生態水泥——污泥資源化的新途徑
摘要：隨著城市的發展，新的污水處理廠的不斷建立，污泥的排出量越來越大. 由于污泥中含有重金屬、有毒有機物和病原微生物等成分，污泥的大規模土地資源化利用因此受到限制，如何妥善處置污泥成為污水處理工作中的一個難題。污泥灰分的成分和化學特性與粘土成分接近，理論上污泥可替代30％的粘土原料參與水泥生產。利用水泥窯不僅可以完全氧化污泥中的有機污染物、消滅病原體，還可將重金屬固定于熟料晶格中，減少了污泥的二次污染。以污泥為配料生產生態水泥可實現資源、能源的充分利用，對于重金屬含量偏高、不宜農用的污泥是一種有效的處理方式，是變廢物為再生資源的另一有效途徑。
污泥是污水處理廠對污水進行處理過程中產生的固體廢棄物。隨著我國城市的發展，污水處理工作的普及和深化，污泥排放量大幅度地增長。我國在污泥的處理和處置上，過去一般采取填埋、排放和傾倒等處理方法。這些方法不僅占用了大量田地，而且由于其中的有害物質并未清除，仍然會帶來二次污染。使得城市工業污染向農村蔓延，導致農村生態環境惡化。因此合理有效地處置污泥不僅成為城市環境保護的重要內容之一，也是創造農村經濟可持續發展良好生態環境的重要舉措。
1 污泥成分和危害
由于污泥含有豐富的N、P、K等營養元素和有機質以及農作物所必需的硼、錳、鋅等微量元素，污泥堆肥后施用于農田可供給植物養分，提高土壤有機質含量，改善土壤的物理性質和生物學性質[1]，而且從生態平衡和經濟的觀點來看,污泥的農用處置途徑不需填埋容積，因此污泥土地利用被認為是目前污泥最終處置和再利用的最經濟可行的辦法[2]，近年來主要集中利用于農田施用、林地施用、園林綠化建設應用、受損土壤的改良和修復等方面。但由于污泥中存在多種毒性污染物，因此在污泥農用過程中具有一定的生態風險。
（1）重金屬
雖然污泥的化學組成因污水來源而異,但一般都或多或少地含有一定量的Cu、Pb、Zn、Ni、Cr、Hg、Cd等重金屬元素。由于我國城市污水中工業廢水比重較大（2002年浙江省全省廢水排放總量達25.9億t，其中工業廢水16.8億t，占廢水總量的64.9%），經二級處理后，相當一部分重金屬轉移到污泥中去，使污泥中重金屬含量接近或者超過我國《農用污泥中污染物控制標準》(GB 4284—88)。
（2）有毒有害有機污染物
美國環境工作者在污泥中檢測到了殺蟲劑三氯苯氧基乙酸和ＤＤＴ(二氯二苯三氯乙烷)[3]和二惡英。國內在桃浦污泥中檢測到了8種我國環境優先污染物：苯、甲苯、對二甲苯、鄰二甲苯、氯苯、苯酚、硝基苯、苯胺。不同類型污水的污泥中有機污染物的分布不同,工業污水中包含大量石油烴類的化工廢水,因而含工業污水的污泥中有機污染物的種類和含量明顯比生活污水的污泥多[4]。
（3）病原體
污泥中存在相當數量的病源微生物和寄生蟲卵。從新鮮的污泥夏秋季樣品共檢出12 種細菌[4]：大腸埃希菌、嗜水氣單胞菌、產堿普羅威登斯菌、產酸克雷伯菌、肺炎克雷伯菌、奇異變形桿菌、少動鞘氨醇單胞菌、假單胞菌、沙門氏菌、摩氏摩根菌、奇異變形桿菌、阿氏腸桿菌，這些病菌中多數屬于腸道和呼吸道傳染病菌,能引起腸胃炎及生物中毒。病毒有脊髓灰質炎病毒，肝炎病毒、艾柯病毒和柯薩奇病毒等。寄生蟲卵主要為蠕蟲，以線蟲卵和絳蟲卵最為常見[5]。
