污泥建材利用途径与评价

涂兴宇，朱南文，袁海平

(上海交通大学环境科学与工程学院，上海 200240)

随着经济水平和人民生活水平的不断提高，人们的环境保护意识迅速增强，各种类型和不同规模的污水处理厂纷纷建成。随之而来的污水处理的副产物——污泥的产量也迅速升高。

目前，污泥可行的处置方式主要有土地利用、填埋、焚烧、建材利用等几种［1-3］。其中，污泥建材利用是污泥资源化方式的一种，它不仅有效解决了污泥对环境造成危害的问题，同时也达到变废为宝、综合利用的目的，相对其他处置方式，更符合可持续发展战略。

1 污泥建材利用的途径

日本是世界上对污泥建材利用最重视的国家，从1991 年至今，已有八家城市污水处理厂先后引进了污泥焚烧灰制砖技术［4］，并建造了一座11 万t/d的生态水泥厂［5］。不仅如此，日本还投入大量资金对利用污泥进行玻璃化、熔渣化以及制造纤维板等技术进行研究与开发［6］。德国，早在1995 年就对16 个污泥焚烧单位的污泥灰进行了制作建材的可行性分析研究。到2003 年，德国已有10%的污泥回用于建造业［7］。西班牙和加拿大，利用特定型号的水泥或再加入一定量的粉煤灰对湿污泥直接固化、制成型材的技术已经获得了有关机构的认可，并通过环保公司进行推广［8］。美国在利用污泥制造“生物砖”、水泥、瓦片等方面也进行了大量的研究，并将此作为污泥处置的一种“先进技术”加以推广［9］。而我国，在原料中添加脱水污泥来制造陶粒，也已有较大规模的应用研究［10］。

总的来说，污泥的建材利用技术已经成熟，应用前景良好。从所得建材的种类来看，污泥的建材利用大致可分为制砖、制水泥、制轻骨料、制玻璃以及制生化纤维板等。

1.1 污泥制砖

污泥制砖主要有用污泥焚烧灰制砖;使用干化污泥直接制砖。

制砖工业中砖块的主要原料为黏土。Bernd Wiebusch 等［11］对德国的生活污泥焚烧灰和黏土的化学成分进行了比较，结果如表1 所示，表中A、B、C、D四种污泥焚烧灰分别来自四家不同的污泥焚烧厂。

表1 污泥焚烧灰与黏土化学组成比较Tab.1 Chemical Composition of Sewage Sludge Ash and Clay

而在Maria P. Durante Ingunza 等［12］的研究中，则比较了脱水污泥与两种矿物质组成不同的黏土的化学成分，对比结果如表2 所示。

表2 脱水污泥与黏土化学组成比较Tab.2 Chemical Composition of Dewatered Sewage Sludge and Clay

由表1、表2 可知虽然污泥焚烧灰和脱水污泥中SiO2的含量均远低于黏土中SiO2的含量，但三者的主要成分均是SiO2，这一特性成为污泥可做制砖材料的基础。并且，其他成分的区别，并不十分明显，这说明使用污泥制砖是基本可行的。

有关污泥制砖的研究最早出现在20 世纪80 年代，之后便迅速发展。1984 年，美国学者作了污泥与黏土和页岩混合制砖的研究［13］，当将黏土与污泥以2∶1初步混合，之后再以含固率15% ～25%的污泥调节物料比例。研究表明为混入污泥的最高体积分数为25% ～30%时，能满足美国材料与试验协会所要求的大于20. 7 ×103kPa 的抗压强度与小于17%的5 h 沸水吸水率;1987 年，新加坡学者分别研究了干污泥与黏土混合以及污泥焚烧灰与黏土混合制砖［14］，结果表明添加干污泥的最大质量分数为40%，而污泥焚烧灰的最大添加质量分数则为50%;1997 年，德国学者也作了黏土混合污泥焚烧灰制砖的研究，他们发现不同的污水处理工艺影响了污泥焚烧灰的性质，而不同的焚烧灰对砖块的性质也有影响［11］;2001 年，有学者又对黏土添加污泥焚烧灰制砖进行了研究［15］，发现污泥焚烧灰的比例和烧制温度是影响砖的质量的两个关键性因素。2012 年，有学者做了纺织废水污泥制砖的研究［16］，当污泥在黏土中添加质量分数最高达20%时，砖的质量仍符合要求，浸出与溶解试验也都符合相关要求。

