（市政工程专业论文）污水厂脱水污泥制陶质地砖及填埋场防渗衬层材料研究.pdf

摘要 本文参照普通陶瓷砖的生产工艺，利用城市污水处理厂脱水污泥为原料烧制 了污泥陶质地砖试块。通过对烧后试件抗压性能检测及其主要影响因素分析，探 讨了利用城市污水厂脱水污泥烧制室外用地砖的可能性，确定了污泥制地砖的基 本工艺流程和配方参数。研究表明：烧制试件的抗压强度随着污泥含量增加而显 著下降，适宜的坯料配方为高岭土：污泥粉：长石粉= 4 ：l ：2 。采用细颗粒污泥 配料( 粒径小于0 1 5 m m ) ，烧后试件较致密，有利于抗压强度的增加。成型条 件对污泥制地砖烧后试件抗压强度存在较大影响，抗压强度随所试含水率、压制 压强的增加而增加，适宜的含水率和压强范围为9 1 5 和2 4 m p a 4 5 m p a 。2 h 保温可以保障坯料充分发生物理化学反应。采用三层复合材料结构可提高烧制成 品的抗压强度，优于单一材料结构：底层采用细颗粒污泥配料的复合结构烧后试 件抗压强度达到2 7 3 8 m p a ，底层采用粗颗粒污泥配料的复合结构烧后试件抗压强 度达2 3 7 0 m p a ，分别满足烧结普通砖强度等级( g b 5 1 0 1 9 3 ) 中m u 2 5 和 m u 2 0 的强度等级。 通过城市污水厂脱水污泥制砖烧后试件抗折强度检测及影响因素分析，进一 步探讨和确定污泥制地砖适宜的配方配料和工艺参数。在此基础上，通过成分分 析、吸水率、抗压强度、抗折强度、抗磨损性、抗腐蚀性等性能检测，对其性能 进行全面评估，并通过浸出液腐蚀性、重金属固化作用检测，检测其对环境的影 响。研究表明：优选的坯料含水率为l l ，烧结温度为1 2 0 0 ( 2 。随污泥含量增加 虽然烧制成品的抗折强度略有增加但抗压强度显著下降，适宜的污泥掺量为1 4 3 。细粒径污泥粉配料烧后试件较致密，有利于提高试件整体强度。1 4 3 污泥 掺量下，采用细颗粒( 粒径小于o 1 5 m m ) 和粗颗粒( 粒径为0 1 5 o 6 3 m m ) 污 泥配料烧后试件的抗压强度分别满足烧结普通砖强度等级中m u 3 0 号和m u 2 0 砖强 度等级；污泥制砖的抗折强度远大于粘土砖的强度指标。通过烧结，污泥制地砖 坯料的矿物组成发生了巨大变化。烧后试件属于陶质砖范围，抗磨损性能优于普 通砖，满足陶质砖的耐化学腐蚀性要求。这种砖的水浸出液p h 值都在6 4 6 9 之间，不具有腐蚀性能。研究发现，烧制对污泥中的重金属m n ，c u 有明显的固 化作用。 通过渗透试验，探讨了城市污水厂污泥制作复合土作为卫生填埋场防渗衬层 材料的可行性，研究表明：最佳污泥掺入量为4 0 ，抗渗透性能随复合土干密度 增加而增强。在最佳掺量下，当干密度达到1 0 8g e m 3 ，复合土的渗透系数达到 1 0 。7 e m s 数量级，符合垃圾填埋场防渗衬层标准要求。渗滤液性质对渗透性能存 污水厂脱水污泥制陶质地砖及填埋场防渗衬层材料研究 在较大影响，当电解质浓度较大时，复合土渗透性能随之提高。此外，污泥复合 土可以有效吸附去除垃圾渗滤液中的重金属c u 2 + 、z n 2 + 。 进行了向城市污水厂脱水污泥同高岭土复合料中添加土壤固化酶t z 的防渗 实验研究。研究表明：t z 酶的加入对污泥复合土的最佳含水率影响不大，均在 2 0 左右。添加土壤固化酶能够显著改善污泥复合土初期抗渗透性能。在最佳酶 掺入量o 4 m l 1 0 k g 土，3 0 0 k p a 压实压强下，2 4 h 后污泥填埋土垂直渗透系数比不 加酶的减小3 6 ，达到1 0 。c m s 数量级，满足垃圾填埋场防渗衬层材料标准。 总言之，城市污水厂脱水污泥制造陶质地砖和填埋场防渗衬层材料具有可行 性。 关键词：脱水污泥；地砖；资源化；性能；卫生填埋场；防渗衬层材料；复合土； 土壤固化酶 l i i a b s t r a c t r e a rt op r o c e s s e so fc o m m o nc e r a m i ct i l ep r o d u c t i o n ，o u t d o o rg r o u n dt i l e s m a d ef r o md e h y d r a t e dw a s t e w a t e rt r e a t m e n ts l u d g ew e r ep r o d u c e do nb e n c hs c a l e ， a n dt h ef e a s i b i l i t yw a se x p l o r e dt h r o u g hm e a s u r i n gt h e i rc o m p r e s s i v es t r e n 【g t ha n d e v a l u a t i n gm a i ns t r e n g t hi n f l u e n c i n gf a c t o r s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o m p r e s s i v e s t r e n g t ho ft h es