從我國具體情況來說污泥的土地利用是最為可行、最為現實的利用方法，目前有直接施用和間接施用兩種方式[6]。直接施用是把未經處理的污泥直接施用于農田,顯然這種方式忽視了污泥中存在的污染物而導致的潛在環境問題,。間接施用是指污泥消化、堆肥或制成復合肥料后施用[7]，其中污泥堆肥作為一種資源化處理方式，是目前最受歡迎的污泥處理方式。污泥堆肥過程可使有機污染物降解,達到農用標準[8]，可消除污泥惡臭，有效殺滅其所含病原體及蟲卵。堆肥過程中還可以使重金屬的生物有效性發生變化,水浸提態重金屬的含量減小[2,9]，但重金屬總量并不減少，施入土壤后仍然存留在土壤中，長期施用有環境重金屬超標的危險。我國現行的控制標準只對污泥農用的污染物濃度作了限制(GB 4284—88),但對污泥施用地中最多能容納多少污染物卻沒有明確的規定，如果無限期過量施用也可能會對土壤性質和生態環境造成一定危害[10]。因此我國規定施用符合污染物控制標準的農用污泥每年不得超過30 t/hm2，且連續施用不得超過20年（GB 4284—84）。
鑒于以上原因，世界各國的污泥農用率不高，英國、瑞士、荷蘭也僅為40%~50％[8]，德國污泥農用的比例從20世紀70年代中期的38%明顯地降低到1997年的27%[11,12]。除了污泥農用外，在污泥無害化、資源化和能源化的過程中，人們一直在尋求開發更為經濟有效、無二次污染的處置方法。
2 污泥資源化的新途徑——生態水泥
污水污泥除了有機物外往往還含有20%～30%的無機物,主要是硅、鋁、鐵和鈣等成分。一般情況下，污泥中灰分的成分和化學特性與粘土成分接近，理論上污泥可替代30％的粘土原料參與水泥生產[13]。
生態水泥以生態環境和水泥的合成語而命名的。是一種新型的波特蘭水泥[14]。這種水泥以城市垃圾燒卻灰和下水道污泥為主要原料，經過一定的生產工藝制成無公害水泥，把生活垃圾和工業廢棄物變成了一種有用的資源。早在1993年，日本秩父小野田水泥（株）開展了“都市性綜合廢棄物利用生態水泥生產技術”的研究 [15]。2001 年在千葉縣建成世界上第一條生態水泥生產線[16] 。我國近年來也開展了利用污泥生產水泥的研究。上海新型建材研究開發中心在充分論證及實驗室試驗成功基礎上,分別在濕法回轉窯和四級預熱器回轉窯水泥廠進行了多次工業試驗，在濕法生態水泥生產方面取得了成功的經驗[17]。
2.1 生產工藝
生態水泥的制作工藝與普通水泥基本相同，包括生料制備、水泥煅燒和水泥制成的工序。一般生產1 t 生態水泥需用:垃圾灰0. 5 t、脫水污泥0.3 t 、石灰石及粘土等原料0. 3 t 。上述原料經粉磨、均化、成粒，在1 350 ℃溫度下煅燒成熟料，再加入石膏，粉磨制成生態水泥[18]。由于污泥中的Al2O3含量一般偏低，而且實際生產中污泥的性質會有很大的變化，因此在生料配比時，需根據污泥中和SiO2分析結果，加入鋁質和硅質的校正原料。
2.2 水泥窯處理污泥的優勢
(1) 水泥回轉窯有溫度高、熱容量大、熱穩定性強的特點，氣體和物料溫度分別達到1 750℃和1 450℃。燃燒過程中或過后有富余的氧存在，再加上在水泥窯內物料停留時間長，可以完全氧化污泥中二惡英等有機污染物、殺死微生物、消滅病原體[17，19]。
(2) 水泥窯全系統在負壓下進行，有毒有害氣體不能溢出，除塵效率高；水泥煅燒在堿性條件下進行，從而使有毒有害垃圾中的氯、硫、氟等元素在窯內被堿性物質完全中和吸收，變成無毒的氯化鈣、硫酸鈣、氟化鈣，便于廢氣的凈化（脫酸）處理，而且可以與水泥工藝一并進行[20-23]。
(3) 污泥中有機質含量高，具有較高的熱值，可代替部分燃料。污泥對煤的燃燒特性不會產生不利影響，因此生產生態水泥時燃料用量比生產普通水泥少得多。
