城市污泥自動(dòng)控制堆肥及其復(fù)合肥生產(chǎn)成套技術(shù)
城市污泥是我國(guó)當(dāng)前亟待解決的環(huán)境問(wèn)題。隨著城市污水處理事業(yè)迅速發(fā)展，城市污水處理廠(chǎng)排放的城市污泥數(shù)量還會(huì)迅速增多。按照原國(guó)家計(jì)委的有關(guān)規(guī)劃，到2010 年，我國(guó)的城市污水處理率將達(dá)到40~50％，屆時(shí)污水處理廠(chǎng)將達(dá)到近2000 座。而城市污泥的處理和處置一直是限制我國(guó)污水處理行業(yè)健康發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)。由于缺乏經(jīng)濟(jì)有效的城市污泥處置和資源化利用技術(shù)，致使城市污泥處置問(wèn)題成為我國(guó)污水處理廠(chǎng)的沉重負(fù)擔(dān)，甚至于影響污水處理廠(chǎng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
城市污泥雖然含有大量有機(jī)質(zhì)、植物養(yǎng)分，可以提供植物生長(zhǎng)發(fā)育的有益養(yǎng)分。但是，同時(shí)它也含有病原菌、寄生蟲(chóng)(卵)，并且容易腐爛發(fā)臭；如果處理不當(dāng)，則可能造成二次污染。目前國(guó)外污泥處置方法有四類(lèi)：填埋、焚燒、投海和土地利用。前三種處理方法中，投海已被國(guó)際公約所禁止，其余兩中方法由于環(huán)境壓力和經(jīng)濟(jì)壓力等原因也在減少，而污泥的資源化利用則越來(lái)越受到重視。但是，污泥作為肥料銷(xiāo)售往往因運(yùn)輸成本太高和操作不便而很難形成市場(chǎng)。對(duì)于重金屬不超標(biāo)的城市污泥，如果在穩(wěn)定化和無(wú)害化處理的基礎(chǔ)上，將其加工成有機(jī)肥或復(fù)合肥才具有穩(wěn)定的產(chǎn)品市場(chǎng)。
通過(guò)10 多年的科技攻關(guān)，尤其是在“九五”國(guó)家重點(diǎn)科技項(xiàng)目“城市污泥堆肥化及其復(fù)合肥生產(chǎn)成套技術(shù)”、科技部農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化基金項(xiàng)目“畜禽糞便自動(dòng)控制堆肥處理成套技術(shù)示范與推廣”、北京市重點(diǎn)農(nóng)業(yè)科技示范推廣項(xiàng)目“畜禽糞便無(wú)害化處理及綜合利用新技術(shù)”、國(guó)家計(jì)委專(zhuān)項(xiàng)課題“中國(guó)農(nóng)用化肥消費(fèi)比例預(yù)測(cè)與區(qū)域優(yōu)化配置”、國(guó)家“十五”環(huán)境863 課題“有機(jī)廢棄物堆肥處理及其在環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用”、科技部“科技奧運(yùn)2008 行動(dòng)計(jì)劃”項(xiàng)目“有機(jī)廢棄物自動(dòng)控制快速堆肥與草皮專(zhuān)用肥生產(chǎn)成套技術(shù)”等項(xiàng)目的重點(diǎn)支持下，中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所環(huán)境修復(fù)室開(kāi)發(fā)出利用“高效、低耗、自動(dòng)控制堆肥及其復(fù)合肥生產(chǎn)成套技術(shù)”，并建立示范廠(chǎng)。
一、城市污泥直接農(nóng)用的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)
1、病原菌
一般城市污泥中都含有大量病原菌，如沙門(mén)氏菌屬、弧菌屬、埃希氏菌屬、核菌屬、鉤端螺旋體、脊髓灰質(zhì)炎病毒、人腸道孤病毒、腺病毒、呼吸道腸道病毒、甲肝病毒等細(xì)菌和病毒，如果不進(jìn)行滅菌處理，則可能增加導(dǎo)致傷寒、副傷寒、腸炎、霍亂、鉤端螺旋體病、脊髓灰質(zhì)炎，頭痛，肌肉疼痛，嘔吐，腦膜炎、腹瀉，肝炎、感冒、呼吸道感染、呼吸道感染、結(jié)膜炎等疾病的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)我們的研究結(jié)果，以方莊城市污水處理廠(chǎng)的城市污泥為例，其脫水污泥中的病原菌含量很高，如其大腸菌群為4000000 個(gè)/克城市污泥，蛔蟲(chóng)卵為600 個(gè)/千克，活卵率為100%。因此，將未經(jīng)滅菌等無(wú)害化預(yù)處理的城市污泥直接用于農(nóng)田或生產(chǎn)肥料是不安全的。我國(guó)的《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB4284-84)也明確規(guī)定，生污泥必須經(jīng)過(guò)高溫堆肥或消化處理才能施用于農(nóng)田。
