市政污泥建材资源化利用_杨朝宽.pdf

山东化工收稿日期:20220801基金项目:2021 年嘉兴学院大学生科研训练计划(ST)项目(编号:CD8517211241，CD8517211072，CD8517211243);2022 年度浙江省大学生科技创新活动计划(新苗人才计划)(编号:2022417009);2022 年嘉兴学院大学生科研训练计划(ST)项目(编号:8517221367)作者简介:杨朝宽，本科生，研究方向:能源与环境工程。市政污泥建材资源化利用杨朝宽，祝梦圆，孙译博，陈帅，曾尹鑫，李嘉盛，张鑫超，汪济磊，黄发军，谷志攀(嘉兴学院 建筑工程学院，浙江 嘉兴314001)摘要:中国的污泥产量不断增加，从目前中国的污泥主要的处理方式现状分析来看，中国城市处理各种污泥的主要处理方式是用农用、填埋、焚烧、海洋垃圾倾倒处理。随着人口的增长，污水的增加导致污泥的产量也在不断增加，以及人们对生活质量要求也有所提高，对污染治理的重视程度越来越高。目前，大量污泥资源再利用化(堆肥、污泥陶粒、建材利用活性炭制陶粒制砖制活性炭制砖污泥)已成为环境保护和能源应用的新方向和新目标。污泥资源化再利用在未来也将会得到国家的大力支持，实现污泥资源再利用最大化的宏伟目标。关键词:市政污泥;建材制品;资源再利用中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1008021X(2023)03022003esourceful Use of Municipal Sludge Building MaterialsYang Chaokuan，Zhu Mengyuan，Sun Yibo，Chen Shuai，ZengYinxin，Li Jiasheng，Zhang Xinchao，Wang Jilei，Huang Fajun，Gu Zhipan(College of Architecture and Engineering，Jiaxing University，Jiaxing314001，China)Abstract:Chinas sludge production is increasingFrom the analysis of the main situation of sludge treatment in China，the maintreatment methods of various sludge in China are agricultural use，landfill，incineration and Marine garbage dumping and disposalWith the growth of population，the increase of sewage leads to the continuous increase of sludge production，and people srequirements for the quality of life，thus paying more and more attention to pollution treatmentAt present，a large amount of sludgeresources reuse(composting，sludge ceramsite，building materials using activated carbon clay brick made of activated carbon bricksludge)has become a new direction and new goal of environmental protection and energy applicationIn the future，sludge resourcerecycling will also be strongly supported by the state to achieve the grand goal of maximizing sludge resource reuseKey words:municipal sludge;building material products;resource reuse市政污泥是污水处理厂经过多道污水处理工艺沉淀后产生的一种半流体沉积物，污水经处理后沉淀为固态凝聚体，尽管如此它的含水量依旧很大(80%左右)。