涂興宇，朱南文，袁海平

(上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

隨著經(jīng)濟(jì)水平和人民生活水平的不斷提高，人們的環(huán)境保護(hù)意識(shí)迅速增強(qiáng)，各種類型和不同規(guī)模的污水處理廠紛紛建成。隨之而來的污水處理的副產(chǎn)物——污泥的產(chǎn)量也迅速升高。

目前，污泥可行的處置方式主要有土地利用、填埋、焚燒、建材利用等幾種［1-3］。其中，污泥建材利用是污泥資源化方式的一種，它不僅有效解決了污泥對(duì)環(huán)境造成危害的問題，同時(shí)也達(dá)到變廢為寶、綜合利用的目的，相對(duì)其他處置方式，更符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

1 污泥建材利用的途徑

日本是世界上對(duì)污泥建材利用最重視的國(guó)家，從1991 年至今，已有八家城市污水處理廠先后引進(jìn)了污泥焚燒灰制磚技術(shù)［4］，并建造了一座11 萬t/d的生態(tài)水泥廠［5］。不僅如此，日本還投入大量資金對(duì)利用污泥進(jìn)行玻璃化、熔渣化以及制造纖維板等技術(shù)進(jìn)行研究與開發(fā)［6］。德國(guó)，早在1995 年就對(duì)16 個(gè)污泥焚燒單位的污泥灰進(jìn)行了制作建材的可行性分析研究。到2003 年，德國(guó)已有10%的污泥回用于建造業(yè)［7］。西班牙和加拿大，利用特定型號(hào)的水泥或再加入一定量的粉煤灰對(duì)濕污泥直接固化、制成型材的技術(shù)已經(jīng)獲得了有關(guān)機(jī)構(gòu)的認(rèn)可，并通過環(huán)保公司進(jìn)行推廣［8］。美國(guó)在利用污泥制造“生物磚”、水泥、瓦片等方面也進(jìn)行了大量的研究，并將此作為污泥處置的一種“先進(jìn)技術(shù)”加以推廣［9］。而我國(guó)，在原料中添加脫水污泥來制造陶粒，也已有較大規(guī)模的應(yīng)用研究［10］。

總的來說，污泥的建材利用技術(shù)已經(jīng)成熟，應(yīng)用前景良好。從所得建材的種類來看，污泥的建材利用大致可分為制磚、制水泥、制輕骨料、制玻璃以及制生化纖維板等。

1.1 污泥制磚

污泥制磚主要有用污泥焚燒灰制磚;使用干化污泥直接制磚。

制磚工業(yè)中磚塊的主要原料為黏土。Bernd Wiebusch 等［11］對(duì)德國(guó)的生活污泥焚燒灰和黏土的化學(xué)成分進(jìn)行了比較，結(jié)果如表1 所示，表中A、B、C、D四種污泥焚燒灰分別來自四家不同的污泥焚燒廠。

表1 污泥焚燒灰與黏土化學(xué)組成比較Tab.1 Chemical Composition of Sewage Sludge Ash and Clay

而在Maria P. Durante Ingunza 等［12］的研究中，則比較了脫水污泥與兩種礦物質(zhì)組成不同的黏土的化學(xué)成分，對(duì)比結(jié)果如表2 所示。

表2 脫水污泥與黏土化學(xué)組成比較Tab.2 Chemical Composition of Dewatered Sewage Sludge and Clay

由表1、表2 可知雖然污泥焚燒灰和脫水污泥中SiO2的含量均遠(yuǎn)低于黏土中SiO2的含量，但三者的主要成分均是SiO2，這一特性成為污泥可做制磚材料的基礎(chǔ)。并且，其他成分的區(qū)別，并不十分明顯，這說明使用污泥制磚是基本可行的。

