（环境工程专业论文）城市污泥资源化处理制砖技术研究.pdf

摘要 摘要 随着国民经济的快速发展和城市人口的迅速增加，我国城市污水产量 及处理率不断提高，导致污水处理的副产物城市污泥产量增加，给污 泥处理处置带来一定困难。我国城市污泥主要采用卫生填埋处置，由于污 泥填埋稳定性差、散发恶臭气体且易污染地下水等，严重影响附近居民生 活，因此污泥填埋处置受到一定限制。焚烧是污泥处理处置的发展趋势， 焚烧利用污泥的有机成分较高、具有一定热值的特点来处理处置污泥，其 技术优势在于处理彻底，减量化和无害化程度高。焚烧过程污泥中有机物 被完全氧化，重金属( 除汞外) 几乎全被截留在灰渣中。将城市污泥当作制 烧结砖原料进行处理处置，是污泥焚烧处理的一种重要方式。 本文开展了以污泥为掺料的页岩烧结砖处理处置城市污泥的研究。在 烧结砖过程中，城市污泥中所含热值得到充分利用，节省外加燃料，降低 了制造成本；污泥与页岩等制砖矿物原料在砖的高温焙烧阶段能够较好地 熔合，使城市污泥达到焚烧处理的目的，同时避免了污泥焚烧灰的二次污 染。 研究结果表明，城市污泥制砖技术不仅可以大量资源化处置利用城市 污泥、节约燃煤投加量，节省矿物资源，一定掺量的污泥页岩砖各项力学 性能符合国家烧结普通砖标准( g b 5 1 0 1 1 9 9 8 ) ，并可提高砖的隔热保 温性能。 关键词：城市污泥资源化烧结砖页岩 东南大学硕士学位论文 r a p i du r b a n i z a t i o ni nc h i n ah a sr e s u l t e di nad r a s t i ci n c r e a s e o fw a s t e r s l u d g e i nh i g h l yu r b a n i z e dc i t i e s ，s l u d g ed i s p o s a lb y l a n df i l l i n gm a yn ol o n g e r b ea p p r o p r i a t eo w i n gt ol a n ds c a r c i t ya n di n c r e a s i n g l ys t r i n g e n te n v i r o n m e n t a l c o n t r o lr e g u l a t i o n s t h e r e f o r ef u t u r et r e n d si ns l u d g em a n a g e m e n ta r et o w a r d s m i n i m i z a t i o na n dr e u t i l i z a t i o na su s e f u lr e s o u r c e s i n c i n e r a t i o ni so n ef e a s i b l e m e a n so fc o n v e r t i n gb u l 姆s l u d g et op r a c t i c a l l yi n e r t ，o d o r l e s sa n ds t e r i l ea s h t h ed i s p o s a lo ft h i s s i g n i f i c a n t l yr e d u c e d v o l u m eo f s l u d g e a s hc a nb e s u b s e q u e n t l yh a n d l e de a s i l yw i t hm u c hs m a l l e rs c a l e t h ed i s p o s a lp r o b l e m s w i l lb ed r a s t i c a l l yr e d u c e di fs l u d g ec a nb ep u tt ol a r g e s c a l ee c o n o m i c a p p l i c a t i o n s u t i l i z a t i o no fm u n i c i p a ls e w a g es l u d g e ( m s s ) i nt h ep r o c e s so f m a n u f a c t u r es l u d g e - s h a l eb r i c kc a ng e tt h es a m ee f f e c ta si n c i n e r a t i o n t h i sp a p e rr e v i e w sc u r r e n ts t u d i e si nr e u t i l i z i n gs l u d g ea sb r i c k p r o p e r t i e s o ft h eb r i c kd e r i v e df r o ms l u d g e ，t h ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g y , a n dt h e h e a t i s o l a t i o no ft h em a t e r i a l sf o rc o n s t r u c t i o np u r p o s e sh a v eb e e nd i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tag r e a td e a lo fm u n i c i p a ls e w a g es l u d g ec a nb e c o n s u m e di nt h ep r o c e s so fm a n u f a c t u r es l u d g e s h a l eb r i c k i td i dn o ta f f e c tt h e q u a l i t i e so ft h es h a l eb r i c kb ya d d i n gs o m ed r ym u n i c i p a ls e w a g es l u d g ei n t ot h e b r i c k ，i ta l s oi m p r o v e dt h ec a p a b i l i t yo fh e a t p r o o f k e yw o r d s ：m u n i c i p a ls e w a g es l u d g e ；c o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o n ：f i r e d b r i c k ；s h a l e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 雄日期： 硼；、2 - f 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名起垂 导师签名：瑾丝一日期：刎 扣 第一章前言 1 1 污泥处理处置必要性 第一章前言 我国是全球最大的发展中国家，人口众多，城市化发展迅速由此带来的水环境污染问题日趋 严重，水污染防治因此受到人们的广泛关注。近年来，我国城市污水处理项目大量上马，城市污水 处理率逐年提高。全国已建成运转的城市污水处理厂4 0 0 余座，年处理能力1 1 0 多亿o ；建设部 统计数据显示，2 0 0 4 年我国城市污水处理率已达到4 2 口1 。污水处理的实质是将水中的污染物变成 不可溶的污泥或无害气体，从恧达到污水净化的耳的。污水处理后产生大量污泥，产泥量( 以含水 率9 7 计) 约占污水处理总量的0 3 _ 0 5 3 1 0 污泥处理处置作为污水处理的后继工序，是污水处 理过程中必备的重要环节。与污水处理技术相比，我国污泥处理处置技术研究由于受到资金等方面 因素影响，发展相对缓慢，很大程度制约了环境污染状况的进一步改善。 无论污水采用何种技术处理，必然要产生污泥，虽然污泥产量相对污水处理总量要少，但污泥 处理设备投资占到总投资的3 0 - - 4 0 ，如果考虑污泥处置的投资运行管理成本，污泥的处理处置占 到污水处理工程总投资的5 0 以上【4 】。因此，无论从污染物无害化的完善程度、在污水处理技术中 的重要性及投资比例考虑。污泥的处理处置均占有十分重要的地位。 1 2 课题研究目的和意义 城市污水处理厂的兴建对水污染控科起到积极的作用，但是一个潜在的问题也会随之而来，那 就是如何有效地处理处冠城市污泥。城市污泥处理处置技术在我国刚起步，现有污水处理设施中具 备污泥处理设施的不足1 4 ，处理工艺和配套设备较为完善的还不到1 1 0 。我国仅有的十几座污泥消 化池中，能够正常运行的为数不多，少部分城市污水厂污泥直接捧放，造成水环境二次污染严重 威胁人民生活用水安全，因此对污泥的处置必须引起足够的重视。污泥固体的来源主要是污水处理 过程截留下来的悬浮物质，生物处理系统过程中增长的生物量以及由于生物或化学絮体的吸附作j 目| 从污水中得到的物质。大量未经无害化处理的污泥，如果不妥善处理处置，会产生以下危害：( 1 侵 占土地；( 2 ) 污染土壤。污泥堆置的有害成分聚集，风吹雨淋。产生高温或者其他化学反应，会杀灭 土壤微生物，破坏土壤结构，使其丧失腐蚀分解能力；( 3 ) 污泥直接摔放淤积河床、污染水体；( 4 ) 污 染大气，污泥有机物被微生物分解释放出有害气体、尘埃会加重大气污染；( 5 ) 病原菌，主要有肠 道细菌、寄生虫及病毒三大类，大部分被浓缩结合在污泥颗粒物上，其数量比污水中的高数十倍， 威胁人类健康。此外，污泥的含水率高，所占容积较大，这给污泥的运输、储存、使用带来了诸多 不利影响，同时也增加了许多处理费用。但我们也应看到污泥中可利用的部分，污泥中还含有大量 有机物和植物必需的养分，如进行合理利用将使污泥得到资源化处置。污泥处理处置的目婚是减 量化、无害化和资源化，其中资源化并不是目地，而只是处置的一种手段。城市污泥制砖就是污泥 减量化、无害化和资源化处置的一条较好途径。 