利用污泥生产烧结砖及二恶英等有害气体产生的研究探讨

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摘要：国内外城市污水处理厂年处理污水量越来越大，由此产生的污泥也越来越多。利用污泥制砖是低成本、无害化的污泥处置的有效途径，比较适合我国的国情。

2污泥的处理处置
通常将污水厂污泥的稳定和脱水(一般脱水至含水率达70％～80％)过程称作污泥的处理；而污泥的堆肥、填埋、焚烧及最终利用，称为污泥的处置。污泥的处理和处置，就是要通过适当的技术措施，使污泥得到再利用或以某种不损害环境的形式重新返回到自然环境中。
2.1 国外污泥处理处置概况目前各国根据自身的实际情况，选择污泥处理处置的方法有所不同。通常情况下国外的城市污泥处理系统工艺流程一般有下列四类：原污泥→浓缩→脱水→处置脱水滤饼；原污泥→浓缩→脱水→焚烧→处置灰分；原污泥→浓缩→消化→脱水→处置脱水滤饼；原污泥→浓缩→消化→脱水→焚烧→处置灰分。据美国环保署估计，2005年美国干污泥产量将达到760万t，2010年将达到820万t。这就是说，从1998年到2010年，污泥产量将增加19％。1999年欧洲干污泥产量已达1746万t。这些年，欧洲又新建了许多新污水处理厂，一些国家污泥产量将几乎增加300％，污泥管理将是一个严峻挑战，合理选择处理处置方法将会具有更大的经济和环境意义。为了避免污水处理厂污泥对环境的二次污染，各国政府及研究机构都十分重视污泥的处理处置问题。发达国家早在20世纪60年代就已经开始对污泥处理的研究，污泥处理的技术以及成套设备生产相对较为先进。
2.2 国内污泥处理处置的现状近10年来，我国城市污水处理有了较大的发展，全国已建成400多座城市污水处理厂，城市污水处理率34%以上，全国已建成的污水处理厂中采用污泥中温消化的污水处理厂约占25%，采用污泥浓缩脱水的污水处理厂约占60%，小部分采用富氧消化和污泥自然干化处理，另外还有一部分污水处理厂的污泥未经预处理或仅经简单处理后，就直接农用、填埋或送垃圾场处理，甚至有的随意堆放，很难符合污泥农用卫生标准。目前国内污水厂污泥处理主要有减量化、浓缩、脱水、消化、堆肥等其过程主要是：原污泥→浓缩→脱水→泥饼→干化以及最终处置。
2.3 污泥处理处置存在的问题污水处理中的污泥处理和处置技术在我国还刚刚起步，在全国现有污水处理设施中有污泥稳定处理设施的还不到1／4，处理工艺和配套设备较为完善的还不到1／10，能够正常运行的为数不多。
污泥是一种有潜在危险的物质；干污泥中一般含有65%的有机物和35%的无机物；污泥中的水分主要存在于生物细胞中，很难去除；污泥中含有氯化物和弱酸，具有腐蚀性，会降低设备的使用寿命。
从目前污泥处理的情况来看大都是用汽车输送，主要存在着以下几个方面的问题：污泥现采用简单的浓缩、脱水，并未进行无害化处理，脱水后的污泥呈胶质状且散发浓烈的臭气，运输不卫生、途中仍有臭味，对沿途环境影响很大。污泥含水率高达85%左右，不便于贮存保管；而且拉去一车污泥，固化物不足1/5，其余全是水，对运力是很大的浪费。未经无害化、稳定化等工艺处理的污泥会对农田、农作物及周围环境造成严重的污染。
3污泥综合利用途径和现状
污水处理厂所产生污泥的处理问题，美欧和日本等发达国家都基本已经解决，他们大多采用再生资源的成熟工艺，如生产建材产品、纺织品和造纸等，而在国内，污泥处理技术还处于初级阶段，北京正在探索生产有机复合肥的方法，上海拟采用美国先进技术来生产建材产品办法能根本解决二次污染问题，广州则正在尝试采用一些科研成果由政府补贴企业运作模式的处理方式。
3.1 污水处理厂的污泥减量化目前污水处理厂产生的污泥量约为处理水体积的0.15%～1%左右。机械脱水处理缩减了污泥体积，分为普通脱水（含水率为80％）和高干度脱水（含水率为65％），选用高效的脱水设备，来提高污泥含固率，可进一步降低污泥深度处置的费用。
城市污泥处置与利用的研究较多是污泥制作建筑材料及资源化利用技术，污泥的含水率和有机份含量是评价污泥制砖特性的重要指标，通过浓缩后污泥的有机份含量随季节变化不明显。
3.2 污泥的干燥处理污泥的含水率是关键的因素。因此，降低污泥含水率是解决目前在污泥处理中所遇到问题的关键。国内外应用实践表明，经传统的浓缩和脱水工艺处理后，污泥含水率不可能达到60%以下，经济的机械脱水泥饼含水率为70%～85%左右。要达到对污泥的深度脱水，必须对污泥进行干燥处理，污泥干燥能使污泥显著减容，体积可以减少4～5倍。污泥进行干燥处理有自然干燥和利用热源进行干燥。
3.2.1 污泥晾晒自然干化处理从污水厂排出的含水率为80%的脱水污泥首先在露天的场地进行干燥处理；由于含水率为80%的脱水污泥在露天堆放，则受天气的影响很大，在雨季污泥很不容易干化，可以将含水率为80%的脱水污泥在阳光大棚内以0.4m～0.6m的厚度堆放，并使用专用晾晒翻堆设备对污泥进行多次晾晒翻堆，使污泥含水率由80%快速降至40%，该工艺是利用太阳能对污泥进行水分去除，工艺简单，投资小、不需要添加热能、干燥成本低。缺点是：占地面积大、受天气的影响干燥时间很长、自动化程度低，不能实现无接触、无人操作，需要上除臭装置及安装负压抽气装置。
3.2.2 利用热源进行干燥污泥的热干燥是应用人工热源以工业化设备对污泥进行深度脱水的处理方法，尽管污泥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（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。污泥干燥处理后含水率可控制在20%以下，即达到抑制污泥中的微生物活动的水平，污泥干燥操作的温度效应可以杀灭污泥中的寄生虫卵、致病菌、病毒等病原生物和其他非病原生物。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，可使污泥达到较彻底的卫生学无害化水平。另外，干燥污泥的低含水率，使其重要的热化学特性低位发热量大为上升（含水率20%的干燥污泥，其低位发热量约为17mJ/kg，为标准煤的60%左右），可作为燃料的替代物使用。
利用热源干燥系统应在负压下运行的，以防臭气泄露。污泥的热干燥至今未能形成规模化生产，主要原因是干燥工艺不适合城市污泥的干燥处理以及污泥的初始含水率太高，导致污泥的干燥成本很高。可以预计，污泥的热源干燥技术随着可操作性的提高，运行成本的降低，将成为我国处理处置城市污泥的有效方法。
3.3 污泥焚烧发电以焚烧为核心的处理处置方法是最彻底的解决方法，它能使有机物全部碳化，杀死病原体，无害化程度高，还可最大限度地减少污泥体积，节约宝贵的土地资源，同时可以用来焚烧发电。但是其缺点在于处理设施投资大，处理费用较高。有机物焚烧会产生二恶英等剧毒物质。自1962年德国率先建议并开始运行了欧洲第一座污泥焚烧厂以来，焚烧的污泥量大幅度增加。在国内目前尚出于起步阶段。但污泥焚烧发电正向提高燃烧效率，提高废弃物的综合利用率和利用水平，实现污染物达标排放。
3.4 水泥工业处理污泥水泥生产使大量废弃物变废为宝并改善了水泥性能，如炼铁的高炉矿渣和粉煤灰，它们的利用不仅使其本身变废为宝，而且对水泥的安定性等品质起到明显的改进作用。同样，水泥生产也能使城市生活垃圾和污水污泥变废为宝。

