城市污泥自动控制堆肥及其复合肥生产成套技术

城市污泥是我国当前亟待解决的环境问题。随着城市污水处理事业迅速发展，城市污水处理厂排放的城市污泥数量还会迅速增多。按照原国家计委的有关规划，到2010 年，我国的城市污水处理率将达到40~50%，届时污水处理厂将达到近2000 座。而城市污泥的处理和处置一直是限制我国污水处理行业健康发展的薄弱环节。由于缺乏经济有效的城市污泥处置和资源化利用技术，致使城市污泥处置问题成为我国污水处理厂的沉重负担，甚至于影响污水处理厂的正常运转。

　　城市污泥虽然含有大量有机质、植物养分，可以提供植物生长发育的有益养分。但是，同时它也含有病原菌、寄生虫(卵)，并且容易腐烂发臭；如果处理不当，则可能造成二次污染。目前国外污泥处置方法有四类：填埋、焚烧、投海和土地利用。前三种处理方法中，投海已被国际公约所禁止，其余两中方法由于环境压力和经济压力等原因也在减少，而污泥的资源化利用则越来越受到重视。但是，污泥作为肥料销售往往因运输成本太高和操作不便而很难形成市场。对于重金属不超标的城市污泥，如果在稳定化和无害化处理的基础上，将其加工成有机肥或复合肥才具有稳定的产品市场。

　　通过10 多年的科技攻关，尤其是在“九五”国家重点科技项目“城市污泥堆肥化及其复合肥生产成套技术”、科技部农业科技成果转化基金项目“畜禽粪便自动控制堆肥处理成套技术示范与推广”、北京市重点农业科技示范推广项目“畜禽粪便无害化处理及综合利用新技术”、国家计委专项课题“中国农用化肥消费比例预测与区域优化配置”、国家“十五”环境863 课题“有机废弃物堆肥处理及其在环境修复中的应用”、科技部“科技奥运2008 行动计划”项目“有机废弃物自动控制快速堆肥与草皮专用肥生产成套技术”等项目的重点支持下，中国科学院地理科学与资源研究所环境修复室开发出利用“高效、低耗、自动控制堆肥及其复合肥生产成套技术”，并建立示范厂。
　　
　　一、城市污泥直接农用的潜在环境风险

　　1、病原菌

　　 一般城市污泥中都含有大量病原菌，如沙门氏菌属、弧菌属、埃希氏菌属、核菌属、钩端螺旋体、脊髓灰质炎病毒、人肠道孤病毒、腺病毒、呼吸道肠道病毒、甲肝病毒等细菌和病毒，如果不进行灭菌处理，则可能增加导致伤寒、副伤寒、肠炎、霍乱、钩端螺旋体病、脊髓灰质炎，头痛，肌肉疼痛，呕吐，脑膜炎、腹泻，肝炎、感冒、呼吸道感染、呼吸道感染、结膜炎等疾病的风险。根据我们的研究结果，以方庄城市污水处理厂的城市污泥为例，其脱水污泥中的病原菌含量很高，如其大肠菌群为4000000 个/克城市污泥，蛔虫卵为600 个/千克，活卵率为100%。因此，将未经灭菌等无害化预处理的城市污泥直接用于农田或生产肥料是不安全的。我国的《农用污泥中污染物控制标准》(GB4284-84)也明确规定，生污泥必须经过高温堆肥或消化处理才能施用于农田。

　　虽然目前有的工艺也采用外加热或其他物理方法对城市污泥进行灭菌和烘干处理，这些方法也可以杀灭病原菌、杂草种子和起到脱水效果，但是由于对城市污泥中不稳定的有机质没有进行很好的稳定化处理，因此施用到农田后会抑制种子发芽、引起作物烧苗和恶臭等农业和环境问题，同时这类处理工艺的能耗和经济成本太高，因此在实际生产中不宜提倡和推广应用。

　　2、重金属

　　人们一直都担心污泥中会含有大量重金属，因此把重金属问题看作是限制污泥农用的一个主要障碍。但实际上，从我国的情况来看这一问题并不象人们所想象的那么严重。其理由主要有几个方面：

