城市污泥处理处置与建材化利用研究_王珂乐.pdf

河南科技Henan Science and Technology交通与土木工程总798期第4期2023年2月城市污泥处理处置与建材化利用研究王珂乐（华北水利水电大学，河南郑州450003）摘要：【目的】随着我国经济的发展和城镇化的推进，城市污泥的产量也在逐年增加，对环境的影响举足轻重。【方法】本研究基于污泥的处理处置方式，分析污泥用于卫生填埋、土地利用和制备建筑材料等对环境造成的影响，提出推行污泥建材化利用的必要性。以近年来污泥的处理处置技术为例，结合我国国情和污泥特点分析了污泥的处理技术、处置措施和发展趋势。【结果】结果表明，污泥可以用于烧制水泥、砖和陶粒，改性处理后能替代混凝土中的细骨料。【结论】污泥建材化利用既可以减少污泥对环境的不利影响，又可以使污泥变废为宝，解决我国建材资源短缺的问题，具有经济和环境双重效益。关键词：城市污泥；处理处置技术；建材利用中图分类号：X703文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）04-0059-04DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.04.012Research on Urban Sludge Treatment and Disposal and Utilization ofBuilding MaterialsWANG Kele(North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450003,China)Abstract:Purposes With the development of Chinas economy and the advancement of urbanization,the output of municipal sludge is also increasing year by year,which has a significant impact on the environment.Methods Based on the treatment and disposal methods of sludge,this study analyzes the impact of sludge on the environment caused by measures such as sanitary landfill,land use and preparationof building materials,and puts forward the necessity of promoting the utilization of sludge building materials.Taking the treatment and disposal technology of sludge in recent years as an example,this studyanalyzes the treatment technology,disposal measures and development trend of sludge in combinationwith Chinas national conditions and sludge characteristics.Findings The results show that the sludgecan be used to burn cement,bricks and ceramsite,and the modified sludge can replace the fine aggregatein concrete.Conclusions The utilization of sludge building materials can not only solve the adverse effects of sludge on the environment,but also make the sludge turn waste into treasure,solve the problemof shortage of building materials resources in China,and have dual economic and environmental benefits.Keywords:urban sludge;treatment and disposal technology;use of building materials0引言城市污泥是污水处理厂逐级处理污水所得的水中剩余物质1。污泥具有很高的含水率，通常为99%，主要呈流态，脱水后转为絮凝态。污泥主要由有机物、重金属和污染物等组成，其中既包括具有利用价值的钙、硅、铝等矿物质，也包括大量的病原体、寄生虫，这些物质的存在限制了污泥的回收收稿日期：2022-10-01作者简介：王珂乐（1998），女，硕士生，研究方向：混凝土材料。60第4期王珂乐.城市污泥处理处置与建材化利用研究与再利用。随着城市的发展，污泥量大幅度增加。加之当前传染病肆虐2，大量废物无法回收以降低污染风险，污泥的处置已经成为亟待解决的环境安全问题。污泥在满足稳定化、安全化的前提下，资源化是其最终处理目标，其符合我国的可持续发展方向。另一方面，建筑行业的发展使原材料的需求增加，如果能将污泥中氮、磷、钾及有机物等物质合理利用，走上建材化道路，不仅能消纳大量污泥，也为大规模利用污泥提供了途径，有利于建立循环性经济。本研究首先总结了近年来污泥的处理处置技术，然后对污泥在制水泥、砖和陶粒等方面的最新技术加以阐述。最后对建材化利用的其他方面进行总结，为污泥处置提供参考。1污泥处理处置技术1.1污泥的处理技术目前，污泥处理技术主要有浓缩、脱水、干化、焚烧、厌氧或好氧处理，一般采用多种处理技术组合的方法以达到污泥的减量、稳定和无害化处理，最终实现污泥的处置。