城市污泥翎砖技术可将污泥中有机物在高温焙烧阶段完全氧化使有毒重鱼曩形成稳定无害氧 东南大学硕士学位论文 化物熔融固定在砖体内，防止环境生物中毒和结构破坏，使城市污泥实现焚烧处理的目的，廊时避 免了污泥焚烧灰二次处置回用存在的诸多技术问题，从而促进生态环境可持续发展，改善城市卫生 与生态环境。传统制砖方式需要耗用大量粘土，破坏大片耕地，影响我国农业的发展，本课题研究 的城市污泥制砖技术符合国家建筑材料制造节土利废的政策。本课题提出的工艺采用干污泥与页岩 粉混合制坯。经干燥后直接烧结制砖，可大量消化利用污泥，提高砖的孔骧率，改善砖体热工性能， 符合墙体材科生产要求使城市污泥达到无害化、资源化处置目的；该过程不使用粘土，榭于保护 耕地资源：可消除以污泥为载体的流行性疾病传播；能节省内燃( 添加煤) 投加量，节约锄砖成本。 污泥制砖是一种乖j 废治废的资源化技术，针对我国污水处理厂污泥处理现状和普通烧结砖厂的 实际生产条件，我们采用普通隧道窑烧结砖生产工艺进行了可行性试验分祈，在不改变工厂生产流 程的条件下，利用隧道窑干燥污泥，普通隧道窑砖厂就可以进行规模化生产污泥页岩砖，并能宦4 造 良好的经济和社会效益。 1 3 主要研究内容 1 、污泥制砖过程处理处置城市污泥可行性研究。制砖工艺选择及制砖过程污泥配比方案研究。 2 、污泥页岩砖物理力学性能研究。研究污泥页岩砖密度、吸水率、抗压强度、抗折强度等指 标是否符合国家标准烧结普通砖( g b 5 1 0 1 1 9 9 8 ) 。 3 、污泥页岩砖热工性能及应用于建筑墙体时的节能效率分析。 4 、污泥页岩砖烧结过程污染物控制及其应用过程环境影响分析。 2 第二章城市污掘处理处置及资源化制砖理论技术 第二章城市污泥处理处置及资源化制砖理论技术 2 1 城市污泥处理技术 2 1 1 城市污泥的组成 城市污水是城市居民生活、工商业生产捧放液体或水携废物和地下水、地表水、雨水的混合物口】。 城市污泥是污东处理过程中的副产物。污水中台有多种有害成份其中包括有机物、无机物和剧毒 物质，同对还含有癀蒙体和致病有帆体。表2 - 1 所示为典型城市污水组成成分。由表2 - 1 可知，污水 中固态物质主要由蛋白质、碳水化合物、脂肪和油组成。 污水中有机物降解需消耗大量氧，会降低水体溶解氧含量。威胁水生生物的正常生理活动t 未 经处理的城市污水自然分解会产生恶臭气体：污水中数量众多的致病微生物、病原体和有毒物质极 大地威胁人类和动植物正常生理活动。因此，未经处理的城市污水不能直接捧放，在排放前必须处 理以降低污水中的有机物、氮磷和有毒物质含量，且需要对污水中致病微生物和病原体进行灭活处 理。 表2 1 典型城市污水特性，m g l ( 源f l ：【6 】) b o d 5 是五日生仡需氧量，c o d 化学需氧量 表2 - 2 部分国家和地区城市污水捧放标准m g l ( 源f l ：【7 ，8 d s s - - s u s p c n c l e as o l i d s 悬浮固体 为保护环境，各国政府制定了严格的城市污水捧标准，包含城市污水b o d 5 、c o d 、悬浮固体 3 东南大学硕士学位论文 总量、氮磷含量、汞、苯酚排放等限量指标。表2 咧出了部分国家和地区的污水捧放标准。与表2 - 1 标准相比，表2 2 中各类污染物浓度较高，因此污水必须经过处理去除污染物才能符合捧放标准。为 符合污水捧放标准，污水处理厂一般采用三缀处理工艺，其中主要包括物化、生化和深度脱氮除磷 工艺。三个阶段分别产生了物化污泥、生化污泥和氮磷污泥。 物化处理阶段通过格橱去除污水中粗大物质、砂、灰渣和其他比重较大的固态物，再经过沉淀 池去除水中部分悬浮物。污水经过物化处理可以去除水中5 0 一7 0 的悬浮固体和2 5 - 4 ( 1 的 b o d 5 嘲。物化处理过程中形成的物化污泥含有3 - 5 固体，固体主要：a 3 0 的无机物和7 0 有机物 组成t g l 。 生化处理阶段通过不同微生物及专性细菌分解作用，完成对污水中可涪性有机物和悬浮胶体的 吸附降解佣微生物遏过自身代谢作用，将污水中胶体和碳水化合糟分解成多种气体。并合成细胞 组织成分。徽生物细胞组织比东的比重藕高，可以逶过沉淀去豫。从生化阶段捧出的污泥称为生化 污泥。 在第三级齄理阶段主要完成污水脱氨除磷工作。脱氮工艺通过硝化作用和反硝化作用完成。污 水中的氨氨首先通过硝化作用被氧化成硝酸盐随后硝酸盐经过反硝化作用转化为游离态氮捧放【l o 】。 反硝化作用是氯循环的重要过程，当氮被捧放到大气后，氨循环即结束i l ”。污水中磷及其化合物可 通过化学投药沉淀去除或采用生化法处理。利用生化法除磷时，污水中磷成分被徽生物吸收合成细 胞组织成分通过微生物沉淀可去除水中的磷【l ”。在此阶段，形成氮磷污泥。 三个阶段产生的污泥组成了城市污泥的主体。一般情况下，三种污泥被混合集中处理处置。 2 1 2 污泥处理 污泥的处理处置是污水处理及环境保护领域重要的工程课题。污泥处理主要任务是降低固体有 机物含量、杀灭致病细菌及污泥脱水。通过污泥稳定、消化和脱水工艺可达到污泥处理的目的。 