（环境工程专业论文）城市污泥—页岩粉掺合制砖技术研究.pdf

摘要 摘要 城市污水厂污泥的处理处置已成为我国市政工程的一大难题，目前，主要采用卫生填 埋、焚烧等处置方式，填埋稳定性差且易污染地下水，污泥焚烧则能耗太高。本论文分析 了污泥和页岩粉( 粘土) 成分，研究了城市污泥半干燥和烧结制砖技术，并分析了砖体的 物理力学和热工性能。 论文全面调研了国内外污泥干燥工艺，分析了各类干燥工艺的热量消耗，研究了砖厂 热量平衡，开发了利用制砖焙烧窑余热的污泥半干燥工艺，可显著减少污泥干燥成本，节 省能源。 论文开展了以污泥为掺料生产页岩粉( 粘士) 烧结砖的实验研究。在制烧结砖过程中， 页岩粉、粘土等制砖原料适量掺入城市污泥，在制砖高温焙烧阶段能够较好地熔合，砖体 强度能够达到使用要求并符合相关国家标准。烧结过程中污泥中有机物燃烧形成气孔，改 善了砖体热工性能，同时，污泥有一定热值，可部分节省制砖过程外加燃料。 研究结果表明，污泥掺量在6 之内的页岩烧结普通砖，可以达到m u l 0 以上强度等级 ( g b 5 1 0 1 2 0 0 3 ) ，可作为承重砖体使用。污泥掺量在5 之内的页岩空心砌块，强度等级为 m u 3 5 ( g b l 3 5 4 5 2 0 0 3 ) ，可作为填充墙( 或隔离墙) 使用。4 4 5 城市污泥页岩空心砌块 墙体传热系数为1 3 3 w ( m 2 ) ，比夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准( j g j1 3 4 2 0 0 1 ) 1 5 w ( m 2 ) 的要求，节能效率可提高1 1 3 。 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，而且节约制砖燃料，并可 提高砖体的隔热保温性能。 本课题为南京市建设委员会科技项目( z b 2 2 0 0 5 ) ，“城市污泥半干燥制砖技y g 已通过 江苏省建设厅鉴定，研究成果达到国内领先水平。 关键词：城市污泥页岩空心砌块抗压强度 热工性能 东南人学硕上论文 a b s t r a c t r a p i da r b a n i z a t i n 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 eo f w a s t es 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 yl a n df i l i n gm a yn ol o n g e rb 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 t e n v i r o n m e n t a lc o n t r o lr e g u l a t i o n s t h ed i s p o s a lo fi n c i n e r a t i o nc a nr e a l i t h et h o r o u g hr e d u c t i o no f s e w a g e s l u d g e ，b u ti ti st o oe x p e n s i v et oa p p l yw i t hm u c hm o r es c a l e u t i l i z i n gm u n i c i p a ls e w a g es l u d g ef u rm a n u f a c t a r e b r i c k sc 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 ，i tw i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h ef u t u r es l u d g ed i s p o s a l o nt h eb a s i so f d e e pa n a l y s i so f t h ed r yp r o c e s so f s e w a g es l u d g ea n dt h eb e a tc o n s u m eo f b r i c kf a c t o r y ， t h er e s e a r c hh a v ei n v e n t e dt h ed r yp r o c e s so f t u n n e lk i l ni ni n i t i a t i v e ，i f t h eb r i c kf a c t o r yu t i l i z i n gt h ed r i e ds l u d g e o f t h i sp r o c e s sa n dt h e nm a n u f a c t u r i n gs i n t e r i n gb r i c k ，t h eh e a to f t h ew h o l es y s t e mc a nb eb a l a n c e d t h i st h e s i sh a