污泥資源化利用及生產(chǎn)高效有機復(fù)合肥成套技術(shù)與裝置
城市生活污水污泥的處理是一個世界性的難題，處置不當(dāng)將造成環(huán)境二次污染。據(jù)統(tǒng)計全國目前共有污水處理廠約427座，年處理量113.
2 污泥資源化
2.1 技術(shù)背景與來源 城市污水凈化處理剩余的大量污泥中，既含有一定的營養(yǎng)元素，又含有許多有害成分，肆意堆放不僅大量占用有限的土地資源，而且易造成二次污染，同時還造成大量的生物資源浪費。 世界發(fā)達國家污泥有效利用率均在60%以上[3]，美國1998年約產(chǎn)生污泥6.9百萬噸污泥，60%得到資源化利用，40%被處置。預(yù)計到2005年將有7.6百萬噸的污泥產(chǎn)生后被利用和處置，到2010年將會增加到8.2百萬噸，污泥利用（和處置相比）的比例將從2000年的63%增長到2005年的66%和2010年的70%。到2005年，歐洲15個成員國干污泥產(chǎn)量預(yù)計可能由1992年的660萬噸上升到至少940萬噸。歐委會希望：到2005年污泥農(nóng)用比例上升73％達到污泥總產(chǎn)量的53％[8]。 綜合國內(nèi)外污泥肥料加工技術(shù)，大都存在著技術(shù)手段單一、養(yǎng)分利用率低等嚴(yán)重缺陷，難以達到“廢物利用，改善環(huán)境”的目的。處置不當(dāng)，反而成為環(huán)境和農(nóng)作物新的污染源。概括分析，首先這些污泥制品不具備有機肥料的一般特性（溶解性差、養(yǎng)分利用率低、砂礫化）；其次耗能與加工成本高，缺乏經(jīng)濟性，難以持續(xù)；由此導(dǎo)致污泥肥料產(chǎn)品市場競爭力不強，不能形成市場的有效供給。研究開發(fā)兼顧環(huán)境生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟效益的污泥處置與資源化利用的技術(shù)、生產(chǎn)工藝，以適應(yīng)全球資源合理利用及生態(tài)環(huán)境保護的發(fā)展趨勢已成為當(dāng)務(wù)之急。 山西沃土生物有限公司應(yīng)用該公司完成的山西省重點攻關(guān)計劃項目“生物高氮源發(fā)酵技術(shù)”成果，通過污泥接種軟化→生物脫水→磷酸中和→重金屬鈍化→熱噴造粒→二次噴涂接菌等一系列自主開發(fā)的工藝技術(shù)，生產(chǎn)出有機/無機/微生物三維復(fù)合肥料。該肥料氮磷鉀總養(yǎng)分大于10%，有機質(zhì)含量大于55%，重金屬含量低于農(nóng)業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)，是一種高效、廉價、
如某污水處理廠，采用圓盤造粒，污泥不經(jīng)消化，采用烘干殺滅病菌再混合造粒制成有機復(fù)混肥的技術(shù)。該廠投資400萬元，其中設(shè)備費用330萬元。該生產(chǎn)線年綜合生產(chǎn)能力為2.5萬t，配備了滾桶式烘干爐、集粉倉、超細破碎機、雙軸臥式鏈磨機等。試生產(chǎn)中，6t含水98%的濕泥出1t干污泥。存在的問題是烘干過程中臭味較大，除塵問題也需解決，生產(chǎn)成本主要高在煤的燃燒方面。采用類似工藝的還有××污水處理廠，雖有消化系統(tǒng)卻未使用，生污泥直接加工，摻混粉煤灰后，污泥含水率降至20%，再用滾桶式干燥爐烘干，用擠壓式造粒機制粒，烘干采用自然風(fēng)。生產(chǎn)過程中存在的問題與上述某廠相同，即烘干過程中的除臭和除塵問題未能解決。 （3）發(fā)酵－造粒 典型的如唐山西郊污水處理廠，處理污水能力為3.6萬m3／d，采用堆肥發(fā)酵制肥。工藝流程如下： 添加粉煤灰
