城市污泥自動控制堆肥及其復合肥生產成套技術
城市污泥是我國當前亟待解決的環境問題。隨著城市污水處理事業迅速發展，城市污水處理廠排放的城市污泥數量還會迅速增多。按照原國家計委的有關規劃，到2010 年，我國的城市污水處理率將達到40~50％，屆時污水處理廠將達到近2000 座。而城市污泥的處理和處置一直是限制我國污水處理行業健康發展的薄弱環節。由于缺乏經濟有效的城市污泥處置和資源化利用技術，致使城市污泥處置問題成為我國污水處理廠的沉重負擔，甚至于影響污水處理廠的正常運轉。
城市污泥雖然含有大量有機質、植物養分，可以提供植物生長發育的有益養分。但是，同時它也含有病原菌、寄生蟲(卵)，并且容易腐爛發臭；如果處理不當，則可能造成二次污染。目前國外污泥處置方法有四類：填埋、焚燒、投海和土地利用。前三種處理方法中，投海已被國際公約所禁止，其余兩中方法由于環境壓力和經濟壓力等原因也在減少，而污泥的資源化利用則越來越受到重視。但是，污泥作為肥料銷售往往因運輸成本太高和操作不便而很難形成市場。對于重金屬不超標的城市污泥，如果在穩定化和無害化處理的基礎上，將其加工成有機肥或復合肥才具有穩定的產品市場。
通過10 多年的科技攻關，尤其是在“九五”國家重點科技項目“城市污泥堆肥化及其復合肥生產成套技術”、科技部農業科技成果轉化基金項目“畜禽糞便自動控制堆肥處理成套技術示范與推廣”、北京市重點農業科技示范推廣項目“畜禽糞便無害化處理及綜合利用新技術”、國家計委專項課題“中國農用化肥消費比例預測與區域優化配置”、國家“十五”環境863 課題“有機廢棄物堆肥處理及其在環境修復中的應用”、科技部“科技奧運2008 行動計劃”項目“有機廢棄物自動控制快速堆肥與草皮專用肥生產成套技術”等項目的重點支持下，中國科學院地理科學與資源研究所環境修復室開發出利用“高效、低耗、自動控制堆肥及其復合肥生產成套技術”，并建立示范廠。
一、城市污泥直接農用的潛在環境風險
1、病原菌
一般城市污泥中都含有大量病原菌，如沙門氏菌屬、弧菌屬、埃希氏菌屬、核菌屬、鉤端螺旋體、脊髓灰質炎病毒、人腸道孤病毒、腺病毒、呼吸道腸道病毒、甲肝病毒等細菌和病毒，如果不進行滅菌處理，則可能增加導致傷寒、副傷寒、腸炎、霍亂、鉤端螺旋體病、脊髓灰質炎，頭痛，肌肉疼痛，嘔吐，腦膜炎、腹瀉，肝炎、感冒、呼吸道感染、呼吸道感染、結膜炎等疾病的風險。根據我們的研究結果，以方莊城市污水處理廠的城市污泥為例，其脫水污泥中的病原菌含量很高，如其大腸菌群為4000000 個/克城市污泥，蛔蟲卵為600 個/千克，活卵率為100%。因此，將未經滅菌等無害化預處理的城市污泥直接用于農田或生產肥料是不安全的。我國的《農用污泥中污染物控制標準》(GB4284-84)也明確規定，生污泥必須經過高溫堆肥或消化處理才能施用于農田。
雖然目前有的工藝也采用外加熱或其他物理方法對城市污泥進行滅菌和烘干處理，這些方法也可以殺滅病原菌、雜草種子和起到脫水效果，但是由于對城市污泥中不穩定的有機質沒有進行很好的穩定化處理，因此施用到農田后會抑制種子發芽、引起作物燒苗和惡臭等農業和環境問題，同時這類處理工藝的能耗和經濟成本太高，因此在實際生產中不宜提倡和推廣應用。
2、重金屬
人們一直都擔心污泥中會含有大量重金屬，因此把重金屬問題看作是限制污泥農用的一個主要障礙。但實際上，從我國的情況來看這一問題并不象人們所想象的那么嚴重。其理由主要有幾個方面：