1 污泥稳定 污水处理厂通常采用三种污泥稳定方法处理污泥，这三种方法分别为：消化法、石灰稳定法和 热处理法。消化法利用厌氧或好氧微生物将污泥中有机物分解为气体和稳定残余物，在消化过程中 致病细菌得到灭活处理 1 3 1 石灰稳定法采用投加石灰的办法，提高污泥p h 值至1 2 或更高水平，使污 泥中微生物失去活性，防止污泥腐化变质释放恶臭气体及产生其他有害物质”j 。热处理法也可以使 污泥达到稳定化处理目的。污泥热处理包括常压下3 0 一7 5 c 和7 5 0 1 9 0 ( 2 两个阶段”q ，热处理能 使污泥固化，破坏胶体结构从而减少污泥中的结合水。在不投加化学药剂的前提下，污泥通过热处 理可以杀灭其中的细菌和病毒并达到除臭目的，处理后污泥经过真空过滤可以使含固量提高到 3 5 - 4 0 t 1 5 1 。 稳定化处理可能改变污泥的物化性质，对于污泥焚烧、填埋及资源化利用都将产生影响。通过 消化稳定处理，能使污泥中部分有机物分解释放c h 4 和c 0 2 ，体积可减少5 0 以上，脱水性能提高2 3 个百分点，达到减量化处理目的。但消化处理后污泥热值从1 7 5 m j & g 降至1 0 5 m l k g “”，对于焚烧 或其他利用污泥热值的后继处置工艺而言，污泥不宜采用消化法处理【l ”。石灰稳定法会增加污泥产 量，降低污泥热值。如果污泥采用填埋法处置，石灰稳定法将增加处置成本。热处理和清化虽然不 4 第二章城市污泥处理处置及资源化制砖理论技术 会使污泥量显著增加。但是热处理和消化后部分可溶性有机物、有毒重金属和n i t 3 一n 溶出回流至原 污水中，会造成处理出水水质下降( ”】。欧盟各国污水处理厂中，5 0 采用厌氧消化处理污泥，1 8 采用好氧消化处理污泥，4 采用石灰稳定法处理污泥，还有2 4 的污水处理厂尚未进行污泥稳定化 处理川。消化法处理污泥在欧洲比较流行，通过消化处理使污泥得到显著减量，符合欧盟关于废弃 物减量化相关法规 1 6 1 乞污泥脱水 为使污泥便于处理、运输及处置，脱水是必需的前处理工序。 污泥中水分主要由以下部分组成：7 0 - 7 5 自由水，2 0 - 2 5 附着水和l 的毛细结合水。自 由水可以通过浓缩去除，附着水通过机械脱水去除，毛细水只能通过化学法去除，然而结合水必须 通过破坏分子键才能实现分离 6 1 。 图2 1 污泥处理过程含水率变化”柳 污泥经过浓缩、消化、机械脱水和干化各个阶段的含水率如图2 1 所示。浓缩使污泥体积大大缩 减。浓缩污泥通常采用机械法脱水。机械脱水利用机械设备包括带式压滤机、真空过滤机和离心过 滤机对污泥中的附着水进行物理分离。带式压滤机和离心过滤机可以使污泥含固量达到2 0 4 0 懦， 真空过滤机能使污泥含固量达到2 4 - , 4 2 “。 3 污泥干燥 干燥工艺过程是污泥清洁处置的前提劂。通过热干化，可以使污泥中水分基本去除。干燥的污 泥便于储运，为污泥的资源化利用提供了便利。污泥干燥分自然干燥和人工干燥两种方式。自然 干燥是利用自然风、日晒等方式将污泥脱水干化的一种常用方式。国外开发了利用芦苇等沼泽生植 物进行污泥自然干燥的新方法。该方法利用芦苇的生长吸收水分对污泥进行干燥，经过该法干燥后 污泥含固量可由l 增加到4 0 左右。 近年来，利用于燥装置的人工干燥方法正在逐渐普及。人工干燥主要采用热风干燥、气流干燥 等方法。热风干燥是连续或间歇的热风以0 “1 5 m s 的速度自上而下穿过由金属网板支承的污泥物料 层对污泥进行干燥。气流干燥一般是将泥块状物料破碎，加到流速为1 0 - , 3 0 m s 、温度为4 0 0 - 6 0 0 ( 2 的 热风中使其分散成粒状，并以流态形式随热风输送使污泥得到干燥。 4 污泥处理实倒 无论是发达国家或发展中国家，城市污泥的产量随着人口增加、污水处理捧放标准的提高而增 加。污泥产量增加对环境的影响不容忽视污泥产量升高增加了污泥储运麓成本，我们不得不采取 5 东南大学硕士学位论文 各种方法降低污泥含水率，提高污泥处置的效率。 图2 - 2 德国汉堡b e h l b f 锄d h o e f t 污水处理工艺流程图“” 历史悠久的德国汉堡城市污水处理厂大约每天有4 x l o ? 一污水经过三级处理排放。其工艺流程 见图2 2 。该工艺每天产生4 0 0 0 m 3 含水率卯的污泥口“。这些污泥首先经过浓缩使含水率降到 9 2 9 5 ，然后通过厌氧消化稳定化处理，当污泥离开潸化反应器时，污泥被蒸汽加热至5 5 c 。随 后污泥通过离心脱水，含水率降至7 7 。通过这一系列工序，污泥体积减少8 0 。脱水污泥干燥后含 固量达到5 5 ，形成含水率4 5 的固态污泥，可进行最终处置“。 2 2 污泥处置现状 我国城市污水处理率逐年提高，2 0 0 1 年达到2 5 ，2 0 0 4 年升至4 2 。随处理率提高污泥的产量 也急剧增加，加重了城市污泥的处置负担。目前，国内外污泥最终处置方式主要有：农用、填埋和 焚烧。污泥消化脱水荐进行填埋是目前国内许多大型污东处理厂采取的主要处置方式。经过消化后 的污泥有机物含量减少性能稳定。