摘要：隨著城市的發(fā)展，新的污水處理廠的不斷建立，污泥的排出量越來(lái)越大. 由于污泥中含有重金屬、有毒有機(jī)物和病原微生物等成分，污泥的大規(guī)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(gè)難題。污泥灰分的成分和化學(xué)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(chǎn)。利用水泥窯不僅可以完全氧化污泥中的有機(jī)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(chǎn)生態(tài)水泥可實(shí)現(xiàn)資源、能源的充分利用，對(duì)于重金屬含量偏高、不宜農(nóng)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(duì)污水進(jìn)行處理過程中產(chǎn)生的固體廢棄物。隨著我國(guó)城市的發(fā)展，污水處理工作的普及和深化，污泥排放量大幅度地增長(zhǎng)。我國(guó)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(zhì)并未清除，仍然會(huì)帶來(lái)二次污染。使得城市工業(yè)污染向農(nóng)村蔓延，導(dǎo)致農(nóng)村生態(tài)環(huán)境惡化。因此合理有效地處置污泥不僅成為城市環(huán)境保護(hù)的重要內(nèi)容之一，也是創(chuàng)造農(nóng)村經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展良好生態(tài)環(huán)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(yíng)養(yǎng)元素和有機(jī)質(zhì)以及農(nóng)作物所必需的硼、錳、鋅等微量元素，污泥堆肥后施用于農(nóng)田可供給植物養(yǎng)分，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤的物理性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)[1]，而且從生態(tài)平衡和經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)來(lái)看,污泥的農(nóng)用處置途徑不需填埋容積，因此污泥土地利用被認(rèn)為是目前污泥最終處置和再利用的最經(jīng)濟(jì)可行的辦法[2]，近年來(lái)主要集中利用于農(nóng)田施用、林地施用、園林綠化建設(shè)應(yīng)用、受損土壤的改良和修復(fù)等方面。但由于污泥中存在多種毒性污染物，因此在污泥農(nóng)用過程中具有一定的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

（1）重金屬

雖然污泥的化學(xué)組成因污水來(lái)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(guó)城市污水中工業(yè)廢水比重較大（2002年浙江省全省廢水排放總量達(dá)25.9億t，其中工業(yè)廢水16.8億t，占廢水總量的64.9%），經(jīng)二級(jí)處理后，相當(dāng)一部分重金屬轉(zhuǎn)移到污泥中去，使污泥中重金屬含量接近或者超過我國(guó)《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 4284—88)。

（2）有毒有害有機(jī)污染物

美國(guó)環(huán)境工作者在污泥中檢測(cè)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(guó)內(nèi)在桃浦污泥中檢測(cè)到了8種我國(guó)環(huán)境優(yōu)先污染物：苯、甲苯、對(duì)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(jī)污染物的分布不同,工業(yè)污水中包含大量石油烴類的化工廢水,因而含工業(yè)污水的污泥中有機(jī)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(dāng)數(shù)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(xì)菌[4]：大腸埃希菌、嗜水氣單胞菌、產(chǎn)堿普羅威登斯菌、產(chǎn)酸克雷伯菌、肺炎克雷伯菌、奇異變形桿菌、少動(dòng)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(shù)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(zhì)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(guó)具體情況來(lái)說(shuō)污泥的土地利用是最為可行、最為現(xiàn)實(shí)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(jīng)處理的污泥直接施用于農(nóng)田,顯然這種方式忽視了污泥中存在的污染物而導(dǎo)致的潛在環(huán)境問題,。間接施用是指污泥消化、堆肥或制成復(fù)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(jī)污染物降解,達(dá)到農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)[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(fā)生變化,水浸提態(tài)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(zhǎng)期施用有環(huán)境重金屬超標(biāo)的危險(xiǎn)。我國(guó)現(xiàn)行的控制標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)污泥農(nóng)用的污染物濃度作了限制(GB 4284—88),但對(duì)污泥施用地中最多能容納多少污染物卻沒有明確的規(guī)定，如果無(wú)限期過量施用也可能會(huì)對(duì)土壤性質(zhì)和生態(tài)環(huán)境造成一定危害[10]。因此我國(guó)規(guī)定施用符合污染物控制標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)用污泥每年不得超過30 t/hm2，且連續(xù)施用不得超過20年（GB 4284—84）。