污泥制砖从技术开发到工程应用历程极短，1991 年，日本南部的一个污水处理厂建成了世界上第一个利用污泥焚烧灰制砖的工厂［4］;到1997 年，已经另有7 家工厂建成使用。这些工厂每天利用1 ～15 t焚烧灰，生产370 ～5 500 块砖。该厂的工艺流程如图1 所示。该工艺的最大特点在于焚烧后的污泥灰是唯一的原料，不需要其他添加剂，成品的合格率大约是9%。

图1 污泥砖生产工艺流程Fig.1 Flow Chart of Sewage Brick Processes

总的来说利用污泥制砖，能够满足强度、吸水率等各种标准，对环境的影响可以通过控制工艺来达到要求，但目前还存在一定的局限性。利用污泥焚烧灰制砖在日本有较多应用，但其问题在于中间多了焚烧过程，能耗、成本都较高，作为污泥处置方法并不经济。而利用干污泥制砖，虽然免去了焚烧过程，但污泥添加量超过10%时，就容易在烧制过程中开裂。因此，一般建议污泥作为制砖配料投加的量与黏土的比例在1∶10 左右［17］。从这个角度来说单位砖块污泥消耗量偏低，与希望通过制砖来处置较大量污泥的初衷相悖。在这个过程中还需要90%的黏土，而黏土的大量开采又将造成耕地资源的破坏。

1.2 污泥制轻骨料

和污泥制砖类似，污泥能够用来作为制造轻骨料的基础，其在于污泥与黏土组成的相似性［11，12，18］。大量研究结果表明污泥在砖窑中以1 050 ～1 100 ℃进行处理，得到的产品可用于部分替代混泥土制作中所需要的轻骨料，污泥所制轻骨料的低密度、热绝缘性能、抗高温性能以及抗压强度完全可以与普通的轻骨料相媲美甚至优于普通的轻骨料，能完全符合中等强度混泥土制作中对轻骨料性能的要求［18］。

Kato 等［19］用研磨的污泥焚烧灰制造精细轻骨料，将收集的污泥焚烧灰与水及一酒精厂的废液混合，将混合物颗粒化并在1 050 ℃下焙烧，最后所得物质比传统精细轻骨料密度更小，强度稍低。1996年，第一个完整规模的利用污泥焚烧灰制造轻骨料的工厂在日本南部投入使用。该工厂产能为500 kg/h，而原料则100%采用污泥焚烧灰。图2 展示了该工艺的整个流程［20］。该厂最大的特点在于100%采用污泥焚烧灰作为原料，产品则广泛用于隔热、防火、种植土壤等方面。

图2 人造轻骨料生产工艺流程Fig.2 Flow Chart of Artificial Lightweight Aggregate Processes

在我国利用污泥制造轻骨料的工程实例也并不少见。但与日本的不同之处在于我国利用污泥制砖轻骨料所用污泥都以脱水污泥为主，而非污泥焚烧灰。另外，我国目前利用污泥制造轻骨料的主要形式是陶粒，而陶粒则是轻骨料家族中十分重要的一个成员，也是应用最多的一种轻骨料。表3 为我国部分陶粒生产厂家的状况［21］。

表3 我国部分陶粒生产厂家概况Tab.3 Overview of Several Ceramic Manufacturers in China

续 表

目前，我国已建和在建的陶粒生产线基本上都是以各类淤泥、粉煤灰、工业废弃物、尾矿渣等为主要基料，添配污泥等有机质烧制陶粒，这也成为我国陶粒工业近年来发展的一大特点。粗略估算，现利用各种固弃物生产陶粒的总量已占全国陶粒生产总量的40%以上［21］。由此可见，在利用污泥制造陶粒或者说利用污泥制造轻骨料领域，中国走在了世界的前列。

1.3 污泥制水泥

众所周知，水泥窑炉具有燃烧炉温高和处理物料量大等特点，且水泥厂配备大量的环保设施。垃圾焚烧灰的化学成分中一般有80%以上的矿物质是水泥熟料的基本成分(CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3)［22］。而脱水污泥不仅可用作制造水泥的原料，而且也能起到提供热值的作用［23，24］。如果不考虑脱水污泥运输费用，利用水泥窑协同处置脱水污泥更为经济，因为避免了大量焚烧炉的使用，从而节约大量建设费用和运行维护费用［25］。由此可见在寻求污泥废物材料利用的过程中，找到了污泥与水泥行业的结合点。