水环境联合会(Water Environment Federation)在 1995 年正式将污泥更名为Sludge，生物固体 Biosolids 更加准确、全面、客观地反映世界大部分市政污泥的可资源再利用的价值，更精确地解释是徐惠忠在2004 年提到的:可有效循环利用的富含生物有机的污泥城市污染产生物。目前，中国在现行污水标准中依旧沿用污泥“Sludge”一词1，污泥产量巨大，传统的处理方式占地大，浪费土地资源，需要对污泥进行减量化和资源化处理，本文对市政污泥的建材资源化处理进行分析总结，以指导实际的生产实践。1市政污泥概述11市政污泥的产量及其构成近年来，随着中国社会经济的不断高速、平稳、有序的可持续发展，我国对城市生活用污水处理工程设备需求总量的总规模还在继续逐日地递增，污水排放量每年还在继续日益地增多，污水产品质量在日益提高。据统计的资料数据表明，2020年我国生活污水处理厂的污泥产能将达到约 6 000 万 t 左右(80%)规模2，预期将于 2025 年达到约 9 000 万 t，因此，污泥的处置问题将成为城市固废处置的重点与难点之一。然而，由于长期以来我国环保部门一直保持重水而轻泥的错误心态，使得我国淤泥的处理与处置工作和城市污水处理工作并不能够齐头并进，淤泥的处理与处置工作问题至今仍然没能得到及时有效的解决，形势依然非常严峻。12国内市政污泥资源化的问题随着我国社会经济水平的迅速发展，城市建设整体水平在迅速向前发展推进的大趋势推动下，污水处理设施的建设规模也随之得到了迅速地发展，但是也由于目前国内的许多农村地区群众对农村污水处理设施的建设意义的了解还不全面，处置重心都放到了污水处理方面，对污水处理实施了严密监督，但对于污泥处理方面的监管比较滞后，因此导致当前污泥处理处置进展相对迟缓。因为在中国城市目前还并不能完全针对城市污泥的处理和处置环节做出一个系统性计划，城市建设在规划的过程中也并不能完全针对城市污泥的处理等环节来做出一个专项规划。随着我国人民生活水平逐年地稳步提升，人民群众对于提高生活品质也提出了一个更高层次的需求，必须加快推进城镇化发展进程。而污泥处置问题始终是影响我国小城镇可持续发展的重要因素，就污泥的资源化利用也将成为我国解决该问题的最终趋势。13国内外污泥资源化利用对比目前，国内外对污泥进行了较为广泛而深入的研究，但大多集中于污泥的物理法、化学法以及堆肥法方面。对于如何实现市政污泥的资源化利用尚无系统报道，多数国家采用方式为填埋，如美国加州的 Aspen Born 公司、英国的 Perry 公司、德国的 Barrier 公司、日本的 Japan 公司等，国内则多以焚烧为主。市政污水系统的资源综合利用项目不仅是能够有效增加土地资源利用率，减少土地污染，同时它还是可以直接给本公司员工022SHANDONG CHEMICAL INDUSTY2023 年第 52 卷DOI:10.19319/ki.issn.1008-021x.2023.03.018第 3 期创造出良好的社会经济效益价值和社会效益。因此，有必要开展市政污泥无害化、减量化、稳定化的资源化再利用技术及其相关工艺的研究与开发，使其能够成为一种新型的能源材料，用于城市供热、发电、建材生产等行业，从而缓解能源危机，应做到“污水”“污泥”一起治理，改善现如今的环境状况。2市政污泥建材的利用通过查阅大量文献资料与多次实验证明，总结归纳出以下适合利用市政污泥制作建筑材料的方法。21市政污泥制砖利用污泥制砖主要有两种方法:一是直接利用干污泥制砖:二是利用焚烧污泥得到的灰渣制砖3。黏土是制砖工业中的主要原料，Bernd Wiebusch4 对生活污泥和黏土的化学成分进行了比较，发现焚烧后的污泥灰成分和黏土极其相似。污泥中二氧化硅的量虽然小于黏土中的量，但是两者的主要成分均为 SiO2，其次，两者其他成分含量很相近，因此通过对比可以得出初步结论:污泥也能作为制砖材料。而替代后的砖块，不吸水但却能够充分利用市政污泥中含有的各种有益的成分，降低地下泥土资源的过度开采，固化污泥中含有的各种有毒的重金属，杀灭地下各种的有害的病菌，同时所生产出来的地下污泥砖轻质、多孔，具备了一定程度的隔音、隔热作用5。图 1 是实验小组所采用的污泥制砖的实验步骤，所采用的污泥是嘉善姚庄污水处理厂经过离心脱水后的污泥，通过多次实验发现这样制作砖的成本高且能耗大。因此又在源头高温烘干这一步骤进行了改良，污泥实验就是用污泥代替水泥或部分水泥做混凝土试块，这需要加一些添加剂使混凝土试块达到和正常的各项指标相近，这样的目的就是使之能够投用到施工单位，这样可以做到废物利用也可以减少水泥的使用。