污水廠剩余污泥資源的濾料化研究

王一帆，姜 博，謝 添，張 琮

（1.吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長春 130118；2.吉林省建筑科學(xué)研究設(shè)計院（吉林省建筑工程質(zhì)量檢測中心），吉林 長春 130118；3.吉林中源建筑市政工程設(shè)計有限公司，吉林 長春 130118）

隨著全球城市化進程的加快，基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，城市污水處理率不斷提高的同時，也伴隨著嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)的實施[1]。其中，污泥成為城市污水廠處理過程中產(chǎn)生的主要副產(chǎn)品[2]，并且產(chǎn)量在不斷增加，污泥量呈現(xiàn)指數(shù)級增長狀態(tài)。

污水處理過程中產(chǎn)生的污泥中含有大量的有機污染物（氮磷化合物）和重金屬，且含有大量水分（通常高達99%），以及大量微生物和有機物質(zhì)，容易腐化，散發(fā)惡臭。污水廠污泥的顆粒較細，比重較小，是一種介于液體和固體之間的粘稠膠體狀物質(zhì)，很難通過靜置沉淀的方式進行固液分離[3]。研究表明，污水廠污泥很難降解，并長期具有毒性。如果處置不當(dāng)，其將以空氣、地表水、地下水和土壤等為媒介進入食物鏈，在新陳代謝循環(huán)過程中威脅人類健康，因此不容忽視。

1 傳統(tǒng)污泥處理方式存在的問題

傳統(tǒng)的污泥常規(guī)處理方式有填埋、海洋傾倒、焚燒、堆肥等[4]，不僅會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，還會導(dǎo)致資源的大量浪費。

（1）填埋需要將污泥脫水后運輸至指定場地，這些地方需要遠離水源，人跡罕至，因此運輸成本極高[5]。歐洲和美國等發(fā)達國家已將剩余污泥土地使用實行嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，不能隨意進行填埋[6]，因此，污泥填埋場的環(huán)境經(jīng)濟效益值得評估。

（2）海洋傾倒[7]是將污泥傾倒入海洋，看似過程簡單，處理成本低，然而必須嚴(yán)格評估海洋傾倒對海洋生態(tài)環(huán)境的負面影響[8]。

（3）焚燒過程可能會產(chǎn)生有害氣體SO2（二氧化硫）、TCDD（四氯二苯并對二惡英）和其他氣體，造成空氣污染[9，10]，污泥焚燒產(chǎn)生的環(huán)境污染不可避免[11]。

（4）污泥堆肥可以有效利用污泥和有機物中的微量元素，如氮、磷和鉀[12]，然而污泥堆肥土壤的長期食物鏈安全性需要進一步研究。

所有這些方法都有一定的局限性。

2 污泥濾料化研究進程及其工藝

探索污泥處置的新方法和資源綜合利用的新途徑，對解決污泥處置問題具有重要意義。因此，將污水廠污泥用于制備陶粒、進行以建筑材料為主的建材化利用技術(shù)受到越來越多學(xué)者的關(guān)注。

2.1 污泥濾料化研究進程

Nakouzi S.等人是最早[13]提出采用污泥制備陶粒的，以污泥為主要原料，摻加適量輔料（如粉煤灰、活性碳、煤矸石等）作為粘結(jié)劑或者造孔劑，經(jīng)過成球、干燥、陳化、升溫等工序，最終在高溫的條件下，陶粒內(nèi)部氣體膨脹，形成多孔結(jié)構(gòu)。

陶粒是一種合成粘土礦物，主要由鈣含量為50%（重量百分比）的堿性鈣礦物組成。近年來，陶粒因其成本低、無二次污染、吸附性能強等優(yōu)點，在生態(tài)修復(fù)，特別是除磷方面的應(yīng)用得到了廣泛研究。污泥制備陶粒技術(shù)，研究起步較晚，目前大都將研究重點放在原料配比、工藝條件優(yōu)化等方面，然而污泥摻量較低也是目前亟待解決的問題之一。成品濾料的性能也各不相同，金屬氧化物被認為是去除廢水中磷的最有潛力的吸附劑之一，它通過一定的化學(xué)反應(yīng)和煅燒產(chǎn)生，具有較強的吸附能力，固體吸附劑支撐的金屬氧化物合成材料，在固體材料和金屬氧化物之間表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)。

2.2 污泥陶粒制備原理及工藝概述

目前，我國對陶粒尚無明確定義，多數(shù)學(xué)者將其視為輕集料的一種。通過摻雜污泥，加入一定的粘結(jié)劑和造孔劑，再經(jīng)過高溫的焙燒，使得污泥中原本含有的致病細菌、微生物、有機氮、磷等有害成分分解；而且污泥所含有的鐵鋁等金屬經(jīng)過高溫?zé)疲€(wěn)定固結(jié)在陶粒內(nèi)部，讓原本屬于危險廢棄物的污泥能夠安全應(yīng)用于實際生產(chǎn)。此外高溫產(chǎn)生的氣體在向外逸散的過程中，會在陶粒表面形成大量氣孔，能夠增大陶粒的比表面積，增大陶粒表面的粗糙度，增強微生物的生物掛膜性能。