1.1.1浓缩和脱水技术。污泥浓缩和脱水技术的主要目的是降低污泥的含水率，减小体积，便于后期贮存、运输等操作，是污泥处理的必要步骤。处理后可以使污泥的含水率降至 60%80%，污泥浓缩包括重力浓缩、气浮浓缩和机械浓缩（离心法、带式法、转鼓机械法），浓缩是脱水的预处理阶段。污泥脱水的方法有自然干化和机械脱水（带式压滤、板框压滤、螺旋压榨、离心法和真空过滤法）。脱水效率因污泥性质和脱水设备的不同会产生差异，主要去除污泥颗粒间的水和一部分毛细结合水。1.1.2干化技术。由于浓缩和脱水只是去除部分水分，泥质中还存在大量的病原体、寄生虫，发生二次污染的可能性较大，因此污泥的干化技术是至关重要的一步。此技术可以在提高污泥热值的同时，杀死微生物及病原体，使污泥的含水率降至50%。污泥的干化技术包括热力干化技术（传统）和水热干化技术（新型），热力干化技术主要通过加热使污泥中的水分蒸发。水热干化技术主要利用水热反应破坏污泥中的细胞质，从而解决污泥难脱水的技术难题，是一种脱水效果好、环保的污泥干化处理技术。1.1.3热处理技术。污泥的热处理是在高温下破坏有机污染物，实现环保的处理技术，包括污泥的焚烧、热解和气化技术3。污泥的焚烧是在氧气足够的情况下，经过预脱水处理或干化处理的污泥在高温（8501 100）情况下，其中的有机物和病原体开始氧化、分解。污泥焚烧方式速度快，可以最大限度地减少污泥量，并且能够就地进行，不需要长距离运输，回收的能量可以用于供电和发热，并且可以分解有机物，彻底消灭病菌、虫卵4。但是焚烧的成本较高，焚烧后的污泥颗粒也需进一步处理，而且在污泥燃烧过程中还会产生飞灰、二噁英等有毒物质，使环境和人体健康受到威胁。因此，在污泥焚烧过程中应注意对其烟气进行净化。污泥热解技术是在无氧环境中加热干燥的污泥，使其在干馏和热分解的作用下将其中的大分子有机物转换成小分子，进而转化为焦油、合成气体、水和残渣(炭)等4类物质。相比于焚烧，此过程不会产生大量的有毒气体，具有处理成本低、二次污染小等优点。虽然其装置比较复杂，但是最大限度地利用了污泥中丰富的有机物5。由于热解工艺、设备条件以及污泥的含水率、组成成分等使热解反应复杂多变，污泥热解技术还需进一步研究。污泥气化技术是将污泥置于缺氧状态下（有限氧气），在气化装置中实现燃烧（氧化）反应和气化（还原）反应，使能量转换成H2、CH4、CO、CO2等可燃性气体的过程。与焚烧技术相比，污泥气化技术排放的有害气体含量少，产生的气体可以直接用来发电，处理过程中不用另外加原料，处理成本低；与污泥热解技术相比，其残渣中的有机物和重金属浸出毒性低，能量的利用率更高，后续处理相对更加简单6。1.1.4厌氧消化和好氧堆肥技术。这种污泥处理技术可以利用微生物将污泥中的有机组分转化成稳定的产物。厌氧消化利用微生物在无氧条件下将可降解的有机物转换成沼气，应用性广，但是反应时间长，会有矿物沉积和气体爆炸的安全问题产生。污泥堆肥技术是在微生物发酵作用下，将污泥中不稳定的有机质降解和转化，形成气体和无机盐等7。1.2污泥的处置措施污泥的处置措施与污泥的处理技术一般结合使用，即深度脱水后的污泥要进行应急填埋；厌氧消化和好氧发酵后的污泥需要进行土地利用；干化后的污泥一般需要再经过热处理，然后进行灰渣填埋和产物的建材利用。下面对污泥的主要处置方第4期61式进行介绍。处理流程综合对比如表1所示。1.2.1卫生填埋。卫生填埋是污泥处理的主要方式之一，它是在污泥经过无害化、稳定化预处理后采取技术措施将其填埋。卫生填埋的直接成本较低，但是由于污泥量的加大、人口的增多，会有找不到填埋场的尴尬境地。污泥填埋应满足 城镇污水处理厂污泥处置 混合填埋泥质（CJ/T 2492007）的规定，预处理不到位会造成二次污染8。1.2.2土地利用。污泥中含有丰富的有机物和植物所必需的各种微量元素等。但是，土地利用对污泥泥质的要求较高，污泥的重金属和其他有害物质往往超标。推广污泥土地利用时，首先泥质要符合相关规范，鼓励用于国土绿化、园林建设、废弃的矿场和非农用的盐碱地和沙化地。随着我国土地资源的减少，此处置措施所占比例将会逐渐降低。1.2.3制备建筑材料。污泥的建材利用是采用污泥作为建筑材料的主料或者是辅料，可以直接利用脱水污泥和干化后的污泥，也能利用污泥经过热处理后的灰渣9。最常见的污泥制备建筑材料的技术是利用污泥制砖、水泥和陶粒等，然后将其制作成混凝土或直接应用到路面、墙体作为保温隔热材料使用。如果使用热处理后的污泥渣再进行建材利用，不仅将其有机物燃烧利用，也能将污泥中的无机成分也充分利用，可以完全稳定污泥、固定其重金属，安全性高，是污泥利用的未来发展方向。2污泥建材化利用2.1污泥制水泥污泥具有较高的烧失量和热值，其化学成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3等，与水泥所需配料相似。在水泥生产中，污泥不仅可以部分用于配料，还可以提供热值节约燃料，但是烧制过程中释放的酸性气体需要及时处理。污泥用于制水泥时，应符合现行国家标准 水泥窑协同处置污泥工程设计规范（GB 507572012），污泥占原料质量比（以干污泥计）不宜超过 10%。污泥焚烧灰除了 CaO 含量较大，其他成分与硅酸盐水泥成分相当，能稳定燃烧，也可部分用于水泥生产，同时焚烧灰渣也进行了建材利用，是一种两全其美的生产途径。在适当的污泥掺量下，污泥确实改善了熟料的易烧性。当污泥焚烧温度较低时，会对水泥水化有延缓作用。使用污泥焚烧灰渣时，应注意制得的水泥质量需符合相关规范的要求。2.2污泥制砖污泥制砖中可以直接利用干化污泥，也可利用焚烧后的污泥渣。在砖的焙烧过程中，能够稳定重金属，很适合作为烧结砖的原料，并且在掺入砖的过程中，解决了炉渣问题。通常要将污泥磨细与其他原料混合，加压焙烧成污泥砖，此工艺需要控制污泥掺量为10%20%，掺量过大时砖的抗压强度达不到其强度标准。污泥掺量、烧结温度的不同主要影响砖的抗压强度、密度、吸水率等。赵思源等10利用模