江苏省科技计划项目申报书

计划类别：指南代码：申报ID号：江苏省科技计划项目申报书(科技支撑计划--工业部分)项目名称：污水厂污泥固化/稳定化技术应用研究承担单位：江苏明轩环保科技有限公司所在地区：单位地址：邮编：项目负责人：电话：主管部门：申报日期：2009年月日江苏省科学技术厅二○○九年制□前沿技术项目□专题项目一、立项依据1、本项目国内外科技创新发展概况和最新发展趋势我国对于污水厂污泥的处理尚未形成成熟的技术。针对这一问题由河海大学研发了污水厂污泥固化/稳定化技术，并与江苏明轩环保科技有限公司合作进行了产业化，目前已在深圳、海宁实施了处理工程。本次研究结合污水厂污泥固化/稳定化技术的产业化应用，研究固化稳定化技术处理后污泥的长期稳定性、渗滤液的产量和水质、是否产生气体以及气体的性质这3个问题，为技术的进一步推广提供技术支撑。目前国内外关于污泥的处理处置及固化/稳定化技术发展概况及趋势介绍如下：(1)国外通常将固化/稳定化技术用于危险废物的处理中，用于污泥的处理中尚处于起步阶段固化(solidification)是指添加固化剂于废弃物中，使其变为不可流动性或形成固体的过程，而不管废弃物与固化剂间是否产生化学结合；稳定化(stabilization)是指将有害污染物转变成低溶解性、低毒性及低移动性的物质，以减少有害物污染潜力的技术。固化技术最早在20世纪50年代用于放射性废物的处理，例如美国在处理低水平放射性液体废物时，先用硅石等矿物进行吸附，或者先用大量的普通水泥将其固化，然后再进运送至指定填埋处置圈。由于污泥处理处置问题日益突出，而固化/稳定化技术又具有工艺简单、投资较低等优点，将固化/稳定化技术用于污泥处理逐渐成为一种新的技术途径。(2)固化/稳定化技术在我国污泥处理领域具有处理成本低、工艺简单、适应性广等诸多优势污泥固化/稳定化技术是指添加固化/稳定化材料于污泥中，改善污泥的材料性质，并将污泥中的有害污染物转变成低溶解性、低毒性及低移动性的物质或实现对其的封闭效应，以减少有害物污染潜力的技术。由于固化/稳定化材料来源广泛，因此固化/稳定化技术在污泥处理中具有较强的成本优势；另外因其处理设备和工艺简单，其设备的投入较低，便于操作，同时能够实现对大量污泥的处理；最后处理后的污泥可以进行安全填埋，也可以直接填埋或者作为其它资源化利用的预处理手段。(3)决定污泥固化/稳定化处理效果和成本的关键产品－固化/稳定化材料目前已经具备了产业化生产的前景对为提高固化/稳定化效果的复合型固化/稳定化材料不断涌现。Chemfix公司利用水溶性硅酸盐和普通水泥处理机械制造、金属表面处理和冶金等工艺产生的废物以及高浓度重金属污泥。此后，这一技术还被用于处理有机物污泥。黄玉柱等开发了以脲甲醛和沥青等高分子有机物为基材的固化/稳定化技术，增容比相对较小，固化/稳定化体的重量也较轻。武汉大学的涂洁和侯浩波采用HAS土壤固化/稳定化剂代替传统固化/稳定化基材对电镀污泥进行常温固化/稳定化处理，污泥固化/稳定化产品的强度可达10MPa以上，基本满足普通建材要求。李磊，朱伟等提出污泥骨架构建技术的概念，采用含有粘土矿物的废弃淤泥作为骨架材料采用水泥进行固化/稳定化，较单独使用水泥进行固化/稳定化强度得到了明显提高，增容问题也得到了较好的控制。江苏明轩环保科技有限公司以骨架构建技术作为基础，开发出了一系列的污泥专用固化/稳定化材料，在深圳下坪、福永污泥填埋处理工程、苏州甪直污泥固化/稳定化处理工程、浙江海宁污泥固化/稳定化处理工程中已经实现了规模化生产。(4)污泥固化/稳定化处理专用设备已经初步形成了系列产品，设备的核心技术问题已经解决为了提高污泥固化/稳定化处理效率并获得较好的处理效果，专门用于污泥固化/稳定化处理的设备已经研制成功，并且针对不同性质的污泥、不同的处理模式、不同的场地条件生产出了系列产品。