雖然目前有的工藝也采用外加熱或其他物理方法對(duì)城市污泥進(jìn)行滅菌和烘干處理，這些方法也可以殺滅病原菌、雜草種子和起到脫水效果，但是由于對(duì)城市污泥中不穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)沒(méi)有進(jìn)行很好的穩(wěn)定化處理，因此施用到農(nóng)田后會(huì)抑制種子發(fā)芽、引起作物燒苗和惡臭等農(nóng)業(yè)和環(huán)境問(wèn)題，同時(shí)這類(lèi)處理工藝的能耗和經(jīng)濟(jì)成本太高，因此在實(shí)際生產(chǎn)中不宜提倡和推廣應(yīng)用。
2、重金屬
人們一直都擔(dān)心污泥中會(huì)含有大量重金屬，因此把重金屬問(wèn)題看作是限制污泥農(nóng)用的一個(gè)主要障礙。但實(shí)際上，從我國(guó)的情況來(lái)看這一問(wèn)題并不象人們所想象的那么嚴(yán)重。其理由主要有幾個(gè)方面：
根據(jù)我們對(duì)國(guó)內(nèi)不同學(xué)者關(guān)于城市污泥重金屬報(bào)道結(jié)果的總結(jié)(詳細(xì)資料略)，我國(guó)的城市污泥重金屬含量普遍低于歐美等國(guó)家。即使象高碑店污水處理廠(chǎng)這樣在北京屬于重金屬含量最高的污水處理廠(chǎng)，所產(chǎn)生的城市污泥重金屬也大大低于歐美。隨著環(huán)境污染管理制度和法規(guī)的完善與實(shí)施，工業(yè)污水達(dá)標(biāo)排放率不斷提高，對(duì)工業(yè)污水的治理力度和治理技術(shù)水平也顯著提高，同時(shí)其他各種管理和技術(shù)水平也不斷進(jìn)步，使得近年來(lái)城市污水處理廠(chǎng)排放的污泥中重金屬水平顯著下降。從表2 中關(guān)于不同年代的中國(guó)、美國(guó)、加拿
大城市污泥重金屬含量的比較可以看出，無(wú)論是在我國(guó)還是在美國(guó)、加拿大，隨著年代的推移城市污泥中重金屬含量不斷減少的趨勢(shì)都非常明顯。
我國(guó)《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于重金屬的控制標(biāo)準(zhǔn)本身就存在不科學(xué)、不合理的地方。在表2 列出的幾個(gè)國(guó)家和地區(qū)的污泥農(nóng)用重金屬的控制標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)所允許的重金屬濃度差不多都最低，因此與歐美國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)相比，我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)于嚴(yán)格，甚至天津市不得考慮制定自己的地方標(biāo)準(zhǔn)(郭媚蘭等，1993)。實(shí)際上，在80 年代初制定這一國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，我國(guó)在城市污泥農(nóng)用方面的研究工作積累很少，因此所制定的標(biāo)準(zhǔn)固然會(huì)受到種種局限。在經(jīng)過(guò)近20 年的實(shí)踐檢驗(yàn)和研究積累后，我國(guó)該重新修訂《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》。
雖然很多人都擔(dān)心施用城市污泥會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染問(wèn)題，但是美國(guó)的一些長(zhǎng)期定位試驗(yàn)結(jié)果卻表明，施用經(jīng)過(guò)無(wú)害化處理的城市污泥對(duì)土壤和農(nóng)產(chǎn)品不會(huì)產(chǎn)生不良影響，因此試驗(yàn)證明這種擔(dān)心是不必要的。甚至為了打消市民對(duì)城市污泥的偏見(jiàn)，美國(guó)增在白宮的草皮上帶頭使用進(jìn)過(guò)無(wú)害化處理的城市污泥。
鑒于社會(huì)公眾和某些科學(xué)家對(duì)城市污泥在心理上難以接受，而且過(guò)去人們對(duì)“城市污泥(sewage sludge)”始終報(bào)有偏見(jiàn)等原因，因此一些從事水處理的學(xué)術(shù)團(tuán)體[如世界水環(huán)境聯(lián)合會(huì)(WEF)、美國(guó)Northwest Biosolids Management Association 等]和科學(xué)家都將其稱(chēng)為“生物固體(biosolid)”，并且在學(xué)術(shù)刊物中廣泛使用生物固體一詞。
二、解決城市污泥農(nóng)用風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)方案
根據(jù)我們的研究，在肥料生產(chǎn)中所用的城市污泥原料必須經(jīng)過(guò)高溫堆肥處理，要求達(dá)到除臭、穩(wěn)定化、殺滅病原菌和雜草種子等無(wú)害化處理；同時(shí)要求其有機(jī)質(zhì)含量至少應(yīng)達(dá)到30%，否則很難達(dá)到使復(fù)合肥中的氮肥緩慢釋放、養(yǎng)分供應(yīng)均衡和提高養(yǎng)分利用效率的效果。