波特兰水泥制造厂可以部分地接受污泥焚烧灰、干化污泥或脱水污泥饼，作为生产原料，具体的污泥形态要求决定了该厂的预处理技术工艺。图3示意了相关的原料预处理工艺。

图3 污泥制波特兰水泥的可能预处理工艺Fig.3 Pretreatment of Sludge for Making Portland Cement

用污泥制水泥的报道，最早见于20 世纪80 年代［26］，现在已取得较大发展。

日本主要采用污泥焚烧灰来制造水泥。20 世纪90 年代日本有一条日产50 t 生态水泥的干法回转窑生产线采用了部分污泥焚烧灰作原料，节省了大量原料［27］。2001 年4 月，日本原生态水泥株式会社在千叶县市原市建成一条普通生态水泥生产线，其原料也部分采用污泥焚烧灰［28］。

其他国家利用脱水污泥制水泥的方式则更为多见。目前，在德国水泥行业中，使用脱水污泥替代燃料的比例为8% ～10%;美国加利福尼亚某水泥企业替代燃料中，脱水污泥的比例约占12% ～15%，而美国全部污水处理厂中，采用焚烧方式处理污泥的约200 座，占全美污泥处理总量的20%，而这其中的6%又采用了水泥窑协同焚烧方式处置［29］。

在充分学习国外先进经验的基础上，我国也进行了这方面的探索实践，先后开展了若干污泥水泥窑协同处置项目。表4 是我国目前已建及在建的污泥水泥窑协同处置项目(以污泥含水率20%计)［29］。由表4 可知目前这些项目设计能力还相对较低，与西方发达国家水平尚有较大差距，有待进一步研究和发展。

表4 我国目前主要城镇污泥水泥窑协同处置项目概况Tab.4 Projects of Sludge Disposal by Cement Kiln in China

值得注意的是利用污泥制水泥虽然有彻底分解有机物［30］、固化重金属［31］等优点，但也存在制得水泥强度较低的问题。研究表明加入平均0.4%的污泥会使波特兰水泥构件的抗压强度降低10%;同时，如果污泥加入量超过2%，水泥的强度将急剧下降［32］。在实际应用中，这些因素应给予充分考虑。

1.4 污泥建材利用的其他途径

污泥的建材利用，除了上面介绍的污泥制砖、制轻骨料和制水泥以外，还有污泥制玻璃［33］、污泥制生化纤维板［34］等其他途径。例如，污泥制生化纤维板主要就是利用活性污泥中所含粗蛋白(有机物)与球蛋白(酶)能溶解于水及稀酸、稀碱、中性盐的水溶液这一性质，在碱性条件下加热、干燥、加压后，发生蛋白质的变性作用，从而制成活性污泥树脂(又称蛋白胶)，使之与漂白、脱脂处理的废纤维压制成板材。

2 分析评价

从前面对污泥建材利用各种途径的介绍可以看出，污泥的建材利用固然有其独到的优点，但也存在一定的局限性。从世界各国应用工程实例来看，污泥制砖、制水泥、制轻骨料在技术上、经济上以及污染控制方面是可行的，应用也较为广泛;而以污泥制作玻璃、生化纤维板等方面，由于成本太高，结合中国国情来看，难以实施。在实际应用中，尚需结合污泥性质、当地地情、经济水平等多种因素来综合分析评价。

2.1 经济、技术可行性

在砖块制作上，污泥原料可以是干污泥，也可以是污泥焚烧灰。但干污泥制砖运输成本高、污泥处理量低;而污泥焚烧灰制砖又存在污泥焚烧成本高的问题。实际应用中应结合具体情况具体分析，如污水处理厂离制砖厂较近，则可考虑干污泥制砖;又如上海目前已有桃浦焚烧厂、石洞口污水处理厂污泥进行焚烧处置，则可考虑污泥焚烧灰制砖。

污泥制造水泥也可利用干污泥和焚烧灰制作，两者对水泥性状的影响并无差别。但和污泥制砖类似，干污泥制水泥也存在运输成本高、污泥处理量低的问题，并且使水泥制作过程中产生的尾气带有臭味;污泥焚烧灰制水泥的问题则在于污泥焚烧成本过高。

至于利用污泥制轻骨料，目前我国主要是利用脱水污泥、底泥来制砖陶粒。污泥、底泥的成本比黏土的成本要低，因此相对于其销售价而言，有较大盈利空间。但如果将运输费用也计算在内，则产品就未必有很高的盈利空间了。

