污泥资源化利用及生产高效有机复合肥成套技术与装置

城市生活污水污泥的处理是一个世界性的难题，处置不当将造成环境二次污染。据统计全国目前共有污水处理厂约427座，年处理量113.6亿立方米；根据污水处理过程中产生的污泥约为污水处理量的0.3%～0.5%计算，我国城市污水处理厂排放干污泥约20万t／a（以湿污泥计约为380～550万ｔ），并以10～20%的速度递增[1]。到2010年污水排放量将达到440×108 m3／d，年产干污泥将达到80万吨。 污泥是一种生物资源，含有促进农作物生长的氮、磷、钾等营养物质，有机质含量高达30%以上，是良好的土壤改良剂。但是若不对污泥进行科学处理，而直接作为普通有机肥，不仅不能促进作物的生长，还会造成土壤与作物的污染。 污泥的处理处置及其无害化，作为再生资源的有效利用是世界各国共同重视的问题，代表了人类环境生态效益、社会效益和经济效益均衡发展的方向。现有城市污水污泥不仅终端处置费用很高,污泥厌氧消化系统建设投资与运行费用也十分高昂。山西沃土生物有限公司经过不懈努力，研究开发出了利用城市污水污泥生产农用与城市绿化肥料的新技术。此项技术将污泥饼发酵生产有机／无机／微生物三维复合肥料和营养土，不仅解决了城市污水污泥的处理处置难题，实现了生物资源的循环利用，也为农、林业和城市绿化提供了优质肥料和培植营养土，同时又可有效降低污泥的处理处置费用，节省污泥消化系统建设投资。 　城市污水厂污泥资源化利用项目为2001年度国家级火炬计划，利用该技术生产的有机／无机／微生物三维复合肥沃土黑桃K同时列入2001年国家级新产品。目前，由太原市排水管理处与山西沃土生物有限公司合作，山西沃土独资在太原市杨家堡污水净化厂建设的20000 t／a污泥复合肥项目示范厂，经过一年多的运行和多次技术改造，成套设备及生产工艺已定型，已进入全面生产阶段。

2 污泥资源化

2.1 技术背景与来源 城市污水净化处理剩余的大量污泥中，既含有一定的营养元素，又含有许多有害成分，肆意堆放不仅大量占用有限的土地资源，而且易造成二次污染，同时还造成大量的生物资源浪费。 世界发达国家污泥有效利用率均在60%以上[3]，美国1998年约产生污泥6.9百万吨污泥，60%得到资源化利用，40%被处置。预计到2005年将有7.6百万吨的污泥产生后被利用和处置，到2010年将会增加到8.2百万吨，污泥利用（和处置相比）的比例将从2000年的63%增长到2005年的66%和2010年的70%。到2005年，欧洲15个成员国干污泥产量预计可能由1992年的660万吨上升到至少940万吨。欧委会希望：到2005年污泥农用比例上升73％达到污泥总产量的53％[8]。 综合国内外污泥肥料加工技术，大都存在着技术手段单一、养分利用率低等严重缺陷，难以达到“废物利用，改善环境”的目的。处置不当，反而成为环境和农作物新的污染源。概括分析，首先这些污泥制品不具备有机肥料的一般特性（溶解性差、养分利用率低、砂砾化）；其次耗能与加工成本高，缺乏经济性，难以持续；由此导致污泥肥料产品市场竞争力不强，不能形成市场的有效供给。研究开发兼顾环境生态效益、社会效益和经济效益的污泥处置与资源化利用的技术、生产工艺，以适应全球资源合理利用及生态环境保护的发展趋势已成为当务之急。 山西沃土生物有限公司应用该公司完成的山西省重点攻关计划项目“生物高氮源发酵技术”成果，通过污泥接种软化→生物脱水→磷酸中和→重金属钝化→热喷造粒→二次喷涂接菌等一系列自主开发的工艺技术，生产出有机/无机/微生物三维复合肥料。该肥料氮磷钾总养分大于10%，有机质含量大于55%，重金属含量低于农业部标准，是一种高效、廉价、