sc a r r i e do u tt h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho f u s i n gs e w a g es l u d g ea sm i x e dm a t e r i a lt o m a n u f a c t u r et h es h a l ep o w d e r ( c l a y ) s i n t e r i n gb r i c ki no r d e rt os o l v et h es e w a g es l u d g e c o m p r e s s i v es t r e n g t ho f b r i c kc a nr e a c ht h ec o r r e l a t i o ns t a n d a r do f n a t i o n a lc r i t e r i o ni ta l s oc a l li m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h e r m a l p r o c e s s i nt h ec o u r s eo f m a n u f a c t u r es i n t e r i n gb r i c k s ，u t i l i z i n gs e w a g es l u d g ec a ns a v e $ o n l ei n n e r c o a l t h er e s u l t o f s t u d y i n d i c a t e s t h a te v e r y m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e o f s h a l e p o w d e r ( c l a y ) s i n t e r i n g b r i c k c o n t a i n i n gs o m ep o r t i o ns e w a g es l u d g ec a r la c c o r dw i t ht h en a t i o n a ls t a n d a r d t h ec o m p r e s s i v ei n t e n s i t yo f f i r e d c o m m o mb r i c kc o n t a i n i n g6 s e w a g es l u d g ei sm u i o c a nr e a c ht h es t a n d a r do f m a i nw a l l ：t h ec o m p r e s s i v e i n t e n s i t yo f f i r e ds h a l eh o l l o wb l o c kc o n t a i n i n g5 s e w a g es l u d g ei sm u 3 5 c a nr e a c ht h es t a n d a r do f f i l l e do r s e p a r a t e dw a l l ，b ya d d i n gs o m em u n i c i p a ls e w a g es l u d g ei n t ob r i c kc a oa l s oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h e r m a l p r o c e s so f t h eb o d yo f b r i c k t h i ss u b j e c ti st h ek e yi t e mo f n a n j i n gc o n s t r u c t i o nc o m m i t t e e ，h a sa l r e a d yg a i n e dt h eq u a l i f i c a t i o no f d e p a r m e n to f t h ec o n s t r u c t i o no f j i a n g s up r o v i n c e t h et e c h n o l o g yw a sr e w a r d e dt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yo f t h e s t a t e 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 ；f i r e d s h a l eh o l l o wb l o c k ；c o m p r e s s i v es t r e n g t h ；p e r f o r m a n c eo f t h e r m a lp r o c e s s 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：血望鼙日期：；磁， 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：童竺里导师签名： 日期：碹略小i r 第一章前言 第一章前言 1 1 城市污水厂污泥处理处置必要性 随着国民经济和城市化进程的发展，城市污水产牛量和处理量均在不断增长。