太原市杨家堡污水净化厂污泥资源化新工艺
太原市杨家堡污水净化厂污泥资源化示范工程是山西沃土生物有限公司与太原市排水管理处合作的2001 年度国家级火炬计划项目，同年9 月8 日通过科技部组织的现场验收。迄今为止已运营两年半，重大技改三次，累计投资近千万元，取得了许多宝贵的实际运行和工程建设的经验与教训，杨家堡污泥资源化的实践和探索为我国污泥资源化产业的发展与相关政策的制定提供了宝贵的第一手资料。
技术创新
世界上任何创新都是有代价的，所谓“没有免费的午餐”。污泥资源化的技术创新按工艺划分包括污泥高温好氧堆肥和污泥农用肥料产品的深加工。前者为污泥的无害化处理，后者为以资源化为手段的无害化处置。
处理
为了明确区别污泥处理处置的工艺过程和政策界限，对污泥的无害化处理划分为前处理和后处理两个阶段，污泥的前处理是指经浓缩、脱水，包括厌氧消化处理得到一般含水率为75%～80%（或以污泥干重计）泥饼的预处理过程。污泥的后处理是指在污泥前处理的基础上，泥饼通过高温好氧堆肥消毒装置的堆肥处理，实现污泥的稳定化、无害化，符合国家标
准的排放要求。把污泥处理过程分为前、后两个部分，对于明晰污泥处理成本，划清污泥补贴界限，推进资源化产业的发展具有重要的现实意义。
污泥是污水处理过程中产生的一种含水率很高的絮状泥粒,它是由污水中的悬浮物，微生物及所吸附的有机物以及微生物代谢活动产物所形成的聚集体。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响应聚集，经风吹雨淋，产生高温或其他化学反应，能杀灭土壤微生物，破坏土壤结构，使土壤丧失腐解能力；③淤泥河床、污染水体；
④污染大气，污泥有机物被微生物分解释放出有害气体、尘埃，加重大气污染；⑤含有大量的病原菌，主要有肠道细菌、蠕虫寄生虫及病毒三大类，大部分被结合在污泥颗粒物上浓缩，其数量比污水中的要高得多。按照国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002），污泥的稳定化、无害化处理好氧堆肥工艺各项控制指标具体包括：含
水率（%）<65、有机物降解率（%）>50、蠕虫卵死亡率（%）>95、粪大肠菌群菌值>0.01。与传统的好氧、厌氧消化工艺对比，好氧堆肥工艺增加了微生物控制指标。
堆肥机理
高温好氧堆肥是在污泥中加入一定比例的膨松剂和调理剂（如秸秆、稻草、粉煤灰或生活垃圾等），其作用包括通过反稀释降低污泥水份和膨松两个方面。好氧微生物群落在潮湿、有氧环境下对废物中的多种有机物吸收、氧化、分解，转化为腐殖质。研究表明，经过好氧堆肥的污泥质地疏松，阳离子交换量（CEC）显著增加、容重减小、可被植物利用的营养成分增加。好氧分解主要是利用嗜热细菌群，分解氧化有机物，同时释放出大量的能量。有机物生化降解的同时伴有热量产生，堆肥物料温度上升至60～70℃，致使病原菌和寄生虫卵死亡。美国环保署公布的503 法案中，控制生物固体致病菌对时间—温度的最低要求：55℃通气静态仓式堆肥系统堆体至少保持3 天，翻垛式堆肥系统至少持续15 天并翻堆5 次，可以灭活病原菌。试验证明污泥在好氧堆肥装置中可达到55℃以上的高温并维持3 天以上的时间，充分杀灭病原微生物，达到无害化标准。目前世界各国采用的方法有静态和动态堆肥两种，如自然堆肥法，圆柱形分格封闭堆肥法，滚筒堆肥法，竖式多层反应堆肥法以及条形静态通风等堆肥工艺。发达国家多采用现代工业化的筒仓发酵工艺，以适应环境敏感地区污
堆肥的意义
高温好氧堆肥工艺作为污泥无害化处理的手段具有一次性投资小，运营成本低，处理量大，操作维修简便等优势。现代容积式堆肥装置和生物技术的发展与进步，有效克服了传统堆肥技术占地面积大、臭气不易收集处理、发酵周期长等缺陷，拓展了高温好氧堆肥技术的应用领域与环境。今后好氧堆肥工艺研究的重点是外源微生物菌种的筛选培育和成套堆肥机
