陶粒生產(chǎn)中的城市污泥處理技術(shù)

  0引言

  據(jù)住建部《中國城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》統(tǒng)計(jì)，截止2014年底，污水處理能力為13087萬噸/日，較2013年漲幅近5.1%。污水處理量連年增長，污泥作為污水處理的副產(chǎn)物，其產(chǎn)生量也隨之增加，2014年底我國城市污水處理量達(dá)3827239萬噸，而城市濕污泥產(chǎn)生量為2143萬噸（保守估計(jì)，按1萬噸污水產(chǎn)生5.6噸濕污泥計(jì)算）。進(jìn)入2015年，在環(huán)保產(chǎn)業(yè)的“新常態(tài)”下， 我國相繼頒布了一系列國家政策和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中《水十條》明確了現(xiàn)有污泥處理處置設(shè)施應(yīng)于2017年底前基本完成達(dá)標(biāo)改造，地級及以上城市污泥無害化處理處置率應(yīng)于2020年底前達(dá)到90%以上。隨著政策利好和高成長性因素驅(qū)動下，污泥處理處置行業(yè)有望突破瓶頸期，駛?cè)肟燔嚨馈?

  1 城市污泥處理現(xiàn)狀

  1.1 衛(wèi)生填埋

  污泥衛(wèi)生填埋始于20世紀(jì)60年代，是一項(xiàng)比較成熟的污泥處置技術(shù)。污泥既可單獨(dú)填埋也可與生活垃圾和工業(yè)廢物一起填埋。這種處置方法簡單、易行、成本低，污泥又不需要高度脫水，適應(yīng)性強(qiáng)。填埋場一般為廢棄的礦坑或天然的低洼地。但是污泥填埋也存在一些問題，尤指填埋滲濾液和氣體的形成。滲濾液是一種被嚴(yán)重污染的液體，如果填埋場選址或運(yùn)行不當(dāng)，這種液體就會進(jìn)入地下水層，污染地下水環(huán)境。填埋場產(chǎn)生的氣體主要是甲烷，若不采取適當(dāng)措施會引起爆炸和燃燒。另外，適合污泥填埋的場所也因城市污泥的大量產(chǎn)出而越來越有限，這也限制了該法的進(jìn)一步發(fā)展。

  1.2 直接土地利用

  污泥土地直接利用因投資少、能耗低、運(yùn)行費(fèi)用低、有機(jī)部分可轉(zhuǎn)化成土壤改良劑成分等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N處置方式，這種處置方式是把污泥應(yīng)用于農(nóng)田、菜地、果園、草地、市政綠化、育苗基質(zhì)及嚴(yán)重?cái)_動的土地修復(fù)與重建等?？茖W(xué)合理的土地利用，可減少污泥帶來的負(fù)面效應(yīng)。林地和市政綠化的利用因不易造成食物鏈的污染而成為污泥土地利用的有效方式。污泥用于嚴(yán)重?cái)_動的土地（如礦場土地、森林采伐場、垃圾填埋場、地表嚴(yán)重破壞區(qū)等需要復(fù)墾的土地）的修復(fù)與重建，減少了污泥對人類生活的潛在威脅，既處置了污泥又恢復(fù)了生態(tài)環(huán)境。但是該方法也有幾個問題很難解決，如污泥中的有害生物的完全殺滅，重金屬污染等問題。

  1.3 污泥的焚燒

  濕污泥干化后再直接焚燒應(yīng)用得較為普遍，沒有經(jīng)過干化的污泥直接進(jìn)行焚燒不僅十分困難，而且在能耗上也是極不經(jīng)濟(jì)的。以焚燒為核心的污泥處理方法是最徹底的污泥處理方法，它能使有機(jī)物全部碳化，殺死病原體，可最大限度地減少污泥體積；但是其缺點(diǎn)在于處理設(shè)施投資大，處理費(fèi)用高。

  2 利用陶粒生產(chǎn)進(jìn)行污泥處理的可行性

  2.1 城市污泥的主要成份

  2.1.1 含水率

  由于城市污水的成份各地都不會相差很大，其含水率的大小一般和污水廠的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備有關(guān)。一般板框式壓慮機(jī)含水最低，可達(dá)55%左右。帶式壓慮機(jī)在75%左右，而轉(zhuǎn)筒式離心脫水機(jī)水分可達(dá)80%以上。目前應(yīng)用最廣的是帶式壓慮機(jī)。

  2.1.2 有機(jī)質(zhì)含量

  污泥的有機(jī)質(zhì)含量一般均較高，包含各種成份，一般用燒失量來表示有機(jī)質(zhì)含量。一般城市污泥的干基燒失重在50%-65%之間，有機(jī)質(zhì)在高溫下會分解成易燃的揮發(fā)份和碳。

  2.1.3其它成份

  城市污泥經(jīng)烘干，高溫?zé)坪罅粝碌幕曳輸?shù)量很少，一般只占總量的8%-15%。其成份也有一定的區(qū)別，但其主要成分都是陶粒生產(chǎn)中的主要原料。

