污泥堆肥的研究概况.doc

目 录1 概述21.1城市污泥的性质与特点31.2污泥处理处置方法的可行性分析51.3国外污泥堆肥技术的发展趋势61.4国内污泥堆肥技术的发展趋势91.5污泥减量化、资源化、无害化和稳定化的意义112 污泥的堆肥化及污泥的利用142.1污泥的堆肥化142.1.1污泥堆肥系统的分类152.1.2污泥堆肥的基本原理162.1.3污泥堆肥的控制参数182.1.4污泥堆肥工艺212.1.5 污泥好氧堆肥的优缺点242.2污泥的土地利用252.2.1污泥的林地利用252.2.2污泥的农业利用272.2.3污泥用作草皮基质282.2.4污泥在矿山废弃地复垦上的利用292.3污泥建筑材料综合利用302.4污泥填埋313 污泥堆肥的适用性与可行性313.1 适用性313.1.1污泥重金属要符合污泥农用标准313.1.2 有便利的辅料供应和产品市场条件323.2 可行性343.2.1 符合排放标准要求343.2.2 成熟工艺、经济有效343.2.3 产品安全可靠、有广阔市场354、污泥堆肥项目的建设运营374.1 污泥好氧堆肥项目的建设374.2污泥好氧堆肥项目的运营385、污泥好氧堆肥项目的启示39污泥堆肥的研究概况1 概述随着社会经济和城市化的发展，城市污水的产生及其数量在不断的增长。为了保护环境，消除水体污染，城市污水处理厂正雨后春笋般地在各个城市建成并投入运行。截止2006年，我国共有城市污水处理厂939座，日处理污水能力6370万吨，在城市污水的处理过程中，必然产生的大量的污泥，我国每年产生的城市污水污泥达1亿t以上（湿污泥）。因此，城市污水处理厂污泥的处理处置已引起了越来越多的关注和研究，其原因主要有：（1）污泥产量高，一般活性污泥法污水处理厂产生的污泥量为处理水的0.30.5%（以含水率97%计），若进行深度处理，则产量还会近一步提高；（2）处理和运行费用高，我国目前在一个综合的污水处理厂中，污泥处理的基建投资约占污水处理厂总投资的2435，运行费用占总费用的2050，而发达国家如美国以及欧洲一些国家，污泥处理的投资已占污水处理厂总投资的5070（3）对环境危害大，污泥中含有大量的有机物、N、P等富营养化元素、病原体、重金属及其它有害物质。性质极不稳定，易腐化发臭，如不妥善处理和处置，将污染堆放地区的水体、土壤和大气等周围环境，并可能对人体健康造成危害。在城市污水的处理过程中，必然产生的大量的污泥，污泥通常是指主要由各种微生物以及有机、无机颗粒组成的絮状物。1995年，世界水环境组织为了准确地反映绝大多数污水污泥具有重新利用的价值，将污泥更名为“生物固体”，其确切含义是：“一种能够有效利用的富含有机质的城市污染产生物”。但是我国一直沿用原有的污泥名称。1.1城市污泥的性质与特点污泥的分类根据污泥从污水中分离的过程，可将其分为如下几类：沉淀污泥：初次沉淀池和二沉池中截留的污泥，包括用化学药剂沉淀下来的污泥。生物处理污泥：在生物处理过程中，由于污水中悬浮状、胶体状或溶解状的有机污染物组成的某种活性物质，称为生物处理污泥。这种生物体中的大部分固体是由细菌块（或菌群）组成的。根据生物处理方式的不同，又可进一步分为：生物滤池污泥：采用生物滤池处理时产生的污泥；活性污泥：采用活性污泥处理时产生的污泥，在这种处理过程中，一部分污泥作为接触体而循环，称为回流污泥；剩余下来的需要送去处理的称为剩余污泥。一般来说，污水处理厂需要处理处置的污泥主要是初沉池污泥与剩余活性污泥的混合污泥。生物处理污泥一般均易腐化，可以进一步区分为：生污泥：从沉淀池（初沉池和二沉池）分离出来的沉淀物或悬浮物；消化污泥：生污泥经厌氧消化后得到的污泥。污泥的成分和潜能分析1）污泥的成分污泥成分很复杂，它包括混入生活污水或工业废水中的泥砂、纤维、动植物残体等固体颗粒及其凝结的絮状物、由多种微生物形成的菌胶团及其吸附的有机物、重金属元素和盐类、少量的病原微生物、寄生虫卵等综合固体物质。简单的说，污泥是污水中的固体物质。污泥的主要特征是含水率高（可达99以上），有机物含量高，容易腐化发臭，并且颗粒较细，比重较小，呈胶质状液体状态。污泥中含有植物生长所需要的氮、磷、钾等营养元素以及维持植物正常生长发育的多种微量元素和能改良土壤结构的有机物及腐殖质；所含的有机物和腐殖质也是一种有价值的有机肥料。同时也含有多种病原菌、寄生虫卵、重金属及某些难降解的有机物。由于污水来源，污水处理工艺及季节的不同，污泥的组成差异较大。污泥中有机质含量随季节变化，夏低冬高。2）污泥的潜能贮量分析世界自然资源随着人口的增长而被快速消耗，人们不得不寻找新的资源，污泥中由于含有大量的有机物、营养元素（N、P），作为“第二资源”越来越受到人们的关注。污泥量越来越大的矛盾和能源紧张、石油价格上涨等因素促使人们积极探索污泥处理能源化、资源化的可行性。