械设备、能源平衡技术，以及污泥堆肥的适用性研究。
杨家堡污泥示范工程目前采用的是阳光棚半封闭式外源接菌好氧发酵工艺，其优点是一次性投资小、处理量大、操作维修简便、外源VT菌有益微生物升温快、防霉变，不足之处是缺少臭气收集处理设备，夏天高温季节棚内有臭气，发酵周期长，相对处理能力低等。按照山西省计委《关于太原市城市污水净化厂（公司）污泥高温堆肥消毒工程可行性研究报告的批复》(晋计城环发[2004] 55 号)和杨家堡污水净化厂所承担的污泥处理数量（包括北郊和殷家堡污水净化厂）污泥119.5m3/天，计划在杨家堡污水净化厂区内建设6 个标准筒仓，处理能力330m3/d（折含水率80%污泥150m3/d）的VT筒仓高温堆肥生产线，原1260m2的阳光棚改作陈化车间。
堆肥的局限性
污泥的无害化与资源化的目标是有区别的，前者是通过减量化、稳定化，最终实现污泥的无害化。以无害化为首要目标，其处理处置手段可以概括为“消灭污泥”，只要条件允许，越彻底越好。好氧堆肥工艺也是如此，其处理指标是以无害化为首要目标的。事实上，按照资源化农用的要求，堆肥工艺是有缺陷的。据美国科学家研究证实，有机肥在堆（沤）过程中氮素损失1/2～3/4。污泥热喷与堆肥的技术和应用比较，结果表明污泥中的有机组分经过热喷处理后，易降解物含量增加，难降解物含量降低，而堆肥处理则相反，有机组分中的难降解物含量增加，易降解物含量降低，污泥全氮的70%～80%是有机氮，热喷处理使污泥中的有机氮向易矿化态转变，易矿化态氮含量较处理前分别增加8.0%～6.5%；而堆肥处理使污泥中的有机氮向难矿化态转变，难矿化态氮含量增加了4.1%，污泥中有机磷的活性经热喷处理后显著提高，但堆肥处理降低了污泥中有机磷的活性，热喷处理使得污泥中水溶性有机物的大分子组分向小分子组分转化，而堆肥处理则相反，因此，经热喷处理的污泥的供肥效果优于堆肥处理。大田对比试验也证实了这一点。杨家堡污泥示范工程采取“堆肥+热喷”的复合工艺，即先堆肥、后热喷，利用堆肥工艺降低污泥的水分和粘稠度，添加发酵填充物增加污泥的淀粉与长纤维成分，为下一步热喷工序创造条件，实现污泥肥料附加值较高的产品的工业化生产。但热喷受产量、耗能和加工成本的限制，不适于附加值较低的普及型产品。
处置
相对于焚烧、填埋等极端处置手段，资源化处置具有投资小、运营成本低、操作简便、节省能源、资源可循环利用的突出优势。近年受能源价格上升的影响，发达国家已经明确限制干化焚烧和填埋处置，倾向于资源化处置方式。各国纷纷制定并不断修订的污泥资源化的法律法规对资源化、尤其是农业利用的监控越来越严格，规定也越来越细。
利用经济和政策的双重控制，使焚烧和填埋的价格高昂，事实上成为不可能。与此同时加大了对资源化产品使用和销售的政策扶持和经济补贴。污泥资源化处置的日趋规范表明了人类不断加深对污泥资源化处置的认识，以及污泥资源化在生态平衡中的重要作用。按照生态理论的观点，污泥是生物圈有机质链条的重要组成环节，长时期缺失（焚烧、填埋）将导致区域生态的失衡。随着人们生活水平的提高，污染总量的加大，对环境标准的要求将会越来越严格，从而也使治污成本迅速上升，进而加大能耗，增加环境和社会负担。我们必须考虑到社会总支出和环境保护的协调，以及社会和环境的承受能力。不能一方面不计成本追求污泥处理处置的“绝对安全”，另一方面由于能耗的加大与成本的上升造成新的消耗性污染。
重金属