总体积小，但由于消化装置工艺复杂、一次性投资大、运行操 作难度高，往往难以达到预期的效果：况且脱水污泥含水率大大高于普通生活垃圾卫生填埋场所要 求的3 0 含水率，因此蔼再经处理才能送生活垃圾填埋场填埋；或设置专用的污泥填埋场。根据污 泥的含水率及力学特性等因素进行专门填埋。由于污泥填埋场需占地较大、选址受限且存在二次污 染隐患，近年来污泥填埋占污泥处置的比例有减小的趋势，污泥处置正向着农用、焚烧、制建材等 多元化方向发展。 2 2 1 污泥农用 城市污水处理厂剩余污泥含有丰富的氨磷成分( 参见表2 - 3 ) ，经过厌氧发酵后可作为肥料和土 壤改良剂使用 3 2 1 。污泥农用具有诸多优点，污泥中有机物可通过土壤中微生物实现降解，消除有机 物污染；污泥可代替人工合成肥料从而节约能源 3 3 1 。目前，西方发达国家污泥农用所占污泥总产量 的比例较高，如：法国全国6 0 的污泥采用农用方式进行处置、丹麦5 4 的污泥农用、西班牙5 0 的 污泥农用、英国4 4 的污泥农用、美国2 6 的污泥农用州【”。 6 第二章城市污泥处理处置及资源化铜砖理论技术 表2 3 污泥中的肥分 成分 n p 2 0 5k ；om g o c a o 平均( k g t 干污泥) 3 83 6 4 29 87 3 8 是小( k 卧干污泥) o 1o 2o 1o 1 o 1 最大( k 酢干污泥) 2 4 63 4 49 51 2 27 2 7 表2 - 4 德国污泥与土壤重金属含量比较( m 霉f k g ) 啕 重金属污泥中平均含量农田土壤中平均含量 自然土壤中平均含量 c a 3 80 4 4o 3 c u3 3 01 5 4 5 n i3 91 5 l a d 1 5 9 3 62 0 z a1 3 1 8 6 79 5 h g 9 12 59 0 近年来。由于污泥中有害重金属含量升高，一定程度上限制了污泥的农用。通过对6 8 ( d 盼来自 德国全境不同污泥样品的分析，p o l e t s c h n y 发现城市污泥平均重金属含量比大部分农田土壤重金属含 量高( 参见表2 - 4 ) 。这表明，如果对污泥农用不采取任何措施，可能会导致土壤重金属富集，对农 作物产生影响，并通过食物链危害人体健康。针对上述情况。许多国家已采取限制措施避免污泥 重复施用而导致土壤有害物质超标。表2 5 列出欧盟对污泥农用成分的限制指标口1 。 表2 - 5 欧盟8 6 2 7 9 e c c 法案污泥农用重金属含量限制标准 污泥脱水后堆肥农用是目前国内一些污永处理厂正在进行研究和开发的课题，例如杭州市市政 设旋管理处与杭州市四堡污水处理厂在9 0 年代初就着手这方面的研究。污泥除了具有肥料价值外， 还有作为“土壤改良剂”的作用。但由于污泥中可能含有一些致癌物质和重金属化合物，人、动物 和植物长期接触后会引起慢性中毒，威胁人类健康。例如：汞对土壤的污染，是由于土壤富集反应 使原来不能被生物摄取的不溶性无机态汞变成易被吸收的有机态汞所引起的。h g 在含有h 2 s 的还原 条件下将生成极难溶的r i g s ，当氧充足时，h g s 叉船转变成可溶性藏酸盐，并可以通过生物化学作用 7 查壹查兰塑主兰鱼堡兰 形成甲基汞( c h 3 i h g ) 而被植物吸收，问接危害人体健康。随污泥进入土壤的c d 也可被土壤吸附， 所吸附的c d 一般在土壤表层以下0 1 5 c m 之间。大多数土壤对c d 有强吸附力，腐殖质含量高、质地细 的土壤和碳酸盐土壤中c d 含量比砂壤要高。般土壤对c d 的吸附率为8 0 一9 5 ，p h l 直黼吸着力 越大，口h 值7 5 时c d r 难溶出。旌用污泥年限长的土壤有机质含量比较高，重金属h g 、c d 的溶出 量也会增加。存在一定安全卫生隐患。 表2 - 6 部分国家污泥中重金属含量限制标准 1 7 1 1 3 4 重金属欧盟 英国德国丹麦 南非 c a 1 33 1 50 5 2 c u 5 0 一1 柏1 3 5 6 04 01 0 0 n i3 0 - - 7 5 7 5 5 0 1 5 1 5 c d5 0 - - 3 0 03 0 0 1 0 04 0 5 6 z n1 5 0 - - 3 0 03 0 0 2 0 01 0 01 8 5 h g l - 1 5llo 5 0 5 注：标准中重金属含量单位为删啦g 千污泥 由于担心污泥农用的安全问题，许多国家制定了污泥农用重金属含量限制标准( 如表2 - 6 所示) t 只有重金属含量不超过指标的城市污泥才可以采用污泥农用方式处置。污泥农用还受自然土壤条件 限制。例如，荷兰和丹麦由于土地含沙层较浅、动物牧场较多，污泥农用存在潜在危险，限制了污 泥的农用。 对于不能农用的城市污泥可以采取卫生填埋的方式进行处置。 2 2 2 污泥卫生填埋 卫生填埋是传统的处置方式欧洲大约枷6 的污泥采用卫生填埋处理m ，其中希腊、卢森堡和 意大利填埋处置污泥量分别占污泥总产量的9 0 、髓和8 5 ，美国4 8 的污泥通过卫生填埋处理 处置嘲。 表2 - 7 含水率6 5 污泥的处置费用比较 2 4 1 污泥卫生填埋通常采用单独填埋和混合填埋两种方式。