城鎮污水處理廠污泥生產燒結磚的應用研究

李 林

（山西省長治市縣域生態環境監測站，山西 長治 046300）

0 引言

城鎮水處理廠處理污水時產生有固態、半固態及液態的廢棄物，主要為污泥。城鎮水處理廠污泥含有大量的有機物，豐富的氮、磷等營養物質，硅、鋁、鐵、鈣等無機物，同樣也含有重金屬以及致病菌和病原菌等，若不加處理任意排放，會對環境造成嚴重的二次污染，同時污泥也可以作為資源加以利用。據統計，截至2020 年，我國城鎮污水處理廠有2 618 座，全年污水處理量達674 億m3，產生污泥約3 007 萬t（含水率80%）。

為規范污泥的處理處置，減少因處理處置不當造成的二次污泥的風險，住建部、環保部、發改委、山西省人民政府等部門近年來相繼發布了《城鎮污水處理廠污泥處置》8 項行業標準、《城鎮污水處理廠污泥處理處置及污染防治技術政策（試行）》、2021 年1 月1日山西省《污水綜合排放標準》等規范。隨著污泥管理法規標準的日益嚴格及污泥處理處置技術的提高，污泥填埋比例將逐漸下降，而污泥焚燒發電、土地利用、建材利用等的比例將逐漸增加[1-2]。

1 工程概況

山西長治某污水處理廠主體采用A2/O 處理工藝，污水排放標準為COD 40 mg/L、氨氮質量濃度2 mg/L，設計處理能力為80 萬t/a。該污水處理廠實際運行過程中，污泥產生受到具體排水體制、進水水質、污水及污泥處理工藝等多種因素影響，污泥量產生率變化很大。該污水處理廠采用的A2/O 處理工藝，基本活性污泥法污泥產生率較高，污泥產生率達到10 t 污泥/104m3污水（含水率80%）。根據2021 年污水處理廠處理規模和工藝，若按80%的處理負荷率估算，預計當年將產生污泥23.36 萬t，如果處置不當，大量污泥極易造成二次污染，從而嚴重威脅到當地的水環境安全[3-4]。

土地利用是最有發展潛力的污泥處置方式，可有效改善土壤質量，促進植被生長。但是污泥中含有重金屬和難降解物質，將其施用于土地特別是農田，存在著環境風險。我國是農業大國，中低產土壤面積相當大，將市政污泥用于農田、綠化、森林等是實現污泥有效利用的主要途徑。我國的污泥中無機物的主要成分與黏土、頁巖等建筑原料相近，可替代部分原料生產水泥、陶粒、玻璃、生化纖維板、燒結磚等建筑材料。污泥中含有60%～70%的有機成分，干污泥的熱值可達2 000～3 500 kcal/kg，可用于發電、生產沼氣、生產燃料等。污泥的熱化學處置（焚燒、熱解、氣化）可有效地實現污泥的減量化，回收能源。主文主要是山西長治某污水處理廠污泥燒結磚的利用進行研究。

2 污泥生產燒結磚利用研究

2.1 工藝路線

污泥脫水→干燥→入庫（測熱值）→粉碎（加頁巖）→充分攪拌→余熱烘干→隧道窯燒制→成品→性能測試[5]。

2.2 關鍵技術

污泥生產煤磚以利廢、節地、節能和保護環境為主要特征，產品是一種名副其實的生態墻體材料。選取城市污水處理廠所產生的固態污泥，研究其成分、組成、熱特性以及所含不同重金屬Zn、Cr、Cd、Pb、Hg、Co、Ni、As 在焚燒產物中的遷移規律[6]。研究表明：城鎮污水處理廠污泥成分較接近黏土，熱值也較高，可以替代黏土或者燃料配合頁巖制成建筑用磚塊。

2.3 工程規模及技術指標

城鎮污水處理廠污泥生產燒結磚建材資源綜合利用項目可年產12000 萬塊污泥燒結頁巖磚。

主要技術指標：成品磚規格為240 mm×115 mm×90 mm，尺寸偏差長、寬、高分別為長≤2.5 mm、寬2 mm、高1.5 mm；強度平均值為Mu15 磚≥16 MPa，Mu10 磚≥11 MPa，Mu5 磚≥5.0 MPa，Mu3.5 磚≥3.5 MPa；變異系數≤0.21，抗風化性能平均值≤17，飽和系數平均值≤0.8，孔洞率≥26%，磚墻體傳熱系數K 值≥1.5 W/（m2·K）。