2 0 0 6 年，我国城市污 水排放量为2 9 7 5 1 0 v d ，预计2 0 1 0 年，污水排放量将达到4 4 0 1 0 v d ，2 0 2 0 年将达到5 3 6 1 0 3 d ：同时，我国的城市污水处理率也在逐年提高，2 0 0 1 年我国污水处理率为2 5 ，2 0 0 4 年我国污 水处理率已经达到4 2 ，根据中华人民共和国国民经济和社会发展第十一五规划纲要，到2 0 1 0 年， 我国城市污水处理率将不低于7 0 n 53。 污水处理的实质是将水中的污染物变成不可溶固体或无害气体从而达到净化的目的，其中产生的不 可溶固体成为污泥，其是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体， 如果处理不当，必然会对环境造成损害。城市污水厂污泥产量仅为污水量的0 3 0 5 ，但污泥处理设 备投资占到总投资的3 0 4 4 0 ，发达国家甚至达到7 0 “3 ，因此，无论从污染物无害化的程度，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，寻找有效的污泥减量化、 稳定化、无害化和资源化处理处置技术具有重要的现实意义 1 2 课题研究目的和意义 污泥处理处置的目的主要是实现污泥的减量化，稳定化、无害化及资源化有效利用，目前，国内外 城市污泥的处理处置大致有壤海、堆肥农用、无害化填埋、焚烧等方法。其中海洋处理已被众多欧洲国 家实践证明不可取，原因在于此法可能导致环境二次污染。污泥堆肥农用本身是一条很好的处理处置途 径，但是受到重金属含量、卫生状况等一系列因素影响，其应用受到一定的限制。污泥焚烧是达到减量 化、减容化的最佳途径，在日本等工业发达国家被广泛采用，但该法建设和管理运行费用高，目前在我 国推广实施有一定困难。现阶段，我国采用的污泥处理处置方式还是大规模填埋。 在城市污泥所有的处理处置技术中，城市污泥制砖技术是城市污泥处理处置资源化的一种有益尝试， 城市污泥制砖技术可使污泥中的有机物得到完全氧化，并使其中的无机组分及有毒重金属固化在砖体内， 使城市污泥达到焚烧处理的效果；同时，在砖4 砖过程中，污泥中有机组分在高温焙烧过程中氧化燃烧， 留下大量气孔，使砖体孔隙率升高，还可显著提高砖体热工性能，有利于建筑节能，符合国家产业政策。 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，在不改变工厂生产流程的条件 下，本课题提出了污泥制砖的试验运行方案：在制砖坯原料的过程中，将污泥与页岩粉( 或粘土) 以 定比例掺和，适当辅于内燃料( 粉煤灰等) ，混合均匀后，经陈化、成型、干燥、烧结等工艺过程，最终 制成污泥砖。期望通过调节污泥与页岩粉( 或粘土) 和内燃料的掺和比能够使污混砖达到普通民用建 筑墙体材料要求，并适当提高砖体热工性能。本工艺只需在普通烧结砖生产工艺的基础上，加入污泥储存 干化工序，普通砖厂就可以进行规模化生产，并可创造良好经济和社会效益。 1 3 主要研究内容 1 、分析污泥制砖的工艺可行性，选择制砖工艺和运行方案，开展污泥与不同原料如( 页岩粉、粘土) 等混合制砖的应用性试验研究； 2 、研究利用焙烧窑尾气余热的污泥半干燥工艺； 3 、分析污泥掺加量与污泥砖质量的关系，并分析砖体质量指标：吸水率、密度、抗压强度、干燥尺 寸收缩率、烧成质量损失率等： 东南大学硕士论文 4 、污泥砖体热工性能分析。 1 4 课题创新性 l 、提出了城市污泥资源化处理处置的条合理途径污泥掺合页岩粉烧结制砖。污泥砖强度满足 要求、热工性能优良，町取得节能减排的良好效果： 2 、开发了利用制砖焙烧窑尾气余热的污泥半干燥工艺。 2 第二章城市污泥处理处置技术及污泥制砖技术理论 第二章城市污泥处理处置技术及污泥制砖技术原理 城市污泥处理处置的目的主要有四个”o ：一是减最化，即减少污泥最终处置前的体积，以降低污泥处理 及撮终处置的费用：二是稳定化，通过处理使污泥稳定化，最终处置后不再产生污泥的进一步降解：三是无 害化，达到污泥的无害化与卫生化，如去除重金属或灭菌等：四是资源化及最终处置，在处理污泥的同时达 到变害为利、综合利用、保护环境的目的，如产生沼气等。 污泥处理通过污泥的稳定化来达到污泥无害化，同时实现污泥的减最化，为污泥的资源化创造条件， 其中，污泥的资源化不是目的，而是一个重要的原则，不能盲目的追求能最回收和物质回用。一般来说， 污泥处理面临的主要问题是选择合适的污泥减晕化技术和污泥稳定化技术”。 目前，我国对污泥处理和处置还没有准确的解释，处理、处置概念的混乱，导致污泥处理、污泥处置 目标不明，进而影响到管理定位、技术路线选取和技术标准的制定。当前污泥处理、处置比较明确的定义 为： 污泥处理( s l u d g eh a n d l i n go rs l u d g et r e a t m e n t ) ：污泥经单元工艺组合处理，达到”减量化、稳定 化、无害化”目的的全过程。 