有關(guān)污泥制磚的研究最早出現(xiàn)在20 世紀(jì)80 年代，之后便迅速發(fā)展。1984 年，美國(guó)學(xué)者作了污泥與黏土和頁(yè)巖混合制磚的研究［13］，當(dāng)將黏土與污泥以2∶1初步混合，之后再以含固率15% ～25%的污泥調(diào)節(jié)物料比例。研究表明為混入污泥的最高體積分?jǐn)?shù)為25% ～30%時(shí)，能滿足美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)所要求的大于20. 7 ×103kPa 的抗壓強(qiáng)度與小于17%的5 h 沸水吸水率;1987 年，新加坡學(xué)者分別研究了干污泥與黏土混合以及污泥焚燒灰與黏土混合制磚［14］，結(jié)果表明添加干污泥的最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，而污泥焚燒灰的最大添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)則為50%;1997 年，德國(guó)學(xué)者也作了黏土混合污泥焚燒灰制磚的研究，他們發(fā)現(xiàn)不同的污水處理工藝影響了污泥焚燒灰的性質(zhì)，而不同的焚燒灰對(duì)磚塊的性質(zhì)也有影響［11］;2001 年，有學(xué)者又對(duì)黏土添加污泥焚燒灰制磚進(jìn)行了研究［15］，發(fā)現(xiàn)污泥焚燒灰的比例和燒制溫度是影響磚的質(zhì)量的兩個(gè)關(guān)鍵性因素。2012 年，有學(xué)者做了紡織廢水污泥制磚的研究［16］，當(dāng)污泥在黏土中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)20%時(shí)，磚的質(zhì)量仍符合要求，浸出與溶解試驗(yàn)也都符合相關(guān)要求。

污泥制磚從技術(shù)開發(fā)到工程應(yīng)用歷程極短，1991 年，日本南部的一個(gè)污水處理廠建成了世界上第一個(gè)利用污泥焚燒灰制磚的工廠［4］;到1997 年，已經(jīng)另有7 家工廠建成使用。這些工廠每天利用1 ～15 t焚燒灰，生產(chǎn)370 ～5 500 塊磚。該廠的工藝流程如圖1 所示。該工藝的最大特點(diǎn)在于焚燒后的污泥灰是唯一的原料，不需要其他添加劑，成品的合格率大約是9%。

圖1 污泥磚生產(chǎn)工藝流程Fig.1 Flow Chart of Sewage Brick Processes

總的來說利用污泥制磚，能夠滿足強(qiáng)度、吸水率等各種標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)環(huán)境的影響可以通過控制工藝來達(dá)到要求，但目前還存在一定的局限性。利用污泥焚燒灰制磚在日本有較多應(yīng)用，但其問題在于中間多了焚燒過程，能耗、成本都較高，作為污泥處置方法并不經(jīng)濟(jì)。而利用干污泥制磚，雖然免去了焚燒過程，但污泥添加量超過10%時(shí)，就容易在燒制過程中開裂。因此，一般建議污泥作為制磚配料投加的量與黏土的比例在1∶10 左右［17］。從這個(gè)角度來說單位磚塊污泥消耗量偏低，與希望通過制磚來處置較大量污泥的初衷相悖。在這個(gè)過程中還需要90%的黏土，而黏土的大量開采又將造成耕地資源的破壞。

1.2 污泥制輕骨料

和污泥制磚類似，污泥能夠用來作為制造輕骨料的基礎(chǔ)，其在于污泥與黏土組成的相似性［11，12，18］。大量研究結(jié)果表明污泥在磚窯中以1 050 ～1 100 ℃進(jìn)行處理，得到的產(chǎn)品可用于部分替代混泥土制作中所需要的輕骨料，污泥所制輕骨料的低密度、熱絕緣性能、抗高溫性能以及抗壓強(qiáng)度完全可以與普通的輕骨料相媲美甚至優(yōu)于普通的輕骨料，能完全符合中等強(qiáng)度混泥土制作中對(duì)輕骨料性能的要求［18］。

Kato 等［19］用研磨的污泥焚燒灰制造精細(xì)輕骨料，將收集的污泥焚燒灰與水及一酒精廠的廢液混合，將混合物顆?；⒃? 050 ℃下焙燒，最后所得物質(zhì)比傳統(tǒng)精細(xì)輕骨料密度更小，強(qiáng)度稍低。1996年，第一個(gè)完整規(guī)模的利用污泥焚燒灰制造輕骨料的工廠在日本南部投入使用。該工廠產(chǎn)能為500 kg/h，而原料則100%采用污泥焚燒灰。圖2 展示了該工藝的整個(gè)流程［20］。該廠最大的特點(diǎn)在于100%采用污泥焚燒灰作為原料，產(chǎn)品則廣泛用于隔熱、防火、種植土壤等方面。

圖2 人造輕骨料生產(chǎn)工藝流程Fig.2 Flow Chart of Artificial Lightweight Aggregate Processes

在我國(guó)利用污泥制造輕骨料的工程實(shí)例也并不少見。但與日本的不同之處在于我國(guó)利用污泥制磚輕骨料所用污泥都以脫水污泥為主，而非污泥焚燒灰。另外，我國(guó)目前利用污泥制造輕骨料的主要形式是陶粒，而陶粒則是輕骨料家族中十分重要的一個(gè)成員，也是應(yīng)用最多的一種輕骨料。表3 為我國(guó)部分陶粒生產(chǎn)廠家的狀況［21］。