混合填埋处理可将污泥和其他城市垃圾 一起进行填埋，不过单独填埋是目前较流行的污泥填埋处置方式。为避免污泥卫生填埋产生二次污 染，欧洲多数国家的制定了较高的污泥填埋预处理标准。例如，德国政府规定填埋污泥含水率必须 低于6 5 【”，与城市垃圾混合填埋的污泥有机物含量必须低于5 9 妒”。在德国等发达国家，填埋场 8 第二章城市污泥处理处置及资源化制砖理论技术 的审批和建设因此受到极太限制，原则上已再不批准填埋场建设项目。欧盟对污泥卫生填埋制定了 严格的标准，污泥填埋必须满足标准要求，才允许污泥与其他城市垃圾混合填埋，但五年内垃圾混 合物中有害成分必须完全析出划。这一系列限制措施增加了污泥的处置成本2 7 1 ，通过k a s s 呻，矧对 污泥处置费用的比较研究可见( 见表2 - 7 ) ，污泥卫生填埋的成本优势正在逐年降低。虽然填埋是目 前主要的污泥处置方法，但是由于污泥稳定性差，会腐烂变质产生臭气体，污泥中的水分渗漏易污 染地下水和污泥填埋处置成本逐年提高等问题，未来污泥通过填埋处理的可行性受到普遍质疑田1 。 凡是有机物含量超标和含水率过高的污泥将无法采用卫生填埋处置，焚烧将成为此类污泥的首 选处置方式。 2 2 3 污泥焚烧处置 在西方发达国家污泥卫生填埋面临诸多限制污泥焚烧处理逐渐成为污泥处置的主要方式。污 泥焚烧具有独特的优点，焚烧处理后灰分只占污泥体积的1 0 左右，有机物可被高温氧化分解。 由于污泥潜在热值相当于褐煤。通过污泥焚烧发电可以回收能量【4 “。污泥焚烧无需占用大量污泥堆 放场地减量化、无害化处理程度高，与卫生填埋相比更适用于城市污泥处理处置9 1 以焚烧为核心的方法是较彻底的污泥处理处置方法，污泥焚烧法可分为两大类：一类是将脱水污 泥直接送焚烧炉焚烧，另一类是将脱水污泥先干化再焚烧。污泥焚烧要求污泥具有较高的热值，因 此污泥一般不进行消化处理。脱水污泥直接焚烧工艺可处理7 5 - 8 0 含水率的污泥，为了保证污泥 的稳定燃烧，一般需要掺入辅助燃料( 煤或油) 。近年来，国外发展了污泥专用循环流化床焚烧炉， 通过回收燃烧烟气中的余热干燥污泥，可把辅助燃料的添加量减至最低。目前，焚烧法由于采用了 合适的污泥预处理工艺和焚烧手段，达到了热能自持的目的，并艟满足越来越严格缒环境排放要求， 可充分地处理不适宜于资源化利用的污泥。由于焚烧法处置污泥在不需存储设备，对于远离填埋场 的大城市而言是比较经济和有效的污泥处置方法 1 5 o 污泥焚烧处理处置占丹麦全国污泥总产量的 2 4 、占法国全国污泥总产量的2 0 、占比利时全国污泥总产量的2 4 和占德国污泥总产量的1 4 f 7 j ， 在美国，污泥焚烧处理分别占全国污泥总产量的2 5 【4 2 】。焚烧法在日本已得到了广泛的应用，日本 采用焚烧处置的污泥已占污泥总产量的6 b 以上。在我国，由于污泥焚烧一次性投资和处理成本大、 焚烧烟气处理技术落后等问题，污泥焚烧技术应用较少。随着国内大型城市污水处理厂建设项目增 加，污泥焚烧处理处置技术将会得到迅速地发展。 除污泥农用、卫生填埋和焚烧技术外，污泥还可以采用其他方式进行处理处置。 2 2 4 污泥处置的其他方式 污泥处置的其他方式主要有污泥干燥制肥、污泥制作陶粒和污泥制水泥等。 1 污泥干燥制肥 干燥制肥是利用污泥中的有机肥分。通过消化污泥干燥造粒工艺，并向污泥中添加必要的氮、 磷、钾等营养成分，将污泥加工成复合有机肥的污泥资源化处置方式。当污泥重金属含量低于农用 标准时，污泥干燥造粒、生产有机复合肥的技术是污泥处置的重要发展方向。 2 污泥制作陶粒 9 东南大学硕士学位论文 污泥制作陶粒是利用污泥成分与粘土相近的原理，将污泥与粘土或粉煤灰按一定比例掺和，在 高温下烧结制成陶粒的污泥处置方法。该法可达到处置污泥和创造经济效益的双重目的。 3 污泥制水泥 污泥制水泥具有减容程度大，无害化处理彻底等特点。但目前焚烧污泥制水泥的技术还不十分 成熟，污泥仅占水泥生产原料的3 ，因此该方法还不能作为污泥处置的主流方式。悯 4 污泥熔化处理处置 污泥熔化处理处置是污泥热化学处理的一种方法。污泥熔化技术是把污泥加热至1 3 0 0 c 一1 5 0 0 ，使污泥中有机物完全燃烧。无机灰分熔融冷却后形成固体直接填埋，或用来制造玻璃、瓷砖和 其他建筑材料。该法需消耗大量能源，处理成本较高。 5 污泥制作动物饲料 污泥中舍有大量有价值的有机质( 蛋白质和脂肪酸等) ，其中粗蛋白占干污泥量的2 8 7 - - 4 0 9 纤维素占干污泥的2 8 7 4 0 9 ，脂肪酸3 7 左右，其余为灰分。7 0 的粗蛋白以氨基酸形式存在， 以蛋氨酸、胱氨酸、苏氨酸为主各种氨基酸之间相对平街是一种非常好的饲料蛋白。通过对污 泥净化制作动物饲料是污泥资源化处置研究的方向之一。 丘污泥改性制活性碳吸附剂 生化污泥中含有较多碳，在高温下以污泥为原料通过改性可以制得含碳吸附剂。所制吸附剂对 污水有较高的c o d 去除率，是一种性能优良的污水处理剂。活性污泥碳化后再通过水蒸气进行物料 活化，可用于污水处理，对c o d 、重金属、总p 等有较好的去除效果。