污泥焚燒灰制磚工藝及效益分析

污泥焚燒灰制磚工藝及效益分析

廢水是污水處理廠廢水處理過程中的二次產(chǎn)物。其處理方法主要包括土地利用、填埋、燃燒、建筑材料使用等。其中,污泥建材利用是一種具有發(fā)展前景的污泥資源化處置手段。污泥建材利用的主要方式為以污泥或其焚燒產(chǎn)物為主要原料制造磚塊、瓦片、水泥、陶粒、玻璃、輕質(zhì)材料等。目前,以建材利用為手段的污泥處置方式在日本已得到大規(guī)模的應(yīng)用,在歐美發(fā)達工業(yè)國家也已逐漸發(fā)展起來。在污泥建材利用的各種方式中,污泥制磚由于成本較低、技術(shù)成熟度高,而在日本各地區(qū)污水處理廠污泥焚燒灰處置中獲得了較為廣泛的應(yīng)用,制成的磚塊被用于公園、廣場,城市人行道等場所的建設(shè)。本文在城市污水處理廠污泥焚燒灰組分分析的基礎(chǔ)上,以大阪府大野污水污泥處理廠污泥焚燒灰制造透水性磚為實例,介紹了污泥焚燒灰制磚可行性分析及相關(guān)的工藝,為污泥制磚技術(shù)在污泥建材利用提供了理論和應(yīng)用參考。1為泥漿和灰磚而轉(zhuǎn)化的理論基礎(chǔ)和制造工藝1.1制磚原料的確定污泥制磚有兩種方法:一種是用污泥焚燒灰制磚;另一種使用干化污泥直接制磚。由于污泥中都富含有機質(zhì),具有較高的燃燒熱值(如上海市城市污泥干污泥燃燒熱值可高達10kJ/g),直接用干污泥制磚,可充分利用污泥熱值,節(jié)省能源。然而干污泥制磚在添加量大于制磚原料的10%時容易引起磚塊開裂。因此,日本制磚工藝中,大多以污泥焚燒灰而不是干污泥為粘土替代原料進行制磚。制磚工業(yè)中磚塊的主要原料為粘土。為分析污泥焚燒灰制磚的可行性,BerndWiebusch曾對歐美多個城市污水處理廠的污泥焚燒灰進行了化學成分分析,并與粘土性質(zhì)進行了比較(見表1)。從表中可以看出污泥灰及粘土中的主要成分均為SiO2,這一特性成為污泥灰可做制磚材料的基礎(chǔ)。另一方面污泥灰中Fe2O3和P2O5含量遠高于粘土,且重金屬含量也明顯高于粘土,其他成分都較為接近,這說明使用污泥制磚是基本可行的。分析添加最大量為40%的粘土釋放物,當焚燒灰含量增加時,基本成分(如鈣、磷和硫鹽的含量)增加。重金屬的含量隨著焚燒灰的量的增加也有所增加,但是并不成比例增加。所以對環(huán)境的影響可以通過控制工藝工程達到要求。1.2制備制磚骨料污泥制磚材料可采用焚燒灰或者干污泥,兩種方法制磚的工藝流程基本相同。污泥焚燒灰制磚工藝流程圖如下所示。污泥焚燒灰制磚技術(shù)的主要原料包括污泥焚燒灰、粘土以及作為骨料添加的下水道洗砂與陶管屑,煅燒燃料可使用污泥消化池中產(chǎn)生的消化氣。洗砂及陶管需在燒結(jié)前進行預(yù)處理。首先用洗砂精選機淘洗下水道中的土砂和污水處理廠沉砂,得到制磚所需的洗砂,并將約5mm以上的異物用濾網(wǎng)分離。從下水道回收使用過的陶管,在破碎機中以50mm×100mm的程度破碎,接著用鄂式破碎機以20mm的程度破碎。然后再用滾筒粉碎機粉碎至2mm以下。將粉碎后的陶粒和洗砂混和放入旋轉(zhuǎn)爐窯以900℃煅燒,然后再用水冷式回旋爐冷卻。煅燒后的原料再通過圓筒多段振動器進行分選,粒徑分為7目以上、7~30目和30目以下三類,并選用7~30目之間的原料作為制磚骨料。另一方面,粉末狀的污泥焚燒灰及粘土等原料經(jīng)過立式間歇式造粒機的分解,均質(zhì)化處理后,使之與骨料(洗砂,陶管)混和,投入混煉造粒機,得到直徑為3~5mm的制磚顆粒,再使用振動流化干燥機烘除適當水分。隨后將其投入燒成機進行煅燒,煅燒溫度為1000~1100℃,煅燒時間為20~27h。