城市污泥中含有大量有機(jī)質(zhì)以及一定量的、植物生長(zhǎng)所必需的大量和微量營(yíng)養(yǎng)元素，因此城市污泥是一種肥效較好的廉價(jià)肥源。但是城市污泥直接作為肥料施用，由于其肥效有限而不能很好地滿(mǎn)足作物生長(zhǎng)的要求，加之運(yùn)輸成本較高而很難被市場(chǎng)普遍接受；同時(shí)由于城市污泥中含有病原菌等污染物，如果不經(jīng)滅菌等處理而直接施用，則會(huì)增加對(duì)農(nóng)田、水體、食物和人類(lèi)的污染風(fēng)險(xiǎn)。
我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，用合格的城市污泥生產(chǎn)肥料是一條有效的資源化利用途徑。城市污泥中含有有益于植物生長(zhǎng)的養(yǎng)分和大量的有機(jī)質(zhì)，對(duì)改良和培肥土壤具有良好的效果。目前我國(guó)化肥生產(chǎn)能力嚴(yán)重不足，每年要花費(fèi)250 多億元進(jìn)口大量化肥。即便如此，化肥的缺口仍高達(dá)10%左右。而且復(fù)合肥是國(guó)內(nèi)外化肥工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展方向。如果用經(jīng)過(guò)處理的污泥生產(chǎn)復(fù)合肥，則可以明顯降低復(fù)合肥的生產(chǎn)成本，提高化肥生產(chǎn)能力。因此，既可以使其轉(zhuǎn)化為一種良好的資源，又可以解決其處置出路及二次污染問(wèn)題，不僅有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、化肥工業(yè)和環(huán)境保護(hù)，更重要的是對(duì)城市污水處理行業(yè)的快速、健康發(fā)展具有重大意義。
1、城市污泥生產(chǎn)有機(jī)肥和有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合肥的工藝路線(xiàn)
利用城市污泥生產(chǎn)有機(jī)肥和有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合肥的主要工藝流程如下(圖1)：(1)根據(jù)具體的堆肥環(huán)境條件，將一定比例的調(diào)理劑與城市污泥混勻；(2) 根據(jù)我們建立的四階段堆肥發(fā)酵理論，通過(guò)CTB 快速堆肥系統(tǒng)(Compsoft V1.0)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和控制，分別培養(yǎng)堆體的耐高溫微生物，并使堆體在最短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到無(wú)害化所需的溫度(50℃)，并維持國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定所需時(shí)間(5－7 天)；(3)將堆肥產(chǎn)品進(jìn)行篩分，使調(diào)理劑與堆肥產(chǎn)品分離，篩分出來(lái)的調(diào)理劑經(jīng)過(guò)處理后可以回用；(4)篩分后的污泥堆肥可以制作有機(jī)肥或制備復(fù)合肥；(5)根據(jù)“中國(guó)肥料-產(chǎn)量效應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)(Fertbase)”中的數(shù)據(jù)，按照用肥地點(diǎn)的土壤和作物情況，設(shè)計(jì)出最佳的專(zhuān)用復(fù)合肥配方；(6)按照設(shè)計(jì)的專(zhuān)用肥配方，將不同比例的原料進(jìn)行配料，混合、造粒、過(guò)篩、包裝，即可生產(chǎn)出合格的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合肥產(chǎn)品。
試驗(yàn)表明，采用該技術(shù)可以使堆體的溫度都達(dá)到了國(guó)家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB7959-87)所規(guī)定的堆肥殺菌溫度(50°C)以上，并控制在60°C 以下。根據(jù)實(shí)際測(cè)定結(jié)果，采用本工藝進(jìn)行堆肥，產(chǎn)品無(wú)害化的合格率達(dá)到95%以上。用該技術(shù)生產(chǎn)的有機(jī)肥和有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合肥產(chǎn)品符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。