i n t e r e dt i l e s d e c r e a s e da st h es l u d g ec o n t e n t si n c r e a s e d ，a n dt h e o p t i m u mr e c i p ew a ss u g g e s t e da sk a o l i n ：s l u d g e ：f e l d s p a rp o w d e r = 4 ：1 ：2 i tw a s f o u n dt h a tt i l e sm a d ef r o ms l u d g ew i t hf i n ep a r t i c l e s ( d i a m e t e ri sl e s st h a n0 15 m m ) w e r ed e n s e ra n di t sc o m p r e s s i v es t r e n g t hw a sg r e a t e rt h a nt h et i l e sm a d ef r o ms l u d g e w i t hc o a r s ep a r t i c l e s ( d i a m e t e ri sb e t w e e no 15 r a ma n do 6 3 r a m ) m o l d i n gc o n d i t i o n o fh a dg r e a ti n f l u e n c eo nc o m p r e s s i v es t r e n g t ho fs i n t e r e dt i l e sw h o s ec o m p r e s s i v e s t r e n g t hi n c r e a s e d a st h ew a t e rc o n t e n ta n ds h a p e - f o r m i n gp r e s s u r ei n c r e a s e d s u i t a b l e w a t e rc o n t e n ta n d s h a p e f o r m i n gp r e s s u r er a n g e d 9 - 1 5 a n d 2 4 m p a 4 5 m p a ，r e s p e c t i v e l y ，h o l d i n g 2 ht ob e n e f i tf u l l yp h y s i c o c h e m i c a lr e a c t i o n o fs t o c kw a ss u g g e s t e d f u r t h e r ，t h es a n d w i c hs t r u c t u r ew a sb e t t e rt h a ns i n g l e s t r u c t u r ei ne n h a n c et i l e sc o m p r e s s i v es t r e n g t h ：t h ec o m p r e s s i v es t r e n 【g t ho ft i l e s w i t ht h es a n d w i c hs t r u c t u r ea n df i n a lp a r t i c l es l u d g ew a s2 7 3 $ m p aw h i l et h es t r e n g t h o ft i l e sw i t ht h es a n d w i c hs t r u c t u r ea n dc o a r s ep a r t i c l es l u d g ew a s2 3 7 0 m p t h e s t r e n g t ho ft h et w ok i n d so ft i l e sr e s p e c t i v e l ym e e tt h es t r e n g t hg r a d eo fm u 2 5a n d m u 2 0i n “s i n t e r e db r i c ks t r e n g t hg r a d e ( g b 5 1 0 1 9 3 ) ” t h ef l e x u r a ls t r e n g t ha n di n f l u e n c i n gf a c t o r sw e r et e s t e dt of u r t h e re x p l o r ea n d c o n f i r mt h ec o m p o n e n tr e c i p ea n dp r o c e s s i n gp a r a m e t e ro ft h es l u d g et i l e s t h e c o m p o s i t i o na n a l y s i s ，w a t e ra b s o r p t i o n ，c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，f l e x