鑒于以上原因，世界各國(guó)的污泥農(nóng)用率不高，英國(guó)、瑞士、荷蘭也僅為40%~50％[8]，德國(guó)污泥農(nóng)用的比例從20世紀(jì)70年代中期的38%明顯地降低到1997年的27%[11,12]。除了污泥農(nóng)用外，在污泥無(wú)害化、資源化和能源化的過程中，人們一直在尋求開發(fā)更為經(jīng)濟(jì)有效、無(wú)二次污染的處置方法。

2  污泥資源化的新途徑——生態(tài)水泥

污水污泥除了有機(jī)物外往往還含有20%～30%的無(wú)機(jī)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(xué)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(chǎn)[13]。

生態(tài)水泥以生態(tài)環(huán)境和水泥的合成語(yǔ)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(jīng)過一定的生產(chǎn)工藝制成無(wú)公害水泥，把生活垃圾和工業(yè)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(tài)水泥生產(chǎn)技術(shù)”的研究 [15]。2001 年在千葉縣建成世界上第一條生態(tài)水泥生產(chǎn)線[16] 。我國(guó)近年來(lái)也開展了利用污泥生產(chǎn)水泥的研究。上海新型建材研究開發(fā)中心在充分論證及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)成功基礎(chǔ)上,分別在濕法回轉(zhuǎn)窯和四級(jí)預(yù)熱器回轉(zhuǎn)窯水泥廠進(jìn)行了多次工業(yè)試驗(yàn)，在濕法生態(tài)水泥生產(chǎn)方面取得了成功的經(jīng)驗(yàn)[17]。

2.1  生產(chǎn)工藝

生態(tài)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(chǎn)1 t 生態(tài)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(jīng)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(tài)水泥[18]。由于污泥中的Al2O3含量一般偏低，而且實(shí)際生產(chǎn)中污泥的性質(zhì)會(huì)有很大的變化，因此在生料配比時(shí)，需根據(jù)污泥中和SiO2分析結(jié)果，加入鋁質(zhì)和硅質(zhì)的校正原料。

2.2  水泥窯處理污泥的優(yōu)勢(shì)

(1) 水泥回轉(zhuǎn)窯有溫度高、熱容量大、熱穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，氣體和物料溫度分別達(dá)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(nèi)物料停留時(shí)間長(zhǎng)，可以完全氧化污泥中二惡英等有機(jī)污染物、殺死微生物、消滅病原體[17，19]。

(2) 水泥窯全系統(tǒng)在負(fù)壓下進(jìn)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(jìn)行，從而使有毒有害垃圾中的氯、硫、氟等元素在窯內(nèi)被堿性物質(zhì)完全中和吸收，變成無(wú)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(jìn)行[20-23]。

(3) 污泥中有機(jī)質(zhì)含量高，具有較高的熱值，可代替部分燃料。污泥對(duì)煤的燃燒特性不會(huì)產(chǎn)生不利影響，因此生產(chǎn)生態(tài)水泥時(shí)燃料用量比生產(chǎn)普通水泥少得多。

(4) 高溫下物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進(jìn)行液相和固相反應(yīng)，污泥中存在的重金屬元素轉(zhuǎn)變成難溶的化合狀態(tài)，結(jié)合進(jìn)熟料晶格中，起到重金屬高溫固化的作用。

(5) 水泥生產(chǎn)工藝的末端表現(xiàn)為污泥的“零”污染。在回轉(zhuǎn)窯高溫煅燒過程中，灰渣被完全融合入水泥熟料中，因而無(wú)論任何殘?jiān)懦觥?/p>