吸附饱和后可作为燃料燃烧， 能使原污泥中有害因子得到彻底氧化分解。 7 污泥制作生物吸附剂 利用活性污泥和剩余污泥的胞外或胞内吸收作用。能非常有效地去除污水中的重金属并分离 出抗金属菌；将活性污泥提取驯化制成微生物絮凝剂，可吸附悬浮物、降解有机物、脱色及进行油 水分离，并能改善污泥沉降性能。 2 2 5 污泥处置发展趋势 欧盟干污泥年产量超过6 s x l 0 6 t ，污泥采用多种方式进行处置( 见表2 8 ) 。农用和卫生填埋处 置污泥量比例相当，相比之下，污泥焚烧处理和排海处理所占比重较小。不同国家污泥处置方式所 占比例有所不同。法国、丹麦、西班牙和英国等国大部分污泥通过农用处置，使污泥达到循环利用 的目的，剩下部分采取卫生填埋处置。卫生填埋也是希腊和卢森堡污泥处置的主要方式。自1 9 9 8 年 污泥法案禁止污泥排海处置后，污泥焚烧已在比利时、丹麦、法国和德国得到广泛应用。 表2 - 8 欧洲污泥循环利用和处置比例口1 国家农用填埋焚烧排海其他方式 比利时 2 9 丹麦 5 4 法国 6 0 德国 2 7 希腊 1 0 5 5 2 0 2 0 5 4 9 0 1 0 1 5 2 4 2 0 1 4 0 第二章城市污泥处理处置及资源化制砖理论技术 图2 - 3 列出了欧洲污泥处置方式的发展趋势。污泥填埋处置虽然是绝大多教国家采用较多的方 法，但由于填埋场地限锚、填埋场二次污染和资金等问题，许多国家已采取措施促进污泥资源化利 用、限制污泥填埋。按此发展趋势，铸国、丹麦和法国等欧洲国家在不久的将来只能将污泥焚烧处 置，而不能直接将污泥进行填埋处置川 o 亚 图2 3 欧洲污泥处置技术发展趋势 从污泥处置发展趋势看，污泥卫生填埋处置所占比重将会逐渐减少。另外，大多数国家已经意 识到污泥农用是污泥资源化的最有利途径但由于人们对污泥中重金属、有机物和氮磷元素含量可 能造成土壤污染的担忧，限制了污泥农用的发展。 研究表明到2 0 0 5 年污泥农用将占欧盟污泥总产量的4 5 ，有1 7 的污泥将采用焚烧处理，其 余1 7 的污泥通过卫生填埋处置。由于我国过去污水处理率低。城市污泥产量小。通常采用的污泥 处置方法是卫生填埋。由于填埋场地和填埋场二次污染治理费用等诸多因素影响。我国也亟待采用 诸如焚烧、农用以及其他资源化途径处置污泥。 2 3 城市污泥制砖的理论技术 城市污泥中除了有机物外还含有2 0 一3 0 的无机物，其中主要是硅、铁、铝和钙等。因此即使 污泥经过焚烧处理去除了有机物，无机物还以焚烧灰的形式存在，仍需要作进一步处置。污泥制砖 是焚烧处置城市污泥的一种方式，也是一种经济有效的污泥资源化处置方法。 2 3 1 国内外城市污泥制砖技术 国内外城市污泥制砖技术比较常见的是将城市污泥焚烧灰添加适量辅料( 如粘土、粉煤灰、煤 矸石等) 成型烧结制砖。另一种方法是直接将干燥的城市污泥破碎后与粘土等辅辩成型烧嫱耐砖 该法可以利用污泥中潜在热值，节约制砖成本。 1 1 疆弹警i虿一l_) 东南大学硕士学位论文 城市污泥混合粘土制砖技术最初由t a y j h 于2 0 世纪八十年代提出闻。1 a y 将干燥的污泥和粘土 混合物粉碎成细颗粒，再挤压成砖坯，经干燥后在1 0 8 0 砖窑中焙烧2 4 小时，即可制得污泥粘土砖。 表2 - 9 列出t t a y j h 污泥粘土烧结砖的部分性能指标。 表2 - 92 0 世纪八十年代1 研和其他人研制的污泥和污泥灰砖性能 污泥掺量砖的密度( k g m 3 ) 暖水宰( )干燥收缩率( )烧结收缩率( ) ( ) l a y i a l l e a n a n r a y i a l l e m a n l a y s l i m f a y l s l i m 污泥砖 0 02 ；3 82 0 9o 6 44 - 09 9 l 4 01 9 47 5 8 68 6 lo - o2 3 2 0 7 44 2 l0 1 5 1 3 9 1 81 0 2 0 o2 2 41 7 61 3 71 3 63 71 0 8 4 2 7 31 6 31 5 8 3 02 1 7土弱4 2 1 1 11 2 2 63 6 4 01 9 83 6 34 01 2 8 7 污泥灰砖 o 02 3 81 8 8 o 0 3 1 3 2 5 4 0 3 - 49 9 11 o 1 0 02 4 21 6 9 o 0 7 1 8 8 0 2 5 2 19 9 51 1 2 0 0 2 4 61 5 6o 1 l1 9 3 72 5 1 2 9 1 02 1 3 0 02 5 01 5 01 3 92 2 5 43 40 59 3 63 5 4 0 o2 5 51 5 23 29 7 9 5 0 o 2 51 7 03 0 1 0 5 l a l l e m a n 和b e r m a n ( 1 9 8 4 年) 及s l i d l 和w a k e f i e l d ( 1 9 9 1 ) 进行了城市污泥混合粘土和页岩原料生 产生态砖的研究。表2 - 9 中也列出了他们的部分研究结果。