u r a ls t r e n g t h ， a b r a s i o n r e s i s t a n c es t r e n g t h ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c ew e r ee x a m i n e dt oc o m p r e h e n s i v e l y e v a l u a t et h en a t u r eo fs l u d g et i l e s c o r r o s i v e n e s so fl e a c h i n gl i q u i df r o mt h et i l ea n d t h ee f f i c i e n c yo fh e a v ym e t a ls e a l i n gi nt h et i l e sw e r ea l s ot e s t e dt oe s t i m a t et h e e n v i r o n m e n t a li m p a c t si fa p p l i e dp r a c t i c a l l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eo p t i m u m w a t e rc o n t e n ta n ds i n t e r e dt e m p e r a t u r ew e r e1l a n d12 0 0 9 c r e s p e c t i v e l y w i t ht h e s l u d g ec o n t e n ti n c r e a s e d ，t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h es l u d g e t i l ed r o p p e dr a p i d l y t h o u g hf l e x u r a ls t r e n g t hi n c r e a s e ds l i g h t l y ，t h eo p t i m u ms l u d g ec o n t e n tw a sp r o p o s e d a s1 4 3 t h et i l e sm a d ef r o mf i n ep a r t i c l es l u d g ew e r ed e n s e ra n do v e r a l ln a t u r e w a sb e t t e rt h a nt h a tm a d ef r o mc o a r s ep a r t i c l es l u d g e ，i n d i c a t i n gd e c r e a s eo ft h e s l u d g ep a r t i c l es i z e c o u l de n h a n c et h es t r e n g t ho ft i l e s w i t ht h e1 4 3 s l u d g e i v c o n t e n t ，t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft i l e sm a d eo ff i n ep a r t i c l es l u d g ea n dc o a r s e p a r t i c l es l u d g e m e e tt h e s t r e n g t hg r a d eo fm u 3 0a n dm u 2 0 ，r e s p e c t i v e l y t h e f l e x u r a ls t r e n g t ho ft h es l u d g et i l e sw a sm u c hg r e a t e rt h a nt h a to fc o m m o nb r i c k s t h e m i n e r a lc o m p o s i t i o n so ft i l e sb o d yw e r eg r e a t l yc h a n g e da f t e rs i n t e r i n g t h es i n t e r e d t i l e sc a nb ec l a s s i f i e da sc l a y - p o t t e r y ，a n di tw a sf o u n dt h a ta b r a s i o n r e s i s t a n c e p r o p e r t yo ft h es l u d g et i l e sw a sb e t t e rt h a nc o m m o nb r i c k sa n dt h et i l e sc o u l dm e e t t h er e q u i r e m e n t st or e s i s t a n tc h e m i c a la t t