城镇污水处理厂污泥生产烧结砖的应用研究

李 林

（山西省长治市县域生态环境监测站，山西 长治 046300）

0 引言

城镇水处理厂处理污水时产生有固态、半固态及液态的废弃物，主要为污泥。城镇水处理厂污泥含有大量的有机物，丰富的氮、磷等营养物质，硅、铝、铁、钙等无机物，同样也含有重金属以及致病菌和病原菌等，若不加处理任意排放，会对环境造成严重的二次污染，同时污泥也可以作为资源加以利用。据统计，截至2020 年，我国城镇污水处理厂有2 618 座，全年污水处理量达674 亿m3，产生污泥约3 007 万t（含水率80%）。

为规范污泥的处理处置，减少因处理处置不当造成的二次污泥的风险，住建部、环保部、发改委、山西省人民政府等部门近年来相继发布了《城镇污水处理厂污泥处置》8 项行业标准、《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策（试行）》、2021 年1 月1日山西省《污水综合排放标准》等规范。随着污泥管理法规标准的日益严格及污泥处理处置技术的提高，污泥填埋比例将逐渐下降，而污泥焚烧发电、土地利用、建材利用等的比例将逐渐增加[1-2]。

1 工程概况

山西长治某污水处理厂主体采用A2/O 处理工艺，污水排放标准为COD 40 mg/L、氨氮质量浓度2 mg/L，设计处理能力为80 万t/a。该污水处理厂实际运行过程中，污泥产生受到具体排水体制、进水水质、污水及污泥处理工艺等多种因素影响，污泥量产生率变化很大。该污水处理厂采用的A2/O 处理工艺，基本活性污泥法污泥产生率较高，污泥产生率达到10 t 污泥/104m3污水（含水率80%）。根据2021 年污水处理厂处理规模和工艺，若按80%的处理负荷率估算，预计当年将产生污泥23.36 万t，如果处置不当，大量污泥极易造成二次污染，从而严重威胁到当地的水环境安全[3-4]。

土地利用是最有发展潜力的污泥处置方式，可有效改善土壤质量，促进植被生长。但是污泥中含有重金属和难降解物质，将其施用于土地特别是农田，存在着环境风险。我国是农业大国，中低产土壤面积相当大，将市政污泥用于农田、绿化、森林等是实现污泥有效利用的主要途径。我国的污泥中无机物的主要成分与黏土、页岩等建筑原料相近，可替代部分原料生产水泥、陶粒、玻璃、生化纤维板、烧结砖等建筑材料。污泥中含有60%～70%的有机成分，干污泥的热值可达2 000～3 500 kcal/kg，可用于发电、生产沼气、生产燃料等。污泥的热化学处置（焚烧、热解、气化）可有效地实现污泥的减量化，回收能源。主文主要是山西长治某污水处理厂污泥烧结砖的利用进行研究。

2 污泥生产烧结砖利用研究

2.1 工艺路线

污泥脱水→干燥→入库（测热值）→粉碎（加页岩）→充分搅拌→余热烘干→隧道窑烧制→成品→性能测试[5]。

2.2 关键技术

污泥生产煤砖以利废、节地、节能和保护环境为主要特征，产品是一种名副其实的生态墙体材料。选取城市污水处理厂所产生的固态污泥，研究其成分、组成、热特性以及所含不同重金属Zn、Cr、Cd、Pb、Hg、Co、Ni、As 在焚烧产物中的迁移规律[6]。研究表明：城镇污水处理厂污泥成分较接近黏土，热值也较高，可以替代黏土或者燃料配合页岩制成建筑用砖块。

2.3 工程规模及技术指标

城镇污水处理厂污泥生产烧结砖建材资源综合利用项目可年产12000 万块污泥烧结页岩砖。

主要技术指标：成品砖规格为240 mm×115 mm×90 mm，尺寸偏差长、宽、高分别为长≤2.5 mm、宽2 mm、高1.5 mm；强度平均值为Mu15 砖≥16 MPa，Mu10 砖≥11 MPa，Mu5 砖≥5.0 MPa，Mu3.5 砖≥3.5 MPa；变异系数≤0.21，抗风化性能平均值≤17，饱和系数平均值≤0.8，孔洞率≥26%，砖墙体传热系数K 值≥1.5 W/（m2·K）。

