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）

0 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（850~1 100℃）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式进行介绍。处理流程综合对比如表1所示。

表1 污泥处理工艺综合处置对比

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 249—2007）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 50757—2012），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］利用模压成型法制备烧结砖，发现原料的最佳配比为20%的市政污泥、32%的页岩、32%的渣土、16%的炉渣，制备烧结砖的抗压强度达到了《烧结普通砖》（GB/T 5101—2017）中MU15的要求。但是，在焙烧砖的过程中可能有污染气体产生，砖也存在表面泛霜等缺陷，需要改进。在污泥制砖时，要注意调节烧结温度，使砖的性能达到最好。

2.3 污泥制陶粒

陶粒可以用于生产轻质墙体材料、屋面保温材料等，其性能优良。利用污泥生产陶粒，参照粉煤灰陶粒生产工艺，掺入20%~30%的污泥，生产出的陶粒配置成的混凝土具有良好的抗压强度，同时重金属符合要求，按此方法生产陶粒，不仅能消纳大量污泥，也解决了重金属固化的问题。由于陶粒造粒成型需要严格的控制原料含水率，研究者发现可以利用制造陶粒过程中的烟气余热对污泥进行干燥处理，干燥后的污泥含水率降至40%，满足生产要求，也节能降耗、增加污泥处置量［11］。研究表明，污泥用于生产轻质陶粒在技术上可行，但由于各地污泥的成分含量差异较大，应在试验阶段合理控制掺量及烧结条件，获得性质稳定的污泥陶粒，再进行大规模制造。目前，很多学者继续对制造陶粒的造粒设备、造粒系统、工艺方法进行研究和完善，并研究发明了飞灰、废气和污染物的收集处理装置，具有较大的商业价值，这对污泥建材化制陶粒方面具有重要的指导意义。

3 总结与展望

3.1 总结

污泥建材化利用是将污泥烧制成水泥、砖、陶粒，再进一步应用于建设材料中。另外，由于焚烧过后的污泥有火山灰活性，也可以直接将焚烧后的污泥颗粒作为砂浆和混凝土中的添加剂来替代原材料。Prabhakar等［12］将焚烧后的污泥颗粒磨至直径75μm以下用作水泥的替代品，以降低生产的总体成本并促进灰分回收。研究表明，当污泥灰替代砂为30%，替代水泥5%时，其28 d的抗压强度最好，但存在一些残余的毒性问题，需要加以解决。污泥灰是一种潜在的材料，可用于海堤建设，还可用污泥灰和碎玻璃生产混凝土铺路砌块。结果表明，混凝土砌块的强度/耐久性和浸出性能良好，同时有助于两类固体废物的回收利用。替代骨料方面，Dubey等［13］使用干化的污泥改性后用于替代细骨料，可达到分散水泥颗粒的效果，但掺量仅为1%~5%。国内针对污泥焚烧灰渣替代骨料开展的研究表明，污泥灰渣活性较低，用于骨料时对强度有较大影响。除此之外，污泥还有许多其他的利用途径。例如利用污泥制玻璃、生化纤维板、轻骨料（LWA）等。

3.2 展望

污泥建材资源化利用不仅可以大量消耗污泥，而且生产利用过程对环境的影响最小，基本避免二次污染，还可变废为宝，同时有利于使社会效益、经济效益及环境效益相统一。不同污泥处理技术和措施有不同的优缺点，污泥处理处置工艺上，不存在一劳永逸的通用解决方案，应根据当地发展状况选择合适的处理技术和处置措施，鼓励采用多元化组合的方式处理污泥。