太原市楊家堡污水凈化廠污泥資源化新工藝
太原市楊家堡污水凈化廠污泥資源化示范工程是山西沃土生物有限公司與太原市排水管理處合作的2001 年度國家級火炬計劃項目，同年9 月8 日通過科技部組織的現場驗收。迄今為止已運營兩年半，重大技改三次，累計投資近千萬元，取得了許多寶貴的實際運行和工程建設的經驗與教訓，楊家堡污泥資源化的實踐和探索為我國污泥資源化產業的發展與相關政策的制定提供了寶貴的第一手資料。
技術創新
世界上任何創新都是有代價的，所謂“沒有免費的午餐”。污泥資源化的技術創新按工藝劃分包括污泥高溫好氧堆肥和污泥農用肥料產品的深加工。前者為污泥的無害化處理，后者為以資源化為手段的無害化處置。
處理
為了明確區別污泥處理處置的工藝過程和政策界限，對污泥的無害化處理劃分為前處理和后處理兩個階段，污泥的前處理是指經濃縮、脫水，包括厭氧消化處理得到一般含水率為75%～80%（或以污泥干重計）泥餅的預處理過程。污泥的后處理是指在污泥前處理的基礎上，泥餅通過高溫好氧堆肥消毒裝置的堆肥處理，實現污泥的穩定化、無害化，符合國家標
準的排放要求。把污泥處理過程分為前、后兩個部分，對于明晰污泥處理成本，劃清污泥補貼界限，推進資源化產業的發展具有重要的現實意義。
污泥是污水處理過程中產生的一種含水率很高的絮狀泥粒,它是由污水中的懸浮物，微生物及所吸附的有機物以及微生物代謝活動產物所形成的聚集體。污泥的危害主要包括：①侵占土地；②污染土壤，污泥堆置的有害成份響應聚集，經風吹雨淋，產生高溫或其他化學反應，能殺滅土壤微生物，破壞土壤結構，使土壤喪失腐解能力；③淤泥河床、污染水體；
④污染大氣，污泥有機物被微生物分解釋放出有害氣體、塵埃，加重大氣污染；⑤含有大量的病原菌，主要有腸道細菌、蠕蟲寄生蟲及病毒三大類，大部分被結合在污泥顆粒物上濃縮，其數量比污水中的要高得多。按照國家《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002），污泥的穩定化、無害化處理好氧堆肥工藝各項控制指標具體包括：含
水率（%）<65、有機物降解率（%）>50、蠕蟲卵死亡率（%）>95、糞大腸菌群菌值>0.01。與傳統的好氧、厭氧消化工藝對比，好氧堆肥工藝增加了微生物控制指標。
堆肥機理
高溫好氧堆肥是在污泥中加入一定比例的膨松劑和調理劑（如秸稈、稻草、粉煤灰或生活垃圾等），其作用包括通過反稀釋降低污泥水份和膨松兩個方面。好氧微生物群落在潮濕、有氧環境下對廢物中的多種有機物吸收、氧化、分解，轉化為腐殖質。研究表明，經過好氧堆肥的污泥質地疏松，陽離子交換量（CEC）顯著增加、容重減小、可被植物利用的營養成分增加。好氧分解主要是利用嗜熱細菌群，分解氧化有機物，同時釋放出大量的能量。有機物生化降解的同時伴有熱量產生，堆肥物料溫度上升至60～70℃，致使病原菌和寄生蟲卵死亡。美國環保署公布的503 法案中，控制生物固體致病菌對時間—溫度的最低要求：55℃通氣靜態倉式堆肥系統堆體至少保持3 天，翻垛式堆肥系統至少持續15 天并翻堆5 次，可以滅活病原菌。試驗證明污泥在好氧堆肥裝置中可達到55℃以上的高溫并維持3 天以上的時間，充分殺滅病原微生物，達到無害化標準。目前世界各國采用的方法有靜態和動態堆肥兩種，如自然堆肥法，圓柱形分格封閉堆肥法，滾筒堆肥法，豎式多層反應堆肥法以及條形靜態通風等堆肥工藝。發達國家多采用現代工業化的筒倉發酵工藝，以適應環境敏感地區污
堆肥的意義
高溫好氧堆肥工藝作為污泥無害化處理的手段具有一次性投資小，運營成本低，處理量大，操作維修簡便等優勢。現代容積式堆肥裝置和生物技術的發展與進步，有效克服了傳統堆肥技術占地面積大、臭氣不易收集處理、發酵周期長等缺陷，拓展了高溫好氧堆肥技術的應用領域與環境。今后好氧堆肥工藝研究的重點是外源微生物菌種的篩選培育和成套堆肥機