5污泥或焚烧垃圾制砖烧结技术分析
利用污水处理厂污泥或焚烧垃圾烧制砖，是在原料组分中掺配一定比例的污泥或焚烧垃圾，利用污泥代替部分粘土等有用资源，污泥或焚烧垃圾烧制砖的利用价值体现在热能利用和物质利用两方面。污泥和垃圾焚烧发电只能利用其替代燃料价值（污水厂经过机械脱水的污泥，含水分80%，热值约7000kJ/㎏），其灰渣还必须付出成本去处理。砖瓦生产处置污泥或焚烧垃圾既利用了热能，还利用了物质，砖瓦生产利用污泥的热能利用率比其他方式高。制砖过程能消纳大宗工业固态废弃物，在“循环经济”中能变废为宝物尽其用，对于节约型社会发展有着重要意义。
5.1 污泥或焚烧垃圾烧制砖污泥或焚烧垃圾烧制砖至少有三大优点。首先污泥或焚烧垃圾烧制砖可替代砖瓦生产中所需的热能，可节约燃煤。其次，基本能杜绝二恶英等有害气体的产生。最后垃圾和污泥掺入砖坯处理后不会有炉渣问题，不再需要另外填埋，当然也不会产生新的污染。另外用污泥制砖，可以节省制砖粘土资源25%。因此，可实现无害化、稳定化、无量化、资源化的最终处理目标。处理后污泥用于制砖时，其污染物浓度限值应满足表1的要求。