a c k t h el e a c h i n gl i q u i df r o ms l u d g et i l e s w a sa l m o s tn oc o r r o s i v ef o ri t sp hv a r i e db e t w e e n6 4a n d6 9 a n dt h eh e a v ym e t a l s c ua n dm n c o n t a i n i n gi ns l u d g ec o u l db ew e l ls e a l e du pi nt h et i l e s a n t i p e r m e a t ee x p e r i m e n t sh a db e e np e r f o r m e dt oe v a l u a t et h ep o s s i b i l i t yo f u s i n gu r b a ns e w a g es l u d g et os u b s t i t u t et h ec o m p o u n dc l a ya st h em a j o rc o n s t i t u e n t f o rl i n e rm a t e r i a li nw a s t el a n d f i l l i tw a sf o u n dt h a ta n t i - p e r m e a b i l i t yc o u l d s t r e n g t h e nw i t ht h ed r yd e n s i t yi n c r e a s i n g ，a n dt h eo p t i m a lc o n t e n to ft h es l u d g ew a s 4 0 a tt h eo p t i m a lc o n t e n ta n d1 0 8g e m d r yd e n s i t y t h ep e r m e a t i n gc o e f f i c i e n to f c o m p o u n dc l a yr e a c h e s10 。c m sl e v e lw h i c hm e e t st h ec r i t e r i o no fl i n e rm a t e r i a li n w a s t el a n d f i l l t h ep r o p e r t yo fp e r m e a t i n gl i q u i dc o u l dg r e a t l ya f f e c tt h ep e r m e a t i n g c o e f f i c i e n to ft h es l u d g el i n e r ，t h ep e r m e a t i n gc o e f f i c i e n to ft h el i n e ri n c r e a s e dw i t h a st h ec o n c e n t r a t i o no fe l e c t r o l y t ei n c r e a s e d t h es l u d g el i n e rc l a yc o u l da l s oa b s o r b i t sb e a r i n gc u ”、z n 2 + e f f e c t i v e l y p e r m e a b i l i t yr e s i s t i n ge x p e r i m e n t sh a db e e np e r f o r m e df o rc o m p o s i t eo fu r b a n s e w a g es l u d g ea n dk a o l i nw i t ha d d i t i o no fs o l i d i f y i n ge n z y m et z i tw a sf o u n dt h a t t h o u g ht h ee n z y m et zh a dl i t t l ee f f e c to nt h eo p t i m u mm o i s t u r ec o n t e n to ft h e c o m p o s i t ew h i c hw a sa b o u t2 0 ，t h ei n i t i a lp e r m e a b i l i t yr e s i s t a n c eo ft h ec o m p o s i t e w a sw e l l i m p r o v e d c o m p a r i n gp e r m e a t i n g c o e f f i c i e n to ft h ee n z y m ea d d e d c o m p o s i t e ( o 4 m l 10 k gc o m p o s i t e ) p r e - m o l d e d a t3 0 0 k p aw i t ht h a to ft