在煅燒過程中,可投入骨料起到熔化后保持燒成形狀的作用,同時可在15MPa的壓力下加壓成型,這時骨料之間恰好達到點接觸的狀態(tài),間隙則由粘土填補。同時在燒成機中,當煅燒溫度在1050~1075℃之間時,污泥焚燒灰隨著體積收縮熔化,骨料熔化強度加強,內(nèi)部產(chǎn)生微小的連續(xù)氣孔,從而使成品磚透水性更好。2透水性磚的生產(chǎn)透水性磚制造技術(shù)的實用化研究,是在1994~1997年實施的以下水道資源的有效利用為目的,把焚燒灰和管道中產(chǎn)生的洗砂、陶管屑等原料借助消化氣燒成有用材料。大阪府從1997年開始利用大野污水污泥處理廠污泥焚燒灰制造透水性磚。該技術(shù)以城市污水排水系統(tǒng)中的沙和陶管屑以及污泥焚燒爐中產(chǎn)生的焚燒灰為主要原料,并以污泥消化池中產(chǎn)生的消化氣為燃料,通過洗沙預(yù)處理、煅燒、分級、造粒等工序加工生產(chǎn)出符合透水性互鎖部件指標要求的透水性磚。該透水磚主要用于人行道的鋪裝,且具備7種外觀色,利于多樣化配色設(shè)計。以下就大野污水處理污泥制造透水性磚的性能及經(jīng)濟可行性加以介紹。2.1透水性磚的司法保障大野污水處理污泥加工的透水性磚產(chǎn)品是按照建筑學會(JASS)的透水性磚要求制造的200mm×100mm×80mm的透水性磚。根據(jù)相關(guān)產(chǎn)品的物性實驗要求,大阪府大野污水污泥處理廠制造的透水性磚的透水系數(shù)達到0.01cm/s以上,產(chǎn)品的強度彎曲度加強至3.0MPa以上,其彎曲性、透水性、翹度、磨耗、硬度、抗滑性、耐凍害性、壓縮性及耐用性均符合標準。有害物質(zhì)溶出性能是污泥再資源化產(chǎn)品比較受關(guān)注的指標,日本對透水性磚的浸出性能有嚴格的規(guī)定,因此需要對磚進行浸出性能測試。試驗結(jié)果顯示:該產(chǎn)品中烷水銀化合物、有機磷化合物、氰、PCB均未檢出,水銀及水銀化合物、鎘及其化合物、鉛及其化合物、六價鉻化合物、砷及其化合物、三氯乙烯、四氯乙烯、二氯乙烯、硒及其化合物等均低于日本環(huán)境廳報告第46號所限定的環(huán)境基準值。因此可以認為,利用制磚工藝作為污泥等下水道資源的終端處理手段在重金屬方面是可以得到控制的,同時也表明了采用建材利用方式處理污泥相對其他污泥處置方式的優(yōu)勢?？紤]到國內(nèi)廢水污泥成分與日本的不同,在國內(nèi)推廣該技術(shù)時需重新進行有針對性的重金屬分析,以確保污泥灰二次制品中重金屬含量符合相關(guān)要求。2.2經(jīng)濟2.2.1通過資金支持降低透水性磚企業(yè)的投資成本根據(jù)大阪府的報告,大野污泥透水性磚的費用投入包括工廠廠房與設(shè)備折舊、設(shè)施維護管理費用、公用工程費用等。每塊200mm×100mm×80mm的透水性磚總成本約265日元/塊,其中工廠廠房與設(shè)備折舊費用(含利息負擔)包括建筑工程、建筑設(shè)備工程、機械設(shè)備工程、電氣設(shè)備工程等投資,該部分費用約占總成本的42.7%。設(shè)備設(shè)施維護管理費用包括運轉(zhuǎn)管理費、次要材料費、運輸相關(guān)費、檢查費等,該部分費用約占總成本的48.1%。公用工程費用包括水費、電費等,該部分費用約占總成本的9.2%。由于污泥透水性磚屬資源再利用項目,可從建設(shè)費補貼和無息貸款兩方面取得政策支持。