生态水泥——污泥资源化的新途径
摘要：随着城市的发展，新的污水处理厂的不断建立，污泥的排出量越来越大. 由于污泥中含有重金属、有毒有机物和病原微生物等成分，污泥的大规模土地资源化利用因此受到限制，如何妥善处置污泥成为污水处理工作中的一个难题。污泥灰分的成分和化学特性与粘土成分接近，理论上污泥可替代30％的粘土原料参与水泥生产。利用水泥窑不仅可以完全氧化污泥中的有机污染物、消灭病原体，还可将重金属固定于熟料晶格中，减少了污泥的二次污染。以污泥为配料生产生态水泥可实现资源、能源的充分利用，对于重金属含量偏高、不宜农用的污泥是一种有效的处理方式，是变废物为再生资源的另一有效途径。
污泥是污水处理厂对污水进行处理过程中产生的固体废弃物。随着我国城市的发展，污水处理工作的普及和深化，污泥排放量大幅度地增长。我国在污泥的处理和处置上，过去一般采取填埋、排放和倾倒等处理方法。这些方法不仅占用了大量田地，而且由于其中的有害物质并未清除，仍然会带来二次污染。使得城市工业污染向农村蔓延，导致农村生态环境恶化。因此合理有效地处置污泥不仅成为城市环境保护的重要内容之一，也是创造农村经济可持续发展良好生态环境的重要举措。
1 污泥成分和危害
由于污泥含有丰富的N、P、K等营养元素和有机质以及农作物所必需的硼、锰、锌等微量元素，污泥堆肥后施用于农田可供给植物养分，提高土壤有机质含量，改善土壤的物理性质和生物学性质[1]，而且从生态平衡和经济的观点来看,污泥的农用处置途径不需填埋容积，因此污泥土地利用被认为是目前污泥最终处置和再利用的最经济可行的办法[2]，近年来主要集中利用于农田施用、林地施用、园林绿化建设应用、受损土壤的改良和修复等方面。但由于污泥中存在多种毒性污染物，因此在污泥农用过程中具有一定的生态风险。
（1）重金属
虽然污泥的化学组成因污水来源而异,但一般都或多或少地含有一定量的Cu、Pb、Zn、Ni、Cr、Hg、Cd等重金属元素。由于我国城市污水中工业废水比重较大（2002年浙江省全省废水排放总量达25.9亿t，其中工业废水16.8亿t，占废水总量的64.9%），经二级处理后，相当一部分重金属转移到污泥中去，使污泥中重金属含量接近或者超过我国《农用污泥中污染物控制标准》(GB 4284—88)。
（2）有毒有害有机污染物
美国环境工作者在污泥中检测到了杀虫剂三氯苯氧基乙酸和ＤＤＴ(二氯二苯三氯乙烷)[3]和二恶英。国内在桃浦污泥中检测到了8种我国环境优先污染物：苯、甲苯、对二甲苯、邻二甲苯、氯苯、苯酚、硝基苯、苯胺。不同类型污水的污泥中有机污染物的分布不同,工业污水中包含大量石油烃类的化工废水,因而含工业污水的污泥中有机污染物的种类和含量明显比生活污水的污泥多[4]。
（3）病原体
污泥中存在相当数量的病源微生物和寄生虫卵。从新鲜的污泥夏秋季样品共检出12 种细菌[4]：大肠埃希菌、嗜水气单胞菌、产碱普罗威登斯菌、产酸克雷伯菌、肺炎克雷伯菌、奇异变形杆菌、少动鞘氨醇单胞菌、假单胞菌、沙门氏菌、摩氏摩根菌、奇异变形杆菌、阿氏肠杆菌，这些病菌中多数属于肠道和呼吸道传染病菌,能引起肠胃炎及生物中毒。病毒有脊髓灰质炎病毒，肝炎病毒、艾柯病毒和柯萨奇病毒等。寄生虫卵主要为蠕虫，以线虫卵和绦虫卵最为常见[5]。