　　根据我们对国内不同学者关于城市污泥重金属报道结果的总结(详细资料略)，我国的城市污泥重金属含量普遍低于欧美等国家。即使象高碑店污水处理厂这样在北京属于重金属含量最高的污水处理厂，所产生的城市污泥重金属也大大低于欧美。随着环境污染管理制度和法规的完善与实施，工业污水达标排放率不断提高，对工业污水的治理力度和治理技术水平也显著提高，同时其他各种管理和技术水平也不断进步，使得近年来城市污水处理厂排放的污泥中重金属水平显著下降。从表2 中关于不同年代的中国、美国、加拿
大城市污泥重金属含量的比较可以看出，无论是在我国还是在美国、加拿大，随着年代的推移城市污泥中重金属含量不断减少的趋势都非常明显。

　　我国《农用污泥中污染物控制标准》中关于重金属的控制标准本身就存在不科学、不合理的地方。在表2 列出的几个国家和地区的污泥农用重金属的控制标准，我国标准所允许的重金属浓度差不多都最低，因此与欧美国家的标准相比，我国的标准过于严格，甚至天津市不得考虑制定自己的地方标准(郭媚兰等，1993)。实际上，在80 年代初制定这一国家标准时，我国在城市污泥农用方面的研究工作积累很少，因此所制定的标准固然会受到种种局限。在经过近20 年的实践检验和研究积累后，我国该重新修订《农用污泥中污染物控制标准》。

　　虽然很多人都担心施用城市污泥会导致环境污染问题，但是美国的一些长期定位试验结果却表明，施用经过无害化处理的城市污泥对土壤和农产品不会产生不良影响，因此试验证明这种担心是不必要的。甚至为了打消市民对城市污泥的偏见，美国增在白宫的草皮上带头使用进过无害化处理的城市污泥。
鉴于社会公众和某些科学家对城市污泥在心理上难以接受，而且过去人们对“城市污泥(sewage sludge)”始终报有偏见等原因，因此一些从事水处理的学术团体[如世界水环境联合会(WEF)、美国Northwest Biosolids Management Association 等]和科学家都将其称为“生物固体(biosolid)”，并且在学术刊物中广泛使用生物固体一词。

　　二、解决城市污泥农用风险的技术方案

　　根据我们的研究，在肥料生产中所用的城市污泥原料必须经过高温堆肥处理，要求达到除臭、稳定化、杀灭病原菌和杂草种子等无害化处理；同时要求其有机质含量至少应达到30%，否则很难达到使复合肥中的氮肥缓慢释放、养分供应均衡和提高养分利用效率的效果。

　　城市污泥中含有大量有机质以及一定量的、植物生长所必需的大量和微量营养元素，因此城市污泥是一种肥效较好的廉价肥源。但是城市污泥直接作为肥料施用，由于其肥效有限而不能很好地满足作物生长的要求，加之运输成本较高而很难被市场普遍接受；同时由于城市污泥中含有病原菌等污染物，如果不经灭菌等处理而直接施用，则会增加对农田、水体、食物和人类的污染风险。

　　我国是一个农业大国，用合格的城市污泥生产肥料是一条有效的资源化利用途径。城市污泥中含有有益于植物生长的养分和大量的有机质，对改良和培肥土壤具有良好的效果。目前我国化肥生产能力严重不足，每年要花费250 多亿元进口大量化肥。即便如此，化肥的缺口仍高达10%左右。而且复合肥是国内外化肥工业和农业生产的发展方向。如果用经过处理的污泥生产复合肥，则可以明显降低复合肥的生产成本，提高化肥生产能力。因此，既可以使其转化为一种良好的资源，又可以解决其处置出路及二次污染问题，不仅有利于农业生产、化肥工业和环境保护，更重要的是对城市污水处理行业的快速、健康发展具有重大意义。

