综合利用现状 黄河淤泥沙是黄河冲击流经黄土高原裹携大量泥沙至黄河下游，由于流速渐缓沉 积落淤而成的一种沙性土壤，它来自黄土高原，实际上是黄土的衍生物，属于硅酸盐 类物料。黄河淤泥沙的成因决定了它的基本特性，如颜色。黄河淤泥沙根据“近沙远 淤的特点，分为淤沙和淤泥两大类。淤沙为浅褐色粉状，沙性松软；淤泥为红色 泥块状，塑性指数高，干燥收缩大，干后成硬块不易粉碎【2 8 】。 黄河淤泥沙作为一种大自然废弃物，近年来，人们逐渐重视黄河泥沙的综合利用 研究，逐步认识到黄河泥沙是一种潜在价值很大的宝贵资源。黄河淤泥沙依靠其良好 的物化性能及工艺性能，应用领域十分广阔，尤其适宜生产建筑材料等工业产品，并 已取得较好成效。具有显著的经济效益和社会效益，其综合利用主要反映在以下几个 方面 2 9 , 3 0 1 ： ( 1 ) 用作油井泥浆 黄河淤泥油井泥浆是充分利用黄河淤泥颗粒细腻、悬浮性好、稳定性高等特点， 替代优质陶土及其它原料，经过一定工艺处理，加入羧甲基纤维素钠盐等降泡剂、复 合离子型聚丙烯酸盐等增粘剂、单宁酸盐等降粘剂、聚丙烯酸胺等絮凝剂，经合理调 配，制成稳定性良好的泥浆。该产品原料来源丰富，开采方便，调制简易，处理剂用 量少，成本低廉，颗粒均匀细腻，性能良好，又可利废节能。 ( 2 ) 陶瓷制品 黄河淤泥质地细腻，可塑性强。经过与“古代龙山文化 出土的黑陶比较，很象 7 城市污泥制取渗水砖的试验研究 黑陶原料。已研制出采取高温室烟渗碳的方法制无釉而乌黑发亮、胎薄而质地坚硬的 精美黑陶。其工艺流程为：黄河淤泥一泥料精制一练泥一真空练泥一挤出一陈腐一成 型( 拉坯或旋坯) 一晾干一修坯一磨光一调镂一干燥一装窑一烧成一渗碳一开光一检 验一包装一入库。这一工艺使黑陶这一几尽失传的宝贵技艺重放异彩，并且表现出越 来越大的艺术魅力，其产品已发展到上千种。同时发现黄河泥砂与建筑陶瓷的化学成 分很相似，经过原料加工、压砖、干燥、素烧、施釉、釉烧、包装、制釉等工艺值得 了大红釉、虹彩釉、金黄色金属光泽釉、钛虹彩釉、各种电光彩釉，其性能符合g b l l l 9 8 9 彩色釉面陶瓷墙地砖国家标准，具有耐磨、无毒、色彩丰富、价格低廉等特点。 ( 3 ) 多孔材料 黄河沙白淤部分基本为等球径状颗粒，按堆积原理，等径球体最紧密堆积，黄河 沙粗沙部分的堆积基本上属于简单立方堆积，其孔隙率是比较大的。利用这一特性， 在黄河沙中掺入一定量聚乙烯醇、缩甲基纤维素、水玻璃等增塑剂，成型后再经一定 的工艺，可生产黄河沙质多孔材料，用作滤水器、吸附剂、分子筛、废气废水处理板 左蕾 专宁o “) 保温隔热材料 自然堆积的黄河泥沙具有堆积孔隙率高的特性，其本身有机质含量高，锻烧后更 能增加其孔隙度。再黄河泥沙中加工少量发泡剂或气孔形成材料如锯末等，经一定工 艺处理后可生产轻质保温隔热材料，代替陶粒制品、珍珠岩制品、硅藻土制品等。该 产品强度高、保温性能好，可用于9 0 0 以下隔热保温。 ( 5 ) 用于玻璃工业 黄河沙中s 地含量较高，可看作纯度较低的细微硅砂，其熔融温度较低，类似于 目前玻璃工业中大量使用的海砂、河砂类原料，符合形成玻璃的基本条件，将黄河沙 进行颗粒分离、精选处理后，加入玻璃配料中，代替部分硅砂，可生产合格的瓶罐玻 璃、有色玻璃以及平板玻璃等。 ( 6 ) 制砖 为了更好地保护耕地资源，粘土砖逐步禁止，各地学者积极研发新型墙体材料。 通过实验发现黄河淤泥的主要化学成分与粘土十分相似，经过努力，研制出一系列以 黄河淤泥为主要原料的烧结实心砖、烧结空心砖、蒸养砖、免蒸免烧砖，且已经开始 向规模化生产方向发展，尤其以济南地区的成熟利用黄河淤泥制砖为典范。 8 济南大学硕士学位论文 1 2 3 煤矸石综合利用现状 煤矸石是煤矿生产过程中产生的废渣，包括岩石巷道掘进时产生的掘进矸石，采 煤过程中从顶板、底板和夹在煤层中的岩石夹层里采出来的矸石，以及洗煤厂生产过 程中排出的洗矸石。一般常将采煤过程和洗煤厂生产过程中排出的矸石叫煤矸石，它 由泥质页岩、碳质页岩、砂质页岩、砂岩和煤炭等组成，是多种矿岩组成的混合物， 属沉积岩，约占煤炭产量的1 5 3 1 1 。其中泥质和碳质页岩呈灰黑色，层状结构，松软 易风化，易破碎和粉磨，是制砖的最好原料；砂岩及砂质页岩呈灰白色，粒状结构， 质坚，难粉碎，难成型，不宜制砖。 煤矸石是我国排放量最大的工业废渣，约占全国工业废渣排放总量的1 4 。据统 计我国煤矸石的总积存量已达4 l 亿吨，占地2 4 万亩，并正以每年l 亿吨的速度增长， 而总利用率仅2 5 左右。煤矸石的堆放不仅占据大量耕地，而且污染环境，尤其煤矸 石自燃产生c o 、h 2 s 、s 0 2 、n h 3 等有毒有害气体，污染周围大气环境，危害人