污泥焚烧灰制砖工艺及效益分析

污泥焚烧灰制砖工艺及效益分析

废水是污水处理厂废水处理过程中的二次产物。其处理方法主要包括土地利用、填埋、燃烧、建筑材料使用等。其中,污泥建材利用是一种具有发展前景的污泥资源化处置手段。污泥建材利用的主要方式为以污泥或其焚烧产物为主要原料制造砖块、瓦片、水泥、陶粒、玻璃、轻质材料等。目前,以建材利用为手段的污泥处置方式在日本已得到大规模的应用,在欧美发达工业国家也已逐渐发展起来。在污泥建材利用的各种方式中,污泥制砖由于成本较低、技术成熟度高,而在日本各地区污水处理厂污泥焚烧灰处置中获得了较为广泛的应用,制成的砖块被用于公园、广场,城市人行道等场所的建设。本文在城市污水处理厂污泥焚烧灰组分分析的基础上,以大阪府大野污水污泥处理厂污泥焚烧灰制造透水性砖为实例,介绍了污泥焚烧灰制砖可行性分析及相关的工艺,为污泥制砖技术在污泥建材利用提供了理论和应用参考。1为泥浆和灰砖而转化的理论基础和制造工艺1.1制砖原料的确定污泥制砖有两种方法:一种是用污泥焚烧灰制砖;另一种使用干化污泥直接制砖。由于污泥中都富含有机质,具有较高的燃烧热值(如上海市城市污泥干污泥燃烧热值可高达10kJ/g),直接用干污泥制砖,可充分利用污泥热值,节省能源。然而干污泥制砖在添加量大于制砖原料的10%时容易引起砖块开裂。因此,日本制砖工艺中,大多以污泥焚烧灰而不是干污泥为粘土替代原料进行制砖。制砖工业中砖块的主要原料为粘土。为分析污泥焚烧灰制砖的可行性,BerndWiebusch曾对欧美多个城市污水处理厂的污泥焚烧灰进行了化学成分分析,并与粘土性质进行了比较(见表1)。从表中可以看出污泥灰及粘土中的主要成分均为SiO2,这一特性成为污泥灰可做制砖材料的基础。另一方面污泥灰中Fe2O3和P2O5含量远高于粘土,且重金属含量也明显高于粘土,其他成分都较为接近,这说明使用污泥制砖是基本可行的。分析添加最大量为40%的粘土释放物,当焚烧灰含量增加时,基本成分(如钙、磷和硫盐的含量)增加。重金属的含量随着焚烧灰的量的增加也有所增加,但是并不成比例增加。所以对环境的影响可以通过控制工艺工程达到要求。1.2制备制砖骨料污泥制砖材料可采用焚烧灰或者干污泥,两种方法制砖的工艺流程基本相同。污泥焚烧灰制砖工艺流程图如下所示。污泥焚烧灰制砖技术的主要原料包括污泥焚烧灰、粘土以及作为骨料添加的下水道洗砂与陶管屑,煅烧燃料可使用污泥消化池中产生的消化气。洗砂及陶管需在烧结前进行预处理。首先用洗砂精选机淘洗下水道中的土砂和污水处理厂沉砂,得到制砖所需的洗砂,并将约5mm以上的异物用滤网分离。从下水道回收使用过的陶管,在破碎机中以50mm×100mm的程度破碎,接着用鄂式破碎机以20mm的程度破碎。然后再用滚筒粉碎机粉碎至2mm以下。将粉碎后的陶粒和洗砂混和放入旋转炉窑以900℃煅烧,然后再用水冷式回旋炉冷却。煅烧后的原料再通过圆筒多段振动器进行分选,粒径分为7目以上、7~30目和30目以下三类,并选用7~30目之间的原料作为制砖骨料。另一方面,粉末状的污泥焚烧灰及粘土等原料经过立式间歇式造粒机的分解,均质化处理后,使之与骨料(洗砂,陶管)混和,投入混炼造粒机,得到直径为3~5mm的制砖颗粒,再使用振动流化干燥机烘除适当水分。随后将其投入烧成机进行煅烧,煅烧温度为1000~1100℃,煅烧时间为20~27h。在煅烧过程中,可投入骨料起到熔化后保持烧成形状的作用,同时可在15MPa的压力下加压成型,这时骨料之间恰好达到点接触的状态,间隙则由粘土填补。同时在烧成机中,当煅烧温度在1050~1075℃之间时,污泥焚烧灰随着体积收缩熔化,骨料熔化强度加强,内部产生微小的连续气孔,从而使成品砖透水性更好。2透水性砖的生产透水性砖制造技术的实用化研究,是在1994~1997年实施的以下水道资源的有效利用为目的,把焚烧灰和管道中产生的洗砂、陶管屑等原料借助消化气烧成有用材料。大阪府从1997年开始利用大野污水污泥处理厂污泥焚烧灰制造透水性砖。该技术以城市污水排水系统中的沙和陶管屑以及污泥焚烧炉中产生的焚烧灰为主要原料,并以污泥消化池中产生的消化气为燃料,通过洗沙预处理、煅烧、分级、造粒等工序加工生产出符合透水性互锁部件指标要求的透水性砖。该透水砖主要用于人行道的铺装,且具备7种外观色,利于多样化配色设计。以下就大野污水处理污泥制造透水性砖的性能及经济可行性加以介绍。2.1透水性砖的司法保障大野污水处理污泥加工的透水性砖产品是按照建筑学会(JASS)的透水性砖要求制造的200mm×100mm×80mm的透水性砖。根据相关产品的物性实验要求,大阪府大野污水污泥处理厂制造的透水性砖的透水系数达到0.01cm/s以上,产品的强度弯曲度加强至3.0MPa以上,其弯曲性、透水性、翘度、磨耗、硬度、抗滑性、耐冻害性、压缩性及耐用性均符合标准。