孟凡强6 先生也专门就我国污泥制砖项目的投资效益问题作出进行了分析评估，他特别指出，污泥处理制砖项目不仅意味着使我国城市生活污水处理厂产生的大量污泥最终得到实现了其变废为宝、化害而为利的一种理想的方法，达到真正地实现我国的社会效益并与实现我国的经济效益的同步的增长，而是要在国家现如今的相关国家政策支持以及各级地方财政部门的大力扶持引导与资金帮助下，砖厂如果把这些利用市政污泥所制成的砖块流入市场的话更多是为了能够真正达到一亏补上一亏赚下的双倍的效益，淤泥土制的砖也可谓效益明显。李湘洲7 教授认为，使用工业污泥资源化制砖技术既可以促进我国循环型经济体建设的快速发展，也完全可以充分反映我国垃圾无害化处理和再次利用资源化技术与产业化结合的新特点，而且还符合我国防治垃圾毁田和制生态砖、节约利用土地资源的基本原则，可以说是应用的广阔前景也极其广阔。图 1污泥制砖实验步骤22市政污泥制陶粒由于污泥与黏土的相似性，所以污泥能够用来制造陶粒的基础，陶粒它具有密度低、重量轻、保温隔热、耐火性能好、抗震性能好等优点，其优点在世界范围内得到了迅速发展，城市污泥被用于燃烧陶粒不仅能够有效降低污泥燃烧的过程污泥中的黏土颗粒的燃烧浓度，同时它还能够有效降低黏土颗粒的燃烧浓度，为了有效利用污泥颗粒中的高含量的挥发性有机物特性和多孔性，燃烧隔热材料陶粒有着极其优异的燃烧隔热性能，不仅可以固化污泥中的重金属，而且还可以使环境得到保护，污泥被用作可循环资源8。在我国，有很多以市政污泥为原料制造陶粒的工程例子。但与其他国家的不同之处在于我国利用污泥制陶粒的所用污泥主要以经过脱水后的污泥为主，主要原因是这样处理能够最大限度地降低成本。在工业污水处理厂中使用烧灼成的陶粒，不出水但却能够完全消化工业城市生活污水处理厂中的绝大部分污水，达到对污泥废水的完全资源化处理使用，还因此能够有效充分地发挥工业污水陶粒本身的各种优异的特性，应用于建筑、工程污水应用、市政景观绿化、工业废水的过滤处理等众多的应用领域。在我国未来的污泥陶粒机的设计制造应用与产业化发展过程中，也将始终秉持积极响应当前我国大力构建绿色节能型生态社区建设的战略口号，为建设资源高效节约型、环境友好型社会与发展循环型经济奠定基础3。23市政污泥制水泥随着国内污水排量及处理量的增加，污水净化所产生的废物污泥的量也大大增加，污泥的处置占污水处理的很大一部分。污泥的开发利用就显得至关重要。其中，污泥制水泥即是一个较为明确的方向。污泥中含有大量的二氧化硅、三氧化二铝、氧化铁等化合物，其与硅制原料的化学物质相似，可与水泥原料按比例混合煅烧得到水泥熟料。这样既解决了污泥的闲置浪费又减少了水泥原料的损耗，实现了合理的资源循环利用。市政污泥制备水泥，主要是利用水泥窑协同处置技术处理污泥。黄晓庆9 等分析了污泥的化学成分，发现污泥成分复杂，有些重金属和有害物质不适合堆肥处理。但其中的元素与很多主要的建材原料重复特别是硅、铝、铁、钙等，因此污泥的回收利用与建筑材料有很大的关联性。按垃圾灰 脱水污泥 石灰石及黏土等原料=5 3 3 的质量比例制成的生态水泥，其性能与普通水泥相近，增加缓凝剂解决凝结时间短的缺点后可以代替部分水泥，将污泥变废为宝，获取经济效益，达到污泥减量化、无害化、稳定化的目的。污水不仅是生产垃圾，更是一个可开发利用的资源，如任意填埋、不检测成分进行堆肥或实施其他不合理作业，不仅会导致环境污染，而且还会导致对公共资源的浪费，不利于生态文明建设。污泥制水泥，扩大了的水泥原材料的来源，降低了对石灰石等资源的损耗，从而节省了生产水泥的成本，在增加产能的同时减少了对资源的开发利用并维护了自然环境，从而达到了资源化再利用的宗旨。24市政污泥制其他建材污泥作为建筑材料的利用，除上述污泥制砖、陶粒制备和水泥制备外，还有污泥玻璃制备10 和污泥活性炭制备11 等方法。总的来说，污泥作为替代一些建材原料的一些开发技术已经逐步走向成熟，具有良好的实践运用前景。从以下类型的建筑材料来看:可用于制造玻璃砖的建筑材料的基本类型，以及可用于从污泥中制造水泥的建筑材料的基本类型。3市政污泥建材展望污水处理问题本身就是社会各界高度关注的问题，尤其在当今我国提出的碳达峰碳中和背景下，污泥的处理问题更加严峻。还好我国对此问题重视，也针对此问题发布相关政策。国家规划发改委在日前正式公布并执行中的关于我国的 城市污水处理及回用设施建设十三五规划 纲要中明确指出，到 2023122杨朝宽，等:市政污泥建材资源化利用山东化工年底，我国主要大中城市建成区将力争基本全部实现城市集中式污水的集中处理和管网基础设施配套的污水全系统的覆盖，全国集中式城市污水处理率总量指标的完成比例将超过 95%。随着城市污水处理设施网的逐步全部建成覆盖城市以及随着城市废水处理率逐年的大幅提升，也还将会形成大批的剩余污水。