城市污水处理厂污泥在页岩烧结砖领域的应用 河北省唐山市环境保护局遵化市分局 河北省秦皇岛中航科技有限公司 河北省遵化市善城新型建材有限公司

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1.生活污泥的污染形式

城市污水处理厂的污泥是指污水厂将城市的污水收集处理、出水达标排放后利余的残留物。这类污泥一般泛指含水率为80％左右的脱水污泥，主要由低级的有机物如氨基酸、腐植酸、细菌入食产物。早期产生的污泥采用直接排放法或填埋法解决，造成了严重的水污染破坏了大量耕地。

生活污泥的主要污染形式如下：一是污泥盐分污染。污泥含盐量较高，会明显提高土壤电导率，破坏植物养分平衡、抑制植物对养分的吸收，甚至对植物根系造成直接的伤害，而且离子间的拮抗作用会加速有效养分的流失。二是病原微生物。污水中的病原体（病原生物和寄生虫）经过处理还会进入污泥。新鲜污混中检测得到的病原体多达千种，其中危害较大的是寄生虫。Polan和 Jones（1992）认为污泥中病原体对人类或动物的污染途径大致有4条：①直接与污泥接触；②通过食物链与污泥直接接触而感染；③水源被病原体污染；④病原体首先污染了土壤、然后污染水体。污泥农用引起的潜在疾病的流行，被认为主要与沙门氏菌和绦虫卵有关。三是氮磷等养分的污染。在降雨量较大地区的土质疏松土地上大量施用富含氮、磷等的污泥之后，当有机物分解速度大于植物对氮、磷的吸收速度时，氮、磷等养分就有可能随水流失而进入地表水体造成水体的富营养化，进入地下引地下水的污染。所以氮、磷等养分迁移对环境影响是一个需长期监测研究的工作。四是污泥对人类健康的影响。城市生活污混是指域市污水处理厂在处理污水过程中产生的沉淀物质。如果城市污泥未经处理随意排放，经过雨水的侵蚀和渗漏作用，极易对地下水、土壤等造成二次污染，直接危害人类身体健康。城市生活污泥资源化的过程中，也可能对人类健康产生危害，如污泥农田、林地利用时，污泥中含有对植物及土壤有危害作用的病菌、寄生虫、难降解有机物以及氮、磷的流失对地表水和地下水的污染，甚至可能含有一些致癌物质，这些污染物质都可能通过生物链进入到人体中，对人类的身体健康造成威胁。随着城市人口的不断增加，城市化进程的逐步加快，污泥的产量逐年增加，简单的污泥处置方式大量浪费耕地，并且容易造成二次污染，破坏了当地的生态环境，污水厂生活污泥的无害化处置和综合利用工作的有效开展刻不容缓。