污泥处置( s l u d g e d i s p o s a l ) ：处理后的污泥，弃置于自然环境中( 地面、地下、水中) 或再利用， 能够达到长期稳定并对生态环境无不良影响的最终消纳方式。 2 1 城市污泥处理技术 2 1 1 污泥减量化技术 污泥减量化技术主要是指浓缩和脱水，污泥经浓缩、脱水处理后，含水率可降至9 5 9 7 ，近似糊状 从而实现污泥的减量化。 ( 1 ) 浓缩 污泥浓缩可以采用重力浓缩、气浮浓缩、离心浓缩等”1 ，重力浓缩法是广泛采用的一种污泥处理方法， 由于其投资和运行费用省而在我国广为采用。气浮浓缩法”1 固液分离效果较好，目前应用己越来越广泛； 离心浓缩法操作简便，但投资及动力费用较高，目前应用相对较少，常用的污泥浓缩方法比较见表2 1 。 表2 1 污泥浓缩法比较” ( 2 ) 脱水 污泥脱水主要可以分为自然干化、机械脱水两大类。自然干化占地面积大，卫生条件差，应用受到了 定的限制。机械脱水能有效降低污泥含水率，因此应用较广，主要的机械脱水方法有： 滚压脱水 设备简单，投资适中，操作简易，开关容易，可间歇运行：非封闭系统，具有臭味、湿度大、控制难 问题，需要仔细操作：适用于各种规模污水处理厂及各种污泥。 离心脱水 3 东南人学颅上论文 自成系统，运行时不需过多监视，干度较好：但需要特别维护，一般不适于问歇运行：适用于能连续运 行的大中型污水厂，大量固体的处理。 压滤脱水 含固率高：运行费高、间歇批次运行，维护量较大，运行操作困难，适用于小最污泥处理或干度要求 高的情况。 真空过滤脱水 适应污泥范围广，能够连续生产，运行平稳，可自动控制；附属设备多，工艺复杂，运行费用高，应 用很少。 目前国内常用的机械脱水机有板框压滤机、带式压滤机和离心机等。转鼓离心机和带式压滤机是近年 来发展较快脱水设备，我国应用较多的是带式压滤机“。 表2 2 污泥机械脱水方法比较”“ 2 1 2 污泥稳定化技术 污泥稳定化处理的目的是降解剩余污泥中的有机质，进一步降低污泥的含水率、杀灭污泥中的细菌、 病原体，消除臭味，这是污泥能否资源化有效利用的关键步骤”“。污泥稳定化技术主要包括好氧消化、厌 氧消化、堆肥化，热干燥以及石灰稳定技术等，其中，厌氧消化、好氧消化和堆肥化都属于生物稳定技术， 碱性稳定技术则属于化学稳定技术。 1 1 ) 好氧消化 污泥的好氧消化法是在延时曝气活性污泥法的基础上发展起来的，是指活性污泥微生物处于内源呼吸 阶段进行自身氧化，微生物机体的可生物降解部分被氧化去除，消化程度较高，剩余污泥量少。它的反应方 程如下式所示： c 5 h 7 n 0 2 + 7 0 2 5 c 0 2 + 3 h 2 0 + h + + n f f 3 污泥好氧消化的优点是污泥中可生物降解部分的降解程度高，污泥量少，肥分高，运行管理简单；缺 点是运行费用高，运行稳定程度受温度影响大，而且无法有效地杀死污泥中的寄生虫卵和病原菌，最终脱 水后的污泥从卫生角度尚不能供农业或园林适用。 好氧消化一般仅适合于中、小型污水厂的污泥处理。 ( 2 ) 厌氧消化 在污泥处理工艺中，厌氧消化是较普遍采用的稳定化技术。厌氧消化是指在厌氧微生物的分解作用下， 使污泥中的有机物分解并趋于稳定，厌氧消化的最终产物是二氧化碳和甲烷气体。厌氧生物处理的反应过 程一般经历三个阶段。反应初期为水解阶段，以后转入第二阶段，称产酸和脱氢阶段，第三阶段为产甲烷 阶段，有机物实现真正意义上的稳定。 根据操作温度。传统厌氧消化工艺可分为中温消化( 3 0 c 3 6 c ) 和高温消化( 5 0 c 一5 3 c ) ，高温消化的有 机物分解卒和沼气产量略高于中温消化，但热量需求大，实际中采用不多，国内生产实践中，最常用的是中 温消化。 污泥厌氧消化优点是能耗低、可使污泥达到较高的稳定程度，能源还可回收利用。厌氧消化后的污泥称 为熟污泥或者消化污泥，这种污泥易于脱水。 与好氧消化相比，厌氧消化要在专门的密封厌氧反应器中进行，所以对设备要求较高。厌氧消化处理 系统包含沼气储存利用、沼气搅拌、污泥热交换等一系列予系统，致使处理工艺复杂，投资较商，占地面 积大，运营管理要求较高，对工艺技术及安仝运行的要求也较高。 污泥扶氧消化具有一定的存贮污泥的功能，适用于大中型污水厂。 4 第二章城市污泥处理处置技术及污泥制砖技术理论 ( 3 ) 污泥热干燥 经浓缩、消化( 脱水) 后的污泥含水率仍然很高，给运输和后继处理带来了不便，污泥热干燥技术可使 污泥的含水率大大降低。污泥热干燥是指利用热和压力破坏污泥的凝胶结构，并对污泥进行消毒灭菌，同时 减少污泥的含水龟“。 热干燥是污泥处理的一项辅助技术，热干燥可使污泥性能全面改善，为污泥进一步处理做好准备。干 燥后的污泥产品用途广泛，可作替代能源也可土地利用。污泥热干燥法的缺点在于初期投资费用高，每日 耗能费用较高，干燥过程可能会产生废气影响环境。 堆肥化 堆肥化技术是从2 0 世纪6 0 年代后期迅速发展起来的一项新的生物处理技术。“。