脫水污泥按1:0.6的比例摻混粉煤灰，降低含水率，自然堆肥發(fā)酵。其中加有鋸末和秸桿作為膨脹劑。污泥經(jīng)過堆肥發(fā)酵后，可使有機物腐化穩(wěn)定，滅活寄生卵和病菌，提高污泥肥效。該廠堆肥發(fā)酵生產(chǎn)線年產(chǎn)肥料1000 t，設(shè)計能力為3 t／d，投資70萬元，肥料為
該生產(chǎn)線與兩次烘干法工藝相同，僅在混合部分增多了一個摻混生物菌的工序。淄博污水處理公司摻混的是上海豫園生產(chǎn)的普利菌粉，而與其工藝基本相同的北京北小河污水廠摻混的是解鉀菌粉。 生產(chǎn)運行中烘干問題是關(guān)鍵，烘干對有機質(zhì)有一定影響。烘干后含有機質(zhì)25%，N、P、K含量未達25 %[2
3 污泥資源化利用的必要性
我國每年排放的401億m3污廢水中，有51%來源于城市，地表水體的污染也主要來自工業(yè)和城市生活排放的污廢水。因此，城市污水處理廠建設(shè)成為改善我國水環(huán)境的重要舉措。目前全國已建成運轉(zhuǎn)的城市污水處理廠約410余座，日處理能力2534萬m3，污水處理率僅達到污水排放總量的 25%。到2015年，我國城市污水處理率要達到75%，尚需建設(shè)污水處理廠約1000座，新增污水處理能力6000萬m3／d[7]。由于我國目前的環(huán)保基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)仍延用計劃經(jīng)濟的做法，完全由政府投資，建成運行后運轉(zhuǎn)費用還要政府補貼。按我國目前已建、在建污水處理廠噸水能力投資1500～2000元，運行費用0.8～1.4元／噸測算，需投資1000億元，每年還需運行費用補貼300億元。國家有關(guān)部門最新公布的資料，建設(shè)投資預(yù)算為2400億元。 目前，大部分中小型污水廠污泥處理工藝仍采用厭氧發(fā)酵消化處理填埋。據(jù)調(diào)查，污泥消化系統(tǒng)建設(shè)的投資約占污水處理廠總投資的40%～50%，運行費用占污水處理廠總費用的50%-60%。但花費巨資處理的消化污泥僅僅是為了衛(wèi)生填埋；顯然，污泥厭氧消化處理技術(shù)并不太適合中國國情，盡快地尋找一種投資省、效率高、處理便捷、成本低廉的污泥資源資源化利用技術(shù)就成為一項頗為緊迫的任務(wù)。 污水污泥的循環(huán)利用已成為國家鼓勵發(fā)展的方向。國務(wù)院于
4 利用污泥生產(chǎn)高效有機復(fù)合肥技術(shù)及裝置
4.1 技術(shù)簡介 沃土黑桃K的主要技術(shù)包括：生物高氮源發(fā)酵技術(shù)、污泥沉淀池天然脫水劑成比例置換聚丙烯酰胺技
利用城市生活污水污泥生產(chǎn)復(fù)合肥料，直觀認(rèn)為污泥養(yǎng)分高，特別是有機質(zhì)含量高達40%以上。經(jīng)干燥粉碎或堆積發(fā)酵處理后，按養(yǎng)分要求配比添加化肥，攪拌后冷擠壓制粒。這套工藝應(yīng)用范圍很廣，其致命缺陷是忽視了消化污泥的不溶解性以及由此造成的高養(yǎng)分難以釋放。污泥是由微細顆粒組成，水份低于30%后就會自然硬化，加之聚丙烯酰胺絮凝劑的包復(fù)作用，使得污泥溶解度很差，施入土壤無異于摻沙，不僅無益，反而有害；對于厭氧消化污泥來講，厭氧發(fā)酵→好氧環(huán)境→雜菌感染，這是導(dǎo)致污泥肥料施入土壤后霉變的主要原因。 