2.世界各国污泥处理处置的主要方法

一是卫生填埋。这种处置方法简单、易行、成本低，污泥又不需要高度脱水，适应性强。但是污泥填埋也存在一些问题，尤指填埋渗滤液和气体的形成。渗滤液是一种被严重污染的液体，如果填埋场选址或运行不当会污染地下水环境。填埋场产生的气体主要是甲烷，若不采取适当措施会引起爆炸和燃烧。二是土地利用。污泥土地直接利用因投资少、能耗低、运行费用低、有机部分可转化成土壤改良剂成分等优点，被认为是最有发展潜力的一种处置亏式，科学合理的土地利用，可减少污泥带来的负面效应。林地和市政绿化的利用因不易造成食物链的污染而成为污泥土地利用的有效方式。污泥用于严重扰动的土地（如矿场土地、森林采伐场、垃圾填埋场、地表严重破坏区等需要复垦的土地）的修复与重建，减少了污泥对人类生活的潜在威胁，既处置了污泥又恢复了生态环境。三是污泥焚烧。湿污泥干化后再直接焚烧应用得较为普遍，没有经过干化的污泥直接进行焚烧不仅十分困难，而且在能耗上也是极不经济的。以焚烧为核心的污泥处理方法是最彻底的污泥处理方法之一，它能使有机物全部碳化，杀死病原体，可最大限度地减少污泥体积；但是其缺点在于处理设施投资大，处理费用高，设备维护成本高，而且产生强致癌物质二?英。四是污泥干化。污混干燥是应用人工热源以工业化设备对进行深度脱水的处理方法，尽管污混干燥的直接结果是污泥含水率的下降（脱水），但与机械脱水相比，其应用目的与效果均有很大的不同。污泥机械脱水（也包括污泥浓缩），其应用的目的以减少污泥处理的体积为主（污泥浓缩和机械脱水通常均可使污泥体积减少4倍左右），但脱水污泥饼除了含水率和相关的物理性质，如流动性与原状污泥有差异外，其化学、生物等方面性质并不因脱水而产生变化。污泥干燥则由于提高水分蒸发强度的要求，使用人工热源，其操作温度（对污泥颗粒而言）通常大于100℃，干燥对污泥的处理效应，不仅是深度脱水，还具有热处理的效应；加之，污泥干燥处理的产物，其含水率可控制在20％以下，即达到抑制污泥中的微生物活动的水平，因此污泥干燥处理可同时改变污泥的物理、化学和生物特性。目前国际上污泥干燥设备形式主要有流化床、转鼓、带式、涡轮薄层、圆盘等，制造商主要在美国、法国、德国、比利时、意大利等发达国家。五是污泥碳化技术。所谓污泥碳化，就是通过一定的手段，使污泥中的水分释放出来，同时又最大限度地保留污泥中的碳值，使最终产物中的碳含量大幅提高的过程（Sludge Carbonization)在世界范围内，污泥碳化主要分为3种。（1）高温碳化。碳化时不加压，温度为649－982℃。先将污泥干化至含水率约30％，然后进入碳化炉高温碳化造粒。碳化颗粒可以作为低级燃料使用，其热值约为8360－12540kJ/kg（日本或美国）。该技术可以实现污泥的减量化和资源化，但由于其技术复杂，运行成本高，产品中的热值含量低，当前尚未有大规模地应用，最大规模的为30删湿污泥。（2）中温碳化。碳化时不加压，温度为426－537℃。先将污泥开化至含水率约90%，然后进入碳化炉分解。工艺中产生油、反应水（蒸气冷凝水）、沼气（未冷凝的空气）和固体碳化物。另外，该技术是在干化后对污泥实行碳化，其经济效益不明显，除澳洲一家处理厂外，无其他潜在的用户。（3）低温碳化。碳化前无需干化，碳化时加压至6-8Pa，碳化温度为315℃，碳化后的污泥成液态，脱水后的含水率50％以下，经干化造粒后可作为低级燃料使用，其热值约为15048-20482kJ/kg（美国）。该技术通过加温加压使得污泥中的生物质全部裂解，仅通过机械方法即可将污泥中75％的水分脱除，极大地节省了运行中的能源消耗。污泥全部裂解保证了污泥的彻底稳定。污泥碳化过程中保留了绝大部分污泥中热值，为裂解后的能源再利用创造了条件。（4）污泥水解热干化技术。污混水热干化技术通过将污泥加热，在一定温度和压力下使污泥中的粘性有机物水解，破坏污泥的胶体结构，可以同改脱水性能和厌氧消化性能。随水热反应温度和压力的增加，颗粒碰撞增大，颗粒间的碰撞导致了胶体结构的破坏，使束缚水和固体颗粒分离。经过水热处理的污泥在不添加絮凝剂的情况下机械脱水的含水率大幅度降低。污泥的水解宏观上表现为挥发性悬浮固体浓度减少和COD、BOD以及氨氮等浓度增加。水热干化技术采用浆化反应器，通过闪蒸乏汽返混预热浆化、蒸汽与机械协同搅拌，提高了系统的处理效率；在水热反应器中，采用蒸汽逆向流直接混合加热的方式，强化了传质传热过程，可以避免局部过热结焦碳化；在连续闪蒸反应器中，实现了系统能量的有效回收。此外还有堆肥发酵技术、石灰投加技术等等。

3.国内污泥处置概况

目前我国的污水厂生活污泥的主要去向是垃圾填埋场，随着污水处理率的不断提高，污泥大量的产出给垃圾填埋场带来巨大负担，缩短了使用年限，进而给城市垃圾处理造成负担，并使得适宜填埋场所显得越来越有限。而污泥经过减量、稳定和无害化处理后，可以作为资源综合利用的，在这方面还非常欠缺。

在污泥焚烧方面，限于经济承受能力，目前全没有真正意义上的污泥焚烧厂。

在污泥干化处理方面，上海石洞口污泳厂经建成运转了一座日处理干泥30t的污泥干化厂；北京市清河污水厂拟建设日处理干泥80t（湿泥400t）的污泥干化厂。

随着产业转型升级进度的加快、实施节能减排力度的加大、保护生态环境要求的提高，与污水处理率的基本达到目标相比，城市污泥的无害化处置和综合利用严重滞后，现有的污泥处置依旧以弃置及无组织填埋为主，城市污泥如不进行适当处理及合理有效的再利用，将导致制造出新的更为严重的污染，使人们生存的环境进一步恶化，生态环境难以修复。我国政府已经将城市污泥无害化处理及有效利用工作列入重要议事日程，并纳入了社会经济发展的总体规划之中。因此污泥处置利用是目前城市工程及环境保护所亟需的。