污泥固化/稳定化设备的核心技术部分：混合搅拌系统和材料精确输送系统已经完成工业化设计并在部分设备上安装调试完毕，从现场实际处理效果来看，较非专用的污泥固化/稳定化设备具有节约材料用量、处理效率高、固化效果好等诸多优势。(5)固化/稳定化污泥的强度以及污染控制方面的研究已经取得长足进展，能够支撑该技术的产业化应用赵乐军等分别以石灰、土、粉煤灰为添加剂，考察了不同添加量时脱水污泥与添加剂混合试样的初始土工含水率、密度、渗透系数、十字板抗剪强度、无侧限抗压强度，表面加入添加剂后养护20~30d就可满足填埋要求。马建立等根据上海城市污水处理厂处理工艺和污泥的物理化学特性，提出了化学污泥固化填埋工艺。研究表明，污泥固化填埋采用一种新型的M1镁系胶凝固化剂，加入量为5%时，可以达到污泥的填埋要求。J.Chu研究了污泥-水泥-铜渣混合物的压缩特性，结果表明混合铜渣等在80KPa垂向压力作用下进行固结能够显著提高污泥的污泥力学性质，含水率从500%减少到60%~100%，无侧限抗压强度达到55-160KPa。李磊、曹永华等通过添加辅助材料对污泥的强度规律进行了研究，并从微观角度证明了辅助材料的加入有助于提高污泥的密实性，密实性的提高是其强度提高的主要原因。朱伟根据对固化/稳定化污泥的渗透性进行了研究，表明污泥固化/稳定化处理后透水性在10-7~10-6cm/s，具有良好的内封闭性，能够避免二次污染。污泥中存在的污染物形式主要可以划分为重金属类、有机污染物类以及病原菌类。通过固化/稳定化处理一方面改变污泥原来的化学条件，将污染物转化为稳定态，减少其毒性以及进入环境的速率；另一方面通过固化/稳定化形成的封闭结构将污染物封闭在固化/稳定化体内，减少对环境的污染，达到无害化的目的。通过掺入固化/稳定化材料能够改变污泥的化学条件，最重要的表现是水化产物的产生提高了污泥的pH值。Stegemann给出了不同水化产物的pH值。通过固化/稳定化处理后污泥的pH值得到了一定的提高，则重金属可能同OH-或硅酸盐结合成含钙的盐类，污泥中原有的重金属能够以稳定的不溶态或络合态存在，减少了对环境的污染。李磊较为深入的研究了硫杆菌活动对固化/稳定化污泥中重金属浸出的影响，指出污泥经过固化/稳定化处理后其中的硫杆菌仍然具有活性，但是通过调整合适的固化/稳定化水平能够降低重金属的浸出风险。有机污染物对水泥水化的影响机理目前还不清楚。Eaton,Walshetal.采用Ethyleneglycol（乙二醇乙烯）与Brominatedphenol（溴苯酚）两种有机污染物为对象通过XRD及SEM试验，研究对水泥水化反应的影响。结果表明：有机物的滞后作用被认为是通过氢键（通常需要有机污染物要可溶，且含有氢键）的作用将有机物附着到水泥颗粒表面，进而影响水泥与水接触发生水化反应；苯酚在强碱条件下能转化为苯氧化物阴离子，在水泥水化反应过程中，这些阴离子能取代水分同水泥结合，从而进入水泥晶格（钙矾石晶体、氢氧化钙晶体）里。固化/稳定化处理主要通过改变环境的pH值，并在水化反应过程中释放出大量的水化热对污泥中的病原菌具有抑制和杀灭作用。另外添加碱性物料可以显著提高污泥pH值，有效抑制污泥中病原物活性。Gantzer等认为，当pH＞11.5持续6个月时，能够有效杀死病原微生物。(6)固化/稳定化污泥的长期稳定性以及产液、产气等问题的研究尚处于起步阶段固化/稳定化污泥是一种以呈碱性水化产物的胶结作用来维持其性质的改性土，目前酸雨危害已经成为普遍存在的问题，固化/稳定化污泥作为土材料使用过程中如果受到酸雨的作用，其中的水化产物具有发生分解的可能，从而固化/稳定化污泥的材料稳定性将会受到影响。另外如果将污泥固化/稳定化处理后进行填埋，填埋场的生物化学环境是一个动态变化过程，存在一个产酸阶段，这也将影响固化污泥的长期稳定性。如果固化/稳定化污泥的长期力学性质由于酸雨等外界化学条件的改变而发生变化，势必影响到其材料稳定性以及填埋场的安全。目前国内外关于酸雨条件下固化/稳定化污泥力学性质的变化研究尚不多见，朱伟、李磊等在室内试验中，通过化学动力学方法预测了酸雨作用下固化/稳定化污泥的长期强度；采用柔性壁渗透仪研究了酸雨作用下的固化/稳定化污泥渗透性的变化。