污泥處理的關(guān)鍵技術(shù)是軟化工藝。采用物理的、生物的方式綜合加工，實踐證明是有效的。從技術(shù)經(jīng)濟學(xué)角度分析，污泥加工成本受到市場與污泥最小成本的雙重制約，單一的技術(shù)工藝是無法滿足這一條件的。根據(jù)國內(nèi)外污泥處理技術(shù)文獻看，或者是處理技術(shù)過于簡單，例如烘干工藝，無法達到釋放養(yǎng)分要求；或者是處理技術(shù)成本過高，市場競爭能力差。4.2 方案簡述 山西沃土的污泥資源化利用方案為：取消污泥消化系統(tǒng)，以污泥好氧發(fā)酵替代厭氧消化處理。即保留污泥濃縮池、貯泥池、脫水機房等設(shè)施，不再建設(shè)消化池、污泥分配塔、沼氣柜和沼氣鍋爐房等設(shè)施，代之以太陽能濃縮發(fā)酵裝置和沃土肥料自動化生產(chǎn)線。剩余污泥經(jīng)濃縮池、貯泥池至脫水機房，脫水后送至預(yù)處理工段，加入膨脹材料和重金屬鈍化材料并接入VT菌，經(jīng)太陽能濃縮發(fā)酵槽發(fā)酵脫水后進入后續(xù)制肥工藝。 該方案的主要技術(shù)包括：生物高氮源發(fā)酵技術(shù)、天然脫水劑成比例置換高分子絮凝劑（聚丙烯酰胺）技術(shù)、重金屬鈍化技術(shù)、VT菌二次接種技術(shù)、熱噴造粒技術(shù)等。 生物高氮源發(fā)酵技術(shù)成功地解決了高氨環(huán)境下的微生物活性難題，是山西沃土的核心技術(shù)之一。天然脫水劑成比例置換高分子絮凝
5 沃土肥料田間施用效果
為了檢驗沃土黑桃K的屬性、增產(chǎn)效應(yīng)及作物品質(zhì)影響程度，并為產(chǎn)品推廣提供試驗示范基地，2001年在葡萄、棉花、辣椒、草坪、月季上開展了大田試驗。僅以葡萄和棉花為例說明。5.1黑桃K在葡萄上的施肥效果 （1）試驗地點：陜西省扶風(fēng)縣絳帳鎮(zhèn)新集村 （2）試驗處理：供試葡萄園已種植12年，掛果10年，品種為巨蜂，有灌溉條件，栽培密度750株／畝，試驗地面積1.5畝，歷年產(chǎn)量2000～3500 Kg／畝，管理技術(shù)和產(chǎn)量水平在當(dāng)?shù)貙僦械人健９苍O(shè)5個處理，為重復(fù)三次，每小區(qū)20株, 肥料穴狀溝施，各個處理純氮磷鉀養(yǎng)分用量相同。 （3）試驗結(jié)果：見表1、2。
表1 各處理品質(zhì)分析和單果重測定結(jié)果
| 處理 | Vc （mg/ | 還原糖(%) | 硝酸鹽(ppm) | 總酸度 (蘋果酸%) | 可溶性固形物（%） | 單果重 （g） |
| 沃土黑桃K | 1.93 | 12.4 | 3.6 | 0.6 | 14.53 | 8.81 |
| NPK化肥 | 1.49 | 10.9 | 4.4 | 0.71 | 14.03 | 8.41 |
| 農(nóng)民習(xí)慣施肥 | 1.4 | 10.8 | 3.4 | 0.67 | 12.58 | 8.14 |
注：以上分析為各個處理各個重復(fù)樣品測得的平均值。
表2 沃土黑桃K 與化肥NPK和農(nóng)民習(xí)慣施肥對葡萄品質(zhì)影響比較
| 處理 | Vc (mg/ | 還原糖(%) | 硝酸鹽(ppm) | 總酸度 (蘋果酸%) | 可溶性固形物(%) | 單果重(g) | |
| 黑桃K | 較NPK化肥增加 | 0.44 | 1.5 | -0.8 | -0.09 | 0.5 | 0.40 |
| 較習(xí)慣施肥增加 | 0.53 | 1.6 | 0.2 | -0.07 | 1.95 | 0.67 |