1 9 8 7 年，t a y 用5 0 的污泥焚烧灰和粘土混 合制成了污泥灰砖。四年后( 1 9 9 1 年) ，t r a u n e x 采：用3 0 的污泥灰与粘土混合也制成了污泥灰砖。运 j 童t a y l 9 8 7 年的实验数据可以看出，相同掺量的污泥灰砖比干污泥砖具有更好的力学性能。加入1 0 污泥灰制的污泥砖可以达到普通粘土砖的强度标准。同过t a y 等人的测试分析，干污泥和污泥灰坶 可用作生产烧结粘土砖原料，砖的抗压强度陵污泥和污泥灰的掺量增加而有所下降。如图2 4 所示。 稿铊掺量百分比“) 图2 _ 4 污泥掺量与抗压强度关系图 我国台湾学者n 9 6 m gu n 通过污泥焚烧灰和粘土混合。也翎鲁舶了污游获粘土砖。其试验工艺 1 2 抗压强度-童z 苎三兰苎壹翌堡丝望竺曼墨壅塑垡型壁墨丝垫查一一 路线见图2 5 。他的试验研究表明污泥灰砖的塑性指标和干燥收缩率随污泥灰掺量的增加而有所下 降；污泥灰的掺量和烧结温度是影响砖性能的两个主要因素；提高砖的烧结温度、降低污泥灰掺量 可以降低砖的吸水率；污泥灰掺量控制在2 0 , - 4 0 ( 质量百分比) 、含水率在1 3 - 1 5 之间时，1 0 0 0 焙烧6 h 制得的污泥灰粘土砖性能良好。当污泥灰掺量在1 0 枣t ，制得的污泥灰粘土砖抗压强度优 于普通粘土烧结砖。 蛐e n g f e n gu l l 等对试验样品进行阿i l p ( t h e t o x i c c h a r a c t e r i s t i c l e a c h i n g t e s t s ) 试验分析， 污泥和污泥灰中的重金属溶出量远小：p t c l j 慑制标准。由此估计污泥灰掺量在5 0 以t 自q 粘土砖经 过高温烧结后，重金属溶出将会比污混灰的骶删验溶出量小，污泥灰砖用于建筑时对环境不会造 成危害。 图2 - 5d e n g f e n gl i n 等研究污泥制砖工艺路线图 日本n a g a h a m o k u n o 采用流化床污泥焚烧灰，控制污泥焚烧灰的粒径小于3 0 1 t i n 、有机物含量和含 水率小于1 、氧化钙含量低于1 5 时，在不加入任何添加剂的情况下、高真空冲压成型， 1 0 2 0 ( 2 。1 0 8 0 c 高温焙烧制得纯污泥灰砖。此方法制出的污泥灰砖成本高、泛霜严重、砖表面易长苔 藓，冬季砖表面易霜冻结冰j 。 巴西t a n i ab a s e g i o 按表2 1 0 的配比将制革污水干污泥与粘土混合并加入少量石灰，在球磨机内粉 碎搅拌2 4 h ，然后再加入1 0 聚乙烯醇作为增塑剂，通过水压机压制成8 2 0 x 6 0i m u 3 尺寸坯体成型 东南大学硕士学位论文 坯体在1 1 0 ( 2 恒温箱中进行2 4 h 烘干，随后分别置于1 0 0 0 c 、1 1 0 0 1 2 和1 1 8 0 c 马弗炉中焙烧，耐得制 革污泥粘土砖“。 表2 - 1 0t a n i ab a g i o 制革污水污泥制砖原料配比 原料( w i ) 样品 粘土干污泥石灰 11 0 0o0 2 9 0 l oo 3 8 02 00 47 03 0o 58 19l o t 疆n i 曩b 培髓过改变干污泥在原料中韵配比来控翻砖的各项性麓( 如吸求率，体积收缩率、 烧失率等) 由于翻革污泥中舍有毒重垒属、s 0 4 2 等物质。烧结过程可能产生s 0 2 等有害气体，t i m i a b a s e g i o 通过在原料中添加石灰c 帕嚷降低污染物的产生在烧结进程中，会发生以下化学反应 腹，) ，可消除部分q 离子和蕊酸根对环境的危害。 4cao+2cr20，+302-4cacr04(2-1) 2 c a o + 2 s o ，+ o ，2 c a s o 。 ( 2 - 2 ) t a n i ab a s e g i o 通过对砖的物理力学性能和烧结过程气体捧放情况分析，总结出在制革污泥制砖 过程中，将污泥在原料中的配比控制在1 0 左右，砖的力学性能和其他质量指标均能符合巴西国家 墙体材料要求，同时有害气体未超过环境捧放标准 4 6 t 。 同济大学张方梅等也对上海市城市排水管道污泥进行了制砖试验研究。她的文章指出城市污泥 熟值高可替代煤作为烧结砖内燃料，加入1 0 城市污泥的粘土砖强度能达到5 畔砖的强度要求 4 7 1 。 浙江大学对杭州四堡污水处理厂污泥的含水率、化学组成、热值、粒度、矿物组成以及密度等 理化性质进行了系统地研究，并在获得各种技术参数的基础上，利用污泥资源具有热值高和质地较 轻的特点，经特殊处理，与粘土均匀混合，在普通砖窑中烧制成一种高抗压强度的轻质节能砖。经 检测，该砖体的主要指标达到了国家标准烧结普通砖( g b 5 1 0 1 1 9 9 8 ) 要求。 2 3 2 城市污泥制砖的优缺点 城市污泥制砖的主要优点是处置污泥量大、可部分替代外加煤，降低污泥处置成本。 用污泥焚烧灰制砖主要是对城市污泥处理产物污泥焚烧灰的再处置，使污泥得到较完全地 减量化、无害化和资源化处理处置，处置污泥容量大。但用污泥灰制砖过程无法利用污泥的潜在热 量，造