如某污水处理厂，采用圆盘造粒，污泥不经消化，采用烘干杀灭病菌再混合造粒制成有机复混肥的技术。该厂投资400万元，其中设备费用330万元。该生产线年综合生产能力为2.5万t，配备了滚桶式烘干炉、集粉仓、超细破碎机、双轴卧式链磨机等。试生产中，6t含水98%的湿泥出1t干污泥。存在的问题是烘干过程中臭味较大，除尘问题也需解决，生产成本主要高在煤的燃烧方面。采用类似工艺的还有××污水处理厂，虽有消化系统却未使用，生污泥直接加工，掺混粉煤灰后，污泥含水率降至20%，再用滚桶式干燥炉烘干，用挤压式造粒机制粒，烘干采用自然风。生产过程中存在的问题与上述某厂相同，即烘干过程中的除臭和除尘问题未能解决。　（3）发酵－造粒 典型的如唐山西郊污水处理厂，处理污水能力为3.6万m3／d，采用堆肥发酵制肥。工艺流程如下： 添加粉煤灰

脱水污泥按1:0.6的比例掺混粉煤灰，降低含水率，自然堆肥发酵。其中加有锯末和秸杆作为膨胀剂。污泥经过堆肥发酵后，可使有机物腐化稳定，灭活寄生卵和病菌，提高污泥肥效。该厂堆肥发酵生产线年产肥料1000 t，设计能力为3 t／d，投资70万元，肥料为5 mm柱状。该种方法的优点是恶臭减少，病菌通过发酵基本被灭活，缺点是占地面积大，肥料难以溶解。 （4）普利法 采用中国农科院和上海豫园生物工程有限公司提供的技术，生产一种被称为“复合微生物肥料”的产品，其典型工艺流程如下：

该生产线与两次烘干法工艺相同，仅在混合部分增多了一个掺混生物菌的工序。淄博污水处理公司掺混的是上海豫园生产的普利菌粉，而与其工艺基本相同的北京北小河污水厂掺混的是解钾菌粉。 生产运行中烘干问题是关键，烘干对有机质有一定影响。烘干后含有机质25%，N、P、K含量未达25 %[2

3　污泥资源化利用的必要性

我国每年排放的401亿m3污废水中，有51%来源于城市，地表水体的污染也主要来自工业和城市生活排放的污废水。因此，城市污水处理厂建设成为改善我国水环境的重要举措。目前全国已建成运转的城市污水处理厂约410余座，日处理能力2534万m3，污水处理率仅达到污水排放总量的 25%。到2015年，我国城市污水处理率要达到75%，尚需建设污水处理厂约1000座，新增污水处理能力6000万m3／d[7]。由于我国目前的环保基础设施建设仍延用计划经济的做法，完全由政府投资，建成运行后运转费用还要政府补贴。按我国目前已建、在建污水处理厂吨水能力投资1500～2000元，运行费用0.8～1.4元／吨测算，需投资1000亿元，每年还需运行费用补贴300亿元。国家有关部门最新公布的资料，建设投资预算为2400亿元。 目前，大部分中小型污水厂污泥处理工艺仍采用厌氧发酵消化处理填埋。据调查，污泥消化系统建设的投资约占污水处理厂总投资的40%～50%，运行费用占污水处理厂总费用的50%-60%。但花费巨资处理的消化污泥仅仅是为了卫生填埋；显然，污泥厌氧消化处理技术并不太适合中国国情，尽快地寻找一种投资省、效率高、处理便捷、成本低廉的污泥资源资源化利用技术就成为一项颇为紧迫的任务。 污水污泥的循环利用已成为国家鼓励发展的方向。国务院于2000年11月7日发布的《关于加强城市供水节水和水污染防治工作的通知》第四条第（四）项规定：“要加强对城市污水处理设施和回用设施运营的监督管理”。建设部等联合发布的《城市污水处理及污染防治技术政策》（城建[2000] 124号）第五条“污泥处理”部分明确规定：“城市污水处理产生的污泥，应采用厌氧、好氧、堆肥等