堆肥化是利用污泥中的 微生物进行发酵的过程，在污泥中加入一定比例的膨松剂和调理剂( 如秸秆、稻草、木屑或生活垃圾等) ， 利用微生物群落在潮湿环境下对多种有机物进行氧化分解并转化为稳定性较岛的类腐殖质“”。 堆肥过程中，污泥中的有机物在氧化作用下与好氧细菌充分反应，放出热量，使堆肥物科自然产生6 0 以上的高温，可有效杀死病原体，实现污泥稳定化的只的。堆肥一般可以分为发热、高温降解和腐熟三 个阶段。污泥经堆肥处理后，植物养分形态更有利于植物吸收，同时还可消除臭味。杀死大部分病原菌和寄 生虫( 卵) ，达到无害化的目的。堆肥后产品呈现疏松、分散、细颗粒状，便于储藏、运输和使用。 生污泥、消化污泥或经过化学稳定处理的污泥都可以进行堆肥处理，经过堆肥处理后的污泥，细菌绝 大部分被消灭，有机物在消化过程中得到分解，污泥堆肥投资小，工艺简单，运行成本低，污泥可以被资 源化利用，此外堆肥过程操作管理方便。很适用于中小型污水处理厂污泥处理。 大规模污泥堆肥也存在一定限制：污泥本身并不是一个非常好的堆肥材料，尤其是在有机物含量低 的情况下；堆肥产品肥效相对较低，与化学肥料相比没有优势；南方多雨地区，对堆肥场地和设施有 一定要求。 囝碱性稳定技术 近年来，加碱稳定( 即用碱性添加剂取代石灰的方法) 的优点越来越受到人们的重视。碱性稳定化是 在污泥中加入石灰、飞灰或水泥窑灰等碱性物质，使污泥p f l 1 2 并保持一段时间，利用强碱性和石灰放出 的大量热能杀灭病原体、降低恶臭和钝化重金属，处理后的污泥可直接施用于农田。其优点是可以消除病 原体，缺点是不但不会减少污泥量，而且还会增加污泥量。 碱性稳定化的两个主要方法是n v i r o s o i l 方法和a g r i s o l l 方法“，前者在碱性稳定后通过机械翻堆 或其他方法使污泥快速干燥，后者则在稳定化后进行堆肥。碱性稳定技术已在美国、欧洲和澳大利亚的污 泥处理中得到了一定的应用。 2 1 3 污泥无害化技术 污泥无害化处理往往包括在稳定处理之中，无害化处理的目的是去除、分解或者“固定”污泥中的有 毒、有害物质及消毒灭菌，使处理后的污泥在污泥最终处置中不会对环境造成危害“。污泥稳定化、无害 化的主要技术方法见表2 - 3 。 表2 3 污泥稳定化、无害化的主要技术方法 东南大学硕上论文 2 2 污泥处置技术 污泥最终处置方式主要包括卫生填埋、污泥焚烧、士地利用及其他处置方式等”“。污泥海洋倾倒由于 对环境的负面影响，在许多国家已经明令禁止，故不在考虑的处置方式之列。 2 2 1 卫生填埋 污泥卫生填埋始于2 0 世纪6 0 年代。到目前为止已发展成为一项比较成熟的污泥处置技术“”，其基本形 式是城市污泥经过简单的灭菌处理，直接倾倒于低地或谷地制造人工平原。污泥填埋有单独填埋和混合填 埋两种形式，混合填埋可将污泥和其他城市垃圾一起进行填埋，由于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，单独填埋是目前比较流行的污泥填埋处置方式。 污泥填埋的好处是处理成本低、不需要高度脱水( 自然干化) ，处理量大，对污泥的适应能力强，既解 决了污泥出路问题，又可以增加城市建设用地；这种技术的缺点也是明显的“：污泥中各种有毒有害物 质易通过雨水的侵蚀和冲刷，渗入地下，对地下水及土壤造成二次污染；需要大面积的填埋场地：污 泥运输费用高；对污泥填埋场的土力学性质要求较高：填埋场须铺设防渗性能好的材料，避免污染地 下水及土壤。 污泥填埋基本属于厌氧性填埋，在填埋过程中，污泥中可降解部分最终被分解为稳定的矿物质和简单 盼无机物，并最终释放出c 0 2 和c h 等气体，填埋污泥彻底氧化是一个相当漫长的过程，因此可以认为：污 泥填埋并不能最终避免环境污染，而只是延缓了产生时间，近年来污泥填埋处置所占比例越来越小。美国环 保局估计今后2 0 年内，美国现有8 0 的填埋场将关闭“。 卫生填埋适宜于填埋场地容易选取、运输距离较近以及有覆盖土的地方，迄今为止，卫生填埋仍然是 国内外处理城市污水污泥最常用的方法；将来的发展中，填埋仍然是垃圾和污泥处置中不可避免的方法， 对于不能资源化而须从使用循环中排出的废物。填埋是目前唯一的最终处置方式。 2 2 2 污泥焚烧 污泥焚烧是最彻底的污泥处置方法”。污泥焚烧是将污泥置入焚烧炉内，在过量空气加入情况下，进 行完全焚烧。通过焚烧，使污泥达到最大程度的减容。彻底杀灭病菌、病原体，有毒有害物质亦被氧化分 解。污泥焚烧主要可分为两种方式“”1 ：将脱水污泥直接用焚烧炉焚烧：另一种方式是污泥先干化后焚烧， 当污泥的含固率达到3 8 以上，可不需要辅助燃料直接焚烧。污泥焚烧要求污泥有较高的热值，因此污 泥一般不进行消化处理。 污泥焚烧处置需要配置前处理和后处理设施。重要的配置处理工艺包括三个方面：对于焚烧前的污泥 进行干化处理，以便使污泥能够自燃，从而减少辅助燃料的消耗量，降低运行成本：需要对尾气进行处理， 以便达到规定的排放标准，保护大气；对废热进行回收利用。 焚烧法有以下几个突出的优点”：显著减少了污泥的体积和重量。需最终处理物质的量很小：处 置速度快，不需长期储存：污泥可就地焚烧，不需长距离运输：町回收部分能量。