表3 我國(guó)部分陶粒生產(chǎn)廠家概況Tab.3 Overview of Several Ceramic Manufacturers in China

續(xù) 表

目前，我國(guó)已建和在建的陶粒生產(chǎn)線基本上都是以各類淤泥、粉煤灰、工業(yè)廢棄物、尾礦渣等為主要基料，添配污泥等有機(jī)質(zhì)燒制陶粒，這也成為我國(guó)陶粒工業(yè)近年來發(fā)展的一大特點(diǎn)。粗略估算，現(xiàn)利用各種固棄物生產(chǎn)陶粒的總量已占全國(guó)陶粒生產(chǎn)總量的40%以上［21］。由此可見，在利用污泥制造陶?；蛘哒f利用污泥制造輕骨料領(lǐng)域，中國(guó)走在了世界的前列。

1.3 污泥制水泥

眾所周知，水泥窯爐具有燃燒爐溫高和處理物料量大等特點(diǎn)，且水泥廠配備大量的環(huán)保設(shè)施。垃圾焚燒灰的化學(xué)成分中一般有80%以上的礦物質(zhì)是水泥熟料的基本成分(CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3)［22］。而脫水污泥不僅可用作制造水泥的原料，而且也能起到提供熱值的作用［23，24］。如果不考慮脫水污泥運(yùn)輸費(fèi)用，利用水泥窯協(xié)同處置脫水污泥更為經(jīng)濟(jì)，因?yàn)楸苊饬舜罅糠贌隣t的使用，從而節(jié)約大量建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用［25］。由此可見在尋求污泥廢物材料利用的過程中，找到了污泥與水泥行業(yè)的結(jié)合點(diǎn)。

波特蘭水泥制造廠可以部分地接受污泥焚燒灰、干化污泥或脫水污泥餅，作為生產(chǎn)原料，具體的污泥形態(tài)要求決定了該廠的預(yù)處理技術(shù)工藝。圖3示意了相關(guān)的原料預(yù)處理工藝。

圖3 污泥制波特蘭水泥的可能預(yù)處理工藝Fig.3 Pretreatment of Sludge for Making Portland Cement

用污泥制水泥的報(bào)道，最早見于20 世紀(jì)80 年代［26］，現(xiàn)在已取得較大發(fā)展。

日本主要采用污泥焚燒灰來制造水泥。20 世紀(jì)90 年代日本有一條日產(chǎn)50 t 生態(tài)水泥的干法回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線采用了部分污泥焚燒灰作原料，節(jié)省了大量原料［27］。2001 年4 月，日本原生態(tài)水泥株式會(huì)社在千葉縣市原市建成一條普通生態(tài)水泥生產(chǎn)線，其原料也部分采用污泥焚燒灰［28］。

其他國(guó)家利用脫水污泥制水泥的方式則更為多見。目前，在德國(guó)水泥行業(yè)中，使用脫水污泥替代燃料的比例為8% ～10%;美國(guó)加利福尼亞某水泥企業(yè)替代燃料中，脫水污泥的比例約占12% ～15%，而美國(guó)全部污水處理廠中，采用焚燒方式處理污泥的約200 座，占全美污泥處理總量的20%，而這其中的6%又采用了水泥窯協(xié)同焚燒方式處置［29］。

在充分學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我國(guó)也進(jìn)行了這方面的探索實(shí)踐，先后開展了若干污泥水泥窯協(xié)同處置項(xiàng)目。表4 是我國(guó)目前已建及在建的污泥水泥窯協(xié)同處置項(xiàng)目(以污泥含水率20%計(jì))［29］。由表4 可知目前這些項(xiàng)目設(shè)計(jì)能力還相對(duì)較低，與西方發(fā)達(dá)國(guó)家水平尚有較大差距，有待進(jìn)一步研究和發(fā)展。

表4 我國(guó)目前主要城鎮(zhèn)污泥水泥窯協(xié)同處置項(xiàng)目概況Tab.4 Projects of Sludge Disposal by Cement Kiln in China

值得注意的是利用污泥制水泥雖然有徹底分解有機(jī)物［30］、固化重金屬［31］等優(yōu)點(diǎn)，但也存在制得水泥強(qiáng)度較低的問題。研究表明加入平均0.4%的污泥會(huì)使波特蘭水泥構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度降低10%;同時(shí)，如果污泥加入量超過2%，水泥的強(qiáng)度將急劇下降［32］。在實(shí)際應(yīng)用中，這些因素應(yīng)給予充分考慮。