污泥来源于工业和生活污水，不可避免地含有一些对环境和生物有害的物质。人们关注的重点主要是Cd、Pb、As、Cu、Zn 等一些对环境、生物和人类健康有严重危害的元素。重金属由于具有难迁移、易富集、危害大等特点，一直是污泥农业利用最主要的限制因素。克服重金属障碍的核心是控制。首先，源头控制工业污水与生活污水的混合排放，严格控制工业污水的超标排放，从源头上减少重金属含量。随着我国城市环境的改善和产业结构调整，市区内的重工业、大型加工工业及高污染的工业已逐步被污染小、附加值高的高新技术和第三产业所代替，从根本上减少了工业污水排放总量。杨家堡污水净化厂从最初的工业污水为主已降低为不足50%，其比例仍在不断降低，重金属含量也在相应减少。第二，堆肥过程加入中低品位的腐植酸作为钝化剂，降低重金属的有效态。金属可分为水溶态、交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物态、有机结合态、残渣态，一般情况下，水溶态和交换态重金属容易被作物吸收利用，因而也常被称为重金属的有效态，而后4 种形态则不易被作物吸收利用，并且许多的试验已证明作物吸收重金属的量与交换态的重金属的量呈极显著正相关。在杨家堡所作的试验中，添加钝化剂的堆肥处理的交换态的重金属含量都明显降低。第三，通过堆肥处理稳定重金属。污泥经过堆肥化处理，水浸态重金属量减少，交换态和有机结合态重金属的量总的来说有所增加，而残渣态的量，不同的重金属变化不同，但比不同浸提剂所提取的其他形态重金属的总量大得多。污泥经过堆肥化处理后，植物可利用形态养分增加，重金属的生物有效性减小。第四，总量控制。堆肥发酵污泥的比重为45%～55%，发酵污泥在商品肥料的比重为55%～65%，原生污泥的比重最高仅为35%左右。污泥肥料的推荐使用量最高200 公斤/亩，一般仅为50 公斤。即便是连续使用，在相当长的时期内不会形成富集。沃土从1999 年开始做沃土黑桃K 的农作物重金属转移和渗漏的对比试验，目前还没有发现对照作物体内重金属转移和富集。第五，去向控制。为了保证农作物的安全，有效防止重金属的生物链转移，以污泥为原料的沃土黑桃K 系列产品主要用于大田秸秆类作物、木本类作物、棉花和城市园林绿化四大类，利用作物的生物膜过滤功能，有效防止有害成分向籽实的转移。
从资源化的角度观照，重金属的某些元素，例如“铜”、“锌”等是作物生长不可缺少的微量元素。比照《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）新标准中农用肥料污染物控制标准限值的各项控制指标与《农用污泥中污染物控制标准》（GB 4284-84）“铜”、“锌”的控制标准放宽了许多。跳出“重金属”的困惑，跨越重金属认识的障碍，历史的、现实的、科学的认识重金属的危害与资源属性是人类认识的一大进步。
软化
污泥是城市发展的产物，是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体，经过浓缩处理的污泥溶解性很差，成为资源利用、尤其是农业利用的主要障碍。污泥的溶解性与其水分含量呈正相关，大量水分与有机质相溶表现为细胞水、间隙水和包含水，容易脱离的游离水比重不大。厌氧消化后的污泥有一部分间隙水、细胞水溢出，脱水率达到75%以下。污泥由细小微粒组成，增加了机械和热能脱水的难度。并且污泥水分热能烘干低于50%开始变硬，有效养分难以溢出，基本上丧失了农肥资源利用的价值。但利用污泥的不溶解特点做建材、路基利用是有意义的。无论是经过厌氧消化的脱水污泥，还是原生污泥直接农用或没有经过软化处理会造成农田的砂砾化，不仅起不到资源利用的效果，反而会导致环境的二次污染，破坏土壤结构。污泥的软化处理是保证资源得到有效利用的前提。沃土利用其三维复合肥料生产的技术优势，通过生物絮凝剂减少有机高分子絮凝剂用量、两次堆肥发酵和热喷等生物、物理的综合处理方式，成功的克服了污泥的软化障碍，使污泥农肥利用成为现实。厌氧消化和高温堆肥在改变污泥的水分分布状态、提高污泥脱水率、分解有机物的功效是相同或相近的。不同的是，厌氧消化是污泥加药浓缩之前，而好氧堆肥是污泥浓缩脱水之后，最大的区别是浓缩之后的污泥胶质被大分子有机聚合物包复。