虽然污泥循环利用处理技术仍处于探索和研究阶段，但是经济发展空间在未来社会是十分广阔的，社会经济的发展速度只会越来越快，伴随着的是污泥产量也将会不断增加。尤其是近年来在整个中国，污泥量都呈现了显著快速的增长态势。因此利用市政污泥来实现资源再利用的根本目的也是今后一种很重要的经济发展方向。在我国未来发展的生活污水的循环再利用的过程实践中，应注意进一步地坚持采用无害化处理的技术，尽量地减少垃圾对周围自然环境造成的污染损害，提高垃圾资源化利用处置工作的整体效果，尽量地减少生活垃圾产生。同时，还应该考虑与其他多个相关行业的协同，整合废物资源化利用过程中所形成出来的其他各种物质。相信随着研究工作的深入，这种基于资源的治疗方法将逐渐被社会接受，其长期效益不可估量。总之，随着社会的不断发展，污泥量的产生将显著增加。政府和社会应重视污泥问题，采取正确的资源化处理措施，减少污泥对人类生活环境造成的影响和危害，创造更多的经济效益，促进社会发展。社会企业也应加强这方面的研究，提高资源利用水平。目前我国的城市剩余生活污水的管理方法与应急处置的技术措施和处理方式有很多，但基本上它们中都只包括了两种:即首先预防方法和即完成后除外。从长期可持续健康的社会发展战略来看，剩余的污水和垃圾不应被视为城市污水处理设施的主要负担，而应被视为资源物质和资源能源交换的载体。在对其利用中要尽量去掉污泥废水中对水环境安全和对人体的健康有不利影响的有害成分(如病原微生物、重金属、有机污染物等)，污泥经回收能源(甲烷)后即可充分利用12。当污泥最终处置出口受限时，剩余污泥可通过焚烧最终处置。任何技术都不可避免地会有一些缺点，因此，污泥最终处理和处置的技术方案应根据当地的经济和环境条件，综合考虑环境、社会和经济的综合效益后确定。参考文献 1 谷志攀，陶乐仁，吴生礼，等污泥干燥特性与模型研究 J 山东化工，2016，45(9):131132+135 2 周炀，谷志攀，陶乐仁土地回用污泥薄层干燥特性研究 J 山东化工，2020，49(14):253257 3涂兴宇市政污泥处理处置技术评价及应用前景分析 D 上海:上海交通大学，2014 4WIEBUSCH B，SEYFIED C FUtilization of sewage sludgeashes in the brick and tile industryJ Water Science andTechnology，1997，11:1719 5 章维维，林敏，郁志杰，等杭州余杭区污水厂污泥制砖利用分析研究 J 资源节约与环保，2021(3):118119 6 孟凡强污泥制砖效益显著J 砖瓦世界，2011(7):2526 7李湘洲 污泥制砖及其发展前景J 砖瓦世界，2012(10):1719 8 易龙生，康路良，王三海，等市政污泥资源化利用的新进展及前景 J 环境工程，2014(增刊 1):992997 9 黄晓庆，黄少斌，杨顺汉污泥的特性与建筑材料资源化利用 J 粉煤灰，2006，18(1):4578 10 魏国侠，刘汉桥，徐仙污泥焚烧灰烧制微晶玻璃J 中国陶瓷，2015，51(5):4649 11 于遵，任爱玲城市污泥的处理及污泥制活性炭的研究现状 J 河北化工，2006，29(8):6770 12 郝晓地，王啟林，曹亚莉剩余污泥减量技术评价及未来潜在技术展望 J 中国给水排水，2008，24(12):15(本文文献格式:杨朝宽，祝梦圆，孙译博，等市政污泥建材资源化利用 J 山东化工，2023，52(3):220222)(上接第 219 页)3结论(1)脱硫废水排放量与脱硫浆液中氯离子含量呈反比例关系。在 Cl排放总量一定的前提下，吸收塔浆液中的 Cl平衡浓度控制得越高，脱硫废水的排放量越少，脱硫废水排放量变化趋势越小。(2)进入系统中氯含量越高，脱硫废水排放量就越大。其中，入口烟气量中携带的氯元素最多，对脱硫废水排放量影响较大;工艺水中携带的氯元素较少，对脱硫废水排放量影响较小;石灰石中携带的氯元素占比少，对脱硫废水排放量的影响最小。(3)在通过排放脱硫废水降低吸收塔浆液氯离子浓度的过程中，脱硫废水排放量应高于某一数值，该数值不仅受烟气量、烟气中氯浓度、工艺水用量、工艺水氯浓度的影响，还与吸收塔中氯离子浓度有关。参考文献 1 李泊娇，王旭东，张占梅，等石灰石石膏湿法脱硫废水的处理及利用研究 J 电力科技与环保，2014，30(2):2931 2 HAN X Q，ZHANG D，YAN J J，et alProcess development offlue gas desulphurization wastewater 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