智能化高效低耗堆肥及其复合肥生产成套技术

陈同斌　黄启飞　高定　李艳霞　黄泽春　郑玉琪　罗维　郑国砥　金燕　赵莉　徐伟朴
（中国科学院地理科学与资源研究所环境修复室）

　　随着我国人口和经济的增长，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迅速增多。按照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。由于我国至今仍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了污水处理厂的沉重负担，甚至导致严重的二次污染问题，以致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，其余两种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”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“城市污泥堆肥化及其复合肥生产成套技术”，并进行了中试，生产的复合肥产品已通过权威机构的质量认证。

1　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、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。对我国1994～2001年期间排放的60个城市污泥样品的系统统计分析表明，我国城市污泥中的重金属含量普遍低于英美发达国家，而且其中的重金属含量呈现逐渐降低的趋势；在各种重金属中，Cd、Zn活性最高，Pb活性最低，如果与美国国家环保局制订的城市污泥农用标准进行对比，则我国城市污泥的重金属全部都没有超标；我国现行的农用污泥污染物控制标准不尽合理，需要根据新的研究成果进一步修订和完善，以控制城市污泥土地利用的重金属污染风险，推动城市污泥的资源化和无害化。

2　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。

3　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）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。
　　图2是采用上述工艺进行堆肥时，高温杀菌阶段的堆体温度分布曲线。从该图可以看出，堆体的大部分区域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。因此，采用本工艺进行无害化处理，合格率堆肥 产品的生产效率很高。

　　图3是采用我们设计的CTB快速堆肥系统进行堆肥的温度动态监测结果。从图中气温的变化曲线可知，即使在冬季气温达到零下5°C的情况下，堆肥过程仍可正常进行，而且能按照我们设计的、以55°C为临界温度（美国国家环保局规定的高温灭菌临界温度）的控温要求，在达到55°C的高温灭菌阶段形成一个良好的平台，使温度在55°C左右维持5～6天，一方面可以避免过高的温度对有益的耐高温微生物的伤害，同时有防止温度太低而达不到灭菌效果。
　　氧气是反应堆肥过程中微生物活动状况的最直接的参数，实时在线监测堆体中氧气的浓度，可以适时地根据堆体中氧气的变化调节通风充氧状况，及时供给微生物活动需要的氧气，避免厌氧环境的产生。图4采用我们自行开发的堆肥氧气在线监测系统对堆肥过程不同阶段的堆体氧气含量的监测结果，结果表明在堆肥温度上升期氧气消耗最快，达509mgO₂／kg.s，其次是高温期和脱水期，而腐熟期最慢。

　　　

4　城市污泥生产有机肥和有机无机复合肥的技术特色

　　虽然从技术路线的角度分析，城市污泥含有大量养分物质，可以替代复合肥生产中的氮磷化肥和填充剂等原料，但是在实际中往往由于城市污泥的含水量太高、物理性质不良和影响作物发芽等原因而无法直接用于复合肥生产。通过多年研究，我们解决了产业化中的相关技术难题，并取得下述8项重要技术创新：
　　（1）开发出强制通风静态仓高温好氧堆肥技术，攻克了城市污泥堆肥中的灭菌、稳定化、脱水、除臭等技术难题，可以通过微生物的快速繁殖来达到快速脱水、灭菌、稳定化、除臭和杀灭杂草种子的效果。
　　（2）开发出强制通风静态仓高温好氧堆肥的专用调理剂，不仅可以加速堆肥过程，实现调理剂的循环利用，而且可以起到一定的除臭、脱水等效果。
　　（3）开发出计算机自动测控系统，根据对堆肥过程的实时、在线检测，对堆肥过程中的微生物活动进行工业化自动控制，保证堆肥产品的质量及其稳定性。
　　（4）开发出堆肥自动测控计算机软件（Compsoft）（软件登记号：2001SR0529），除可以对堆肥过程进行自动测控之外，还可以进行堆肥过程的故障检测和诊断，使依靠经验的传统堆肥技术实现工业化和“傻瓜化”方向发展，方便普通用户的操作，降低堆肥过程的技术风险。
　　（5）开发出与堆肥自动测控系统相配套的传感器，尤其是解决了探头本身的传热导致测定结果不准等问题，其测定精度和耐腐蚀能力等主要技术指标优于国外同类产品。
　　（6）开发出可用于优化堆肥工艺参数的堆肥氧气在线监测系统。
　　（7）搜集了1980年以来国内同行所做的5000多个田间试验结果，建立了“中国肥料――产量效应数据库（Fertbase）”，可以针对我国不同地区的作物和土壤养分情况，有针对性地设计出最佳的专用复合肥配方，以提高肥效和减少养分损失。
　　（8）获得了高温好氧堆肥工艺及配套工程技术的优化参数，使堆肥的占地面积和耗电量分别相当于国外同类技术的1/3～2/3和1/10～1/20，每吨城市污泥的无害化处理总成本（每吨约15～20元）仅为国外同类技术的1/5～1/20。
　　（9）在近30种作物上进行了不同规模的产品效果试验，对污泥复合肥农林地施用的肥效和环境影响进行了系统的评价，并解决了产品用于粮食、蔬菜、园林、花卉的配套技术。