  2.2 陶粒原料的基本要求

  2.2.1 水份

  陶粒生產(chǎn)的原理可知，只要能滿足成球條件，含水率越低其能耗要求越小。因此，陶粒生產(chǎn)中原料的水分一般在17%-30%范圍內(nèi)，過低不利于成球，過高嚴(yán)重影響產(chǎn)量。

  2.2.2 燒失重

  根據(jù)陶粒生產(chǎn)中最重要的氣體來源反應(yīng)式；

  2Fe₂O₃ +C→4FeO+CO₂ ↑

  一般要求陶粒在最后發(fā)氣階段有一定量的碳存在。而燒失量其中最大成分就是有機(jī)質(zhì)，考慮升溫段的被分解和被氧化，因此對陶粒原料的燒失量要求一般在5%以上。但當(dāng)原料中燒失量過多時(shí)，陶粒在發(fā)氣時(shí)碳含量過高會造成陶粒軟化粘度和表面張力增大，不利于膨脹。因此排除碳酸鈣分解的影響，一般要求原料中的燒失量在5%-10%。

  2.2.3化學(xué)成份

  根據(jù)國內(nèi)外資料介紹陶粒生產(chǎn)中對原料（干基）化學(xué)成份的一般要求：

  2.3城市污泥和頁巖原料的配方試驗(yàn)

  2.3.1頁巖原料的選擇

  根據(jù)陶粒生產(chǎn)要求和污泥的性質(zhì)，適合大量使用污泥的原料應(yīng)具備含水率低、燒失量小、化學(xué)成分合適的條件。經(jīng)多方篩選，有一種頁巖非常適合上述條件。該頁巖的含水率在11%左右，其干基化學(xué)成分如下。

  2.3.2試驗(yàn)方法

  試驗(yàn)采用操作簡單的一段高溫?zé)Y(jié)法。具體內(nèi)容為將頁巖烘干后粉磨，按配方要求摻入污泥。用手工混合均勻，再成球。將球放入105℃烘箱內(nèi)烘干，烘干后再將料球放入高溫爐內(nèi)按設(shè)定溫度燒結(jié)10分鐘。試驗(yàn)采用最高燒結(jié)溫度和對應(yīng)的表觀密度為試驗(yàn)結(jié)果。

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  2.3.3試驗(yàn)配方

  根據(jù)各材料水份、燒失量、化學(xué)成分，設(shè)定配方如下：

  2.3.4試驗(yàn)結(jié)果

  2.3.5試驗(yàn)總結(jié)

  通過試驗(yàn)我們可以發(fā)現(xiàn)頁巖污泥陶粒的幾個特點(diǎn)

  1)污泥摻入頁巖粉做陶粒完全可行，且摻量合適完全有益。

  2)配方中污泥摻量越大，其燒結(jié)溫度越低。

  3)污泥摻量大小對陶粒表觀密度影響很大，可根據(jù)對陶粒成品的要求來調(diào)整污泥摻量。

  4)兩種污泥的成份性質(zhì)基本相同，其摻量的影響規(guī)律一樣。

  3用城市污泥進(jìn)行陶粒生產(chǎn)

  3.1生產(chǎn)中的主要技術(shù)

  3.1.1污泥摻量的限制條件

  （1）水份的限制

  由于水的蒸發(fā)需要吸收大量的熱量，且大多的陶?；剞D(zhuǎn)窯產(chǎn)量受限的主要原因就是小窯烘干能力受限。根據(jù)大量生產(chǎn)實(shí)踐總結(jié)，一般陶?；剞D(zhuǎn)窯（未安裝特殊的窯尾熱交換器）的原料料球含水率不應(yīng)大于25%。料球水分過高，會造成料球在小窯內(nèi)烘干不完全，料球帶水份進(jìn)入高溫區(qū)。造成料球烘干裂紋，甚至出現(xiàn)碎球等情況。減少進(jìn)料量往往是高水份料球燒制的唯一辦法，但為多用污泥而大幅減少陶粒產(chǎn)量，降低陶粒質(zhì)量會得不償失。按原料總水分30%為上限計(jì)算，含水80%的污泥和含水10%頁巖的最大摻合比為0.4比1。

  （2）燒失量的限制

  污泥中的燒失量主要是有機(jī)質(zhì)成份，其在燒制陶粒過程中會因?yàn)楦邷胤纸?。一部分分解成可燃的揮發(fā)份，另一部分碳化最后以碳的形式參與反應(yīng)。陶粒料球燒失量過高會有兩個對陶粒生產(chǎn)不利的影響。一是過多的揮發(fā)份從陶粒料球內(nèi)部排出會留下過多的氣體排出通道，甚至出現(xiàn)裂縫，不利于陶粒膨脹時(shí)的氣體保留。另一方面，過多的殘留碳會大幅增長陶粒膨脹時(shí)的軟化粘度和表面張力，同樣不利于陶粒的膨脹。當(dāng)然，通過減慢回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速可以多消耗殘留碳，但窯速過慢影響產(chǎn)量也不具有經(jīng)濟(jì)性。因此，按總燒失量不大于10%計(jì)算（生產(chǎn)超輕陶粒的原料總燒失量應(yīng)按不大于8%計(jì)算），干基燒失量為66%的污泥和干基燒失量為3.8%的頁巖干基最大摻摻合比為0.11比1，考慮原料的含水率，其實(shí)際最大摻摻合比為0.6比1。如果頁巖燒失量高的話，該比例將大幅下降。