污泥制砖是在制砖原料组分中掺兑一定比例的污泥利用污泥中的有机质——生物质燃料和无机质代替部分然料和黏土等有用资源，既可以节约能源又可以节约黏土，是一条低成本、无害化的污泥利用途径，可真正实现污泥处理处置减量化、稳定化、无害化和资源化的基本要求，且具有较好的经济效益、环境效益和社会效益，从而可达到节能减排和发展循环经济的目的。

通常所说污泥制砖所用污泥，是指“城镇污水处理厂污泥”（简称“污泥”）。建设部、环保部和科技部《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策》（建城[2009]23号），明确规定了污泥的定义：“污水处理过程中产生的半固态或固态物质，不包括栅渣、浮渣和沉砂”。还要求“有条件的地区，应积极推广污泥建筑材料综合利用。污泥建筑材料综合利用是指污泥经无机化处理，用作水泥添加料、制砖轻质骨料和路基材料等。”

建设部和发改委《城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南试行）》（建科[2011]34号），明确规定：“污泥处理处置应包括处理与处置两个阶段。处理主要是指对污泥进行稳定化、减量化和无害化处理的过程。处置是指对处理后污泥进行消纳的过程。”并要求:“污泥的稳定化、减量化和无害化等处理设施定相对集中设置，污泥处置方式可适当多样。”利用污泥制砖则为污泥处置阶段，是对处理后污泥进行消纳的过程，是污泥的处置方式之一。

为了规范利用污泥制砖，避免污泥进入砖厂处置的无序化，保证污泥制砖环境影响的最小化，于2010年发布了国家标准《城镇污水处理厂污泥处置制砖用泥质》（GB／T25031－2010）。GB/T25031第“5.1”条对污泥的掺量作了规定：“将处理后污泥与其他制砖原料混合时，污泥（以干污泥计）与制砖总原料的质量比（wt％），即混合比例应小于或等于10％。在工艺条件充许或产品需要的情况下，混合比例可适当提高。”

4.国家财政政策支持

一直以来，污泥处理费的落实是污泥处理处置项目进行的一个难点。目前，随着水价改革逐步到位，污水处理费将逐渐覆盖污泥处理成本。针对目前国内污泥处理处置项目（以BOT项目为主），《中国污泥处理处置市场分析报告（2014版）》给出的污泥处理处置全成本区间在150～500元/吨，平均成本为270元/吨，折合到污水处理费中约合0.2元（按每万t水产生7t含水率80％的污泥）。

2015年1月，发改委、财政部及住建部联合发布《关于制定和调整污水处理收费标准有关问题的通知》，明确指出2016年年底前，城市污水处理收费标准原则上每吨应调整至居民不低于0.95元，非居民不低于14元；县城、重点建制镇原则上每吨应调整至居民不低于0.85元，非居民不低于12元。2015年10月，36城平均污水处理费仅0.87元/t,贵州、黑龙江、辽宁等多个地区污水处理费更低，距标准有较大上升空间。

2015年10月，中共中央、国务院发布《关于推进价格机制改革的若干意见》，明确指出：“要合理提高污水收费标准，城镇污水处理收费标准不应低于污水处理和污泥处置的成本。”随着国家对环保的重视，除了对污泥处理费的落实，在污泥项目补贴方面，全国各地对污泥处置项目也相继颁布补助政策，鼓励污泥处置项目建设，年对运营或项目投资以多种方式实行补助。

以上国家资金政策方面支持都为污水处理厂污泥处置工作提供了资金条件，让污泥处理切实得到落实，有望快速打开污泥处置市场。可以完全消除传统填埋带来的环境污染、占用大量耕地等问题，是关系造福子孙后代的千秋大业，意义深远。