5　肥料产品的质量认证

　　用本技术生产的有机肥和有机―无机复合肥产品完全符合国家标准的。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（表3）。
　　对比试验表明：如果脱水城市污泥直接农用，蔬菜（生菜）种子的发芽率仅为40～50%，同时还使生菜的叶缘出现严重的烧苗症状；施用采用本技术生产的有机-无机复合肥，生菜的发芽率为95～105%，而且没有出现任何烧苗症状。

表3 用城市污泥生堆肥生产的有机―无机复合肥的质量检测结果

检测项目

检测结果

标准值

参照标准及检测机构

养分和有机质

总氮（N）

16.8%

≥ 4.0%

GB15063－94

（国家化肥质量监督
检验中心检测）

总磷（P₂O₅）

12.5%

≥ 4.0%

总钾（K₂O）

8.5%

≥ 4.0%

总养分（N＋P₂O₅＋K₂O）

37.8%

≥ 25.0%

水溶性磷（P₂O₅）

10.5%

无

水溶性磷占有效磷的比例

84%

≥ 40.0%

有机质总量

44.4％

无

中国农业科学院
土肥测试中心检测

重金属

砷（As）

8mg／l

≤75mg／l

GB4284－84
（中国农业科学院
土肥测试中心检测）

镉（Cd）

2mg／l

≤5mg／l

铅（Pb）

42mg／l

≤300mg／l

铬（Cr）

42mg／l

≤600mg／l

病原菌

大肠菌群

阴性

≤1000个/克

GB7959－87
（农业部微生物肥料
监督检验测试中心检测）

蛔虫卵死亡率

未检出

95～100%

发芽率

95～105%

无

中国科学科院地理所

6　肥料产品的应用

　　几年来，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。

表4 用城市污泥堆肥生产有机－无机复合肥的应用效果

作物类型

供试作（植）物名称

应用效果

粮食作物

小麦、玉米

增产15～25％

大棚、大田蔬菜

油菜、芹菜、茄子、菜花、茼蒿、莴苣等

增产10～24％

草坪草和草皮

黑麦草、早熟禾、紫羊茅、剪股颖等

绿色期延长，抗性增强

家庭和苗圃花卉

龟背竹、君子兰、细椰子、富贵竹等

花期延长，提高花质

园林绿化树木

国槐、白蜡、油松、泡桐、杨树等

高度增加，地茎增大

　　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。河北省的田间试验表明，该复合肥的供肥时间相对延长2～4个月。
　　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。

7　肥料产品对作物卫生品质的影响评价

　　从表5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，即便是在像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5 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

试验类别

处理

重金属含量（mg／kg）^[1]

Cu

Zn

Cd

盆栽生菜

空白

0.82 c ^[2]

5.06 b

nd

化肥

1.14 b

4.47 c

nd

污泥复合肥

1.24 b

4.52 c

nd

污泥堆肥

1.53a

9.26a

nd

大田菜花

空白

0.64c

2.48a

0.001a

化肥

0.87b

2.56a

0.001a

市售复合肥

1.15ba

2.57a

0.0014a

污泥复合肥

1.02b

2.58a

0.0012a

大田莴笋

空白

1.32a

3.00b

0.0041a

化肥

1.44a

2.93b

0.0040a

市售复合肥

1.33a

3.10b

0.0046a

污泥复合肥

1.32a

3.45a

0.0044a

国家食品卫生标准^[11]

≤ 10

≤ 20

≤ 0.05

　　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。

8　结语

　　通过本专题的技术研究，开发出适合我国国情的城市污泥高效低耗堆肥与复合肥生产成套技术。这一技术可以为解决污水处理厂的污泥处置及出路问题提供一条经济可行的新途径，实现城市污泥的稳定化、无害化，使城市污泥变废为宝，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，因此具有较良好的环境效益、经济效益和社会效益。