h e n o n e n z y m ea d d e dc o m p o s i t e ，t h ep e r m e a t i n gc o e f f i c i e n to ft h ee n z y m ea d d e d c o m p o s i t ed e c r e a s e db y3 6 a f t e ra d d i n ge n z y m ef o r2 4 h ，a n dr e a c h e d1 0 7 c m sl e v e l w h i c hm e e tt h ec r i t e r i o nf o rt h ea n t i p e r m e a b l el i n e rm a t e r i a lo fl a n d f i l l t h em a k eu s eo fu r b a ns e w a g es l u d g ea st i l e sa n dl i n e rm a t e r i a li nw a s t el a n d f i l l w a sf e a s i b l e k e y w o r d s ：d e w a t e rs l u d g e ；g r o u n dt i l e ；r e c o v e r a b l er e s o u r c e ；p e r f o r m a n c e ；w a s t e l a n d f i l l ；l i n e rm a t e r i a l ；c o m p o u n dc l a y ；s o i ls o l i d i f y i n ge n z y m e v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特另j j l j n 以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 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后果 由本人承担。 作者签名：鸯教及 日期：2 0 0 7 年5n 缈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并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 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：李淑良 导师签名：溯 日期：2 0 0 7 年万月t 7 日 日期：2 0 0 7 年亨月口日 博士学位论文 第1 章绪论 1 1 污泥资源化的意义 1 1 1 国内外污泥概况 污泥是城市污水处理不可避免的副产物，其指主要由各种微生物以及有机、 无机颗粒组成的絮状物。据不完全统计，以活性污泥法为主的污水处理工艺，其 污泥量是污水处理量的0 3 o 5 ( 以含水率9 7 计) ，数量十分惊人【l 】。如 果属于深度处理，污泥量会增加0 5 1 倍。污水处理效率的提高，必然导致污泥 数量的增加。 自从1 8 7 5 年英国伦敦建立世界上第一个污水处理厂以来，污泥处理问题变成 为市政管理的重要问题之一。随着城市人口的增加、市政服务设施的不断改善、 污水处理技术的不断提高，欧、美等发达国家的污泥产量每年大约以5 1 0 的速度增长。影响污泥产量的因素来自多方面，以欧洲为例，污泥产量增长趋势 明显，一方面是因为污水管网的服务人口不断增加，另一方面是因为水质排放标 准越来越严格【2 1 。 据美国环保署估计，1 9 9 8 年美国产生污泥6 9 0 万吨。1 9 8 6 1 9 9 6 年期间，美 国只经过一级处理的污水流量减少了4 ，而经过二级或更高级处理的污水流量 增加了2 ，按这种趋势发展，根据市政所提供污水服务人口的增长和污水二级 处理以及污泥产量的轻微改变进行预测，到2 0 0 5 年美国干污泥产量达到7 6 0 万吨， 2 0 1 0 年将达到8 2 0 万吨。这就是说，从1 9 9 8 年到2 0 1 0 年，污泥产量将增加1 9 。表1 1 是1 9 9 8 年以后美国污泥产量和处理状况及预测p 】。 1 9 9 0 年欧洲干污泥产量为1 1 0 7 万吨，到1 9 9 9 年干污泥产量达1 7 4 6 万吨。 由于城市污水处理要求的日益严格，欧洲城市污泥产量预计将增加5 0 。表1 2 为欧洲国家污水处理厂污泥的处理与预测 4 1 。到2 0 0 5 年，欧洲1 5 个成员国干污 泥产量预计可能由1 9 9 2 年的6 6 0 万吨上升到至少9 4 0 万吨。 在我国，随着社会经济和城市化的发展，城市污水数量也在不断的增长。从 国家建设部有关资料得知，截止2 0 0 5 年，全国城市( 建制市，不含县、镇) 年污 水排放量已达3 5 9 9 亿m 3 ，而城市污水处理量为1 8 7 1 亿m 3 ，仅为排污量的5 0 多一些。全国建制市城市污水处理厂数量是7 9 2 座，处理污水能力为5 7 2 5 万 m 3 d 。