但是这些研究强化了其试验条件，而且具有明显的尺寸效应，尚不能完全揭示酸雨条件下固化/稳定化污泥的长期稳定性问题，难以为实际工程设计、施工提供关键技术参数。固化/稳定化污泥的产液、产气问题更是关系到填埋场的设计与后期安全运营的问题。目前关于垃圾填埋中无论是产液、产气的数量以及成分已经有了较为深入的理论研究基础，在实际工程设计、施工中也已经得到了充分验证。但是固化/稳定化污泥填埋中的产液、产气问题的研究一直是空白，目前在实际工程当中采用垃圾填埋的计算和设计方法作为经验公式。由于固化/稳定化污泥从物理力学性质到生化性质，与垃圾有着本质的区别，采用垃圾的相关理论和设计方法来进行固化/稳定化污泥的填埋设计显然存在一定的工程安全隐患以及经济可行性等问题，这将成为污泥固化/稳定化处理技术推广的瓶颈问题。从上述的研究现状可以看出：目前关于污泥固化/稳定化的研究成果已经较好的解决了设备、材料、力学性质以及污染控制等方面的问题，但是固化/稳定化污泥的长期材料稳定性、填埋中的产液、产气问题没有相关的研究成果作为技术支撑，制约了该项技术的产业化推广。申请人拟通过进一步的示范研究，提出系统客观的固化/稳定化污泥长期材料稳定性以及产液、产气问题的评价方法和设计方案，为产业化的推广提供良好的技术平台。2、本项目研究的目的、意义(1)大量产生的污泥处置没有形成适合我国国情的技术体系，已引发了严重的社会问题和环境问题目前对污泥处理、处置的常用方法为转为农用、焚烧、填埋。污泥的农用的主要限制性因素之一就是污水处理过程中浓缩于污泥中的重金属问题。污泥焚烧处理的关键问题是设备投资运行成本高。污泥填埋处置往往会引起滑坡等填埋场的工程灾害。因此寻求适合我国国情的污泥处理、处置方法已成为我国城市环境问题的迫切需要。(2)污泥固化/稳定化处理技术是一种适合我国国情，具有经济和环境双重效益针对我国污泥的现状，在短期内对量多面广的污泥进行安全处置，长期上寻求多途径、因地制宜的资源化利用的思路，是解决我国污泥处理处置问题的出路所在。从经济可行的角度出发，通过固化/稳定化技术将污泥进行不同程度的处理，使之能够进入卫生填埋场填埋或直接堆放处置以及进行不同形式的再生资源利用，是符合我国国情的污泥处理及资源化途径之一。固化/稳定化后的产物具有较高的强度以及较低的透水性，能够满足卫生填埋的要求，也可以直接安全填埋在低洼地方，同时也可以作为不同资源化利用的预处理手段。而且固化/稳定化后能够对诸如重金属类、有机污染物以及病原菌形成封闭效应并对生物化学条件进行控制。而且较诸如焚烧、堆肥等处理手段具有显著的经济优势，与我国的经济发展水平相适应。因此这一技术不但解决了污泥堆放、抛填占用土地和引发填埋场工程事故的问题，而且可以达到污泥处置和资源化利用的目的，从技术性和经济性两个方面都是非常适合我国国情的新型技术。(3)解决固化/稳定化污泥的长期稳定性以及产液、产气等问题既是污泥处理领域基础理论研究的需要，也是污泥固化/稳定化技术产业化推广的必要条件污泥固化/稳定化技术在实际工程设计及应用方面目前国内都处于探索阶段，对于其产业化中所产生的问题及解决方案目前也缺少相关的成果。申请人在前期的工程中已发现了固化/稳定化污泥在酸雨等条件下其力学性质会发生变化，采用常规垃圾填埋场关于产液、产气的设计方法所获得的结果与实际工程存在较大的差异，这些问题都影响到后续该技术大规模推广，已经成为该项技术产业化进程中遭遇的瓶颈问题。(4)通过理论研究和现场工程解决污泥固化/稳定化技术中的长期稳定性、产液产气等关键问题，为该项技术的产业化推广提供技术储备和支撑污泥固化/稳定化技术是一项新的污泥处理处置技术，经过几年的研究，已经在设备制造、工艺设计、固化/稳定化材料、力学性质、污染控制等方面取得了长足进展，已经初具大规模产业化前景。对于实际工程中存在的长期稳定性、产液、产气等关键问题，需要通