城镇污水处理厂污泥制砖综述李庆繁1

28砖瓦世界2016.328综合报道COMPREHENSIVEREPORT28论　坛0　引言我国城镇污水处理厂污泥处置问题十分严重，污泥缺乏科学的处置出路，60%的厌氧消化污泥仍采用填埋等落后方式处置，不仅对环境造成极大影响，而且严重浪费污泥资源。为了破解污泥处置难题，拓宽污泥出路，国内相关企业和单位开展了土地利用、单独焚烧、垃圾协同焚烧和建材利用等多种工程实践。污泥制砖也是建材利用方式之一，我国砖瓦行业已于2006年开始尝试。为了规范利用污泥制砖，避免污泥进入砖厂处置的无序化，保证污泥制砖环境影响的最小化，2008年住房和城乡建设部发布了行业标准《城镇污水处理厂污泥处置制砖用泥质》（CJ/T289—2008），紧接着于2010年该标准上升为国家标准《城镇污水处理厂污泥处置制砖用泥质》（GB/T25031—2010）。这个标准的实施，客观上能够对进入砖厂处置的污泥起到规范限制作用。然而，近几年在科技期刊上刊载的一些文章对污泥制砖提出了质疑，列举了制砖污染严重、浪费能源和制砖成本高等一系列问题。仔细研究这些文章，发现无论是文章作者，还是文中所举生产企业，似乎并不清楚GB/T25031的存在，所举实例采用的是未经消化处理、泥质不符合GB/T25031规定的污泥制砖。亦有对GB/T25031有所误解的作者认为GB/T25031应予以废除。因此，本文首先解析了国家标准《城镇污水处理厂污泥处置　制砖用泥质》（GB/T25031—2010）的各项指标，并结合部分文献对污泥制砖的质疑加以讨论，以加强对该标准的宣贯。1　《城镇污水处理厂污泥处置　制砖用泥质》GB/T25031—2010简介与解读1.1　《城镇污水处理厂污泥处置制砖用泥质》GB/T25031—2010简介城镇污水处理厂污泥是指城镇污水处理厂在污水净化处理过程中产生的含水率不同的半固态或固态物质，不包括栅渣、浮渣和沉砂池砂砾。污泥中的有机物可以为烧结过程中砖坯的内部燃烧提供燃料；污泥中通常还含有一定比例的硅酸盐黏土矿物质，如：石英（SiO2）、高岭石（Al2O3·2SiO2·2H2O）、白云母、多硅白云母和少量铝酸钙等，其化学组成类似于黏土成分[1]。污泥制砖是在制砖原料组分中掺配一定比例的污泥，利用有机物的热能价值和无机物替代部分黏土，既可以节约能源又可以节约黏土，是一条合理的污泥利用途径。从控制制砖环节中的二次污染和砖体质量出发，GB/T25031规定了嗅觉、稳定化指标、理化指标（pH和含水率）、烧失量和放射性核素指标、污染物浓度限值和卫生学指标等准入限值，要求超过标准的污泥不能用于制砖。此外，还从大气污染排放指标排放方面提出要求，规定污泥在制砖时，大气污染排放最高允许浓度应满足《城镇污水处理厂处置单独焚烧用泥质》（GB/T26402）要求，以防止污泥制砖造成空气污染。在其他要求中，规定处理后的污泥在制砖混合料中的掺量（质量比）应≤10%；在工艺条件允许或产品需要的情况下，掺量可适当提高；产品质量应满足有关城镇污水处理厂污泥制砖综述李庆繁（辽宁省墙材协会，辽宁抚顺113008）摘要：介绍GB/T25031—2010和污泥厌氧消化过程，突出污泥厌氧消化对制砖污泥泥质形成的重要作用，并结合厌氧消化对GB/T25031部分技术指标进行解读。针对目前存在的一些对污泥制砖的质疑，提出了个人意见。对污泥制砖取得的效益进行了说明，列举了污泥制砖的实例。最后强调GB/T25031完全符合“安全环保、循环利用、节能降耗、因地制宜、稳妥可靠”的原则，以及用污泥制砖具有较好的经济效益、环境效益和社会效益，从而达到节能减排和发展循环经济的目的。关键词：污泥制砖；厌氧消化；减量化；稳定化；无害化；资源化；节能减排；循环经济292016.3砖瓦世界29综合报道COMPREHENSIVEREPORT29论　坛国家标准的规定。该标准实施后，客观上对于污泥进入砖厂处置起到了规范和限制作用，对于有效监管我国污泥处置工作起到了重要指导作用。