污泥陶粒按照制作工藝可以分為燒制陶粒和非燒制陶粒，給水廠陶粒因為所含污染物較少，因此一般采用免燒結(jié)的方式。免燒結(jié)一般通過添加膠凝材料（水泥等），經(jīng)過一段時間的晾干而得到，優(yōu)點是無需燒結(jié)因而減少大量能源消耗；污水廠污泥所含污染物較多，多采用燒結(jié)的方式，通過高溫煅燒原料制備陶粒能夠提高材料性能和安全性，值得推廣應(yīng)用的一種很有前途的方法。燒結(jié)陶?？梢越o產(chǎn)品帶來很多好處，例如通過固化，穩(wěn)定提高機械強度；通過添加嵌入晶體，穩(wěn)定有害金屬；通過熱解和氣化去除有機污染物、病原體；通過生成微孔結(jié)構(gòu)來提高吸附能力。在陶粒生產(chǎn)過程中，許多因素會影響陶粒的性能，例如污泥摻雜量、預(yù)熱溫度、焙燒溫度和焙燒時間、燒制工藝等，其中污泥摻量主要影響陶?？紫堵屎投逊e密度等性能。由于每一種污泥的含量都不同，所以沒有明顯規(guī)律來提升套利的性能。

當(dāng)前，為確保陶粒的強度，生產(chǎn)中主要摻雜粘土、粉煤灰、煤矸石等充當(dāng)骨料，對污泥制備陶粒的研究較少。由于我國耕地面積有限，大量使用粘土來燒制陶粒也是不被允許的，所以污泥就成為很好的替代品。污泥經(jīng)過干化后，摻雜粉煤灰，根據(jù)發(fā)熱量計算調(diào)配比例，添加適量水分成球后，可以大幅度降低燒制溫度，縮短燒制時間。相比較于粘土、煤矸石等礦物材料，污泥價格更加低廉，能夠帶來更多的經(jīng)濟效益，同時實現(xiàn)固體廢棄物的無害化處理。污水廠污泥是粘土的最佳替代品之一，因為其主要成分與粘土相似，從自然資源恢復(fù)和保護的角度來看，利用污泥代替粘土生產(chǎn)陶粒具有重大意義。污泥燒制陶粒不僅能夠減少污水廠藥品的投加，而且會推動社會經(jīng)濟效益的發(fā)展，是一個可持續(xù)發(fā)展的過程。

2.3 陶粒用于廢水處理

目前，在固體廢物的聯(lián)合處置中，污染控制和利用相結(jié)合是一種趨勢，陶粒被認為是處理各種危險廢物（包括污泥、泥漿、污染土壤、灰塵和其他有害物質(zhì)）最有前途和應(yīng)用前景的方法之一。陶粒是一種多孔球形材料，可用于廢水處理，因為它具有很高的穩(wěn)定性和對微生物生物膜、生物量的親和力。污泥陶粒所用原料為固體廢棄物材料，經(jīng)過燒結(jié)后具有較高強度，耐腐蝕，具有較高比表面積，可應(yīng)用于水廠的水處理濾料和人工濕地作為植物和微生物載體。陶粒作為人工濕地的填充物，能夠有效維持濕地的穩(wěn)定性，延緩濕地堵塞，顯著提高社會和環(huán)境的經(jīng)濟效益。此外，陶粒的生產(chǎn)工藝相對成熟，而且原材料容易獲得，它被認為是經(jīng)濟、安全和環(huán)保的，因此可用于廢水處理行業(yè)。

2.4 對污泥陶粒工藝發(fā)展研究的建議

盡管污泥陶粒得到了快速發(fā)展，但是還需要就以下方面做出深入研究：（1）制定陶粒相關(guān)的準(zhǔn)則和檢測標(biāo)準(zhǔn)，如桶壓強度、粒徑、密度等，明確陶粒的理化特性。（2）在保證陶粒本身性能不變的前提下，增大污泥比例，降低粘土等物質(zhì)比例。（3）優(yōu)化工藝參數(shù)，降低能源消耗。

3 結(jié)語

近年來，利用污泥制備陶粒的專利越來越多，但其中大多數(shù)都與高嶺土、粉煤灰、水泥、石膏或其他材料混合，以提高燒成強度。因此，提高污泥摻雜量成為陶粒的熱門研究方向。

綜上所述，污泥陶粒的制備不論在廢物的綜合利用方面，還是在環(huán)境保護方面都能取得良好的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益，具有良好的發(fā)展前景。對陶粒的原料及生產(chǎn)工藝進行更深入的研究，還可將其向多個應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。