污泥的好氧堆肥不同于一般农肥，必须引入专门筛选培育的外源微生物菌剂，经快速堆肥、二次陈化等两次好氧发酵，利用微生物的繁衍，软化胶质，溢出水分，消除异味，改善污泥的性质。热喷处理可以切断有机絮凝剂的分子链，彻底破坏包复结构，释放污泥的有效养分。值得注意的是，热能烘干、挤压造粒不仅耗费大量能源，提高加工成本，还会强化污泥的不溶解性，使污泥丧失农肥利用的可能。生产实践证实，污泥高水分区（80%～65%）可以采用热能烘干的方式，中水分区（65%～38%）采用生物脱水工艺，要注意污泥水分55%的临界点。否则，将事半功倍，甚至劳而无功。
霉变
污泥富含有机质，随着城市居民生活水平的提高污泥的有机质含量也呈上升趋势，上海市城区的污水净化厂有机质含量已接近国际大都市的水平。污泥有机质含量的高低与其资源利用价值和处理难度成正比，污泥肥料的霉变就是直接源于有机质导致的有害成分相应聚集，成为污泥资源利用的又一障碍。
杨家堡污水净化厂的厌氧消化污泥当即生物检测活菌数为零，填埋或直接农用很快被杂菌感染发生霉变。如果不做防霉处理即使加工成肥料产品也避免不了运输、使用过程中的霉变，直接导致农田和作物的污染。沃土VT 菌是8 种有益微生物的复合生物制剂，作为添加外源微生物可以快速升温、减少发酵异味、软化胶质和防止霉变。沃土黑桃K 经热喷处理后须二次接菌，保证产品的优势菌群。污泥防霉技术的关键是保持有益微生物主导菌群的优势，包括施入土壤后仍可保持其活性，调整和改善土壤的微生态。微生物、包括极至微生物（耐庵菌、高温菌）的筛选和培育是保证污泥发酵质量和克服霉变的关键技术。北京沃土天地生物科技有限公司依托中国农业大学生态学院，自主研发成功VT 微生态制剂系列产品，并已达到工业化生产规模，为污泥资源化产业的发展提供有力的科技支撑。
深加工
沃土三维复合肥料成套技术与装置是“生物高氮源发酵技术”的具体应用。三维复合肥料是指有机—无机—微生物三种营养成分的复合，养分设计合理，营养结构完整，代表了现代土壤营养及土壤生态发展的主流，产品特点表现为高养分、高活性。三维复合肥料的关键技术是将有机—无机—微生物三种物料在共存条件下，实现高氮环境下微生物的繁衍生存与高活性，即：生物高氮源发酵技术。国内目前所谓三维复合肥料本质上都回避了生物高氮发酵这一技术难题，而采用其它简单混合的方式，或者是有机—无机复混后接入微生物；或者是有机—无机—微生物分别造粒混施。其技术含量、工艺水平及养分有效利用与沃土三维复合肥料不能相提并论。
经好氧高温堆肥无害化处理的污泥不仅可以实现达标排放，而且可以直接作为初级肥料产品销售，用于土壤改良、园林绿化，还可以作为有机原料生产加工有机—无机复合肥料，即沃土有机-无机-微生物三维复合肥料的深加工。其中，热喷是关键生产技术。
热喷的功效包括：尿素糊化、高温灭菌、成型造粒、提高有机态氮的转化率和有机磷的活性、有机组分易降解物含量增加、有机物的大分子组分向小分子组分转化。沃土采用的第一代热喷机组是在饲料热喷机械的基础上，根据污泥的特性改制加工的专用设备。喷嘴φ20mm，产量400公斤～650公斤/h。混合物料经机械挤压、摩擦、剪切和揉搓所产生的高温高压使有机质形态发生变化并使尿素糊化，为接种VT菌并保证其有效存活创造条件。物料经高温高压热喷后自然粘结为不规则颗粒，筛分后按不同规格分别包装出厂。热喷所形成的蜂窝结构有利于保存水分，并利于微生物的活性保持。第一代机组的缺点是耗能高、产量低、加工成本高，总体对污泥的物理适应性差。在此基础上，沃土与国内科研机构合作，共同开发污泥资源化专用热喷机组改进2000型，设计生产能力1～2t/h，出口模版多孔φ4～5mm，提高物料的成型率与商品性能。目前样机小试已经完成，待生产线试车连续运转后即可定型为沃土三维复合肥料的专用设备。
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