2.4 主要设备及运行管理

主要设备包括轮式装载机、振动给料机、强力锤式破碎机、可调式高细破碎机、双轴搅拌机、可逆皮带布料机、液压多斗挖掘机、强力搅拌挤出机、程控自动切条切坯系统、隧道焙烧窑等。关键的检测设备有自动量热仪、电热恒温鼓风干燥箱、微型高速粉碎机、液塑限测定仪、电液式压力试验机等。

3 污泥生产烧结砖的生产试验研究

3.1 污泥分析

山西长治某污水处理厂生产的污泥做简单脱水后达到50%残余含水率后，对污泥进行成分检测，结果为pH 值为6.28，含水率59.5%，有机物质量分数为38.5%，总氮质量分数为12 389 mg/kg，总磷质量分数为15 493 mg/kg，总钾质量分数为12 349 mg/kg，总镉质量分数为13.8 mg/kg，总铅质量分数为55.7 mg/kg，总铬质量分数为512mg/kg，总汞质量分数为266mg/kg，总砷质量分数为17.5mg/kg，总铜质量分数为977mg/kg，总锌质量分数为1287mg/kg，总镍质量分数为103mg/kg。基本符合城镇污水处理厂污泥生产烧结砖的要求。

3.2 生产工艺的参数研究

3.2.1 污泥掺配量与烧结砖抗压强度关系

为确定合适的污泥掺配量，进行了污泥掺配量与烧结砖的抗压强度之间的关系试验。取不同的污泥掺配量（0、10%、20%、30%、40%、50%），测试生产的烧结砖抗压强度，试验结果如图1 所示。

图1 污泥掺配量与烧结砖抗压强度的关系图

从图1 可知，随着污泥掺配量从0 增加至50%时，烧结砖抗压强度呈现为降低趋势，当污泥掺入量小于10%时，烧结砖抗压强度是大于12 MPa，完全满足烧结砖抗压强度性能指标。

3.2.2 污泥掺入量与烧结砖密度关系

烧结砖的密度影响到建筑物的性能，必须控制和掌握污泥烧结砖的密度。为确定合适的污泥掺配量，进行了污泥掺配量与烧结砖的密度之间的关系试验。取不同的污泥掺配量（0、10%、20%、30%、40%、50%），测试生产的烧结砖密度，试验结果如图2 所示。

图2 污泥掺配量与烧结砖密度的关系图

从图2 可知，随着污泥掺配量从0 增加至50%时，烧结砖密度呈现为降低趋势，当污泥掺入量小于10%时，烧结砖密度是大于1 700 kg/m3MPa，完全满足烧结砖密度性能指标。

3.2.3 污泥掺配量与砖的保温隔热性能关系

为确定合适的污泥掺配量，进行了污泥掺配量与烧结砖保温隔热性能之间的关系试验。取不同的污泥掺配量（0、10%、20%、30%、40%、50%），测试生产的烧结砖的导热系数，试验结果如图3 所示。

图3 污泥掺量与烧结砖导热系数关系图

从图3 可知，随着污泥掺配量从0 增加至50%时，烧结砖的导热系数呈现为降低趋势，烧结砖的导热系数处在0.14～0.34 W/（m·K）之间，能增加保温隔热性能，烧结砖符合节能减排的产业政策。

3.2.4 污泥掺入量的确定

经以上试验研究分析，在城镇污水处理厂污泥生产烧结砖项目中，脱水后的污泥按9%～10%的比例（质量分数）掺配在黏土内生产烧结砖是合理的，可以实现污泥的充分利用，此时生产的烧结砖的抗压强度、密度、保温隔热性能、重金属含量均符合生产要求。

4 结语

当前，城镇污水处理厂污泥生产烧结砖项目生产正常，日产烧结页岩多孔砖12 万块。随着我国城市化建设的不断发展，此类产品的需求量日益增加，为适应我国经济和高新技术发展需要，该项目的各项性能指标已经圆满完成。项目总投资10 610 万元，其中设备投资4 000 万元，运行费用2 800 万元/a。经济净效益为每年1 100 万元，投资回收年限为10 年。污水厂+污泥生产烧制烧结砖利用项目的实施可每年节约填埋污泥用地约0.133 km2，节省黏土生产烧结砖用地0.086 7 km2，通过污泥热值的利用，每年节省煤炭1.27 万t。