城市污泥再利用研究与成套设备开发

　　1  污泥处置的国内、外技术现状

　　城市生活污水处理后的污泥，一般含水率约80％，富含有机质等营养成分，又含有一定量的重金属和病毒、病原体、寄生虫卵等有害物质，污泥处置不当会造成严重的二次环境污染。目前国外污泥主要的处置方法是采用污泥的填埋、焚烧及填海，欧美各国主要是填埋和农田利用，日本填海造地的污泥占70％以上；我国污泥主要的处置方法是采用污泥的填埋、及焚烧。其处置方法均不能实现对污泥的综合利用，存在一定的社会及环境问题，不是污泥处置的最佳出路。

　　对我国这样一个发展中国家而言，综合利用尤其是农业利用无疑是较好的选择，实现污泥的有效利用、变废为宝，使之资源化并产生经济效益，将成为污泥处置的发展方向。

　　2  污泥利用价值及技术工艺路线

　　2.1  污泥的主要成分分析

　　污泥的主要成分是有机物、无机物、重金属、硫化物、氮、腐胺、砂及一些工业菌类，其中含有大量的营养成分：有机质43.75％、腐植酸16.8%、总氮2.7％、总磷2.45％（P2O5计）、总钾0.67％（以K2O计）。它可作为有机肥使用，并具有肥效期长、改良土壤、刺激作物生长的作用（尤其是它含有的腐植酸）。

　　2.2  污泥的重金属分析

　　由表1可以看出，与国内其他城市的污泥相比，保定市城市污水的污泥中镉、铬、铜、镍、铅和锌的含量都较低。与国外标准相比较，各种重金属的含量都偏低。根据《农用污泥污染物控制标准》GB 4248-84，保定市城市污水的污泥中各重金属的含量除均低于我国农用污泥中性和碱性土壤最高容许含量，可以用作农业肥料。

表1 　国内外部分城市污水的污泥重金属含量 mg/kg

　　此外，污泥中重金属的毒害性除与含量高低有关外，还取决于其存在形式。EDTA(乙二胺四乙酸)是一种弱有机酸，可提取土壤中有机和无机络合物交换点上的金属，还可释放水溶态物质中的金属，而不破坏硅酸盐矿物晶格中的金属，因此EDTA溶液的提取量可代表植物的可吸收量。由EDTA溶液对保定市污泥的试验，各种金属的提取率在20%～55%，即当污泥施于农田时20%～55%的重金属可被植物吸收。

　　由以上分析表明，保定市污泥经过杀除病害菌和虫卵后，在使用上是安全的，且是一种绿色环保型有机肥，具有极高的开发价值。

　　2.3  污泥再利用的技术工艺路线

　　在城市生活污水水处理的污泥中，一般含水率约80％，有机质成份含量约45～55％。我们经过研究，选择了合理的技术工艺路线（见图1），利用污泥制造有机复合肥过程是将污泥经800℃～1000℃高温烘干，杀灭病菌、虫卵，保存有机成份不受破坏且除去有害菌（进行无害化处理），接入有益菌培养，消除污泥的臭味，增加污泥中的营养元素，再添加氮、磷、钾有效成分，增加污泥中的养分含量，经造粒、低温烘干等工艺，将污泥制成具有生物活性、全营养、无公害的有机复合肥。从而为水处理后的污泥找到了很好的出路，并增加了污水处理厂和设备生产厂家的经济效益、社会效益，使污泥变废为宝，减少了环境污染，保护了人类赖以生存的自然环境，同时又有利于生态农业的发展。

　　此外，可根据实际情况，在污泥高温烘干工艺前，增加污泥的晾晒或对沤工艺，高湿污泥经晾晒或堆沤工艺可降低污泥含水率，有效的节约烘干能源，从而降低烘干成本；污泥也可直接进入烘干机烘干，减少晾晒或堆沤的使用场地，从而节约占地面积。

　　3  污泥臭味解决方案

　　污泥未经处理直接造肥其臭味是一个突出的问题。产生臭味的原因是因为城市污水处理厂的污泥含有部分带有臭味的物质，如硫化物、氨、腐胺类等，所以当将之加工成肥料变为商品来储存和施用时，仍会向四周散发臭味，继续污染环境。这样就大大降低了污泥肥料的商品价值，并将直接影响到肥料在市场的生存和发展，因此必须予以解决。