由上述分析可知污泥的建材利用先要合理解决经济上的难题:对于利用污泥制作建材，可寻求现有制砖厂、水泥厂的配合，作为补偿，排水部门可给予对方一定的补贴，这部分补贴部分可来自污泥原先的处置费用;此外要在技术上注意改进污泥处理量偏低、易产生臭气等问题。我国污泥有机质含量较低，国外VSS/SS 一般为60% ～70%，而我国VSS/SS 为30% ～50%;另外，由于污水厂普遍采用圆形沉砂池，脱砂效率低，加上大量的基建施工，导致泥砂水排入污水管网系统，污泥含砂量很高。同时，工业水源头处理率低，污水处理阶段无法去除重金属，污泥中重金属含量偏高［35］。

2.2 环境影响

污泥建材利用对环境可能带来一定的影响。但是，从日本、美国污泥等废料利用情况来看，由于污泥利用过程中通常经过超过1 000 ℃的高温处理，可使废气中的二英(PCDD)/呋喃(PCDF)、挥发和半挥发有机物等得到较好的控制，而TSP、颗粒态只要采用适当的尾气治理措施，也不会对大气造成污染。

污泥中含有的重金属在建材利用过程中，一部分会水灰渣进入建材而被固化其中，重金属失去游离性，通常不会随浸出液渗透到环境中，不会对环境造成较大的危害。但值得注意的是污泥制成的建材，要视其重金属含量以及浸出效果，注意选择适当的应用场合。因此，在污泥建材利用中，应注意遵循一定的规范。

由于高温环境，污泥中的一些沸点较低的重金属，如Zn、Cu、Hg 等，容易游离到气相中，因此在制成的建材中，重金属含量会有较大程度的降低。但是，因挥发而游离到气相中的重金属容易附着在烟气的尘粒上，因而收集的飞灰应该作为危险废物进行慎重处理。

当然，污泥建材利用必须遵循一定的法规。这些法规大体可分为，污泥建材质量标准、污泥建材利用环境控制标准。在污泥建材利用上，日本的法规已经比较详尽;欧盟利用火力发电厂焚烧灰烬已有40 年的历史，污泥建材利用标准主要从1965 年有关的法规衍生而来，关于污泥建材利用上，相关的标准主要有GSC、EN450、DIN1164 以及EN197-1;美国在灰渣利用上，有些州也已经出台了一些规范。我国在建材利用上，质量标准可以遵循《中华人民共和国国家标准烧结普通砖》(GB 5101—93)、《超轻陶粒和陶砂》(JC 487—92)、《硅酸盐建筑制品用砂》(JC/T 622—1996);而环境控制则可以依据《建筑材料用工业废渣放射性物质限制标准》(GB 6763—86)、《有色金属工业固体废弃物污染控制标准》(GB 5085—85)来执行，重金属浸出率可按《有色金属工业固体废物浸出毒性试验方法标准》(GB 5086—85)来进行测试。

2.3 政策导向与相关扶持

污泥的建材利用，目前看来，还存在销路不畅、相关建材生产厂家积极性不高等问题。究其原因主要在于:(1)由于其原料的来源问题，公众对污泥制成的建材接受程度较低，进而对污泥所制建材的销量产生影响;(2)相关建材生产厂家利用污泥作原料(添加料)，由于存在运输成本较高、销售价格偏低等问题，导致盈利不够，进而对污泥作为建材的原料态度不够积极。要解决这些问题，政府应考虑出台相关的政策，并提供一定的扶持。

从宣传角度讲，政府可考虑宣传污泥建材的“生态性”、“环保性”、“无害性”，以提高公众对污泥制成的建材的接受程度。

从资金角度讲，政府应考虑对接受污泥的厂家减免部分税收、提供部分银行信贷;如果排水部门自建污泥建材厂，还要考虑提供一定的基建费用。

从市场角度讲，以污泥为原料或添加料制成的建材，其最理想的去向是用于街道、公园等路面公共设施的建设，而这就需要政府部门相关政策的鼓励和协调。

3 结语

污泥建材利用的最终产物是可在各种类型建筑工程中使用的材料制品，因此无需依赖土地作为其最终消纳的载体。同时，污泥还能替代一部分用于制造建筑材料的原料(如黏土、页岩等)，因此又具有资源保护的意义。

目前看来，污泥建材利用在污泥常见处置方式中占比还并不算高。但是，由于相关的标准和法律法规越来越严格、土地资源越来越稀缺，污泥农用与卫生填埋所占比例逐渐降低是必然的趋势，污泥建材利用必将进一步发展。结合我国国情来看，由于污泥焚烧在所有污泥处置方式中成本最高，相对而言污泥的建材利用则更具现实性和可行性。

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