大阪府在污泥制磚工廠廠房與設(shè)備投資中,由政府直接資助50%,由此可降低工廠建設(shè)費,折算到透水性磚生產(chǎn)成本中,成本可降低56.6日元/塊,總成本可降至208.4日元/塊;若政府全額資助工廠建設(shè),那么工廠只需承擔設(shè)備維護與公用工程費用,總成本僅151.8日元/塊;若政府不能資助工廠建設(shè),而是提供無息貸款,則可減少固定設(shè)施投資的利息支出,降低21.9%的工廠廠房與設(shè)備折舊費用,總成本則為240.2日元/塊。2.2.2投資收益估計污泥透水性磚的經(jīng)濟收益由出售收入、焚燒灰等處置補償費、政府補貼等三方面構(gòu)成。大阪府污泥磚售價定為120日元/塊,焚燒灰等廢物處理處置補償費相當于74.7日元/塊,兩項合計后,透水性磚的收益為194.7日元/塊。此外,政府會對污泥透水性磚的銷售進行補貼,補貼金額可隨不同的成本構(gòu)成有所波動,在售價提高的情況下,政府提供的銷售補貼會有所降低。為了比較不同情形下的投資收益關(guān)系,特將各種成本與收入構(gòu)成的可能性進行了匯總對比,如表2所示。表中均以收支平衡為前提,來評估不同情形下投資收益。由表2可見,政府對污泥透水性磚項目的投資支持力度在很大程度上決定了其市場生存能力。在沒有政府支持的情況下,污泥透水性磚需要以至少190.3日元/塊的售價出售才能實現(xiàn)收支平衡;在取得無息貸款支持的情況下,需要以至少165.5日元/塊的售價出售,或按目前120日元/塊的價格出售并由政府補貼45.5日元/塊;在政府全額贊助建廠的情況下,僅需要77.1日元/塊的售價即可保本經(jīng)營,而在目前120日元/塊的銷售價格下,每塊透水性磚可盈利42.9日元。目前,大阪府對大野污泥焚燒灰制磚廠的基建投資無償提供50%的資金,制成的磚塊采用政府采購方式銷售,其售價為120日元/塊,加之74.7日元焚燒灰處置補償費用,每塊磚的收入為194.7日元,按照目前大阪府政府銷售補償費用23.4日元/塊計算,每塊磚可盈利9.7日元。同時值得注意的是,目前大阪府市場上普通透水磚(非焚燒灰制磚)售價約250日元/塊。因此,焚燒灰透水性磚的銷售價格具有一定優(yōu)勢?？梢?該技術(shù)在能夠獲得政府支持的情況下具有較顯著的經(jīng)濟可行性,具備一定的市場競爭力。2.3污泥制磚利用污泥是城市污水處理廠污水處理過程中產(chǎn)生的二次污染物,若處理不當,就會給環(huán)境造成二次污染。因此,如何有效的處理處置污泥,并對其進行無害化利用是各國環(huán)境工程界不得不面對的一個重大環(huán)境問題。采用污泥建材利用的方式,不僅可解決污泥出路問題,而且還能實現(xiàn)污泥的資源化利用,其社會與環(huán)境意義重大。污泥制磚是污泥建材利用的一個重要方向。目前,日本污泥制磚基本上采用焚燒灰為原料,將其制成具有良好透水性能的透水性磚,在高溫夏季能夠?qū)Ⅲw感溫度下降1~2℃,可抑制城市熱島效應(yīng),降低夏季高峰用電,減少溫室氣體排放。因此,污泥制磚既大幅減少了焚燒灰填埋費用,節(jié)約了填埋場地,又可產(chǎn)生經(jīng)濟效益。可見,這種處置方式符合目前倡導(dǎo)的低碳理念,其社會效益明顯。3污泥透水磚的性能污泥焚燒灰的主要成分與普通粘土同為SiO2,在化學成分上,具備作為制磚利用的條件。目前,日本的污泥制磚主要以焚燒灰為原料制得,污泥焚燒灰制成的磚塊,其各項理化性能均能達到相關(guān)標準的要求,而磚塊中的重金屬由于在制磚過程中燒結(jié)并固定于其中,其溶出性很低,遠低于各國重金屬浸出標準的限值。大阪府大野污水污泥處理廠生產(chǎn)規(guī)格為200mm×100mm×80mm的污泥透水性磚,其生產(chǎn)總成本為265日元