根據我們對國內不同學者關于城市污泥重金屬報道結果的總結(詳細資料略)，我國的城市污泥重金屬含量普遍低于歐美等國家。即使象高碑店污水處理廠這樣在北京屬于重金屬含量最高的污水處理廠，所產生的城市污泥重金屬也大大低于歐美。隨著環境污染管理制度和法規的完善與實施，工業污水達標排放率不斷提高，對工業污水的治理力度和治理技術水平也顯著提高，同時其他各種管理和技術水平也不斷進步，使得近年來城市污水處理廠排放的污泥中重金屬水平顯著下降。從表2 中關于不同年代的中國、美國、加拿
大城市污泥重金屬含量的比較可以看出，無論是在我國還是在美國、加拿大，隨著年代的推移城市污泥中重金屬含量不斷減少的趨勢都非常明顯。
我國《農用污泥中污染物控制標準》中關于重金屬的控制標準本身就存在不科學、不合理的地方。在表2 列出的幾個國家和地區的污泥農用重金屬的控制標準，我國標準所允許的重金屬濃度差不多都最低，因此與歐美國家的標準相比，我國的標準過于嚴格，甚至天津市不得考慮制定自己的地方標準(郭媚蘭等，1993)。實際上，在80 年代初制定這一國家標準時，我國在城市污泥農用方面的研究工作積累很少，因此所制定的標準固然會受到種種局限。在經過近20 年的實踐檢驗和研究積累后，我國該重新修訂《農用污泥中污染物控制標準》。
雖然很多人都擔心施用城市污泥會導致環境污染問題，但是美國的一些長期定位試驗結果卻表明，施用經過無害化處理的城市污泥對土壤和農產品不會產生不良影響，因此試驗證明這種擔心是不必要的。甚至為了打消市民對城市污泥的偏見，美國增在白宮的草皮上帶頭使用進過無害化處理的城市污泥。
鑒于社會公眾和某些科學家對城市污泥在心理上難以接受，而且過去人們對“城市污泥(sewage sludge)”始終報有偏見等原因，因此一些從事水處理的學術團體[如世界水環境聯合會(WEF)、美國Northwest Biosolids Management Association 等]和科學家都將其稱為“生物固體(biosolid)”，并且在學術刊物中廣泛使用生物固體一詞。
二、解決城市污泥農用風險的技術方案
根據我們的研究，在肥料生產中所用的城市污泥原料必須經過高溫堆肥處理，要求達到除臭、穩定化、殺滅病原菌和雜草種子等無害化處理；同時要求其有機質含量至少應達到30%，否則很難達到使復合肥中的氮肥緩慢釋放、養分供應均衡和提高養分利用效率的效果。
城市污泥中含有大量有機質以及一定量的、植物生長所必需的大量和微量營養元素，因此城市污泥是一種肥效較好的廉價肥源。但是城市污泥直接作為肥料施用，由于其肥效有限而不能很好地滿足作物生長的要求，加之運輸成本較高而很難被市場普遍接受；同時由于城市污泥中含有病原菌等污染物，如果不經滅菌等處理而直接施用，則會增加對農田、水體、食物和人類的污染風險。
我國是一個農業大國，用合格的城市污泥生產肥料是一條有效的資源化利用途徑。城市污泥中含有有益于植物生長的養分和大量的有機質，對改良和培肥土壤具有良好的效果。目前我國化肥生產能力嚴重不足，每年要花費250 多億元進口大量化肥。即便如此，化肥的缺口仍高達10%左右。而且復合肥是國內外化肥工業和農業生產的發展方向。如果用經過處理的污泥生產復合肥，則可以明顯降低復合肥的生產成本，提高化肥生產能力。因此，既可以使其轉化為一種良好的資源，又可以解決其處置出路及二次污染問題，不僅有利于農業生產、化肥工業和環境保護，更重要的是對城市污水處理行業的快速、健康發展具有重大意義。
1、城市污泥生產有機肥和有機-無機復合肥的工藝路線