1.4 污泥建材利用的其他途徑

污泥的建材利用，除了上面介紹的污泥制磚、制輕骨料和制水泥以外，還有污泥制玻璃［33］、污泥制生化纖維板［34］等其他途徑。例如，污泥制生化纖維板主要就是利用活性污泥中所含粗蛋白(有機(jī)物)與球蛋白(酶)能溶解于水及稀酸、稀堿、中性鹽的水溶液這一性質(zhì)，在堿性條件下加熱、干燥、加壓后，發(fā)生蛋白質(zhì)的變性作用，從而制成活性污泥樹脂(又稱蛋白膠)，使之與漂白、脫脂處理的廢纖維壓制成板材。

2 分析評(píng)價(jià)

從前面對(duì)污泥建材利用各種途徑的介紹可以看出，污泥的建材利用固然有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一定的局限性。從世界各國(guó)應(yīng)用工程實(shí)例來看，污泥制磚、制水泥、制輕骨料在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上以及污染控制方面是可行的，應(yīng)用也較為廣泛;而以污泥制作玻璃、生化纖維板等方面，由于成本太高，結(jié)合中國(guó)國(guó)情來看，難以實(shí)施。在實(shí)際應(yīng)用中，尚需結(jié)合污泥性質(zhì)、當(dāng)?shù)氐厍?、?jīng)濟(jì)水平等多種因素來綜合分析評(píng)價(jià)。

2.1 經(jīng)濟(jì)、技術(shù)可行性

在磚塊制作上，污泥原料可以是干污泥，也可以是污泥焚燒灰。但干污泥制磚運(yùn)輸成本高、污泥處理量低;而污泥焚燒灰制磚又存在污泥焚燒成本高的問題。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合具體情況具體分析，如污水處理廠離制磚廠較近，則可考慮干污泥制磚;又如上海目前已有桃浦焚燒廠、石洞口污水處理廠污泥進(jìn)行焚燒處置，則可考慮污泥焚燒灰制磚。

污泥制造水泥也可利用干污泥和焚燒灰制作，兩者對(duì)水泥性狀的影響并無差別。但和污泥制磚類似，干污泥制水泥也存在運(yùn)輸成本高、污泥處理量低的問題，并且使水泥制作過程中產(chǎn)生的尾氣帶有臭味;污泥焚燒灰制水泥的問題則在于污泥焚燒成本過高。

至于利用污泥制輕骨料，目前我國(guó)主要是利用脫水污泥、底泥來制磚陶粒。污泥、底泥的成本比黏土的成本要低，因此相對(duì)于其銷售價(jià)而言，有較大盈利空間。但如果將運(yùn)輸費(fèi)用也計(jì)算在內(nèi)，則產(chǎn)品就未必有很高的盈利空間了。

由上述分析可知污泥的建材利用先要合理解決經(jīng)濟(jì)上的難題:對(duì)于利用污泥制作建材，可尋求現(xiàn)有制磚廠、水泥廠的配合，作為補(bǔ)償，排水部門可給予對(duì)方一定的補(bǔ)貼，這部分補(bǔ)貼部分可來自污泥原先的處置費(fèi)用;此外要在技術(shù)上注意改進(jìn)污泥處理量偏低、易產(chǎn)生臭氣等問題。我國(guó)污泥有機(jī)質(zhì)含量較低，國(guó)外VSS/SS 一般為60% ～70%，而我國(guó)VSS/SS 為30% ～50%;另外，由于污水廠普遍采用圓形沉砂池，脫砂效率低，加上大量的基建施工，導(dǎo)致泥砂水排入污水管網(wǎng)系統(tǒng)，污泥含砂量很高。同時(shí)，工業(yè)水源頭處理率低，污水處理階段無法去除重金屬，污泥中重金屬含量偏高［35］。

2.2 環(huán)境影響

污泥建材利用對(duì)環(huán)境可能帶來一定的影響。但是，從日本、美國(guó)污泥等廢料利用情況來看，由于污泥利用過程中通常經(jīng)過超過1 000 ℃的高溫處理，可使廢氣中的二英(PCDD)/呋喃(PCDF)、揮發(fā)和半揮發(fā)有機(jī)物等得到較好的控制，而TSP、顆粒態(tài)只要采用適當(dāng)?shù)奈矚庵卫泶胧?，也不?huì)對(duì)大氣造成污染。