(4) 高溫下物料在回轉窯內進行液相和固相反應，污泥中存在的重金屬元素轉變成難溶的化合狀態，結合進熟料晶格中，起到重金屬高溫固化的作用。
(5) 水泥生產工藝的末端表現為污泥的“零”污染。在回轉窯高溫煅燒過程中，灰渣被完全融合入水泥熟料中，因而無論任何殘渣排出。
2.2 生態水泥的礦物組成與性能特點
上海新型建材研究開發中心在充分論證及實驗室試驗成功基礎上，分別在S(濕法回轉窯)和W(帶四級預熱器回轉窯)水泥廠進行了多次工業試驗,結果表明，采用污泥配料后,熟料的礦物組成、巖相結構、物理性能沒有發生大的變化,該熟料生產的水泥對混凝土性能也未產生大的影響。上海市建委專門立項研究利用水泥窯處理污水廠污泥，同時替代部分水泥原料，生產出產品質量符合國家標準[17]。
日本秩父小野田公司生產的生態水泥，其礦物組成與普通硅酸鹽水泥相比，除以C11A7?CaCl2代替C3A外,其余與普通硅酸鹽水泥一樣，也是以C3S、C2S和C4AF為主要組成礦物[24]，其化學成分與普通水泥比，生態水泥的Al2O3、SO3及Cl－含量偏高，而SiO2含量偏低。在性能方面，生態水泥最大的特點是凝結時間短[25]，強度發展快[14]，屬快硬早強水泥。7 d水化熱雖比普通水泥高，但比早強水泥低，28 d水化熱則比早強水泥和普通水泥都低，早期強度發展快[25]。
2.3 重金屬回收與硬化水泥中重金屬的浸出毒性
大多數的Cr和Zn在煅燒過程中進入熟料礦物，而Pb、Cu、Cd及其他重金屬以氯化物的形式揮發并被收集在窯灰中,可對窯灰中的重金屬進行回收處理：首先將窯灰與水混合，然后加入硫酸，在酸性條件下，富含鉛的硫酸鹽沉淀析出，固液分離后，在濾液中加入NaOH和NaSH，控制pH值與氧化還原電位，富含銅的硫化物沉淀析出，從濾液中分離出來，再送入熔爐回收重金屬[26]。污泥進行水泥固化處理后也可降低污泥中重金屬浸出，則主要是因為其中硬化水泥漿體及混凝土中致密的孔結構阻止了溶解在硬化水泥漿體孔隙中重金屬的釋放。
對生態水泥熟料進行重金屬浸出毒性試驗,結果符合《GB 5085—85 有色金屬工業固體廢棄物污染控制標準》的要求，主要是因為其中硬化水泥漿體及混凝土中致密的孔結構阻止了溶解在硬化水泥漿體孔隙中重金屬的釋放[27]。
2.4 生態水泥的應用
由于生態水泥在水化時，生態水泥會溶出大量的氯離子，硬化體在養護和使用過程中也會釋放出含氯水化物，會對水泥中的鋼筋等增強材料造成侵蝕[28]，因此對生態水泥應用有一定限制，只可應用預應力鋼筋混凝土、PC鋼絲或鋼纖維增強混凝土以外的領域，如建筑灰漿等[29]，也可以作為土壤固化劑應用于農村濕地或者沼澤地基的改良中。
3 結 語
由于大量工業廢水超標排放使得污泥成分日益復雜, 污泥中存在大量重金屬、有毒有害有機污染物和病原微生物等, 使污泥處理難度增加。污泥農用作為目前最被認為是污泥資源化較為有效的處置方式，但重金屬是限制污泥大規模土地利用的最主要因素，農業排水及雨水徑流等面源污染的問題也容易導致污泥的二次污染。以污泥作為配料生產水泥,可將其中的有毒有害物質分解或固化,使“二次污染”的風險降至最小，又可實現資源、能源的充分利用,對于重金屬含量偏高、不宜農用的污泥是一種有效的處理方式，是變廢物為再生資源的另一有效途徑，具有很廣闊的前景。
參考文獻（略）
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