污泥焚烧缺点在十工艺 复杂，设备数量多，一次性投资大；操作管理复杂，运行费用较高；当污泥中的重金属含量较高时，焚烧 6 第二章城巾_ 污泥处理处置技术及污泥制砖技术理论 易产生大气污染。 从国外的情况看，焚烧投资约合人民币7 5 0 0 1 2 0 0 0 元( a t 千污泥) ，运转与维护费6 0 0 1 2 5 0 元 ( a t 干污泥) ，是其他工艺的2 4 倍。，因此，焚烧是一种非常昂贵的污泥处置方法，仅适于经济特别 发达地区，在现有的经济条件f ，焚烧主要在以下情况中应用：污泥的性质原因或量大不能农用，污泥自 身的燃烧热值高，且现有的填埋场地不足。 2 2 3 污泥土地利用 污泥的土地利用是污泥处置方式中最便宜的一种，因此，得到了广泛的应用。在美国，约有4 0 0 左右的污 泥采用土地利用的方式进行处置，欧盟2 0 0 5 年约有4 5 的污泥用于土地利用。污泥的土地利用形式主要有： 污泥农用、园林绿化、废弃矿场等场地的改良等。 ( 1 ) 污泥农用 污泥中含有大量的有机物和丰富的n 、p 、c a 、m g 、z n 、c u 、f e 等元素，能增加土壤肥力，提高作物 的产量和品质，我国又是一个农业大国，从我国实际情况来说，污泥农用是最为可行、最为现实的处置方 式。 污泥农用主要有直接旌用和间接施用两种方式1 2 4 j 。直接施用是把未经处理的污泥商接施用于农田、菜 地，这种方式成本低，能在一定程度促进生产，但是存在严重的环境问题：间接施用是指污泥堆肥后才施用。 也可以制成复合肥料后施用，是主要的施用方式。 重金属含量是决定污泥农用的主要因素，重金属含量较高的污泥施于农田，会对植物和动物，并通过 食物链与生物链的传递而对人类，产生毒害作用。一般来说，污泥农用必须经无毒无害化处理。并且对施 用量要有一定的限制，污泥施用量限制见表2 1 4 。 表2 - 4 污泥施用蠢限制“7 1 连缔堆用骨 可连续沲m 下疆一农忭最太电j l 量 r t f | 蚰：“1 ir - n ：、 比利时 卜4 33 - 1 2 魁堂1 0 1 01 0 0 法嘲 3l o j o 缘姆o 3 33 z 爱尔芝 2t 2 意气刊2 j 一5，7 v l s 卢彝零313 蘸i i oli 一1 0 萍蠛l1 0l o 璋复t55 芽兰t1l 璃十1 酣35 中i 嗣j 02 0 一 善嘲 用于园林绿化 污泥作为有机肥料用于城市园林绿化，也是有效的污泥处置途径。其用途主要包括市政绿化( 林地、草 地) 、花卉及育苗基地等。研究表明，在城市园林绿化中，施用污泥或污泥堆肥肥料。绿化效果良好。污泥 ( 污泥肥料) 用于城市园林绿化，一般不会引起土壤、地表水和地下水的污染，不会对环境造成危害“。而 且，污泥用于园林绿化，避开了食物链，一般不会影响到人体的健康。 ( 3 ) 受损土壤的修复与改良 污泥中的有机质可改善土壤的物理性质，因而污泥除了做肥料外还可以用作受损十壤改良剂。常见的 受损土壤有采矿残留矿场、取土后的门坑、垃圾填埋场等，这类十地一般已失去十壤的正常特性，无法直 接进行种植。施入污泥可以增加土壤养分，改良土壤特性，改善土壤结构，促进土壤熟化”1 。 2 2 4 污泥其他处置方式 污泥其他处置方式主要以制建筑材料为主、还包括制动物饲料以及制吸附荆等等。 ( 1 ) 制作建材 7 东南大学硕士论文 污泥制作陶粒是将污泥和粘t 或粉煤灰按一。定比例掺和，在高温| 卜烧结制成陶粒，可用作建筑材料， 达到处置污泥和创作经济价值的双重目的。 7 污泥制砖是将污泥和粘土( 或页岩) 以一定比例掺和真空挤压成型后烧结成建筑用砖。污泥制砖可 使污泥达到焚烧处置的效果，能够彻底稳定污泥中的有机物及其中的重金属，从根本上消除二次污染。 污泥制水泥具有减容程度大，无害化处理彻底等特点。但目前污泥仅占水泥生产原料的3 ”，因此不 可能作为污泥处置的主流工艺。 ( 2 ) 制动物饲料 污泥中含有大景有价值的有机质( 蛋白质和脂肪酸等) 。其中7 0 的粗蛋白以氨基酸形式存在”1 ，各种氨 基酸之间相对平衡，是一种非常好的饲料蛋白。 ( 3 ) 制吸附剂 污泥中含有大量有机物，具有被加工成吸附剂的客观条件。在一定高温下，以生化污泥为原料，通过化 学改性活化处理可制得含碳吸附剂。含碳吸附剂对c o d 及某些重金属离子有很高的去除率，是一种优良 的有机废水处理吸附絮凝剂。 2 3 污泥处理处置技术研究动态及发展趋势 在1 9 9 7 年的水科学技术( w a t e rs c i e n c e t e c h n o l o g y ) 第3 6 卷中，发表了4 7 篇关于 污泥处理处置技术的论文，内容涉及浓缩、脱水、厌氧消化、好氧消化、堆肥、熔融、热固化、填埋、 焚烧等几乎所有的处理处置技术，其中有的研究采用了超声波、高温、机械粉碎、碱等物理化学手段， 这代表了当前污泥处理处置技术研究的一个重要动向，即探索新的物理化学处理技术p 。 图2 一l 列出了城市污泥处置方式的发展趋势。污泥填埋处置虽然是绝大多数国家采用较多的方法， 但由于填埋场地限制、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。如此发展趋势，德国、丹麦和法国等欧洲国家在不久的将来只能将污泥焚烧灰作填埋处置， 而不能直接将污泥进行填埋1 3 1 。 