从我国具体情况来说污泥的土地利用是最为可行、最为现实的利用方法，目前有直接施用和间接施用两种方式[6]。直接施用是把未经处理的污泥直接施用于农田,显然这种方式忽视了污泥中存在的污染物而导致的潜在环境问题,。间接施用是指污泥消化、堆肥或制成复合肥料后施用[7]，其中污泥堆肥作为一种资源化处理方式，是目前最受欢迎的污泥处理方式。污泥堆肥过程可使有机污染物降解,达到农用标准[8]，可消除污泥恶臭，有效杀灭其所含病原体及虫卵。堆肥过程中还可以使重金属的生物有效性发生变化,水浸提态重金属的含量减小[2,9]，但重金属总量并不减少，施入土壤后仍然存留在土壤中，长期施用有环境重金属超标的危险。我国现行的控制标准只对污泥农用的污染物浓度作了限制(GB 4284—88),但对污泥施用地中最多能容纳多少污染物却没有明确的规定，如果无限期过量施用也可能会对土壤性质和生态环境造成一定危害[10]。因此我国规定施用符合污染物控制标准的农用污泥每年不得超过30 t/hm2，且连续施用不得超过20年（GB 4284—84）。
鉴于以上原因，世界各国的污泥农用率不高，英国、瑞士、荷兰也仅为40%~50％[8]，德国污泥农用的比例从20世纪70年代中期的38%明显地降低到1997年的27%[11,12]。除了污泥农用外，在污泥无害化、资源化和能源化的过程中，人们一直在寻求开发更为经济有效、无二次污染的处置方法。
2 污泥资源化的新途径——生态水泥
污水污泥除了有机物外往往还含有20%～30%的无机物,主要是硅、铝、铁和钙等成分。一般情况下，污泥中灰分的成分和化学特性与粘土成分接近，理论上污泥可替代30％的粘土原料参与水泥生产[13]。
生态水泥以生态环境和水泥的合成语而命名的。是一种新型的波特兰水泥[14]。这种水泥以城市垃圾烧却灰和下水道污泥为主要原料，经过一定的生产工艺制成无公害水泥，把生活垃圾和工业废弃物变成了一种有用的资源。早在1993年，日本秩父小野田水泥（株）开展了“都市性综合废弃物利用生态水泥生产技术”的研究 [15]。2001 年在千叶县建成世界上第一条生态水泥生产线[16] 。我国近年来也开展了利用污泥生产水泥的研究。上海新型建材研究开发中心在充分论证及实验室试验成功基础上,分别在湿法回转窑和四级预热器回转窑水泥厂进行了多次工业试验，在湿法生态水泥生产方面取得了成功的经验[17]。
2.1 生产工艺
生态水泥的制作工艺与普通水泥基本相同，包括生料制备、水泥煅烧和水泥制成的工序。一般生产1 t 生态水泥需用:垃圾灰0. 5 t、脱水污泥0.3 t 、石灰石及粘土等原料0. 3 t 。上述原料经粉磨、均化、成粒，在1 350 ℃温度下煅烧成熟料，再加入石膏，粉磨制成生态水泥[18]。由于污泥中的Al2O3含量一般偏低，而且实际生产中污泥的性质会有很大的变化，因此在生料配比时，需根据污泥中和SiO2分析结果，加入铝质和硅质的校正原料。
2.2 水泥窑处理污泥的优势
(1) 水泥回转窑有温度高、热容量大、热稳定性强的特点，气体和物料温度分别达到1 750℃和1 450℃。燃烧过程中或过后有富余的氧存在，再加上在水泥窑内物料停留时间长，可以完全氧化污泥中二恶英等有机污染物、杀死微生物、消灭病原体[17，19]。
(2) 水泥窑全系统在负压下进行，有毒有害气体不能溢出，除尘效率高；水泥煅烧在碱性条件下进行，从而使有毒有害垃圾中的氯、硫、氟等元素在窑内被碱性物质完全中和吸收，变成无毒的氯化钙、硫酸钙、氟化钙，便于废气的净化（脱酸）处理，而且可以与水泥工艺一并进行[20-23]。
(3) 污泥中有机质含量高，具有较高的热值，可代替部分燃料。污泥对煤的燃烧特性不会产生不利影响，因此生产生态水泥时燃料用量比生产普通水泥少得多。