沃土黑桃K有機肥在葡萄上試驗初步結(jié)果表明,與等量NPK的化肥和農(nóng)民習(xí)慣施肥相比較，能一定不同程度的提高了葡萄的品質(zhì)，表現(xiàn)為葡萄Vc含量、還原糖、可溶性固形物含量均有不同程度提高，總酸度降低，口感更好。硝酸鹽含量降低，有利于消費者身體健康，因此品質(zhì)提高了。且成熟期提前3～7天，提高商品價值。5.2 黑桃K在棉花上的施肥效果 （1）試驗地點：陜西省扶風(fēng)縣建和鄉(xiāng)周家村。 （2）試驗處理：直播種植,密度2500株／畝，小區(qū)面積
表3 蕾期和花鈴期棉花生長性狀結(jié)果
| 處理 | 蕾期 | 花鈴期 | |||
| 平均株高（cm） | 平均葉寬（cm） | 平均株高（cm） | 分枝數(shù) | 棉桃數(shù)（桃／株） | |
| 沃土黑桃K | 83 | 70 | 120 | 12.3 | 25 |
| NPK化肥 | 86 | 72 | 128 | 10.3 | 22 |
| 農(nóng)民習(xí)慣施肥 | 75 | 60 | 108 | 8.5 | 16 |
注：以上為各個處理三個重復(fù)，每重復(fù)10株的平均調(diào)查結(jié)果。
由上表可見，無論蕾期還是花鈴期，沃土黑桃K對棉花株高的影響效果都與等量NPK化肥相當(dāng)，但明顯優(yōu)于農(nóng)民習(xí)慣施肥。而隨著棉花生長，到花鈴期，從分枝數(shù)和棉桃數(shù)來看，沃土黑桃K的效果總體上優(yōu)于NPK化肥和農(nóng)民習(xí)慣施肥。
6 污泥中重金屬的危害及控制
污泥中的重金屬一直是污泥利用中的一大障礙，為此世界各國均針對此開展了大量研究及政策制定。污泥中涉及到的重金屬主要有7種，分別為：銅、鉛、鋅、汞、砷、鎘、鉻。主要國家污泥農(nóng)用的重金屬控制標(biāo)準(zhǔn)見下表，反映出中國國內(nèi)的重金屬控制標(biāo)準(zhǔn)均高于許多其它國家。
表4 不同國家和地區(qū)的污泥農(nóng)用重金屬控制標(biāo)準(zhǔn)
| 國家或地區(qū) | 最大允許濃度（mg／kg） | 備注 | ||||||
| As | Cd | Cr | Cu | Hg | Pb | Zn | ||
| 美國 | 75 | 85 | 3000 | 4300 | 57 | 840 | 7500 |
|
| 歐盟 |
| 40 | 1500 | 1750 | 25 | 1200 | 4000 |
|
| 魁北克 |
| 15 | 1000 | 1000 | 10 | 500 | 2500 |
|
| 德國 |
| 10 | 900 | 800 | 8 | 900 | 2500 |
|
| 中國 | 75 | 5 | 600 | 250 | 5 | 300 | 500 | 土壤pH＜6.5 |
| 75 | 20 | 1000 | 500 | 15 | 1000 | 1000 | 土壤pH≥6.5 |
統(tǒng)計近年來我國主要城市污泥中的重金屬含量發(fā)現(xiàn)，除了鋅元素普遍超標(biāo)以外，其它所有重金屬指標(biāo)均遠低于國家標(biāo)準(zhǔn)。而鋅含量的超出主要與國內(nèi)污水管道采用鍍鋅管有直接聯(lián)系。
表5 我國44個城市污水處理廠污泥中重金屬含量統(tǒng)計結(jié)果 單位：mg／kg
| 項目 | Cd | Cu | Pb | Zn | Cr | Ni | Hg | As |