1 晒1 0 0 01 9 9 52 0 0 02 0 0 52 0 1 0 正 图2 - 1 城市污泥处置方式发展趋势 从污泥处置发展趋势看，污泥陆地填埋处置所占比重将会减少。污泥填埋处置比例减少的主要原因 是各国相继制定了严格的污泥填埋法规，对填埋污泥有机物含量进行了限制。德国法律规定从2 0 0 5 0 6 o l 起，填埋污泥有机物含量最高为5 i j “。目前，大多数国家已经意识到污泥农用是污泥资源化的有效途 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。污泥焚烧能够满足大型污水处理厂目益增长的污泥处置需求，处理效果最为彻底，所占比例不断 升高。欧洲有的国家例如荷兰和德国部分的地区，土壤以沙质土壤为主，污泥农用和土地填埋均受到了 一定的限制，污泥焚烧比例不断扩大。 研究表明，2 0 0 5 年污泥农用占欧盟污泥总产量的4 5 ，4 2 的污泥采用焚烧处置，其余1 7 的污泥 通过陆地填埋处置。日本焚烧处理污泥量已占污泥总量的6 0 以上1 3 “。由十香港没自j 适合污泥农用的农 田和林地，除消化污泥被排海处置，污泥焚烧也得到应用”4 1 。国内由于过去污水处理率低，城市污泥产 8 一臻佯咎要力式一艺 墨二兰塑生丝堡竺型竺篁垫查璺望堡型壁垫查竺笙 量小，通常采用的处置方法是陆地填埋。由于填埋场地和填埋场二二次污染治理费用等诸多因素影响，我 国污泥处理处置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 4 城市污泥制砖技术原理 城市污泥中除了有机物外，还含有2 0 3 0 的无机物，：e 要是硅、铁、铝和钙等。因此即使污泥经 过焚烧去除了有机物，无机物还以焚烧灰的形式存在，仍需要作进一步的填埋处置。污泥制砖的真正对 象正是污泥中所含的无机物，污泥制砖在解决了污泥处置问题同时，能够节省制砖所需要的部分原料， 节能砖体还可在各种建筑工程中使用，能够实现废物的有效利用，因此，污泥制砖是污泥资源化处置的 有效方式之一。 2 4 1 城市污泥制砖的主要工艺及优缺点 污泥制砖的工艺方式主要有两种：一种是污泥焚烧灰制砖；另一种是干污泥制砖。目前，国外城市 污泥制砖技术比较常见的是前一种，污泥焚烧灰制砖是对城市污泥处置产物一污泥焚烧灰的再处理，从 本质上看，污泥焚烧灰制砖属于污泥焚烧处置方式的一部分是焚烧处置方式的最终处理手段：国内主 要采用干污泥直接制砖，即将城市污泥干燥后直接与页岩粉( 或粘士) 等原料成型烧结制砖，该法的主 要优点在于节约成本，避免了污泥焚烧所需要的能量，比较适合中国国情。本研究采用干污泥制砖工艺 处置城市污泥。 城市污泥制砖的主要优点在于其处置成本较低，在焙烧阶段能够实现焚烧处置的效果，彻底氧化分 解污泥中的有机物，杀死病原体，形成稳定的金属氧化物，周化污泥中的重金属。 城市污泥制砖也存在着一定的缺点，例如污泥焚烧灰所制地砖在使用过程中暴露出以下三种弊端 1 3 - 1 ： 苔藓生长，地砖铺设于潮湿、光照不充分的路面时，表面有茂盛的苔藓生长；表面结冰，地砖表 面即使在无雨的冬天，也会出现一层薄冰，行人行走困难；表面白斑，地面表明出现c a c 0 3 结晶形成的 白斑，这种现象在铺设于混凝土和混合砂浆基础上的地砖中，出现的更为普遍。此外，公众对污泥砖体 的接受度也存在一定问题。 2 4 2 国内外城市污泥制砖技术研究现状 2 0 世纪八十年代， l a y 和s h o v 3 6 j 展开了利用干污泥及污泥焚烧灰制砖的研究工作：将干污泥及污泥 焚烧灰与粘士混合，粉碎成细颗粒，再挤压成型制坯，经干燥后在1 0 8 0 砖窑中焙烧2 4 h ，制得干污泥 和污泥灰砖；a l l e m a n 和b e r m a n ( 1 9 8 4 年) 、s l i m 和w a k e f i e l d ( 1 9 9 1 ) 及t r a u n e r ( 1 9 9 1 ) 也分别开展 了类似的研究工作。t a y 等研制的干污泥和污泥灰砖的性能见表2 5 。t a y 等的实验结果证明了利用干污 泥和污泥灰制砖技术的可行性，同时，研究还表明砖的抗压强度随污泥和污泥灰的掺量增加而有所下降， 如图2 2 所示。 9 东南大学硕，上论文 表2 - 52 0 世纪八十年代 l a y 等研制的干污泥和污泥灰砖性能 * 的卺震醺磊举亍鞲硝蕴章雨疆酾甄蓿i f 。：擀 t - a v “幽a i i ”g m 矿亳扩爿击 - o 1 5 t 08 4 1 2 ，8 2 b 7 o o i o 0 2 00 3 0o 4 0o ! 瓣o ? 3 e 74 2 2 日6 ，! o 2 专6 ：s b ：8 童 6 9 5 6 o o 0 3 o 0 7 c1 ： 13 孽 5 2 蓥 震 堇 羁坭掺量百分比( ) 图2 - 2 污泥掺量与抗压强度关系图 我国台湾学者d e n g f e n gl i n 3 。”