城市生活污泥在制砖工业中的应用

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1 1.1.前言

   据不完全统计, 全国日污泥排放量 4.447 万 m3 , 而集中生化处理已成为污水处理的主流。污水厂在净化 污水的同时,产生的污泥量约占污水总处理量的 0.3% ～ 5%(含水率以 97%计), 如果对水进行深度处理, 污泥量还可能增加 0.5 ～ 1.0 倍。污泥的成分非常复杂, 含有很多病菌微生物、寄生虫卵及重金属等, 必须进行适当的处理, 才能保证污泥的处理效果, 避免严重的二次污染。另外, 污泥处理的投资和运行费用巨大 。因此, 寻求经济有效的减容化、无害化和资源化的污泥处 理利用技术具有重要的意义。我国的污泥处置大部分 以农用、填埋或焚烧处置, 在制备建筑材料方面的应用很少。焚烧的技术和设备复杂, 能耗大, 费用较高, 并且有大气污染问题;填埋法则受到用地限制, 而且会污染 环境;投海会污染海洋, 国际公约已明令禁止。污泥制 成肥料农用具有经济简便、可资源化等优点, 但污泥农 用必须注意严格控制有毒物质, 尤其要注意重金属的污 染。国际上城市污泥的资源化利用研究始于 20 世纪 80 年代, 主要是利用城市污泥农用、焚烧和制备建筑材料 。研究较多的工业发达国家, 如日、英、德、新加坡 等。国内现行污泥处理能耗大, 且造成二次污染, 而利用污泥制砖不仅处理了污泥, 而且还节约了能源和土地。根据国内外的研究现状, 本文对生活污泥在制砖工 业中的应用进行了探讨。

2  生活污泥制砖的基本条件

城市生活污泥是指污水厂处理废水所产生的固体 废弃物, 在城市污水处理的过程中, 产生很多沉淀物与 漂浮物, 有的是从污水中直接分离出来的, 如沉淀池中 的沉渣、初次沉淀池中的沉淀物、隔油池和浮选池中的 油渣等;有的是在处理过程中产生的, 如化学沉淀污泥 与生物化学法产生的活性污泥或生物膜等 。根据 Tania Basegio和 Bernd Wiebusch 对生活污泥和粘 土的化学成分的比较(其结果见表 1、2), 污泥灰中的 SiO2 含量远低于粘土中的含量, 污泥灰中 Fe2O3与P2O5的含量比粘土中高10 %左右, 重金属含量比粘土 中要明显的多, 其他的含量基本接近, 因而生活污泥燃烧后的产物与粘土的组成基本接近, 用粘土制砖时加 一定量的干生活污泥一般是可行的。因干生活污泥中含有大量的有机物, 有一定的燃烧热值, 其燃烧热值在 10000J/ g 左右 , 用于制砖, 可节约能源。

3  生活污泥制砖

利用生活污泥制砖有两种工艺方式, 一种是污泥焚 烧灰制砖;另一种是干化污泥直接制砖。将污泥焚烧后 搜集的灰与粘土混合制砖, 其中污泥灰的掺量可高达 50%,砖的综合性能好, 但没有利用污泥的热值。日本 Nagaharu Okuno[ 6] 曾报道过用 100%的下水道污泥燃烧灰 制成砖, 在日本已有 8 家这样的公司。污泥燃烧灰制砖 的成型压力都很高, 100%的灰粒的最佳成型压力为 98MPa, 在1020℃左右烧成。但也存在一些问题, 因表面 湿气的作用, 表面会生长苔藓或是泛白。要解决这些弊 端, 可以提高烧成温度与进行表面化学处理。据称污泥 灰砖的零售价为1 美元一块, 价格非常昂贵[ 6] 。干化污泥 制砖, 缺点是污泥中有机质在高温下燃烧导致砖的表面 不平整、掺量低和抗压强度低等。但利用了污泥的热值, 且价格低。这两种制砖方式都存在空气污染, 因污泥中 含有大量的有机物,焚烧或烧砖时都有有害气体放出, 两 种方法制砖的工艺流程见图 1、图 2。

4  焚烧污泥灰砖与干污泥砖性能比较、分析

4.1 砖的吸水率
吸水率是影响砖耐久性的一个关键因素, 砖的吸 水率越低, 其耐久性与对环境的抗蚀能力越强, 因而砖 的内部结构应尽可能致密以避免水的渗入。不同污泥 含量的污泥灰砖和干污泥砖的 3 个烧成温度下的吸水 率试验结果见图 3。Bernd Weibusch[ 5] 的研究说明, 随 着污泥含量的增加与烧成温度的降低, 砖的吸水率升 高。而在制砖中, 污泥灰起着造孔剂作用, 所以污泥灰 砖的吸水率比粘土砖高。在用干污泥制砖中, 污泥降 低了混合样的塑性, 降低了混合样颗粒间的粘结性能。当混合样中污泥含量较高时, 混合样的粘结性能下降, 但砖内部微孔尺寸增加, 其结果导致吸水率的升高。由于干污泥砖的有机杂质多, 烧结后的微孔也多, 所以 其吸水率比污泥灰砖高。同时干污泥砖中含有大量的 有机物, 其内燃值大, 起着助燃剂作用, 因而其烧结温 度比污泥灰砖低。