随着国内污水处理事业的发展，污水厂处理水量和处理程度的提高，产生 的污泥量也日益增加。由于水处理工艺不同，污水源和浑浊度不同，污泥的缩水 处理深度不同，污泥构成成分不同等因素，因此很难根据污水情况准确估计污泥 表1 1 美国污泥产量及其预测 二式 1 9 9 82 0 0 02 0 0 52 0 l o 污泥利用及处置 有益利用 土地利用 2 8 03 1 03 4 03 9 0 ( 万吨) ( 干 深度处理 8 09 01 0 01 1 0 污泥) 其他有益利用 5 0 5 06 07 0 小计4 1 04 5 05 0 05 7 0 地表处理陆地填 1 2 09 09 09 0 处置埋 ( 万吨) ( 干焚烧1 5 01 6 01 6 01 5 0 污泥) 其他 1 0 1 01 0l o 小计 2 8 02 6 02 6 0 2 5 0 总计( 万吨) 6 9 07 1 07 6 08 2 0 表1 2 欧洲国家污水处理厂污泥的处理与预测( 干泥)( 万盹年) 份 1 9 9 2 1 9 9 51 9 9 82 0 0 02 0 0 5 国家 比利时 5 9 7 81 1 31 3 11 5 9 丹麦1 7 51 8 52 0 02 0 02 0 0 德国2 2 0 82 5 1 22 6 6 12 7 3 62 7 8 7 希腊 6 6 6 68 69 69 9 法国6 4 37 6 48 7 89 8 0l1 7 2 爱尔兰3 74 04 31 0 01 1 3 卢森堡 0 9 1 01 31 31 4 荷兰3 2 43 6 63 8 14 0 14 0 1 奥地利1 9 01 9 01 9 61 9 61 9 5 葡萄牙 1 2 61 4 72 4 6 3 4 83 5 9 芬兰1 5 01 5 81 5 0 1 5 0 1 6 0 瑞典 2 4 32 3 6 一一一 英国9 9 811 5 8 11 9 31 4 7 01 5 8 3 合计 5 2 2 8 5 9 1 06 1 6 06 8 2 17 2 4 2 量。以河南省洛阳市为例：洛阳市是一个省直辖市，常住人口约1 3 0 万，是一个 工业化程度较高的城市，目前洛阳市已建成的污水处理厂有四个，分别是涧西污 水处理厂( 2 0 万吨d ) 、廛东污水处理厂( 2 0 万吨d ) 、涧河污水处理厂( 1 万 2 博士学位论文 吨d ) 、定鼎门污水处理厂( 1 万吨d ) 。其中廛东、涧河、定鼎门污水处理厂 正在试运行。涧西污水处理厂设计规模为日处理污水2 0 万1 1 1 3 ，采用a 2 o 生物处 理工艺，离心浓缩脱水，处理深度为二级，工程于1 9 9 8 年7 月奠基，2 0 0 1 年4 月投入试运行，实际投资2 6 5 7 9 万元，环保投资1 8 7 0 9 万元，占总投资的7 0 4 。 现在涧西污水处理厂每天处理污水1 7 万m 3 ，每天产生污泥近1 3 0 吨( 含水率7 9 8 0 ) ，每年产生污泥4 7 万吨，全部随其它垃圾填埋，如果堆放l m 高，要占地 4 7 万m 2 ，如果再加上廛东等污水处理厂，污泥量每年要接近1 0 万吨( 含水率 7 9 8 0 ) 。这个概念就是：如果按l m 厚度堆放，每年会占地面积1 0 万m 2 ， 如果按l m 3 排放，长度可达1 0 万m 。由此可见，中国在污水处理事业不断取得 进步的同时，将面临巨大的污泥处理处置压力。 1 1 2 污泥对环境的影响 污泥中除含有很多植物生长所需的有机营养物如腐殖质等外，同时还有许多 植物生长所必需得微量元素，这些元素可以缓慢释放，具有高效性。因此，污泥 是很好的土壤改良剂和肥料。典型生活污泥的养分情况如下表1 3 所列5 1 。 表1 3 典型的生活污泥养分 尽管污泥中含有大量养分，但也含有大量病原体细菌、病毒，铜、锌、铬、 汞等重金属、盐类以及多氯联苯、放射性核素等难降解的有毒有害物质，这些物 质若不经妥善处置易对地下水、土壤等造成二次污染，直接危害人类身体健康 污水中的病原体经过处理流程后进入污泥。一般认为污泥中病原体对人和动物的 污染途径大致有4 条：( a ) 与污泥直接接触；( b ) 通过食物链与污泥接触；( c ) 水源被病原体污染；( d ) 病原体首先污染了土壤，然后污染水体。 在污水处理工程中，7 0 9 0 的重金属元素通过吸附或沉淀而转移到污泥 中，因此污泥施用于土壤后，重金属将积累于地表层，由于重金属一般溶解度很 小，性质较稳定、难去除，所以其潜在毒性易于在作物和动物以及人类中积累。 污水厂脱水污泥制陶质地砖及填埋场防渗衬层材科研究 由表1 4 中相关统计结果表明，我国城市重金属污染主要以c u 、z n 为主，其他 重金属含量较低1 4 1 。 表1 4 我国4 4 个城市污水处理厂污泥中重金属含量统计结果( m g k g ) 污泥含盐量较高，会明显提高土壤电导率、破坏植物养分平衡、 养分的吸收，导致植物叶子干枯，甚至对植物的根系造成直接伤害， 的生长不利。 抑制植物对 所以对植物 自8 0 年代末期国外许多研究者注重于污水处理厂污泥中有机有害物质的检 测、分析和毒害作用的研究。污水处理厂污泥中这些有机有害物质主要来源于化 学工业，特别是与碳和氯有关的化学工业。