污泥中含有的重金屬在建材利用過程中，一部分會(huì)水灰渣進(jìn)入建材而被固化其中，重金屬失去游離性，通常不會(huì)隨浸出液滲透到環(huán)境中，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大的危害。但值得注意的是污泥制成的建材，要視其重金屬含量以及浸出效果，注意選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)用場(chǎng)合。因此，在污泥建材利用中，應(yīng)注意遵循一定的規(guī)范。

由于高溫環(huán)境，污泥中的一些沸點(diǎn)較低的重金屬，如Zn、Cu、Hg 等，容易游離到氣相中，因此在制成的建材中，重金屬含量會(huì)有較大程度的降低。但是，因揮發(fā)而游離到氣相中的重金屬容易附著在煙氣的塵粒上，因而收集的飛灰應(yīng)該作為危險(xiǎn)廢物進(jìn)行慎重處理。

當(dāng)然，污泥建材利用必須遵循一定的法規(guī)。這些法規(guī)大體可分為，污泥建材質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、污泥建材利用環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)。在污泥建材利用上，日本的法規(guī)已經(jīng)比較詳盡;歐盟利用火力發(fā)電廠焚燒灰燼已有40 年的歷史，污泥建材利用標(biāo)準(zhǔn)主要從1965 年有關(guān)的法規(guī)衍生而來，關(guān)于污泥建材利用上，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要有GSC、EN450、DIN1164 以及EN197-1;美國(guó)在灰渣利用上，有些州也已經(jīng)出臺(tái)了一些規(guī)范。我國(guó)在建材利用上，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)可以遵循《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)燒結(jié)普通磚》(GB 5101—93)、《超輕陶粒和陶砂》(JC 487—92)、《硅酸鹽建筑制品用砂》(JC/T 622—1996);而環(huán)境控制則可以依據(jù)《建筑材料用工業(yè)廢渣放射性物質(zhì)限制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 6763—86)、《有色金屬工業(yè)固體廢棄物污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5085—85)來執(zhí)行，重金屬浸出率可按《有色金屬工業(yè)固體廢物浸出毒性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5086—85)來進(jìn)行測(cè)試。

2.3 政策導(dǎo)向與相關(guān)扶持

污泥的建材利用，目前看來，還存在銷路不暢、相關(guān)建材生產(chǎn)廠家積極性不高等問題。究其原因主要在于:(1)由于其原料的來源問題，公眾對(duì)污泥制成的建材接受程度較低，進(jìn)而對(duì)污泥所制建材的銷量產(chǎn)生影響;(2)相關(guān)建材生產(chǎn)廠家利用污泥作原料(添加料)，由于存在運(yùn)輸成本較高、銷售價(jià)格偏低等問題，導(dǎo)致盈利不夠，進(jìn)而對(duì)污泥作為建材的原料態(tài)度不夠積極。要解決這些問題，政府應(yīng)考慮出臺(tái)相關(guān)的政策，并提供一定的扶持。

從宣傳角度講，政府可考慮宣傳污泥建材的“生態(tài)性”、“環(huán)保性”、“無害性”，以提高公眾對(duì)污泥制成的建材的接受程度。

從資金角度講，政府應(yīng)考慮對(duì)接受污泥的廠家減免部分稅收、提供部分銀行信貸;如果排水部門自建污泥建材廠，還要考慮提供一定的基建費(fèi)用。

從市場(chǎng)角度講，以污泥為原料或添加料制成的建材，其最理想的去向是用于街道、公園等路面公共設(shè)施的建設(shè)，而這就需要政府部門相關(guān)政策的鼓勵(lì)和協(xié)調(diào)。

3 結(jié)語

污泥建材利用的最終產(chǎn)物是可在各種類型建筑工程中使用的材料制品，因此無需依賴土地作為其最終消納的載體。同時(shí)，污泥還能替代一部分用于制造建筑材料的原料(如黏土、頁(yè)巖等)，因此又具有資源保護(hù)的意義。

目前看來，污泥建材利用在污泥常見處置方式中占比還并不算高。但是，由于相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和法律法規(guī)越來越嚴(yán)格、土地資源越來越稀缺，污泥農(nóng)用與衛(wèi)生填埋所占比例逐漸降低是必然的趨勢(shì)，污泥建材利用必將進(jìn)一步發(fā)展。結(jié)合我國(guó)國(guó)情來看，由于污泥焚燒在所有污泥處置方式中成本最高，相對(duì)而言污泥的建材利用則更具現(xiàn)實(shí)性和可行性。

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