1.2　对于GB/T25031部分指标的重点解读1.2.1　嗅味和稳定化指标GB/T25031—2010规定了用于制砖的污泥应无明显的刺激性臭味并符合《城镇污水厂污染物排放标准》GB18918中稳定化指标。根据GB18918—2002，污泥稳定化分为3个工艺，厌氧消化、好氧消化和好氧堆肥。三个工艺处理后污泥达到稳定化的指标见表1。表1　污泥稳定化控制指标稳定化方法控制项目控制指标厌氧消化有机物降解率40%好氧消化有机物降解率40%好氧堆肥含水率65%有机物降解率50%蛔虫卵死亡率95%粪大肠杆菌群菌值0.01在好氧消化中，好氧微生物将污泥中的有机物彻底分解为二氧化碳和水；在厌氧消化中，产酸产氢菌和产甲烷菌共同将有机物分解为甲烷、二氧化碳和水；在好氧堆肥中，细菌把有机物分解为腐殖酸。无论采用何种稳定化工艺，污泥中的有机物经过分解转化后，含量明显下降，因此在污泥转运和贮存过程中不会再引起强烈的细菌作用分解产生小分子有机酸而散发出明显的刺激性臭味。因此，稳定化常以有机物降解率作为指标。此外，好氧堆肥过程中细菌的分解作用会产生大量的热量，造成污泥堆温度上升，污泥中水分的挥发，因此，堆肥后腐熟的污泥无需再经过脱水过程，含水率就能下降到65%以下。1.2.2　理化指标考虑到污泥制砖时，含水率和pH值对污泥的运输和成品砖质量可能产生影响，GB/T25031—2010在理化指标对上述2个指标制定了限值，见表2。表2　理化指标序号控制项目限值1pH5～102含水率≤40%含水率是指污泥中所含水分的质量与污泥质量之比。污泥在经过好氧消化和厌氧消化后，依然含有大量的水分，保持流动态的形式。根据目前污泥脱水工艺水平，普通的消化污泥经过一般的脱水处理，只能达到70%～80%的含水率。只有辅以污泥干化处理，污泥含水率才能达到GB/T25031规定的40%以下。图1所示为经带式干化工艺处理后含水率小于40%的污泥形态。含水率40%以下的污泥结构松散，形同泥土，能比较容易地和其他制砖原料混合。制砖过程中原本是需要添加大量的水，用于混合各种制砖原料并形成砖坯的。但是污泥制砖的实际应用中却发现，含水率高的城镇污水厂污泥如同胶质，很难与其他制砖原料实现充分的混合，给烧结砖的质量带来隐患。另外，砖厂与污水处理厂并不一定建设在一起，降低污泥的含水率能大大降低污泥的体积，当污泥的含水率从80%减少到40%时，污泥的体积会相应减少2/3左右，从而减少污泥从污水厂至砖厂的转运成本。图1　污泥含水率为40%的半干化状态污泥热干化过程中能耗较大，也成为污泥制砖的绊脚石。近年来，随着技术进步和污泥处理处置政策的强化，一些能耗相对较低的污泥深度脱水工艺陆续被研发出来。例如上海市白龙港污水厂采用的石灰稳定处理之后再经过隔膜压滤深度脱水的工艺，以及热水解预处理强化的厌氧消化污泥工艺，脱水污泥的含水率都可以达到60%左右。虽然含水率没有达到GB/T25031的要求，但是脱水后的污泥塑性增强，具有制砖的潜力。1.2.3　烧失量和放射性核素烧失量又称灼减量，是指干污泥经950℃高温电炉灼烧30min后的质量损失，它包括污泥中的有机物、固定碳、化学结合水、碳酸钙镁分解出的CO2。相对而言，灼减量大且熔剂量过多的，烧成温度偏高的制品，其收缩率愈大，易引起变形等缺陷。当以污泥（含量≤10%）与煤矸石混合，作为结构用30砖瓦世界2016.330综合报道COMPREHENSIVEREPORT30论　坛烧结砖的原料时，混合料烧失量不宜大于15%。为满足制砖要求，GB/T25031规定，用于制砖的污泥烧失量不应大于50%（见表3）。污泥的烧失量主要由两部分组成，一是有机物，二是脱水过程中因石灰调质引入的碳酸钙。有机物含量是对稳定性指标的再次确认。由于污泥掺量有限，一般不超过10%，又由于污泥中碳酸盐、硫酸盐，包括固定碳含量极低，那么由他们灼烧产生的烧失量（其对烧结性能的影响）一般都可以达到混合料烧失量的要求。城镇污水厂接纳的废水除了生活废水之外，还可能存在一定量的工业废水。