　　目前，对于这种臭味的去除方法主要有：化学方法、物理除臭法、生物除臭法。生物除臭是通过微生物的生理代谢将具有臭味的物质分解转化，达到除臭的作用。前两种方法的优点是较为简捷，其缺点是除臭效果不太好，且不是增加了污泥的碱度就是增加了污泥的体积。生物除臭法的优点是：a 除臭效果好；b 经过微生物除臭还可进一步降解污泥中各种大分子元素，增加其利于植物吸收的营养成份；c 通过污泥除臭依靠微生物发酵产生的生物热，可使污泥进一步干燥，降低污泥烘干成本；d 这些具有除臭功能的微生物多是土壤中的有益微生物菌群，它有改良土壤的团粒结构、改善土壤生态环境，抵抗有害微生物的功能；缺点是：除臭所需时间较长，占地面积大。考虑到国内许多中小型污水处理厂没有消化工序，产生的是生污泥，利用生物除臭的方法可以起到污泥消化工序的作用，所以采用生物除臭法较好。试验表明，利用有益微生物可清除污水处理厂中污泥的臭味，增加其利于植物吸收的营养成分（如：速效有机碳的含量）。同时通过污泥除臭过程中微生物发酵产生的生物热，可使污泥得到进一步干燥，降低污泥干化成本，增加污泥肥料的市场竞争力。

图1　污泥制造有机复合肥技术工艺路线

　　4  污泥烘干有机质损失试验分析

　　通过烘干试验（见表2），污泥经烘干机高温烘干，烘干前的氮含量为2.7%,磷含量为2.45％，钾含量为0.67％，有机质含量为43.7％，烘干后，氮损失为9.3％，有机质损失为5.7％，其它营养成分变化不大，因此，污泥烘干前后营养成分损失不大。物料造粒后的烘干，烘干后物料的营养成份损失量粗蛋白减少量﹤6％，氨基酸减少量﹤2％，氮（N）减少量﹤2％，磷（P₂O₅）减少量﹤0.5％，能够达到预期效果。

表2　污泥烘干前后营养成份变化测定表

　　5  污泥烘干烟气排放的分析测试

　　污泥的高温烘干生产工艺采用烟气炉作为干燥热源，破碎式烘干机作为烘干设备，除尘采用湿式水膜除尘系统，污泥的含水率为80％左右，烘干后污泥的含水率为13％，因此烟气的主要成份为水蒸汽，又由于烟气炉作为热源，以煤作为燃料，在烘干过程中，产生少量的污泥粉尘， 因此烟气中又含有少量的二氧化硫及粉尘。经过环保监测（见表3）， 2T烟气炉排放污染物二氧化硫浓度342毫克/标米3，烟尘浓度207毫克/标米3，烟气黑度小于林格曼黑度一级；1T烟气炉排放污染物二氧化硫浓度413毫克/标米3，烟尘浓度140毫克/标米3，烟气黑度小于林格曼黑度一级，各项结果均达到了《锅炉大气污染物排放标准》GWPB3—1999，表1、2中二类区Ⅰ时段标准。

表 3　 系统排放废气监测一览表

　　6  大田试验

　　通过污泥、有机复混肥、无机复混肥分别对玉米、小麦、棉花的田间试验表明（见表4、表5），以污泥为唯一肥源的玉米，穗粒数增长5.1％，千粒重增长4.7％，亩产量增长10.1％；以有机复混肥使用效果最好，穗粒数增长11.5％，千粒重增长11.6％，亩产增长20.75％。以污泥为唯一肥源的小麦，穗粒数增长10.4％，千粒重增长2.15％，亩产量增长26.0％；以有机复混肥使用效果最好，穗粒数增长22.32％，千粒重增长4.3％，亩产增长44.2％；以污泥为唯一肥源的棉花，亩铃增长率 5.1％，铃重增长 4.7％，亩产量增度10.1％；以有机复混肥与无机复混肥为肥源棉花效果基本相同，但使用有机复混肥可以减少使用无机化肥，从而减少化肥对土壤的毒害作用，且有机复混肥具有有机肥的长效性，连年使用效果更佳。施用污泥后，玉米、小麦、棉花中对人类有害的各项重金属符合《粮食卫生标准》（GB2715—81），其在籽粒中的含量也均符合国家粮食卫生标准（见表6），试验表明：污泥作为肥料使用是安全的。因此，污水处理厂经二级处理产生的生污泥经过高温杀菌干燥后，可以用于农业生产。控制好使用量即不会在植物中造成重金属富积。无论是单施、还是与无机肥料、菌肥混合制成活性有机复混肥施用，对植物生长都有较显著的促进作用。其中以与无机复混肥制成的活性有机复混肥效果最好。它具有无机肥料、有机肥料及菌肥的综合优点，不但养分含量高、供肥强度强、且养分全面、比例合适、肥效期长、对土壤和农作物没有毒害作用，能够改善土壤微生态环境、提高地力。

　　因此，将含水率约80％、有机质成份含量约40～55％的高湿污泥，经晾晒、堆沤然后烘干或经800℃～1000℃直接高温烘干，杀灭病菌、虫卵，保存有机成份不受破坏且除去有害菌（进行无害化处理），然后经生物除臭，再添加氮、磷、钾有效成分，增加污泥中的养分含量，经造粒、低温烘干等工艺，将污泥制成具有生物活性、全营养、无公害的有机复混肥是污泥处置的最佳出路。同时，我们成功的进行了污泥制肥成套设备的研究与开发。目前已制成一条年产5000吨有机复合肥的生产线，并安装运行于保定市污水处理厂，它是一条利国利民、保护人类赖以生存的自然生态环境、提高污水处理厂的经济效益的有益途径。