　　1、城市污泥生产有机肥和有机-无机复合肥的工艺路线

　　利用城市污泥生产有机肥和有机无机复合肥的主要工艺流程如下(图1)：(1)根据具体的堆肥环境条件，将一定比例的调理剂与城市污泥混匀；(2) 根据我们建立的四阶段堆肥发酵理论，通过CTB 快速堆肥系统(Compsoft V1.0)进行自动检测和控制，分别培养堆体的耐高温微生物，并使堆体在最短的时间内达到无害化所需的温度(50℃)，并维持国家标准规定所需时间(5－7 天)；(3)将堆肥产品进行筛分，使调理剂与堆肥产品分离，筛分出来的调理剂经过处理后可以回用；(4)筛分后的污泥堆肥可以制作有机肥或制备复合肥；(5)根据“中国肥料-产量效应数据库(Fertbase)”中的数据，按照用肥地点的土壤和作物情况，设计出最佳的专用复合肥配方；(6)按照设计的专用肥配方，将不同比例的原料进行配料，混合、造粒、过筛、包装，即可生产出合格的有机-无机复合肥产品。

　　 试验表明，采用该技术可以使堆体的温度都达到了国家卫生标准(GB7959-87)所规定的堆肥杀菌温度(50°C)以上，并控制在60°C 以下。根据实际测定结果，采用本工艺进行堆肥，产品无害化的合格率达到95%以上。用该技术生产的有机肥和有机-无机复合肥产品符合国家标准的要求。

　　经过国家化肥质量监督检验中心、农业部微生物肥料质量监督检验测试中心和中国农业科学院土肥测试中心的鉴定，采用上述技术生产的复合肥产品，其氮、磷、钾养分含量等各项技术指标均达到《复混肥料》国家标准(GB15063-94)，重金属含量低于《农用污泥中污染物控制标准》(GB4284-84)，蛔虫卵、大肠菌值等病原菌指标全部符合国家卫生标准(GB7959-87)的要求。

　　2、肥料产品的肥效

　　几年来，肥料产品先后在农、林、牧、园林等领域30 种作(植)物了上进行肥效试验和环境安全性评价，解决了产品在粮食、蔬菜、草皮和草坪、花卉中应用的配套技术，同时也证明该复合肥的增产效果优于普通复合肥，生产成本降低15～20％(表4)，其性能价格比优于目前市场上销售的普通复合肥。

　　采用本工艺生产的有机-无机复合肥中，所添加的化肥可以迅速释放，而城市污泥堆肥中所含的大量有机质(最高可达45％)，具有改良土壤、培肥地力、抗旱和供肥平稳等特点，肥效比普通复合肥持续时间更长，而且对化肥中的氮素具有一定的固定作用，使化肥带入的氮素缓慢释放，提高其养分利用效率。 
                                                  表1 用城市污泥生堆肥产有机-无机复合肥的应用效果

此外，采用这种快速堆肥技术生产的城市污泥堆肥，可以作为基质及土壤改良剂，能够广泛用于荒地、育苗基质、苗圃、观赏植物、草皮、草地、公园、高速公路绿化带和高尔夫球场，以及尾矿堆、采石场、露天煤坑的复垦等。

　　3、肥料产品对作物卫生品质的影响评价

　　从表2 可以看出，与不施肥的对照处理以及施用普通化肥和商品复合肥的处理相比，用城市污泥堆肥生产的有机-无机复合肥对蔬菜的Cu、Zn、Pb 吸收没有明显的差异。因此，即便是在象蔬菜这样对卫生品质要求较高的作物上，施用这种新型有机-无机复合肥也依然是安全的。

表2 施用用城市污泥堆肥生产的有机-无机复合肥对蔬菜重金属含量的影响

　注：1) 重金属含量按蔬菜鲜重计算；
　　　　2) 同一试验中标记不同小写英文字母表示差异达到α=0.05的显著水平。

        结语

        通过10 多年的多学科攻关研究，开发出适合我国国情的高效低耗堆肥与复合肥生产成套技术，并且建立了日处理50 吨城市污泥的示范厂。这一技术可以为解决污水处理厂的城市污泥等有机废弃物处置及出路问题提供经济可行的新途径，实现城市污泥的稳定化、无害化，资源化，不仅有利于农业生产、化肥工业和环境保护，更重要的是对我国污水处理行业的健康、快速发展具有重要意义。