虽然目前它们对植物的危害及植物的 吸收情况尚不十分清楚，但这些有机有害物质进入动物和人体后，由于其会在皮 下脂肪中积累并具有持久性，所以对某些器官和免疫系统会造成危害，并有可能 致癌和致畸。世界卫生组织在1 9 8 4 年已将它们列入污水处理厂污泥须检测的物 质。目前可确定的主要有机有害物质有：多环芳香族碳氢化合物、多氯代联苯、 氯化二苯并二嘌英、氯化二苯并呋喃、有机氯农药等。 虽然污水处理过程中所产生的污泥体积比所处理废水体积小得多，但污泥处 理的费用却非常昂贵。如采用活性污泥法处理废水时，剩余活性污泥体积通常只 占到处理废水体积1 以下，但传统的能较好解决污染问题的污泥处理工艺设施 的投资却占到总投资的3 0 4 0 ，处理费用约占污水处理厂总运行费用的2 0 5 0 1 6 j 。因此需要进一步研究开发各种新型有效的污泥处理处置技术。 1 1 3 污泥资源化意义 1 8 9 6 年，英国出现了第一座用于处理生活污水的厌氧消化池，1 9 0 6 年，在德 国诞生了第一个双层沉淀池( 殷霍夫池) ，1 9 1 4 年在英国建造了活性污泥污水处 理试验厂，因此生活污水的生物处理已有1 0 0 余年的历史，其污泥处理也有近百 4 博士学位论文 年历史【7 j 。历经1 0 0 余年的发展，污泥处理处置技术已日趋成熟，由初始阶段( 从 1 9 世纪末到2 0 世纪2 0 年代) 的简单堆放处理，经过发展阶段( 从2 0 世纪2 0 年 代到8 0 年代) 的以消化为基础的综合处理，进入了成熟阶段( 2 0 世纪8 0 年代至 今) 。此阶段有两个特点，一是迸一步完善污泥处理技术，另一个是开始重视污 泥的处置与资源化利用。 污泥处理处置技术大致可以归纳为两大类：一是抛弃型技术，即将污泥作为 废物不利用；二是资源化技术，即充分利用污泥中有用成分，实现变废为宝。随 着环境问题的突出，人们已认识到污泥处理、处置的优先顺序是减容、利用、废 弃。且经污泥减量化、稳定化、无害化处理后作为资源回用已经成为主流。进入 2 0 世纪9 0 年代以后，西方发达国家对生物固体的处置和利用发生了较大的变化， 其动向是：投海处置方法已被弃用；填埋处置所占比重有较大幅度的降低： 焚烧处置技术仍然比较重要；农业回用日趋重要。表1 5 为欧洲国家污水处 理厂污泥的处理情况【4 1 。 污泥中含有大量的有机质和n 、p 、k 等营养元素，脱水后具有一定的热值， 还含有2 0 3 0 的无机物，主要是硅、铁、铝和钙等，因此具有大量的利用价 值和开发潜力。世界各国在污泥处置方面的发展趋势是：弃用投海，减少填埋， 大力增加农林回用及能源回收。1 9 9 5 年，世界水环境组织为了准确的反映绝大数 污水污泥具有重新利用价值，将污泥( s l u d g e ) 更名为“生物固体”( b i o s o l i d s ) ， 其准确含义是：“一种能够有效利用的富有有机质的城市污染产生物”。这标志 着人们对城市污水污泥的处理与处置的认识走向成熟，突出特点是强调“生物固 体”的资源化利用，使其更好的参与生态系统物质循环( 地球化学循环与能量流 动) ，走上人类社会与生态系统的和谐共处与可持续发展轨道，建立循环型经济。 污泥作为可循环利用的“生物固体”处理得当，不但可以避免环境“二次污染” 的危险，还可以变废为宝。 人类是生态系统的一员，既不能违背生态系统规律，也不能脱离生态系统而 生存。循环经济理论表达了人类对自然与自身的深刻反省。把资源化放在首位的 观点是人类对自然本质的感知。污泥处理必须整体考虑，应尽可能利用污泥处理 过程中的能量和物质，实现其资源价值，不能仅以经济效益和赢利为主，而应以 保护生态环境、治理环境污染为主要目的，是社会公益事业，需要政府资金投入 和建立收费体系来支撑。中国实行改革开放以来，中国社会经济得到快速发展， 工业化和城市化的进程加速，人民生活水平的迅速提高，经济实力增强也为我们 要更好的处理好人与自然、资源、环境的和谐与协调奠定了经济基础。可见，坚 持资源化为主的方针，促进循环经济建设，选择市场化、产业化的发展道路，以 科学、公平、持久的态度对待污泥的处理处置应是今后长期坚持的原则。 堡查三塑变望堡型塑重丝壁垒堡堡丝墼望墼星丝! ! 至垒 表1 5 欧洲污水处理厂污泥的处理( 干泥)( 万吨年) 2 0 0 0 水体 消纳 循环 利用 一0 4 01 2 51 3 3 40 66 4 06 50 9“06 81 0 49 0一1 0 1 43 6 0 5 填埋4 32 56 0 8 9 0 7 13 50 16 85 82 0 96 0 1 1 11 3 7 9 焚烧1 1 5 07 3 2 2 6 90 32 0 06 6 一一一 3 2 61 6 5 7 其它3 7 6 2一一一一2 30 43 5一一1 9 1 8 0 合计1 3 1 2 0 02 7 3 69 69 8 0l o 01 34 0 11 9 63 4 81 5 0 1 4 7 0 6 8 2 1 6 年份处置比利时丹麦德国希腊法国爱尔兰卢森堡荷兰奥岬j 葡萄牙芬兰瑞典英国合计 1 2 污泥资源化现状与主要途径 1 2 1 污泥资源化利用现状 为避免处理厂污泥对环境的二次污染，世界各国政府及研究机构对污泥的最 终处置问题十分重视并根据各国国情制定出污泥处置的法制和具体方案。