  （3）其它化學(xué)成份的影響

  由于污泥中固形物含量很低，污泥摻加后陶粒生料球中要求范圍較寬的SiO₂、Al₂O₃含量一般不會超出要求范圍，但污泥中CaO的含量應(yīng)該關(guān)注。有些污泥由于其生產(chǎn)工藝，決定了CaO含量較高，CaO高的陶粒原料會嚴(yán)重影響產(chǎn)量，甚至?xí)?yán)重降低成品質(zhì)量，一般要求料球CaO含量不超過7%。有些污泥中Fe₂O₃含量也較高，可有效降低陶粒的容重，提高產(chǎn)量。但過多的Fe₂O₃含量也會引起陶粒成品的耐久性下降，一般要求料球Fe₂O₃含量不超過10%。

  3.1.2污泥的存儲和運(yùn)送

  城市污水主要由生活污水、少量工業(yè)污水和部分雨水滲入混合組成。污水處理后產(chǎn)出的污泥含有大量水份、有機(jī)質(zhì)，其中還有大量菌類（包括病菌）、蟲卵，臭氣很大。并且污水處理廠還在生產(chǎn)中加入了絮凝劑，因此污泥一般呈較稀的膠凝狀。污泥的這些性狀決定了它的運(yùn)送和儲存要求：不能泵送，不能敞開式堆放?，F(xiàn)在比較先進(jìn)的污泥倉儲方式有兩種；一種是密封式倉庫配污泥池，采用自卸車倒入，用起重抓斗將污泥運(yùn)送至使用處。另一種是采用柱塞泵將污泥運(yùn)至高位料倉儲存，通過自重和螺輸相結(jié)合的方法來使用污泥。兩種方案各有特點(diǎn)；第一種技術(shù)要求較低，設(shè)備可靠，可操作性好。第二種方案節(jié)約場地，環(huán)境衛(wèi)生，使用方便，維護(hù)要求高。

  3.1.3配料和混合

  濕污泥的水份較大，但流動性很差，可通過螺旋輸送機(jī)來運(yùn)送。通過變頻器調(diào)節(jié)螺輸?shù)霓D(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)污泥的運(yùn)送量。因此頁巖粉和濕污泥配料和混合的工藝流程為：分別通過變頻螺輸將頁巖粉和污泥送入雙軸攪拌機(jī)攪拌，將攪拌好的生料經(jīng)陳化后送入輪碾機(jī)經(jīng)輪碾后再造粒。

  3.2工藝流程圖

  浙江大東吳集團(tuán)建設(shè)新材料有限公司超輕頁巖污泥陶粒生產(chǎn)線工藝流程圖：

  3.3經(jīng)濟(jì)效益

  將污泥加入頁巖粉磨成球陶粒，不僅有其社會價(jià)值，還有其豐厚的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。

  1）可完全取消頁巖粉磨陶粒生產(chǎn)中的外加有機(jī)質(zhì)補(bǔ)充，此一項(xiàng)可節(jié)約成本約每方3-5元。

  2）適度的增加污泥用量可減少陶粒燒制時(shí)的燃料用量。污泥的干基熱值約為：每增加10%污泥摻量，約可減燃料用量8%。此一項(xiàng)可節(jié)約成本約每方3-8元。

  3）可享受污泥處理費(fèi)。隨著國家環(huán)境保護(hù)法律法規(guī)的從嚴(yán)，環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。污泥的數(shù)量將越來來多，污泥的最終處置負(fù)荷也越來越大，污泥處理費(fèi)也越來越貴。按每噸150元計(jì)算，摻量30%的污泥陶粒可降低成本約每方20-25元。

  4總結(jié)

  在陶粒生產(chǎn)中加入適量的污泥，技術(shù)上完全可行，不僅具有較大的社會價(jià)值還有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。其核心的原理是利用污泥中的主要成份是陶粒生產(chǎn)的原料這一特點(diǎn)，將污泥通過陶粒生產(chǎn)的高溫進(jìn)行燒結(jié)。不僅做到了殺菌、消毒，還可以讓污泥中的少量重金屬融熔在陶粒的晶格中，實(shí)現(xiàn)了污泥的無害化處理。但是陶粒生產(chǎn)中的污泥摻量是受一定的條件限制的，我們不能脫離生產(chǎn)實(shí)際去燒制污泥陶粒。過多的污泥摻入量其實(shí)不是陶粒生產(chǎn)技術(shù)，而是污泥焚燒技術(shù)。這是另一個課題，也有其發(fā)展方向：包括污泥深度脫水、污泥烘干、污泥協(xié)同燃燒、污泥除臭技術(shù)等新技術(shù)。