2.4 主要設備及運行管理

主要設備包括輪式裝載機、振動給料機、強力錘式破碎機、可調式高細破碎機、雙軸攪拌機、可逆皮帶布料機、液壓多斗挖掘機、強力攪拌擠出機、程控自動切條切坯系統、隧道焙燒窯等。關鍵的檢測設備有自動量熱儀、電熱恒溫鼓風干燥箱、微型高速粉碎機、液塑限測定儀、電液式壓力試驗機等。

3 污泥生產燒結磚的生產試驗研究

3.1 污泥分析

山西長治某污水處理廠生產的污泥做簡單脫水后達到50%殘余含水率后，對污泥進行成分檢測，結果為pH 值為6.28，含水率59.5%，有機物質量分數為38.5%，總氮質量分數為12 389 mg/kg，總磷質量分數為15 493 mg/kg，總鉀質量分數為12 349 mg/kg，總鎘質量分數為13.8 mg/kg，總鉛質量分數為55.7 mg/kg，總鉻質量分數為512mg/kg，總汞質量分數為266mg/kg，總砷質量分數為17.5mg/kg，總銅質量分數為977mg/kg，總鋅質量分數為1287mg/kg，總鎳質量分數為103mg/kg。基本符合城鎮污水處理廠污泥生產燒結磚的要求。

3.2 生產工藝的參數研究

3.2.1 污泥摻配量與燒結磚抗壓強度關系

為確定合適的污泥摻配量，進行了污泥摻配量與燒結磚的抗壓強度之間的關系試驗。取不同的污泥摻配量（0、10%、20%、30%、40%、50%），測試生產的燒結磚抗壓強度，試驗結果如圖1 所示。

圖1 污泥摻配量與燒結磚抗壓強度的關系圖

從圖1 可知，隨著污泥摻配量從0 增加至50%時，燒結磚抗壓強度呈現為降低趨勢，當污泥摻入量小于10%時，燒結磚抗壓強度是大于12 MPa，完全滿足燒結磚抗壓強度性能指標。

3.2.2 污泥摻入量與燒結磚密度關系

燒結磚的密度影響到建筑物的性能，必須控制和掌握污泥燒結磚的密度。為確定合適的污泥摻配量，進行了污泥摻配量與燒結磚的密度之間的關系試驗。取不同的污泥摻配量（0、10%、20%、30%、40%、50%），測試生產的燒結磚密度，試驗結果如圖2 所示。

圖2 污泥摻配量與燒結磚密度的關系圖

從圖2 可知，隨著污泥摻配量從0 增加至50%時，燒結磚密度呈現為降低趨勢，當污泥摻入量小于10%時，燒結磚密度是大于1 700 kg/m3MPa，完全滿足燒結磚密度性能指標。

3.2.3 污泥摻配量與磚的保溫隔熱性能關系

為確定合適的污泥摻配量，進行了污泥摻配量與燒結磚保溫隔熱性能之間的關系試驗。取不同的污泥摻配量（0、10%、20%、30%、40%、50%），測試生產的燒結磚的導熱系數，試驗結果如圖3 所示。

圖3 污泥摻量與燒結磚導熱系數關系圖

從圖3 可知，隨著污泥摻配量從0 增加至50%時，燒結磚的導熱系數呈現為降低趨勢，燒結磚的導熱系數處在0.14～0.34 W/（m·K）之間，能增加保溫隔熱性能，燒結磚符合節能減排的產業政策。

3.2.4 污泥摻入量的確定

經以上試驗研究分析，在城鎮污水處理廠污泥生產燒結磚項目中，脫水后的污泥按9%～10%的比例（質量分數）摻配在黏土內生產燒結磚是合理的，可以實現污泥的充分利用，此時生產的燒結磚的抗壓強度、密度、保溫隔熱性能、重金屬含量均符合生產要求。

4 結語

當前，城鎮污水處理廠污泥生產燒結磚項目生產正常，日產燒結頁巖多孔磚12 萬塊。隨著我國城市化建設的不斷發展，此類產品的需求量日益增加，為適應我國經濟和高新技術發展需要，該項目的各項性能指標已經圓滿完成。項目總投資10 610 萬元，其中設備投資4 000 萬元，運行費用2 800 萬元/a。經濟凈效益為每年1 100 萬元，投資回收年限為10 年。污水廠+污泥生產燒制燒結磚利用項目的實施可每年節約填埋污泥用地約0.133 km2，節省黏土生產燒結磚用地0.086 7 km2，通過污泥熱值的利用，每年節省煤炭1.27 萬t。