据调查 资料统计，国外污水厂污泥或用于农林绿化，或焚烧处置，或投海疏散，另有很 少部分及其他方式处置或利用。表1 6 为1 9 8 3 年日本污泥处置情况【引，表1 7 表 示1 9 8 4 年欧盟各国污泥产量及其采用的处置方式【9 1 。图1 1 所示为1 9 9 8 年世界 各国城市污水处理厂污泥处置情况【1 们。 表1 6 日本1 9 8 3 年污泥处置情况 类别填地填海造地投海有效利用 合计 ( 万m 3 年) ( ) 脱水泥饼8 1 5 6 7 91 32 5 41 7 6 1 7 6 焚烧灰1 4 81 2 3 o3 03 0 11 3 干燥污泥1 6o o6 68 23 5 消化、浓缩污泥0 3 01 6 9 0 51 7 77 5 合计( 万m 3 年) 9 8 28 0 21 8 23 5 5 2 3 2 1一 所占比例 4 23 581 5 1 0 0 以英、美、欧盟各国为例，进入9 0 年代后，污泥处置方法中农业回用所占比 例为5 3 6 l ，填埋占到4 2 2 ，焚烧占1 9 2 2 。其他方法占3 9 s l 。美国1 9 9 8 年产生污泥约6 9 0 万吨，6 0 得到资源化利用，4 0 被处置。预 计到2 0 1 0 年将会增加到8 2 0 万吨污泥产生后被利用和处置。污泥利用( 和处置相 比) 的比例将从2 0 0 0 年的6 3 增长到2 0 1 0 年的7 0 。欧盟于1 9 9 9 年公布了固 7 堡查些查望堡型堡璧些堡垒薹堡丝墼望塑星垒坠至垒 ； 体废弃物土地填埋法令( 于2 0 0 6 年起实施) ，要求所有欧洲国家用于土地填埋的 固体废弃物中有机物含量必须逐年递减，其中污水厂污泥也是该法令规定的固体 废弃物种类之一。 表1 7 欧洲各国污泥产量及其采用的处置方法( 1 9 8 4 ) 在我国，市政污泥处理和处置技术起步较晚，在国家“七五”、“八五”、 “九五”科技攻关中，对污泥处理和处置做了大量的研究工作( 以天津为主要科 研基地) ，使我国的污泥处理技术得到一定程度的提高，但与国外先进国家相比， 污泥处理和处置还有一定差距。我国全国现有污水处理行业中有污泥稳定处理设 施的还不到1 4 ，处理工艺和配套设施较为完善的还不到1 1 0 ，能够正常运行的 为数不多。现有的污水处理厂，其污泥绝大部分都未得到妥善处置。污泥处置己 经成为污水处理厂设计、运行中必须优先考虑的重要环节。 我国传统的污泥处理处置存在基建投资大、负荷低、运行管理难度大、运行 经验缺乏等问题。污泥稳定化处理的很少，大部分用于填埋或农用。土地填埋是 污泥较为便宜的处置方法，然而可用土地资源的减少和其填埋场对环境的影响较 大，导致了相关的填埋限制和法令。图1 2 为几种污泥处置技术在国内所占比例。 国内的污泥处置，即最终出路存在严重问题，从图中可见仍有1 3 7 9 的污泥没 有任何处置，这将为环境带来巨大危害。因此，我国当前面临的问题是尽快发展 污泥无害化处置技术来解决不断增长的污水污泥对环境造成的危害问题。 8 ( a ) 日本污泥处置情况 ( c ) 英国污泥处置情况 ( b ) 美国污泥处置情况 ( d ) 西班牙污泥处置情况 图1 11 9 9 8 年世界各国城市污水处理厂污泥处置情况示意图“” 图1 2 几种污泥处置技术在国内所占比倒 1 2 2 污泥资源化利用主要途径 1 2 2 1 污泥的农田林地利用 污泥中含有很多植物生长所需的无机营养物、有机腐殖质等如表1 8 所示， 其土地利用已有多年的历史，主要包括污泥农用及森林、园艺、废弃矿场土地改 良等。城市污水处理厂污泥中无机营养物质主要包括：氮、磷、钾、钙、镁，锌、 铜、铁、硫等农作物生长所需的营养成分，其含量高于常用的农家肥：有机腐殖 9 质可以改善土壤结构，提高保水能力和抗侵蚀性能，是良好的土壤改良剂。因此， 污泥的土地利用能够有效改善土壤结构、增加土壤肥力、促进作物的生长，是一 种积极的污泥处置方式。因此，将污泥进行稳定化和无害化处理后进行农业利用 将具有广阔的前景。 表1 8 上海东区污水厂污泥性质( 干基) 【 污泥堆肥是最常采用的作为污泥资源化农用的处理方法，它是指在控制条件 下，利用微生物将污泥中的不稳定的有机质降解和转化为稳定的有机质，使挥发 性物质含量降低、臭气减少、物理性状改善，便于贮存、运输和使用。现代堆肥 技术是在原始堆肥方式基础上发展起来的。将污泥与木屑等调理剂经过堆肥发酵 后，再加入辅料调节成分，制成复合肥，比n 、p 、k 含量相同的其他复合肥成本 低许多【l ”。高温堆肥可以杀灭污泥中的病原菌、虫卵等。该技术既解决污泥的处 理难题，也消除了污泥的二次污染。 污泥堆肥产品还可与市售的无机化肥( 尿素、氯化铵、碳酸氢铵、磷酸铵、 过磷酸钙、钙镁磷肥、氯化钾和磷酸钾等) 共同生产有机一无机复合混肥，它集 生物肥料的长效、化肥的速效和微量元素的增效于一体，在向农作物提供速效肥 料的同时，还能向农作物根系引植有益微生物，充分利用土壤潜在肥力，提高化 肥利用率。我国是一个农业大国，用合格的城市污泥生产肥料是一条有效的资源 化利用途径。在我