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污泥資源化利用及生產高效有機復合肥成套技術與裝置

城市生活污水污泥的處理是一個世界性的難題，處置不當將造成環境二次污染。據統計全國目前共有污水處理廠約427座，年處理量113.6億立方米；根據污水處理過程中產生的污泥約為污水處理量的0.3%～0.5%計算，我國城市污水處理廠排放干污泥約20萬t／a（以濕污泥計約為380～550萬ｔ），并以10～20%的速度遞增[1]。到2010年污水排放量將達到440×108 m3／d，年產干污泥將達到80萬噸。 污泥是一種生物資源，含有促進農作物生長的氮、磷、鉀等營養物質，有機質含量高達30%以上，是良好的土壤改良劑。但是若不對污泥進行科學處理，而直接作為普通有機肥，不僅不能促進作物的生長，還會造成土壤與作物的污染。 污泥的處理處置及其無害化，作為再生資源的有效利用是世界各國共同重視的問題，代表了人類環境生態效益、社會效益和經濟效益均衡發展的方向。現有城市污水污泥不僅終端處置費用很高,污泥厭氧消化系統建設投資與運行費用也十分高昂。山西沃土生物有限公司經過不懈努力，研究開發出了利用城市污水污泥生產農用與城市綠化肥料的新技術。此項技術將污泥餅發酵生產有機／無機／微生物三維復合肥料和營養土，不僅解決了城市污水污泥的處理處置難題，實現了生物資源的循環利用，也為農、林業和城市綠化提供了優質肥料和培植營養土，同時又可有效降低污泥的處理處置費用，節省污泥消化系統建設投資。 　城市污水廠污泥資源化利用項目為2001年度國家級火炬計劃，利用該技術生產的有機／無機／微生物三維復合肥沃土黑桃K同時列入2001年國家級新產品。目前，由太原市排水管理處與山西沃土生物有限公司合作，山西沃土獨資在太原市楊家堡污水凈化廠建設的20000 t／a污泥復合肥項目示范廠，經過一年多的運行和多次技術改造，成套設備及生產工藝已定型，已進入全面生產階段。

2 污泥資源化

2.1 技術背景與來源 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。 世界發達國家污泥有效利用率均在60%以上[3]，美國1998年約產生污泥6.9百萬噸污泥，60%得到資源化利用，40%被處置。預計到2005年將有7.6百萬噸的污泥產生后被利用和處置，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個成員國干污泥產量預計可能由1992年的660萬噸上升到至少940萬噸。歐委會希望：到2005年污泥農用比例上升73％達到污泥總產量的53％[8]。 綜合國內外污泥肥料加工技術，大都存在著技術手段單一、養分利用率低等嚴重缺陷，難以達到“廢物利用，改善環境”的目的。處置不當，反而成為環境和農作物新的污染源。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、養分利用率低、砂礫化）；其次耗能與加工成本高，缺乏經濟性，難以持續；由此導致污泥肥料產品市場競爭力不強，不能形成市場的有效供給。研究開發兼顧環境生態效益、社會效益和經濟效益的污泥處置與資源化利用的技術、生產工藝，以適應全球資源合理利用及生態環境保護的發展趨勢已成為當務之急。 山西沃土生物有限公司應用該公司完成的山西省重點攻關計劃項目“生物高氮源發酵技術”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的工藝技術，生產出有機/無機/微生物三維復合肥料。該肥料氮磷鉀總養分大于10%，有機質含量大于55%，重金屬含量低于農業部標準，是一種高效、廉價、

如某污水處理廠，采用圓盤造粒，污泥不經消化，采用烘干殺滅病菌再混合造粒制成有機復混肥的技術。該廠投資400萬元，其中設備費用330萬元。該生產線年綜合生產能力為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。生產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，自然堆肥發酵。其中加有鋸末和秸桿作為膨脹劑。污泥經過堆肥發酵后，可使有機物腐化穩定，滅活寄生卵和病菌，提高污泥肥效。該廠堆肥發酵生產線年產肥料1000 t，設計能力為3 t／d，投資70萬元，肥料為5 mm柱狀。該種方法的優點是惡臭減少，病菌通過發酵基本被滅活，缺點是占地面積大，肥料難以溶解。 （4）普利法 采用中國農科院和上海豫園生物工程有限公司提供的技術，生產一種被稱為“復合微生物肥料”的產品，其典型工藝流程如下：

該生產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。 生產運行中烘干問題是關鍵，烘干對有機質有一定影響。烘干后含有機質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和城市生活排放的污廢水。因此，城市污水處理廠建設成為改善我國水環境的重要舉措。目前全國已建成運轉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]。由于我國目前的環保基礎設施建設仍延用計劃經濟的做法，完全由政府投資，建成運行后運轉費用還要政府補貼。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。國家有關部門最新公布的資料，建設投資預算為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酵消化處理填埋。據調查，污泥消化系統建設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生填埋；顯然，污泥厭氧消化處理技術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就成為一項頗為緊迫的任務。 污水污泥的循環利用已成為國家鼓勵發展的方向。國務院于2000年11月7日發布的《關于加強城市供水節水和水污染防治工作的通知》第四條第（四）項規定：“要加強對城市污水處理設施和回用設施運營的監督管理”。建設部等聯合發布的《城市污水處理及污染防治技術政策》（城建[2000] 124號）第五條“污泥處理”部分明確規定：“城市污水處理產生的污泥，應采用厭氧、好氧、堆肥等