4　利用污泥生产高效有机复合肥技术及装置

4.1　技术简介 沃土黑桃K的主要技术包括：生物高氮源发酵技术、污泥沉淀池天然脱水剂成比例置换聚丙烯酰胺技

利用城市生活污水污泥生产复合肥料，直观认为污泥养分高，特别是有机质含量高达40%以上。经干燥粉碎或堆积发酵处理后，按养分要求配比添加化肥，搅拌后冷挤压制粒。这套工艺应用范围很广，其致命缺陷是忽视了消化污泥的不溶解性以及由此造成的高养分难以释放。污泥是由微细颗粒组成，水份低于30%后就会自然硬化，加之聚丙烯酰胺絮凝剂的包复作用，使得污泥溶解度很差，施入土壤无异于掺沙，不仅无益，反而有害；对于厌氧消化污泥来讲，厌氧发酵→好氧环境→杂菌感染，这是导致污泥肥料施入土壤后霉变的主要原因。 污泥处理的关键技术是软化工艺。采用物理的、生物的方式综合加工，实践证明是有效的。从技术经济学角度分析，污泥加工成本受到市场与污泥最小成本的双重制约，单一的技术工艺是无法满足这一条件的。根据国内外污泥处理技术文献看，或者是处理技术过于简单，例如烘干工艺，无法达到释放养分要求；或者是处理技术成本过高，市场竞争能力差。4.2　方案简述 山西沃土的污泥资源化利用方案为：取消污泥消化系统，以污泥好氧发酵替代厌氧消化处理。即保留污泥浓缩池、贮泥池、脱水机房等设施，不再建设消化池、污泥分配塔、沼气柜和沼气锅炉房等设施，代之以太阳能浓缩发酵装置和沃土肥料自动化生产线。剩余污泥经浓缩池、贮泥池至脱水机房，脱水后送至预处理工段，加入膨胀材料和重金属钝化材料并接入VT菌，经太阳能浓缩发酵槽发酵脱水后进入后续制肥工艺。 该方案的主要技术包括：生物高氮源发酵技术、天然脱水剂成比例置换高分子絮凝剂（聚丙烯酰胺）技术、重金属钝化技术、VT菌二次接种技术、热喷造粒技术等。 生物高氮源发酵技术成功地解决了高氨环境下的微生物活性难题，是山西沃土的核心技术之一。天然脱水剂成比例置换高分子絮凝

5　沃土肥料田间施用效果

为了检验沃土黑桃K的属性、增产效应及作物品质影响程度，并为产品推广提供试验示范基地，2001年在葡萄、棉花、辣椒、草坪、月季上开展了大田试验。仅以葡萄和棉花为例说明。5.1黑桃K在葡萄上的施肥效果 （1）试验地点：陕西省扶风县绛帐镇新集村 （2）试验处理：供试葡萄园已种植12年，挂果10年，品种为巨蜂，有灌溉条件，栽培密度750株／亩，试验地面积1.5亩，历年产量2000～3500 Kg／亩，管理技术和产量水平在当地属中等水平。共设5个处理，为重复三次，每小区20株, 肥料穴状沟施，各个处理纯氮磷钾养分用量相同。 （3）试验结果：见表1、2。

表1 各处理品质分析和单果重测定结果

注：以上分析为各个处理各个重复样品测得的平均值。

表2 沃土黑桃K 与化肥NPK和农民习惯施肥对葡萄品质影响比较

沃土黑桃K有机肥在葡萄上试验初步结果表明,与等量NPK的化肥和农民习惯施肥相比较，能一定不同程度的提高了葡萄的品质，表现为葡萄Vc含量、还原糖、可溶性固形物含量均有不同程度提高，总酸度降低，口感更好。硝酸盐含量降低，有利于消费者身体健康，因此品质提高了。且成熟期提前3～7天，提高商品价值。5.2　黑桃K在棉花上的施肥效果 （1）试验地点：陕西省扶风县建和乡周家村。 （2）试验处理：直播种植,密度2500株／亩，小区面积30m2，五个处理各三次重复，除农民习惯施肥外各处理N、P2O5、K2O含量一致，均为纯N20kg／亩、纯P2O510kg／亩、纯K2O20kg／亩。 （3）试验结果：见表3。