有害物质溶出性能是污泥再资源化产品比较受关注的指标,日本对透水性砖的浸出性能有严格的规定,因此需要对砖进行浸出性能测试。试验结果显示:该产品中烷水银化合物、有机磷化合物、氰、PCB均未检出,水银及水银化合物、镉及其化合物、铅及其化合物、六价铬化合物、砷及其化合物、三氯乙烯、四氯乙烯、二氯乙烯、硒及其化合物等均低于日本环境厅报告第46号所限定的环境基准值。因此可以认为,利用制砖工艺作为污泥等下水道资源的终端处理手段在重金属方面是可以得到控制的,同时也表明了采用建材利用方式处理污泥相对其他污泥处置方式的优势。考虑到国内废水污泥成分与日本的不同,在国内推广该技术时需重新进行有针对性的重金属分析,以确保污泥灰二次制品中重金属含量符合相关要求。2.2经济2.2.1通过资金支持降低透水性砖企业的投资成本根据大阪府的报告,大野污泥透水性砖的费用投入包括工厂厂房与设备折旧、设施维护管理费用、公用工程费用等。每块200mm×100mm×80mm的透水性砖总成本约265日元/块,其中工厂厂房与设备折旧费用(含利息负担)包括建筑工程、建筑设备工程、机械设备工程、电气设备工程等投资,该部分费用约占总成本的42.7%。设备设施维护管理费用包括运转管理费、次要材料费、运输相关费、检查费等,该部分费用约占总成本的48.1%。公用工程费用包括水费、电费等,该部分费用约占总成本的9.2%。由于污泥透水性砖属资源再利用项目,可从建设费补贴和无息贷款两方面取得政策支持。大阪府在污泥制砖工厂厂房与设备投资中,由政府直接资助50%,由此可降低工厂建设费,折算到透水性砖生产成本中,成本可降低56.6日元/块,总成本可降至208.4日元/块;若政府全额资助工厂建设,那么工厂只需承担设备维护与公用工程费用,总成本仅151.8日元/块;若政府不能资助工厂建设,而是提供无息贷款,则可减少固定设施投资的利息支出,降低21.9%的工厂厂房与设备折旧费用,总成本则为240.2日元/块。2.2.2投资收益估计污泥透水性砖的经济收益由出售收入、焚烧灰等处置补偿费、政府补贴等三方面构成。大阪府污泥砖售价定为120日元/块,焚烧灰等废物处理处置补偿费相当于74.7日元/块,两项合计后,透水性砖的收益为194.7日元/块。此外,政府会对污泥透水性砖的销售进行补贴,补贴金额可随不同的成本构成有所波动,在售价提高的情况下,政府提供的销售补贴会有所降低。为了比较不同情形下的投资收益关系,特将各种成本与收入构成的可能性进行了汇总对比,如表2所示。表中均以收支平衡为前提,来评估不同情形下投资收益。由表2可见,政府对污泥透水性砖项目的投资支持力度在很大程度上决定了其市场生存能力。在没有政府支持的情况下,污泥透水性砖需要以至少190.3日元/块的售价出售才能实现收支平衡;在取得无息贷款支持的情况下,需要以至少165.5日元/块的售价出售,或按目前120日元/块的价格出售并由政府补贴45.5日元/块;在政府全额赞助建厂的情况下,仅需要77.1日元/块的售价即可保本经营,而在目前120日元/块的销售价格下,每块透水性砖可盈利42.9日元。目前,大阪府对大野污泥焚烧灰制砖厂的基建投资无偿提供50%的资金,制成的砖块采用政府采购方式销售,其售价为120日元/块,加之74.7日元焚烧灰处置补偿费用,每块砖的收入为194.7日元,按照目前大阪府政府销售补偿费用23.4日元/块计算,每块砖可盈利9.7日元。同时值得注意的是,目前大阪府市场上普通透水砖(非焚烧灰制砖)售价约250日元/块。因此,焚烧灰透水性砖的销售价格具有一定优势。可见,该技术在能够获得政府支持的情况下具有较显著的经济可行性,具备一定的市场竞争力。2.3污泥制砖利用污泥是城市污水处理厂污水处理过程中产生的二次污染物,若处理不当,就会给环境造成二次污染。因此,如何有效的处理处置污泥,并对其进行无害化利用是各国环境工程界不得不面对的一个重大环境问题。采用污泥建材利用的方式,不仅可解决污泥出路问题,而且还能实现污泥的资源化利用,其社会与环境意义重大。污泥制砖是污泥建材利用的一个重要方向。目前,日本污泥制砖基本上采用焚烧灰为原料,将其制成具有良好透水性能的透水性砖,在高温夏季能够将体感温度下降1~2℃,可抑制城市热岛效应,降低夏季高峰用电,减少温室气体排放。因此,污泥制砖既大幅减少了焚烧灰填埋费用,节约了填埋场地,又可产生经济效益。可见,这种处置方式符合目前倡导的低碳理念,其社会效益明显。3污泥透水砖的性能污泥焚烧灰的主要成分与普通粘土同为SiO2,在化学成分上,具备作为制砖利用的条件。目前,日本的污泥制砖主要以焚烧灰为原料制得,污泥焚烧灰制成的砖块,其各项理化性能均能达到相关标准的要求,而砖块中的重金属由于在制砖过程中烧结并固定于其中,其溶出性很低,远低于各国重金属浸出标准的限值。大阪府大野污水污泥处理厂生产规格为200mm×100mm×80mm的污泥透水性砖,其生产总成本为265日元