处理后污泥用于制砖时，其卫生防疫安全指标应满足表2的要求。另外，需满足各省市卫生防疫的要求，不能检测出传染性病原菌。

5.2 污泥制砖生产的能源消耗以东莞市城市污水处理厂取样的污泥为研究对象，测定了污泥的热值并分析了影响污泥热值的主要因素，探讨了水分对热值利用的影响。用量热仪法测定的污泥热值为7236kJ/㎏；焚烧垃圾热值为1647kJ/㎏。
一个年产量6000万块的砖瓦企业，按污泥25%的配比，每天处理污泥120多t，每年处理干污泥4余万t。污泥的热值按7000kJ/㎏左右，燃烧每吨干污泥相当于燃烧0.24t原煤，若原煤每吨按800元计算，每吨污泥的热值利用价值约190元，再加上节省原料费用和处理污泥的补贴资金，因此，处理污泥为砖瓦企业节省了燃料和原料，在获得社会效益、环保效益的同时完全有可能获得更大的经济效益。
5.3 主要产品及质量指标生产污泥或焚烧垃圾烧砖产品以多孔砖和空心砖为主流产品，少量生产保温砖。此外，污泥或焚烧垃圾砖的性能除与粘土砖性能相当外，且重量较轻，比同体积的砖轻约10%左右，物理性能优异、品质好，保温隔热性能好，还可以实现建筑节能的目的。利用污泥或焚烧垃圾生产出的成品砖质量指标：产品质量执行国家标准GB5101-2003《烧结普通砖》、GB13544-2000《烧结多孔砖》和GB13545-2003《烧结空心砖和空心砌块》。
5.4 污泥制砖的焙烧窑炉技术特点和要求系统严格负压运行，焙烧窑炉系统工艺先进、实用，便于维修、操作环境安全；强化焙烧窑炉设备和烟道等防腐（含酸、碱及高温氧化等腐蚀）处理，确保设备使用寿命；焙烧窑炉高温带严格密封，确保窑炉运转稳定性和可靠性；
提高焙烧窑炉的燃烧性能，确保可燃成分燃尽，从而确保废物焚烧充分完全，确保高温烟气（≥1000℃）停留时间大于2s，保证有毒有害气体组分如二恶英等的完全分解；使用烟气净化技术，尾气排放达到国家标准；特别是二恶英等有毒有害气体，细微的粉尘由高效袋式除尘器捕集，再经脱硫塔脱除氮氧化物。最后将符合排放标准的无异味、无恶臭、无黑烟的气体经排风机由烟囱排放至大气。
采用自控系统，自动检测焙烧系统需要监测的参数主要包括温度、压力、烟气中CO及其他污染物（颗粒物和酸性气体等）的含量等。控制废物在窑内的停留时间，达到理想的焙烧效果。
采用二次码烧，余热充分利用。使用污泥制砖，由于污泥中的残余热量被充分利用，可不再使用其他燃料，具有大幅度节约粘土原料和利用废弃物及节能的诸多优点。焙烧是生产污泥烧结砖的关键技术，在现代化隧道窑操作中，采用计算机检测窑内温度压力，通过变频调速器调整风机转速，从而达到调节焙烧温度的目的。技术的核心在隧道窑的优化设计和焙烧控制。为了保证焙烧质量，污泥烧结砖最好采用隧道窑焙烧，隧道窑的排烟系统、燃烧系统、冷却系统、余热系统及检测调节系统等，有利于污泥砖焙烧控制。
5.5 污泥制砖厂实例浙江富阳市年产1亿块造纸污泥页岩轻质保温砖项目已建成投产，原料采用20%污泥，生产的环保轻质保温砖，比同体积的粘土砖轻约15%左右，保温隔热性能好，还可以实现建筑节能50%的目标，对于节约土地、节约能源、保护环境有着十分重要的意义