5.污泥的性质

污泥性质主要包括物理性质、化学性质和卫生学指标等方面，污泥性质是选择污泥处理处置工艺的重要依据。物理性质：污泥的物理性质主要有含水率、比阻等指标。含水率是指污泥中所含水分的质量与污泥（Sludge）质量之比，此为湿基含水率W_w·sl污泥中含水率的多少与污泥烘干、处理工艺、污泥状态及流动性能密切相关。初沉污泥的含水率W_w·sl通常为97％～98％；经浓缩之后，含水率W_w·sl通常为94％～96％；经脱水之后，可使含水率W_w·sl降低到80％左右。厌氧消化后的污泥经深度脱水含水率W_w·sl可达到60％以下。若进一步降低含水率W_w·sl，则需采取热干化处理，半干化污泥含水率可降到35％～40％时，呈疏松团状或聚散状态；当含水率W_w·sl降到15％以下则呈粉粒状，为全干化。通常含水率W_w·sl在85％以上时，污泥呈流态；65％～85％时呈塑态；低于60％时则呈固态。化学性质：污泥化学性质复杂，影响污泥处理处置技术方案选择的主要因素，包括挥发分、植物营养成分、热值、重金属含量等。这里仅就挥发分和热值进行说明。挥发分是污泥最重要的化学性质，决定了污泥的热值与可消化性。随着污水来源不同，一般情况下，初沉污泥挥发性固体（表示的是污泥中有机物的含量）的比例为50％～70％，活性污泥为60％～85％，经厌氧消化后的污泥为30％～50％。污泥的热值与污水水质、排水体制、污水及污泥处理工艺有关”。指南中给出了各类污泥（Sludge）的热值（Calorific value）Ca_sl（以干污泥计），见下表：

  各类污泥的热值

污泥的发热量，随着污泥中挥发性固体含量降低而降低。制砖用污泥为厌氧消化后的污泥，因此，其热值C_sl（以干污泥计）为5000kJ/kg～7000kJ/kg，为便于问题的讨论将其近似取为干污泥的低位发热量。

CB20531规定的污泥理化性能指标

国家标准《城镇污水处理厂污泥处置制砖用泥质》（CB/25031－2010），为满足污泥制砖的需要，规定了污泥的理化指标，有含水率W_w·sl和烧失量L_sl，见下表：

理化指标（摘自GB/T25031-2010）

这里需要说明的是烧失量，污泥的烧失量主要是指在高温灼烧时失去的有机物含量。

5.污泥利用辅料组成

我国低钙粉煤灰化学组成变化范围（%）

页岩的化学组成（%）

煤矸石的化学组成（%）

    尾矿砂的化学组成

遵化市国祯污水处理厂城市污水处理厂污泥含水率80%

粉煤灰：河北国投遵化市热电厂20%

唐山开滦矿务集团钱营煤矿煤矸石35%

页岩：20%

铁选矿尾矿砂、尾矿泥20%

6.显著的环境效益

一是温室气体——CO₂减排效应。由于可有效地利用污泥的化学潜能并起到降低坯体密度的作用，可显著降低坯体焙烧耗热，可达25％以上，从而可有效地减少温室气体排放量达25％以上。二是硫氧化物的减排。虽然粉煤灰化学组成中含有SO₃——硫酐（无色的固体），实际上粉煤灰中并不存在SO₃，SO₃仅是粉煤灰中硫酸盐的表示形式。煤中的硫根据能否在空气中燃烧，可分为可燃硫和不可燃硫，有机硫（So）、硫铁矿硫（S_P）和单质硫（S_ei）都能在空气中燃烧，属可燃硫，燃烧后放出SO₂。在煤炭燃烧过程中随着煤和煤渣的熔融，不可燃硫残留在煤灰中．所以又称作固定硫，其与灰分中的碱金属氧化物反应生成硫酸盐，在温度高达1400℃的燃烧炉中，仍能固定在灰分中，而不分解逸出形成硫氧化物污染大气，而是成为灰分的一部分。硫酸盐硫（Ss）就属固定硫。因此，粉煤灰中在1400℃的燃烧炉中仍不能分解逸出硫氧化物的固定硫——硫酸盐硫，在烧结砖的焙烧温度900～1100℃范围内难以分解逸出污染大气。三是氟氧化物的减排。大气氟污染的最大危害者是煤的燃烧。煤中的氟化物主要以无机物形式存在，即存在于矿物质中。因此，煤中的氟含量主要靠煤炭的分选降低。即煤的灰分愈低氟含量愈低，反之愈高。利用灰分高的煤烧砖，氟的排放量就高，显然利用煤矸石烧砖，氟的排放量会更高，对环境的危害加大。由于粉煤灰是煤燃烧后，煤中矿物质经高温分解后的产物，因此，粉煤灰中几乎不存在氟化物，污泥既是燃料又是原料不含有氟化物而大大减少了氟化物的排放。

综上所述，高掺量污泥烧结砖具有显著的节土、节能和环境效应。