4.2 砖的烧成尺寸收缩率
通常, 质量好的砖的烧成收缩率低于 8 %, 污泥灰 砖的烧成收缩率基本上低于 8%。在干污泥砖中, 烧 成收缩率随污泥含量的增加而相应增加, 成近似线性 关系。由于干污泥的有机质含量远高于粘土, 污泥的 加入提高了烧成收缩率, 导致砖的性能降低。烧成温 度也是影响烧成收缩率的重要参数, 通常, 提高烧成温 度, 烧成收缩率上升, 但烧结温度不能过高, 以免把砖 烧成玻璃体。因而, 污泥含量与烧成温度是控制烧成 收缩率的两关键因素。在干污泥砖中, 污泥含量低于 10%, 烧成温度低于 1000℃时, 其烧成收缩率符合优 质砖标准 。
4.3 砖的烧成质量减少分数
增加污泥含量与提高烧成温度结果导致烧成质量 减少百分数增加。1999 年国家发布的砖烧成质量减 少百分数的标准是 15 %。当干污泥含量少于 10%时, 所有的砖都符合标准[ 7] 。对于普通粘土砖而言, 在 800℃烧成后质量损失主要由于粘土中有机质燃烧引 起, 然而, 当混合样中加入干污泥后, 烧成质量损失率 明显增加, 因为污泥中含有的有机质量大。另外, 砖的 烧成质量损失率也依赖于污泥与粘土中的无机质在烧 成过程中的烧尽。
4.4 砖的烧成密度
干污泥砖的密度与污泥含量成近似线性关系(见图4) , 这一结论显示与吸水率曲线的走势十分相似。因污泥中有机质含量较高, 在烧结时有机质挥发 必然留下孔洞, 粒径较粗, 烧结体致密性差。烧成温度 同样也影响颗粒的密度, 结果显示提高烧成温度会提高颗粒密度 。在污泥灰砖中, 污泥灰作为造孔剂, 这个效果可由 吸水率的增高与密度的降低来衡量。污泥灰含钙量似 乎起着主要影响, 但污泥灰原有的孔洞也会影响着砖体孔洞的性质 。

4.5 砖的强度
抗压强度是衡量砖性能的最为重要的指标之一。抗 压强度极大的依赖于污泥的含量与烧成温度 。干污泥 砖的抗压强度随干污泥含量的增加而降低, 随烧成温度 的升高而升高。10%含量的干污泥砖在 1000℃烧成, 其 抗压强度为二级品。在制污泥灰砖中, P2O5 含量越高, SiO2 含量越低, 其软化性越强;污泥灰抗压强度还依赖污 泥灰中铁和钙的含量, 铁含量的增加使得砖体抗压强度 提高, 钙则使其降低 。Bernd Weibusch用的是污泥灰 制砖, 在污泥灰含量低于 10%时, 其抗压性能比干污泥砖 和粘土砖都好。当污泥灰含量 10%, 烧结温度为 1020℃ 时, 其砖抗压性能最好, 可达138MPa。

5  结束语

a.用焚烧污泥灰制砖, 其污泥灰含量可较高, 甚至 100%;适宜烧成温度为 1020℃～ 1060℃, 在含量低于 10%的污泥灰砖的强度性能比粘土砖高。用干污泥制 砖, 其适宜干污泥质量含量为 5%～ 10%, 烧成温度为 960℃～ 1000℃, 其干污泥砖强度与粘土砖相当。
b .利用污泥制砖不仅处理了污泥, 在烧制过程中 将有毒重金属都封存在坯料中, 也杀死了所有有害细 菌, 而且这种砖没有异味。污泥砖质轻、孔隙多, 因而 具有一定的隔音、隔热效果等优点。
c.利用污泥制砖过程中都存在有恶臭气体的产 生, 特别是在加热条件下恶臭非常强烈, 恶臭治理往往 成为污泥利用过程中的主要障碍。同济大学环境系开 展了生物脱臭技术的研究, 以期解决治理过程中的恶 臭问题。污泥砖的耐久性能还需进一步研究, 污泥粘 土粉煤灰砖需要进一步研究。