械設備、能源平衡技術，以及污泥堆肥的適用性研究。
楊家堡污泥示范工程目前采用的是陽光棚半封閉式外源接菌好氧發酵工藝，其優點是一次性投資小、處理量大、操作維修簡便、外源VT菌有益微生物升溫快、防霉變，不足之處是缺少臭氣收集處理設備，夏天高溫季節棚內有臭氣，發酵周期長，相對處理能力低等。按照山西省計委《關于太原市城市污水凈化廠（公司）污泥高溫堆肥消毒工程可行性研究報告的批復》(晉計城環發[2004] 55 號)和楊家堡污水凈化廠所承擔的污泥處理數量（包括北郊和殷家堡污水凈化廠）污泥119.5m3/天，計劃在楊家堡污水凈化廠區內建設6 個標準筒倉，處理能力330m3/d（折含水率80%污泥150m3/d）的VT筒倉高溫堆肥生產線，原1260m2的陽光棚改作陳化車間。
堆肥的局限性
污泥的無害化與資源化的目標是有區別的，前者是通過減量化、穩定化，最終實現污泥的無害化。以無害化為首要目標，其處理處置手段可以概括為“消滅污泥”，只要條件允許，越徹底越好。好氧堆肥工藝也是如此，其處理指標是以無害化為首要目標的。事實上，按照資源化農用的要求，堆肥工藝是有缺陷的。據美國科學家研究證實，有機肥在堆（漚）過程中氮素損失1/2～3/4。污泥熱噴與堆肥的技術和應用比較，結果表明污泥中的有機組分經過熱噴處理后，易降解物含量增加，難降解物含量降低，而堆肥處理則相反，有機組分中的難降解物含量增加，易降解物含量降低，污泥全氮的70%～80%是有機氮，熱噴處理使污泥中的有機氮向易礦化態轉變，易礦化態氮含量較處理前分別增加8.0%～6.5%；而堆肥處理使污泥中的有機氮向難礦化態轉變，難礦化態氮含量增加了4.1%，污泥中有機磷的活性經熱噴處理后顯著提高，但堆肥處理降低了污泥中有機磷的活性，熱噴處理使得污泥中水溶性有機物的大分子組分向小分子組分轉化，而堆肥處理則相反，因此，經熱噴處理的污泥的供肥效果優于堆肥處理。大田對比試驗也證實了這一點。楊家堡污泥示范工程采取“堆肥+熱噴”的復合工藝，即先堆肥、后熱噴，利用堆肥工藝降低污泥的水分和粘稠度，添加發酵填充物增加污泥的淀粉與長纖維成分，為下一步熱噴工序創造條件，實現污泥肥料附加值較高的產品的工業化生產。但熱噴受產量、耗能和加工成本的限制，不適于附加值較低的普及型產品。
處置
相對于焚燒、填埋等極端處置手段，資源化處置具有投資小、運營成本低、操作簡便、節省能源、資源可循環利用的突出優勢。近年受能源價格上升的影響，發達國家已經明確限制干化焚燒和填埋處置，傾向于資源化處置方式。各國紛紛制定并不斷修訂的污泥資源化的法律法規對資源化、尤其是農業利用的監控越來越嚴格，規定也越來越細。
利用經濟和政策的雙重控制，使焚燒和填埋的價格高昂，事實上成為不可能。與此同時加大了對資源化產品使用和銷售的政策扶持和經濟補貼。污泥資源化處置的日趨規范表明了人類不斷加深對污泥資源化處置的認識，以及污泥資源化在生態平衡中的重要作用。按照生態理論的觀點，污泥是生物圈有機質鏈條的重要組成環節，長時期缺失（焚燒、填埋）將導致區域生態的失衡。隨著人們生活水平的提高，污染總量的加大，對環境標準的要求將會越來越嚴格，從而也使治污成本迅速上升，進而加大能耗，增加環境和社會負擔。我們必須考慮到社會總支出和環境保護的協調，以及社會和環境的承受能力。不能一方面不計成本追求污泥處理處置的“絕對安全”，另一方面由于能耗的加大與成本的上升造成新的消耗性污染。
重金屬