(4) 高温下物料在回转窑内进行液相和固相反应，污泥中存在的重金属元素转变成难溶的化合状态，结合进熟料晶格中，起到重金属高温固化的作用。
(5) 水泥生产工艺的末端表现为污泥的“零”污染。在回转窑高温煅烧过程中，灰渣被完全融合入水泥熟料中，因而无论任何残渣排出。
2.2 生态水泥的矿物组成与性能特点
上海新型建材研究开发中心在充分论证及实验室试验成功基础上，分别在S(湿法回转窑)和W(带四级预热器回转窑)水泥厂进行了多次工业试验,结果表明，采用污泥配料后,熟料的矿物组成、岩相结构、物理性能没有发生大的变化,该熟料生产的水泥对混凝土性能也未产生大的影响。上海市建委专门立项研究利用水泥窑处理污水厂污泥，同时替代部分水泥原料，生产出产品质量符合国家标准[17]。
日本秩父小野田公司生产的生态水泥，其矿物组成与普通硅酸盐水泥相比，除以C11A7?CaCl2代替C3A外,其余与普通硅酸盐水泥一样，也是以C3S、C2S和C4AF为主要组成矿物[24]，其化学成分与普通水泥比，生态水泥的Al2O3、SO3及Cl－含量偏高，而SiO2含量偏低。在性能方面，生态水泥最大的特点是凝结时间短[25]，强度发展快[14]，属快硬早强水泥。7 d水化热虽比普通水泥高，但比早强水泥低，28 d水化热则比早强水泥和普通水泥都低，早期强度发展快[25]。
2.3 重金属回收与硬化水泥中重金属的浸出毒性
大多数的Cr和Zn在煅烧过程中进入熟料矿物，而Pb、Cu、Cd及其他重金属以氯化物的形式挥发并被收集在窑灰中,可对窑灰中的重金属进行回收处理：首先将窑灰与水混合，然后加入硫酸，在酸性条件下，富含铅的硫酸盐沉淀析出，固液分离后，在滤液中加入NaOH和NaSH，控制pH值与氧化还原电位，富含铜的硫化物沉淀析出，从滤液中分离出来，再送入熔炉回收重金属[26]。污泥进行水泥固化处理后也可降低污泥中重金属浸出，则主要是因为其中硬化水泥浆体及混凝土中致密的孔结构阻止了溶解在硬化水泥浆体孔隙中重金属的释放。
对生态水泥熟料进行重金属浸出毒性试验,结果符合《GB 5085—85 有色金属工业固体废弃物污染控制标准》的要求，主要是因为其中硬化水泥浆体及混凝土中致密的孔结构阻止了溶解在硬化水泥浆体孔隙中重金属的释放[27]。
2.4 生态水泥的应用
由于生态水泥在水化时，生态水泥会溶出大量的氯离子，硬化体在养护和使用过程中也会释放出含氯水化物，会对水泥中的钢筋等增强材料造成侵蚀[28]，因此对生态水泥应用有一定限制，只可应用预应力钢筋混凝土、PC钢丝或钢纤维增强混凝土以外的领域，如建筑灰浆等[29]，也可以作为土壤固化剂应用于农村湿地或者沼泽地基的改良中。
3 结 语
由于大量工业废水超标排放使得污泥成分日益复杂, 污泥中存在大量重金属、有毒有害有机污染物和病原微生物等, 使污泥处理难度增加。污泥农用作为目前最被认为是污泥资源化较为有效的处置方式，但重金属是限制污泥大规模土地利用的最主要因素，农业排水及雨水径流等面源污染的问题也容易导致污泥的二次污染。以污泥作为配料生产水泥,可将其中的有毒有害物质分解或固化,使“二次污染”的风险降至最小，又可实现资源、能源的充分利用,对于重金属含量偏高、不宜农用的污泥是一种有效的处理方式，是变废物为再生资源的另一有效途径，具有很广阔的前景。
参考文献（略）
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