4　利用污泥生產高效有機復合肥技術及裝置

4.1　技術簡介 沃土黑桃K的主要技術包括：生物高氮源發酵技術、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復合肥料，直觀認為污泥養分高，特別是有機質含量高達40%以上。經干燥粉碎或堆積發酵處理后，按養分要求配比添加化肥，攪拌后冷擠壓制粒。這套工藝應用范圍很廣，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，厭氧發酵→好氧環境→雜菌感染，這是導致污泥肥料施入土壤后霉變的主要原因。 污泥處理的關鍵技術是軟化工藝。采用物理的、生物的方式綜合加工，實踐證明是有效的。從技術經濟學角度分析，污泥加工成本受到市場與污泥最小成本的雙重制約，單一的技術工藝是無法滿足這一條件的。根據國內外污泥處理技術文獻看，或者是處理技術過于簡單，例如烘干工藝，無法達到釋放養分要求；或者是處理技術成本過高，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，以污泥好氧發酵替代厭氧消化處理。即保留污泥濃縮池、貯泥池、脫水機房等設施，不再建設消化池、污泥分配塔、沼氣柜和沼氣鍋爐房等設施，代之以太陽能濃縮發酵裝置和沃土肥料自動化生產線。剩余污泥經濃縮池、貯泥池至脫水機房，脫水后送至預處理工段，加入膨脹材料和重金屬鈍化材料并接入VT菌，經太陽能濃縮發酵槽發酵脫水后進入后續制肥工藝。 該方案的主要技術包括：生物高氮源發酵技術、天然脫水劑成比例置換高分子絮凝劑（聚丙烯酰胺）技術、重金屬鈍化技術、VT菌二次接種技術、熱噴造粒技術等。 生物高氮源發酵技術成功地解決了高氨環境下的微生物活性難題，是山西沃土的核心技術之一。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、增產效應及作物品質影響程度，并為產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：陜西省扶風縣絳帳鎮新集村 （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，歷年產量2000～3500 Kg／畝，管理技術和產量水平在當地屬中等水平。共設5個處理，為重復三次，每小區20株, 肥料穴狀溝施，各個處理純氮磷鉀養分用量相同。 （3）試驗結果：見表1、2。

表1 各處理品質分析和單果重測定結果

注：以上分析為各個處理各個重復樣品測得的平均值。

表2 沃土黑桃K 與化肥NPK和農民習慣施肥對葡萄品質影響比較

沃土黑桃K有機肥在葡萄上試驗初步結果表明,與等量NPK的化肥和農民習慣施肥相比較，能一定不同程度的提高了葡萄的品質，表現為葡萄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：陜西省扶風縣建和鄉周家村。 （2）試驗處理：直播種植,密度2500株／畝，小區面積30m2，五個處理各三次重復，除農民習慣施肥外各處理N、P2O5、K2O含量一致，均為純N20kg／畝、純P2O510kg／畝、純K2O20kg／畝。 （3）試驗結果：見表3。

表3　蕾期和花鈴期棉花生長性狀結果

注：以上為各個處理三個重復，每重復10株的平均調查結果。

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，但明顯優于農民習慣施肥。而隨著棉花生長，到花鈴期，從分枝數和棉桃數來看，沃土黑桃K的效果總體上優于NPK化肥和農民習慣施肥。

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。主要國家污泥農用的重金屬控制標準見下表，反映出中國國內的重金屬控制標準均高于許多其它國家。

表4 不同國家和地區的污泥農用重金屬控制標準

統計近年來我國主要城市污泥中的重金屬含量發現，除了鋅元素普遍超標以外，其它所有重金屬指標均遠低于國家標準。而鋅含量的超出主要與國內污水管道采用鍍鋅管有直接聯系。

表5 我國44個城市污水處理廠污泥中重金屬含量統計結果 單位：mg／kg

注：作者：“國內外污水處理廠污泥產生、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出相同規律（表6），即只有鋅超標的情形。

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）

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

污泥中重金屬下降的原因主要有以下幾點： （1）國家環境保護政策的逐步深入和落實，一些有污染的工業自身必須建立污水處理設施，以達到排放標準，另外一些高污染的企業則向農村或偏遠地區擴散； （2）城市工業污水比例下降，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識和落實： （1）制定污泥農用的科學標準，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荷； （2）建立污泥農用的監督監測機制； （3）鼓勵開發適合污泥特點的堆肥技術及裝置； （4）鼓勵開發污泥復合肥，大大減少污泥直接施用量，增強土壤自然稀釋能力； （5）鼓勵開發成本低、效果明顯的重金屬鈍化及吸附技術。

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40m3，年產沃土肥料及營養土2萬噸。其中沃土黑桃K 12000t，沃土高效營養土8000t。 根據可研報告分析，該項目總投資2851.46萬元，其中固定資產投資為2349.36萬元，流動資金投資440.00萬元。 該項目達產后，正常年銷售收入1408.80萬元，總成本費用估算為1050.63萬元，年利潤358.17萬元。 以上計算未包括采用山西沃土方案而節省污水處理廠污泥的處理處置建設與運營成本。其中與消化污泥工藝建設投資相比，工程費用節余1000萬元，泥系運營費用節省450萬元／年，污泥填埋處置費用80萬元／年。共計降低成本1530萬元。