2.2  生態(tài)水泥的礦物組成與性能特點(diǎn)

上海新型建材研究開發(fā)中心在充分論證及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)成功基礎(chǔ)上，分別在S(濕法回轉(zhuǎn)窯)和W(帶四級(jí)預(yù)熱器回轉(zhuǎn)窯)水泥廠進(jìn)行了多次工業(yè)試驗(yàn),結(jié)果表明，采用污泥配料后,熟料的礦物組成、巖相結(jié)構(gòu)、物理性能沒有發(fā)生大的變化,該熟料生產(chǎn)的水泥對(duì)混凝土性能也未產(chǎn)生大的影響。上海市建委專門立項(xiàng)研究利用水泥窯處理污水廠污泥，同時(shí)替代部分水泥原料，生產(chǎn)出產(chǎn)品質(zhì)量符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[17]。

日本秩父小野田公司生產(chǎn)的生態(tài)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(xué)成分與普通水泥比，生態(tài)水泥的Al2O3、SO3及Cl－含量偏高，而SiO2含量偏低。在性能方面，生態(tài)水泥最大的特點(diǎn)是凝結(jié)時(shí)間短[25]，強(qiáng)度發(fā)展快[14]，屬快硬早強(qiáng)水泥。7 d水化熱雖比普通水泥高，但比早強(qiáng)水泥低，28 d水化熱則比早強(qiáng)水泥和普通水泥都低，早期強(qiáng)度發(fā)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(shù)的Cr和Zn在煅燒過程中進(jìn)入熟料礦物，而Pb、Cu、Cd及其他重金屬以氯化物的形式揮發(fā)并被收集在窯灰中,可對(duì)窯灰中的重金屬進(jìn)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(lái)，再送入熔爐回收重金屬[26]。污泥進(jìn)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?yàn)槠渲杏不酀{體及混凝土中致密的孔結(jié)構(gòu)阻止了溶解在硬化水泥漿體孔隙中重金屬的釋放。

對(duì)生態(tài)水泥熟料進(jìn)行重金屬浸出毒性試驗(yàn),結(jié)果符合《GB 5085—85 有色金屬工業(yè)固體廢棄物污染控制標(biāo)準(zhǔn)》的要求，主要是因?yàn)槠渲杏不酀{體及混凝土中致密的孔結(jié)構(gòu)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(tài)水泥的應(yīng)用

由于生態(tài)水泥在水化時(shí)，生態(tài)水泥會(huì)溶出大量的氯離子，硬化體在養(yǎng)護(hù)和使用過程中也會(huì)釋放出含氯水化物，會(huì)對(duì)水泥中的鋼筋等增強(qiáng)材料造成侵蝕[28]，因此對(duì)生態(tài)水泥應(yīng)用有一定限制，只可應(yīng)用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土、PC鋼絲或鋼纖維增強(qiáng)混凝土以外的領(lǐng)域，如建筑灰漿等[29]，也可以作為土壤固化劑應(yīng)用于農(nóng)村濕地或者沼澤地基的改良中。

3  結(jié)  語(yǔ)

由于大量工業(yè)廢水超標(biāo)排放使得污泥成分日益復(fù)雜, 污泥中存在大量重金屬、有毒有害有機(jī)污染物和病原微生物等, 使污泥處理難度增加。污泥農(nóng)用作為目前最被認(rèn)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(guī)模土地利用的最主要因素，農(nóng)業(yè)排水及雨水徑流等面源污染的問題也容易導(dǎo)致污泥的二次污染。以污泥作為配料生產(chǎn)水泥,可將其中的有毒有害物質(zhì)分解或固化,使“二次污染”的風(fēng)險(xiǎn)降至最小，又可實(shí)現(xiàn)資源、能源的充分利用,對(duì)于重金屬含量偏高、不宜農(nóng)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(xiàn)（略）

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