污泥來源于工業和生活污水，不可避免地含有一些對環境和生物有害的物質。人們關注的重點主要是Cd、Pb、As、Cu、Zn 等一些對環境、生物和人類健康有嚴重危害的元素。重金屬由于具有難遷移、易富集、危害大等特點，一直是污泥農業利用最主要的限制因素。克服重金屬障礙的核心是控制。首先，源頭控制工業污水與生活污水的混合排放，嚴格控制工業污水的超標排放，從源頭上減少重金屬含量。隨著我國城市環境的改善和產業結構調整，市區內的重工業、大型加工工業及高污染的工業已逐步被污染小、附加值高的高新技術和第三產業所代替，從根本上減少了工業污水排放總量。楊家堡污水凈化廠從最初的工業污水為主已降低為不足50%，其比例仍在不斷降低，重金屬含量也在相應減少。第二，堆肥過程加入中低品位的腐植酸作為鈍化劑，降低重金屬的有效態。金屬可分為水溶態、交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物態、有機結合態、殘渣態，一般情況下，水溶態和交換態重金屬容易被作物吸收利用，因而也常被稱為重金屬的有效態，而后4 種形態則不易被作物吸收利用，并且許多的試驗已證明作物吸收重金屬的量與交換態的重金屬的量呈極顯著正相關。在楊家堡所作的試驗中，添加鈍化劑的堆肥處理的交換態的重金屬含量都明顯降低。第三，通過堆肥處理穩定重金屬。污泥經過堆肥化處理，水浸態重金屬量減少，交換態和有機結合態重金屬的量總的來說有所增加，而殘渣態的量，不同的重金屬變化不同，但比不同浸提劑所提取的其他形態重金屬的總量大得多。污泥經過堆肥化處理后，植物可利用形態養分增加，重金屬的生物有效性減小。第四，總量控制。堆肥發酵污泥的比重為45%～55%，發酵污泥在商品肥料的比重為55%～65%，原生污泥的比重最高僅為35%左右。污泥肥料的推薦使用量最高200 公斤/畝，一般僅為50 公斤。即便是連續使用，在相當長的時期內不會形成富集。沃土從1999 年開始做沃土黑桃K 的農作物重金屬轉移和滲漏的對比試驗，目前還沒有發現對照作物體內重金屬轉移和富集。第五，去向控制。為了保證農作物的安全，有效防止重金屬的生物鏈轉移，以污泥為原料的沃土黑桃K 系列產品主要用于大田秸稈類作物、木本類作物、棉花和城市園林綠化四大類，利用作物的生物膜過濾功能，有效防止有害成分向籽實的轉移。
從資源化的角度觀照，重金屬的某些元素，例如“銅”、“鋅”等是作物生長不可缺少的微量元素。比照《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）新標準中農用肥料污染物控制標準限值的各項控制指標與《農用污泥中污染物控制標準》（GB 4284-84）“銅”、“鋅”的控制標準放寬了許多。跳出“重金屬”的困惑，跨越重金屬認識的障礙，歷史的、現實的、科學的認識重金屬的危害與資源屬性是人類認識的一大進步。
軟化
污泥是城市發展的產物，是一種由有機殘片、細菌菌體、無機顆粒、膠體等組成的極其復雜的非均質體，經過濃縮處理的污泥溶解性很差，成為資源利用、尤其是農業利用的主要障礙。污泥的溶解性與其水分含量呈正相關，大量水分與有機質相溶表現為細胞水、間隙水和包含水，容易脫離的游離水比重不大。厭氧消化后的污泥有一部分間隙水、細胞水溢出，脫水率達到75%以下。污泥由細小微粒組成，增加了機械和熱能脫水的難度。并且污泥水分熱能烘干低于50%開始變硬，有效養分難以溢出，基本上喪失了農肥資源利用的價值。但利用污泥的不溶解特點做建材、路基利用是有意義的。無論是經過厭氧消化的脫水污泥，還是原生污泥直接農用或沒有經過軟化處理會造成農田的砂礫化，不僅起不到資源利用的效果，反而會導致環境的二次污染，破壞土壤結構。污泥的軟化處理是保證資源得到有效利用的前提。沃土利用其三維復合肥料生產的技術優勢，通過生物絮凝劑減少有機高分子絮凝劑用量、兩次堆肥發酵和熱噴等生物、物理的綜合處理方式，成功的克服了污泥的軟化障礙，使污泥農肥利用成為現實。厭氧消化和高溫堆肥在改變污泥的水分分布狀態、提高污泥脫水率、分解有機物的功效是相同或相近的。不同的是，厭氧消化是污泥加藥濃縮之前，而好氧堆肥是污泥濃縮脫水之后，最大的區別是濃縮之后的污泥膠質被大分子有機聚合物包復。污泥的好氧堆肥不同于一般農肥，必須引入專門篩選培育的外源微生物菌劑，經快速堆肥、二次陳化等兩次好氧發酵，利用微生物的繁衍，軟化膠質，溢出水分，消除異味，改善污泥的性質。熱噴處理可以切斷有機絮凝劑的分子鏈，徹底破壞包復結構，釋放污泥的有效養分。值得注意的是，熱能烘干、擠壓造粒不僅耗費大量能源，提高加工成本，還會強化污泥的不溶解性，使污泥喪失農肥利用的可能。生產實踐證實，污泥高水分區（80%～65%）可以采用熱能烘干的方式，中水分區（65%～38%）采用生物脫水工藝，要注意污泥水分55%的臨界點。否則，將事半功倍，甚至勞而無功。