| 平均值 | 3.03 | 338.98 | 164.09 | 789.82 | 261.15 | 87.80 | 5.11 | 44.52 |
| 最大值 | 24.10 | 3068.40 | 2400.00 | 4205.00 | 1411.80 | 467.60 | 46.00 | 560.00 |
| 最小值 | 0.10 | 0.20 | 4.13 | 0.95 | 3.70 | 1.10 | 0.12 | 0.19 |
| 中 值 | 1.67 | 179.00 | 104.12 | 944.00 | 101.70 | 40.85 | 1.90 | <|
| 中國污泥標(biāo)準(zhǔn)（GB4284） | 5/20 | 250/500 | 300/1000 | 500/1000 | 600/1000 | 100/200 | 5/15 | 75/75 |
注：作者：“國內(nèi)外污水處理廠污泥產(chǎn)生、處理及處置分析” 山西太原楊家堡污水處理廠作為山西沃土的示范廠，其污泥重金屬含量也表現(xiàn)出相同規(guī)律（表6），即只有鋅超標(biāo)的情形。
表6 山西太原楊家堡污水處理廠污泥中重金屬含量 單位：mg／kg（以干污泥計）
| 元素 | As | Cd | Cr | Cu | Ni | Pb | Zn | Hg | B | 礦物油 |
| 太原楊家堡 | 9.7 | 0.95 | 145 | 174 | 26.2 | 69.5 | 831 | 7.4 | 10.0 | 146 |
另外從北京高碑店污水處理廠近20年來的縱向變化（表7），我們也看出污泥中重金屬下降的趨勢，而且下降趨勢十分明顯。
表7 北京高碑店污水處理廠近20年污泥重金屬變化
| 城市污泥來源 | 年代 | 重金屬（mg／kg） | 備注 | ||||||
| As | Cd | Cr | Cu | Hg | Pb | Zn | |||
| 中國 | 1977 | 9.5 | 8.3 | 207 | 443 | 52.0 | 100 | 1470 | 北京高碑店 污水處理廠 |
| 1997 | ／ | 0.9 | 26.3 | 8.3 | 12.4 | 47.4 | 258 |
污泥中重金屬下降的原因主要有以下幾點： （1）國家環(huán)境保護政策的逐步深入和落實，一些有污染的工業(yè)自身必須建立污水處理設(shè)施，以達到排放標(biāo)準(zhǔn)，另外一些高污染的企業(yè)則向農(nóng)村或偏遠地區(qū)擴散； （2）城市工業(yè)污水比例下降，而生活污水比例則隨之上升； （3）一些污水處理廠一開始就面向生活污水來源，沒有工業(yè)污水介入。 然而重金屬的危害畢竟是長期的、潛在的，如果不給以足夠的重視，勢必造成嚴(yán)重的二次污染。污泥重金屬的全面解決方案有賴于如下幾點的逐步認(rèn)識和落實： （1）制定污泥農(nóng)用的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，包括針對不同土壤、作物的單季施用量、使用時間以及不同重金屬元素的負(fù)荷； （2）建立污泥農(nóng)用的監(jiān)督監(jiān)測機制； （3）鼓勵開發(fā)適合污泥特點的堆肥技術(shù)及裝置； （4）鼓勵開發(fā)污泥復(fù)合肥，大大減少污泥直接施用量，增強土壤自然稀釋能力； （5）鼓勵開發(fā)成本低、效果明顯的重金屬鈍化及吸附技術(shù)。
7 投資與效益分析
以日處理15萬噸污水的中型污水處理廠為例，每天處理含水率為50%污泥
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