考虑到烧结砖用于建材会和人类近距离接触，为了避免工业废水中的放射性核素在制砖过程中固化在砖体内，GB/T25031还特别规定了放射性核素的要求。表3　烧失量和放射性核素指标序号控制项目限值1烧失量≤50%2放射性核素IRd≤1.0Ir≤1.01.2.4　浓度限值和卫生学指标城镇污水厂的进水中常有一定比例的工业废水，工业废水中常含有大量重金属、氰化物、挥发酚等污染物。这些污染物随着污泥进入制砖环节容易造成二次污染。为此GB/T25031规定制砖污泥中污染物浓度和卫生学指标（见表4、表5），以减少制砖过程中的二次污染和对操作人员健康的危害。其中重金属指标尤为重要。在烧结过程中重金属虽然能以金属氧化物的形式固化在砖体中，但对砖体质量构成不良影响。表4　污染物浓度限值序号控制项目限值/（mg/kg干污泥）1总镉＜202总汞＜53总铅＜3004总铬＜10005总砷＜756总镍＜2007总锌＜40008总铜＜15009矿物油＜30010挥发酚＜4011总氰化物＜10表5　卫生学指标序号控制项目限值1粪大肠菌群菌值＞0.012蠕虫卵死亡率＞95%注：不能检测出传染病原菌2　城镇污水处理厂污泥来源与厌氧消化技术前面结合污泥的处理过程对GB/T25031的部分指标进行了重点解读，可体现出厌氧消化对制砖用泥质形成的关键作用。为使制砖同仁进一步了解厌氧消化对污泥实现稳定化、减量化、无害化和资源化处理的重要作用，对其使用的安全性、可靠性有进一步的认识，以利于城市污水处理厂污泥在制砖中的推广应用，有必要对污泥的厌氧消化原理和作用做进一步介绍。下面首先就污泥的产生进行讨论。2.1　污泥城镇污水处理厂污泥是污水处理的产物，主要来源于初次沉淀池、二次沉淀池等工艺环节。污泥是一种由有机残片、细菌菌体（病菌、寄生虫）、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体。污泥的主要特性是含水率高（初沉污泥的含水率通常为97％～98％）[2]，有机物含量高（初沉污泥挥发性固体的比例为50％～70％），容易腐化发臭，并且颗粒细小，密度较小，呈胶体状液态。它是介于液体和固体之间的浓稠物，可以用泵运输，但很难通过沉降进行固液分离。挥发分是污泥最重要的化学性质，决定了污泥的热值与可消化性。2.2　污泥厌氧消化技术2.2.1　原理污泥厌氧消化是指污泥在无氧条件下，利用兼性菌和厌氧菌进行厌氧生化反应，将污泥中的微生物降解的有机物分解成二氧化碳、甲烷和水等，使污泥得到稳定的过程，是污泥减量化、稳定化的常用手段之一。污泥厌氧消化需要经过三个阶段，即水解、酸化阶段，乙酸化阶段，甲烷化阶段。各阶段之间既相互联系又相互影响，各个阶段都有各自特色微生物群体。（1）水解、酸化阶段水解过程发生在污泥厌氧消化初始阶段，污泥中的非水溶性高分子有机物，如碳水化合物、蛋白312016.3砖瓦世界31综合报道COMPREHENSIVEREPORT31论　坛质、脂肪、纤维素等在微生物水解酶的作用下水解成溶解性的物质。水解后的物质在兼性菌和厌氧菌的作用下，转化成短链脂肪酸，如乙酸、丙酸、丁酸等，还有醇、二氧化碳。（2）乙酸化阶段在该阶段主要是乙酸菌将水解酸化产物、有机物、乙醇等转变为乙酸。该过程中乙酸菌和甲烷菌是共生的。（3）甲烷化阶段甲烷化阶段发生在污泥厌氧消化后期，在这一过程中，甲烷菌将乙酸（CH3COOH）和H2、CO2分别转化为甲烷，如下：2CH3COOH→2CH4↑+2CO2↑4H2+CO2→CH4↑+2H2O在整个厌氧消化过程中，由乙酸产生的甲烷约占总量的2/3，由CO2和H2转化的甲烷约占总量的1/3。污泥厌氧消化过程，如图2所示。图2　污泥三阶段消化过程示意图2.2.2　厌氧消化的作用污泥厌氧消化的作用主要是要实现污泥的稳定化、减量化、无害化和资源化。（1）稳定化。对有机物进行降解，使污泥稳定化，消除腐臭，方便运输及处置，避免对环境造成不利影响。（2）减量化。通过厌氧过