表4 　玉米、小麦、千粒重、重粒数比较表

表5 　棉花千粒重、重粒数比较表

表 6 　施用污泥后玉米、小麦籽粒中污染元素分析

　　7  经济效益、社会效益分析

　　7.1  经济效益分析

　　利用污泥开发制造有机复混肥，可使城市污水处理厂省去污泥的卫生填埋或焚烧费用，提高资源利用率（污泥填埋占用可耕地）。中科院生态环境研究中心的研究表明：每平方米城市污水处理厂污泥引起环境损失值为38元，这不包括其中的运输费用。保定市污水处理厂年产污泥约为2.7×104m³，每年引起的环境损失值为103万元，若将污泥加工成活性有机复混肥，年产量为5000吨，年创利润为100多万元，因此，利用污泥开发制造有机复混肥在经济上是可行的，具有显著的经济效益。

　　7.2  社会效益分析

　　　　目前，我国拥有已建成及在建、拟建的污水处理厂近千家，随着国家对环保要求的提高、人们环保意识的增强以及城市化进程的加快，对污泥的处理与利用成了一个迫切需要解决的问题，污泥处理不好会造成对环境的二次污染，造成一系列的社会问题。利用污泥制造有机复合肥可使污泥化害为利，既减轻了国家对污泥处理的经济负担，又对农业生产产生积极的推动作用，发展前景广阔；同时，杜绝了污泥焚烧和填埋造成的二次污染，并有效地利用了资源，保护了人类赖以生存的生态环境，产生深远地环保效益和社会效益。

　　7.3  市场前景

　　我国是一个农业大国，对肥料需求量很大，每年都有大量的肥料需进口才能满足缺口，随着优质、高效、高产、绿色农业的发展，无机肥料生产已受到了严重的冲击和影响。连续、大量、单一、长期使用化学肥料会产生严重的毒副作用，它会使土壤板结，形成拮抗田，保肥、保水能力减弱，地力下降，肥力利用率低，农作物品质变差，自然生态环境恶化。为了实现2010年我国环境控制的远景目标和农业的可持续性发展，总结国外发达国家农业的历史经验和教训，结合中国国情，走生态农业发展之路是必须的和唯一的途径，为此，1995年农业部开始实施“沃土计划”，倡导增施有机肥，走有机、无机相结合的道路。现在，人们越来越认识到，无论是园林绿地还是农田，过度施用化肥的副作越来越大（包括一些人类至病因素，如癌类、神经性疾病等），因此，有机复混肥和农家肥已被人们大量施用。农家肥是人们惯用的有机肥，但农家肥不可避免地会掺入大量诸如：锯末、枝叶、砂石、尘土等杂质，从而降低其肥分含量，而且农家肥量少，比较分散，不能形成规模，不利于产业化生产，因此利用污泥生产的有机复合肥与农家肥相比，具有很大优势。它缓解了农民喜欢有机肥却不愿积造有机肥，解决农业对有机肥的需求与供应矛盾，适合当今肥料业的发展趋势，并加入对土壤有得的菌种，所以利用污泥制造有机复混肥具有广阔的市场前景。

　　8 污泥处置成套设备开发

　　以保定污水处理厂的生产规模为工程实例，该污水处理厂日处理污水8万吨，平均日产脱水污泥60M³，根据该污水处理厂的污泥产量，我们设计了年处理污泥2万吨的污泥处置生产线，将该厂污泥全部消化、利用。该系统包括污泥高温烘干系统、粉碎系统、定量进料及搅拌系统、造粒烘干系统、冷却筛分包装系统、除尘除臭系统、电气控制系统等。

　　8.1　生产线设备及规格

　　　　见表4.2.1（以年污泥处理能力20000吨的生产线为例）：

　　8.2　工程应用

　　目前，该成套设备生产线已在保定市污水处理厂投入正式生产，该成套设备处理污泥能力为3t/h，每日20小时计算，日处理污泥60吨，每年处理污泥20000吨，生产有机复合肥5000吨。该成套设备生产线工艺先进，结构紧凑，整体性好，便于运输及安装调试，自动化程度较高，减少工人劳动强度，提高生产率，增加经济效益。同时，该项目符合国家能源环保政策。

　　在此基础上，我公司与保定污水处理总厂进一步合作完善了系列化的污泥制肥成套设备，目前我公司已形成了污泥造肥生产线成套设备设计、制造、安装、调试等一整套较成熟的技术和工艺。可根据我国现有污水处理厂各自处理污泥量的大小，向污水处理厂推广，建成不同规模的污泥复合肥厂，一次达到污水处理厂消除污泥二次污染的目标。