1 先后通过污泥焚烧灰和干污泥与粘土混合，也制备出了污泥灰和干污 泥砖，其试验基本工艺路线见图2 3 ，研究结果表明：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，污泥灰掺量和烧结温度是影响砖体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；掺加质量百分比在2 0 4 0 污泥灰( p = 1 3 1 5 ) ，1 0 0 0 c 焙烧制得的污泥 灰粘士砖性能良好。当污泥灰掺量在1 0 时，制得的污泥灰粘土砖抗压强度优于普通粘七烧结砖：( g 干污 泥掺加量和烧结温度是影响砖体性能的两个主要因素；提高千污泥掺量可以降低砖体焙烧收缩率、吸水率 和抗压强度：干污泥( p = 2 4 ) 掺量在1 0 ，8 8 0 c 9 6 0 c 焙烧制得的干污泥粘土砖，性能良好。当干污 泥掺餐在2 0 时，9 6 0 c 1 0 0 0 c 焙烧制得的干污泥粘土砖抗压强度优于酱通粘土烧结砖。污泥灰和干污 泥砖的t c l p ( t h et o x i cc h a r a c t e r i s t i cl e a c h i n gt e s t s ) 试验表明砖体重金属溶出量远小于限制标准，用于建 筑时不会对环境造成危害。 2 3 x 1 1 0 x 6 0 m m2 4 h2 4 h 1 0 3 ( 2 6 l 图2 - 3 d c n g f e n gl i n 研究污泥制砖工艺路线图 马来西亚学者a g l i e w i ”谴行了干污泥制砖实验研究，其工艺流程如图2 - 4 所示 o ? 麓 嚣攀 一一强 舭 矩， 呼三曼熊黔戮麓 一 樯为弘罾鼍” 圈圆四回譬嚣 第章城市污泥处理处置技术及污泥制砖技术理论 图2 4a g l i e w 干污泥制砖工艺流程 、 原料先在1 0 5 条件下干燥至恒重，后混合制坯( 2 1 5 x1 0 2 5 6 5 m m ) ，再在1 5 0 条件下干燥8 天。 烧结过程中，先经1 2 h 升温至9 8 5 c ，再在9 8 5 ( 2 下烧结1 4 小时，后经1 6 小时缓慢降至常温。 对千污泥砖的吸水率、烧结收缩率、烧结质最损失率、抗压强度、密度及重金属溢出量分析表明： 掺加1 0 4 0 的干污泥( 质量) ，砖体性能能够满足马来西亚m s 7 6 ：1 9 7 2 标准，重金属溢出量很低。 可以用于砌筑一般墙体。 制革污泥含有大量的油类、脂肪、镁、钙、铬盐、惰性固体及皮革碎片，是公认的难处理物质之一。 巴西t a n i ab a s e g i 0 1 4 u l 研究利用制革污泥生产污泥粘土砖，其工艺流程图如下： 圈 匦囝匝乎上酽 孙 8 煳) q b d ，m 摊kl l o c a 图2 - 5 巴西t a n i ab a s e g i o 利用制革污泥制砖工艺流程 实验表明：掺加l o 左右制革污泥，砖体性能指标均能符合巴西国家墙体材料要求：同时，针对制 革污泥中含有毒重金属、s 0 4 2 。等物质较多，烧结过程易产生s 0 2 等有害气体的特点，t a n i ab a s e g i o 通过 添加适量c a o 来降低污染物的产生，烧结过程砖体内部会以下化学反应，可消除c r 3 + 和s 0 4 2 对环境的 危害。 1 c a o + s 0 2 + 0 2 专c a s 0 4 二 1 2 c a o + c r 2 0 3 + 三0 2 2 c a c r 0 4 ( t 6 0 0 。c ) 日本东京都下水道局以l o o 流化床污泥焚烧灰制造非承重用的地砖，其工艺流程图如下【”i ： 图2 石日本污泥焚烧灰制地砖工艺流程 其工艺要点主要包括： ( 1 ) 原料：污泥灰粒径应小于3 0 p m ，平均粒径在2 0 j u n 左右；污泥灰中有机质和水分含量小于1 ； c a o 含量控制在1 0 0 , 6 以下。 ( 2 ) 制坯：采用细灰注模、冲压成型工艺：模具内保持2 6 k p a 的真空，冲头压强为1 0 0 m p a 。 ( 3 ) 烧结：先经1 5 h 升温至9 2 7 ，维持l h 左右，再在1 0 0 0 下烧结l 小时，经4 小时降温至1 2 7 ， 后缓慢降至外界环境温度。 经上述工艺制造的1 0 0 污泥焚烧灰地砖，砖体各方面性能指标均优于传统粘士砖：地砖成本约为 2 5 美元块，市场销售价格约为j 美元，块，其中的价格差距如果由排水者承担，相当于每立方米排水分 摊0 0 5 美元，约为现排水费的4 ，经济上证明是可行的。 英国斯塔福德大学m i c h a e la n d e r s o n 等p ”利用等质龟的污泥流化床焚烧灰代替其中的沙组分( s a n d c o m p o n e n t ) 生产污泥粘土砖，物理性能测试结果衷明掺加8 污泥焚烧灰砖体性能有所提岛；德国b e r n d w i e b u s c h 和f r a n zs e y f r i e d ”“利用粘士和污泥灰生产污泥砖实验证明表明：污泥灰中铁和钙的含量对污泥砖 徊 荸芸砰卧 东南大学硕士论文 性能影响显著，污泥灰中铁含晕的增加可使砖体抗压强度提高，钙则使其降低。 同济大学张方梅等”1 对利用城f f j 排水管污泥做建材材料的可行性进行了研究，研究结果表明利