經(jīng)過(guò)國(guó)家化肥質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心、農(nóng)業(yè)部微生物肥料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院土肥測(cè)試中心的鑒定，采用上述技術(shù)生產(chǎn)的復(fù)合肥產(chǎn)品，其氮、磷、鉀養(yǎng)分含量等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到《復(fù)混肥料》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB15063-94)，重金屬含量低于《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB4284-84)，蛔蟲(chóng)卵、大腸菌值等病原菌指標(biāo)全部符合國(guó)家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB7959-87)的要求。
2、肥料產(chǎn)品的肥效
幾年來(lái)，肥料產(chǎn)品先后在農(nóng)、林、牧、園林等領(lǐng)域30 種作(植)物了上進(jìn)行肥效試驗(yàn)和環(huán)境安全性評(píng)價(jià)，解決了產(chǎn)品在糧食、蔬菜、草皮和草坪、花卉中應(yīng)用的配套技術(shù)，同時(shí)也證明該復(fù)合肥的增產(chǎn)效果優(yōu)于普通復(fù)合肥，生產(chǎn)成本降低15～20％(表4)，其性能價(jià)格比優(yōu)于目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的普通復(fù)合肥。
采用本工藝生產(chǎn)的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合肥中，所添加的化肥可以迅速釋放，而城市污泥堆肥中所含的大量有機(jī)質(zhì)(最高可達(dá)45％)，具有改良土壤、培肥地力、抗旱和供肥平穩(wěn)等特點(diǎn)，肥效比普通復(fù)合肥持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，而且對(duì)化肥中的氮素具有一定的固定作用，使化肥帶入的氮素緩慢釋放，提高其養(yǎng)分利用效率。
表1 用城市污泥生堆肥產(chǎn)有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合肥的應(yīng)用效果
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此外，采用這種快速堆肥技術(shù)生產(chǎn)的城市污泥堆肥，可以作為基質(zhì)及土壤改良劑，能夠廣泛用于荒地、育苗基質(zhì)、苗圃、觀(guān)賞植物、草皮、草地、公園、高速公路綠化帶和高爾夫球場(chǎng)，以及尾礦堆、采石場(chǎng)、露天煤坑的復(fù)墾等。
3、肥料產(chǎn)品對(duì)作物衛(wèi)生品質(zhì)的影響評(píng)價(jià)
從表2 可以看出，與不施肥的對(duì)照處理以及施用普通化肥和商品復(fù)合肥的處理相比，用城市污泥堆肥生產(chǎn)的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合肥對(duì)蔬菜的Cu、Zn、Pb 吸收沒(méi)有明顯的差異。因此，即便是在象蔬菜這樣對(duì)衛(wèi)生品質(zhì)要求較高的作物上，施用這種新型有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合肥也依然是安全的。
表2 施用用城市污泥堆肥生產(chǎn)的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合肥對(duì)蔬菜重金屬含量的影響
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注：1) 重金屬含量按蔬菜鮮重計(jì)算；
2) 同一試驗(yàn)中標(biāo)記不同小寫(xiě)英文字母表示差異達(dá)到α=0.05的顯著水平。
結(jié)語(yǔ)
通過(guò)10 多年的多學(xué)科攻關(guān)研究，開(kāi)發(fā)出適合我國(guó)國(guó)情的高效低耗堆肥與復(fù)合肥生產(chǎn)成套技術(shù)，并且建立了日處理50 噸城市污泥的示范廠(chǎng)。這一技術(shù)可以為解決污水處理廠(chǎng)的城市污泥等有機(jī)廢棄物處置及出路問(wèn)題提供經(jīng)濟(jì)可行的新途徑，實(shí)現(xiàn)城市污泥的穩(wěn)定化、無(wú)害化，資源化，不僅有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、化肥工業(yè)和環(huán)境保護(hù)，更重要的是對(duì)我國(guó)污水處理行業(yè)的健康、快速發(fā)展具有重要意義。
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