利用城市污泥生產有機肥和有機無機復合肥的主要工藝流程如下(圖1)：(1)根據具體的堆肥環境條件，將一定比例的調理劑與城市污泥混勻；(2) 根據我們建立的四階段堆肥發酵理論，通過CTB 快速堆肥系統(Compsoft V1.0)進行自動檢測和控制，分別培養堆體的耐高溫微生物，并使堆體在最短的時間內達到無害化所需的溫度(50℃)，并維持國家標準規定所需時間(5－7 天)；(3)將堆肥產品進行篩分，使調理劑與堆肥產品分離，篩分出來的調理劑經過處理后可以回用；(4)篩分后的污泥堆肥可以制作有機肥或制備復合肥；(5)根據“中國肥料-產量效應數據庫(Fertbase)”中的數據，按照用肥地點的土壤和作物情況，設計出最佳的專用復合肥配方；(6)按照設計的專用肥配方，將不同比例的原料進行配料，混合、造粒、過篩、包裝，即可生產出合格的有機-無機復合肥產品。
試驗表明，采用該技術可以使堆體的溫度都達到了國家衛生標準(GB7959-87)所規定的堆肥殺菌溫度(50°C)以上，并控制在60°C 以下。根據實際測定結果，采用本工藝進行堆肥，產品無害化的合格率達到95%以上。用該技術生產的有機肥和有機-無機復合肥產品符合國家標準的要求。
經過國家化肥質量監督檢驗中心、農業部微生物肥料質量監督檢驗測試中心和中國農業科學院土肥測試中心的鑒定，采用上述技術生產的復合肥產品，其氮、磷、鉀養分含量等各項技術指標均達到《復混肥料》國家標準(GB15063-94)，重金屬含量低于《農用污泥中污染物控制標準》(GB4284-84)，蛔蟲卵、大腸菌值等病原菌指標全部符合國家衛生標準(GB7959-87)的要求。
2、肥料產品的肥效
幾年來，肥料產品先后在農、林、牧、園林等領域30 種作(植)物了上進行肥效試驗和環境安全性評價，解決了產品在糧食、蔬菜、草皮和草坪、花卉中應用的配套技術，同時也證明該復合肥的增產效果優于普通復合肥，生產成本降低15～20％(表4)，其性能價格比優于目前市場上銷售的普通復合肥。
采用本工藝生產的有機-無機復合肥中，所添加的化肥可以迅速釋放，而城市污泥堆肥中所含的大量有機質(最高可達45％)，具有改良土壤、培肥地力、抗旱和供肥平穩等特點，肥效比普通復合肥持續時間更長，而且對化肥中的氮素具有一定的固定作用，使化肥帶入的氮素緩慢釋放，提高其養分利用效率。
表1 用城市污泥生堆肥產有機-無機復合肥的應用效果
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此外，采用這種快速堆肥技術生產的城市污泥堆肥，可以作為基質及土壤改良劑，能夠廣泛用于荒地、育苗基質、苗圃、觀賞植物、草皮、草地、公園、高速公路綠化帶和高爾夫球場，以及尾礦堆、采石場、露天煤坑的復墾等。
3、肥料產品對作物衛生品質的影響評價
從表2 可以看出，與不施肥的對照處理以及施用普通化肥和商品復合肥的處理相比，用城市污泥堆肥生產的有機-無機復合肥對蔬菜的Cu、Zn、Pb 吸收沒有明顯的差異。因此，即便是在象蔬菜這樣對衛生品質要求較高的作物上，施用這種新型有機-無機復合肥也依然是安全的。
表2 施用用城市污泥堆肥生產的有機-無機復合肥對蔬菜重金屬含量的影響
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注：1) 重金屬含量按蔬菜鮮重計算；
2) 同一試驗中標記不同小寫英文字母表示差異達到α=0.05的顯著水平。
結語
通過10 多年的多學科攻關研究，開發出適合我國國情的高效低耗堆肥與復合肥生產成套技術，并且建立了日處理50 噸城市污泥的示范廠。這一技術可以為解決污水處理廠的城市污泥等有機廢棄物處置及出路問題提供經濟可行的新途徑，實現城市污泥的穩定化、無害化，資源化，不僅有利于農業生產、化肥工業和環境保護，更重要的是對我國污水處理行業的健康、快速發展具有重要意義。
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