表3　蕾期和花铃期棉花生长性状结果

注：以上为各个处理三个重复，每重复10株的平均调查结果。

由上表可见，无论蕾期还是花铃期，沃土黑桃K对棉花株高的影响效果都与等量NPK化肥相当，但明显优于农民习惯施肥。而随着棉花生长，到花铃期，从分枝数和棉桃数来看，沃土黑桃K的效果总体上优于NPK化肥和农民习惯施肥。

6　污泥中重金属的危害及控制

污泥中的重金属一直是污泥利用中的一大障碍，为此世界各国均针对此开展了大量研究及政策制定。污泥中涉及到的重金属主要有7种，分别为：铜、铅、锌、汞、砷、镉、铬。主要国家污泥农用的重金属控制标准见下表，反映出中国国内的重金属控制标准均高于许多其它国家。

表4 不同国家和地区的污泥农用重金属控制标准

统计近年来我国主要城市污泥中的重金属含量发现，除了锌元素普遍超标以外，其它所有重金属指标均远低于国家标准。而锌含量的超出主要与国内污水管道采用镀锌管有直接联系。

表5 我国44个城市污水处理厂污泥中重金属含量统计结果 单位：mg／kg

注：作者：“国内外污水处理厂污泥产生、处理及处置分析” 山西太原杨家堡污水处理厂作为山西沃土的示范厂，其污泥重金属含量也表现出相同规律（表6），即只有锌超标的情形。

表6 山西太原杨家堡污水处理厂污泥中重金属含量 单位：mg／kg（以干污泥计）

另外从北京高碑店污水处理厂近20年来的纵向变化（表7），我们也看出污泥中重金属下降的趋势，而且下降趋势十分明显。

表7 北京高碑店污水处理厂近20年污泥重金属变化

污泥中重金属下降的原因主要有以下几点： （1）国家环境保护政策的逐步深入和落实，一些有污染的工业自身必须建立污水处理设施，以达到排放标准，另外一些高污染的企业则向农村或偏远地区扩散； （2）城市工业污水比例下降，而生活污水比例则随之上升； （3）一些污水处理厂一开始就面向生活污水来源，没有工业污水介入。 然而重金属的危害毕竟是长期的、潜在的，如果不给以足够的重视，势必造成严重的二次污染。污泥重金属的全面解决方案有赖于如下几点的逐步认识和落实： （1）制定污泥农用的科学标准，包括针对不同土壤、作物的单季施用量、使用时间以及不同重金属元素的负荷； （2）建立污泥农用的监督监测机制； （3）鼓励开发适合污泥特点的堆肥技术及装置； （4）鼓励开发污泥复合肥，大大减少污泥直接施用量，增强土壤自然稀释能力； （5）鼓励开发成本低、效果明显的重金属钝化及吸附技术。

7　投资与效益分析

以日处理15万吨污水的中型污水处理厂为例，每天处理含水率为50%污泥40m3，年产沃土肥料及营养土2万吨。其中沃土黑桃K 12000t，沃土高效营养土8000t。 根据可研报告分析，该项目总投资2851.46万元，其中固定资产投资为2349.36万元，流动资金投资440.00万元。 该项目达产后，正常年销售收入1408.80万元，总成本费用估算为1050.63万元，年利润358.17万元。 以上计算未包括采用山西沃土方案而节省污水处理厂污泥的处理处置建设与运营成本。其中与消化污泥工艺建设投资相比，工程费用节余1000万元，泥系运营费用节省450万元／年，污泥填埋处置费用80万元／年。共计降低成本1530万元。