霉變
污泥富含有機質，隨著城市居民生活水平的提高污泥的有機質含量也呈上升趨勢，上海市城區的污水凈化廠有機質含量已接近國際大都市的水平。污泥有機質含量的高低與其資源利用價值和處理難度成正比，污泥肥料的霉變就是直接源于有機質導致的有害成分相應聚集，成為污泥資源利用的又一障礙。
楊家堡污水凈化廠的厭氧消化污泥當即生物檢測活菌數為零，填埋或直接農用很快被雜菌感染發生霉變。如果不做防霉處理即使加工成肥料產品也避免不了運輸、使用過程中的霉變，直接導致農田和作物的污染。沃土VT 菌是8 種有益微生物的復合生物制劑，作為添加外源微生物可以快速升溫、減少發酵異味、軟化膠質和防止霉變。沃土黑桃K 經熱噴處理后須二次接菌，保證產品的優勢菌群。污泥防霉技術的關鍵是保持有益微生物主導菌群的優勢，包括施入土壤后仍可保持其活性，調整和改善土壤的微生態。微生物、包括極至微生物（耐庵菌、高溫菌）的篩選和培育是保證污泥發酵質量和克服霉變的關鍵技術。北京沃土天地生物科技有限公司依托中國農業大學生態學院，自主研發成功VT 微生態制劑系列產品，并已達到工業化生產規模，為污泥資源化產業的發展提供有力的科技支撐。
深加工
沃土三維復合肥料成套技術與裝置是“生物高氮源發酵技術”的具體應用。三維復合肥料是指有機—無機—微生物三種營養成分的復合，養分設計合理，營養結構完整，代表了現代土壤營養及土壤生態發展的主流，產品特點表現為高養分、高活性。三維復合肥料的關鍵技術是將有機—無機—微生物三種物料在共存條件下，實現高氮環境下微生物的繁衍生存與高活性，即：生物高氮源發酵技術。國內目前所謂三維復合肥料本質上都回避了生物高氮發酵這一技術難題，而采用其它簡單混合的方式，或者是有機—無機復混后接入微生物；或者是有機—無機—微生物分別造粒混施。其技術含量、工藝水平及養分有效利用與沃土三維復合肥料不能相提并論。
經好氧高溫堆肥無害化處理的污泥不僅可以實現達標排放，而且可以直接作為初級肥料產品銷售，用于土壤改良、園林綠化，還可以作為有機原料生產加工有機—無機復合肥料，即沃土有機-無機-微生物三維復合肥料的深加工。其中，熱噴是關鍵生產技術。
熱噴的功效包括：尿素糊化、高溫滅菌、成型造粒、提高有機態氮的轉化率和有機磷的活性、有機組分易降解物含量增加、有機物的大分子組分向小分子組分轉化。沃土采用的第一代熱噴機組是在飼料熱噴機械的基礎上，根據污泥的特性改制加工的專用設備。噴嘴φ20mm，產量400公斤～650公斤/h。混合物料經機械擠壓、摩擦、剪切和揉搓所產生的高溫高壓使有機質形態發生變化并使尿素糊化，為接種VT菌并保證其有效存活創造條件。物料經高溫高壓熱噴后自然粘結為不規則顆粒，篩分后按不同規格分別包裝出廠。熱噴所形成的蜂窩結構有利于保存水分，并利于微生物的活性保持。第一代機組的缺點是耗能高、產量低、加工成本高，總體對污泥的物理適應性差。在此基礎上，沃土與國內科研機構合作，共同開發污泥資源化專用熱噴機組改進2000型，設計生產能力1～2t/h，出口模版多孔φ4～5mm，提高物料的成型率與商品性能。目前樣機小試已經完成，待生產線試車連續運轉后即可定型為沃土三維復合肥料的專用設備。
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