1.2污泥处理处置方法的可行性分析污泥处理处置的方式各个国家不尽相同，同一国家的不同地区也相差很大，这主要是受环境、地势、可行处置法、公众对污泥处置的关心程度及政治压力等因素的影响所致。在大多数情况下，生污泥经浓缩、消化、脱水后，作为肥料和土壤改良剂用于农业、林业、园林绿化或进行填埋、焚烧、排海等方法的处置。各种污泥的处理处置方法也各有优缺点。详见表1.1表1.1 各种污泥处置方法对照表处置方法特点农用运行成本低，可资源化利用污泥。但污泥含有重金属和病原体等有害物质，存在二次污染的可能性。填埋方法简单，运行成本低。但侵占土地，可能污水地下水。投海方法简单，运行成本低。但污染海洋，正在受到严格限制，并将终止使用。焚烧使污泥矿物化并减至最小量，可部分利用能量。但运行费用高，废气处理复杂。其它污泥制动物饲料，可利用污泥中的蛋白质资源，但潜在危害和长远影响不清。污泥热解产油，改性制活性炭和污泥制水泥材料均试验了污泥资源化，但均投入大、运行成本过高，不够经济，工艺技术水平仍需提高。对城市污泥的处理、利用，必须对各种途径进行可行性分析，再确定适合我国国情，高效，低能耗经济实用的污泥处置方法，如图1.1污泥脱水过筛成粒磁化成品干燥厌氧消化施肥跟踪好氧堆肥经济、社会环境效益分析确定最佳方案添加制砖瓦焚 烧制油状物质作建筑材料热处理好氧堆肥过筛成粒磁化成品施肥跟踪沼气图1.1 污泥处置方法的可行性分析图1.3国外污泥堆肥技术的发展趋势 为避免污水处理厂污泥对环境造成的二次污染，各国政府及研究机构对污泥的最终处置问题十分重视，并根据各国的国情制定出污泥处置的法规和具体方案。不同国家的污泥的处置情况也存在很大的差异。当污泥投海的处置出路被越来越广泛地禁止后，其他处置方法所占份额有所增长，迄今为止土地填埋仍然是较便宜的处置方法，然而相关的填埋限制和法令降低了其经济性。在欧洲，含有可生物降解有机物的固体废弃物将不允许填埋，丹麦、瑞士己分别于1997年7月1日和2000年1月1日实施了该项禁令，德国也将于2005年6月l日实行该法令。欧盟于1999年公布了固体废弃物土地填埋法令（于2006年起实施），要求所有欧洲国家用于土地填埋的固体废弃物中有机物含量必须逐年递减，其中污水厂污泥也是该法令规定的固体废弃物种类之一。1922年，贝卡里采用密闭容器对有机物料进行厌氧发酵，再通入空气进行好氧发酵的方法在意大利取得专利，并在意大利和法国广泛使用。 印度污泥堆肥的概况1925年，印度人爱德华霍华德将堆肥化技术推向系统化和工厂化，开发了用垃圾、人粪尿、污水污泥、树叶或秸杆等混合物料进行好氧发酵（翻堆）的班加罗法（Bangalore Process，之前他最先开发的是厌氧发酵为主的“印多尔法”），将堆肥化技术向前推进了一大步。荷兰污泥堆肥概况1931年，荷兰VAW公司在搅拌方法方面对班加罗法进行改进，采用起重抓斗车翻堆方式，并于1932年建立了范曼奈法工艺堆肥场。几乎同时，德国Schweinfurt和瑞士的Biel采用了固定式固定床法工艺对磨碎物料进行堆肥。丹麦污泥好氧堆肥的概况1933年，在丹麦出现了Dano（丹诺）堆肥装置，其装置实际上是一种卧式旋转圆筒生物反应器，曾在西欧和日本得到了最广泛的应用，20世纪70年代最为流行，目前，世界上约有150家这样的工厂。20世纪40年代，出现了机械化能力较强的发酵装置多段立式发酵仓，通常称为EarpThomas法。以后又相继出现了Frazer Eweson法、Jersey法、Naturizer法、Rick法、Varro法等多种改进型发酵装置。将固定发酵槽和搅拌器结合起来，形成新的搅拌式固定床，是堆肥化工艺设备的又一重要进展。其代表工艺主要有Fairfield Hardy法、Snell法、MetroWasfe法和Tollemache法等。 德国污泥的处置状况1992年德国污泥产量为2208x103吨，2005年污泥产量增加到2787x103吨。污泥填埋是德国现今应用得最广的处置工艺。但是过去无顾忌地处置垃圾和有害物质导致遗留土地污染的产生，这己成为当今德国废物管理中的突出问题。遗留土地污染包括被认为对于人和环境有危害的己停用的填埋场和已停产的工厂旧址。1990年的资料表明，德国全国范围内共有大约8000处遗留土地污染源必须治理，这些治理措施所需费用可能高达几百亿马克。因此必须对填埋场和被填场的污泥提出一系列要求，以避免今天的填埋场成为明天的遗留土地污染源。因为填埋并未最终避免环境污染，而只是延缓了产生时间。1994年德国ETH/OAM再生公司与中国机械科学研究院环保所合作，采用高温堆肥技术对城市污泥进行无害化处理，1998年以来采用高温堆肥技术进行处理污泥的幅度增加。增长趋势十分明显，而填埋的分量越来越小，显示出一个明显朝污泥堆肥发展的趋势。美国污泥的处置状况1998年美国产生的690万t干污泥中的60%被有效利用，包括直接土地施用、经堆肥等稳定化处理后施用及其他有效利用（填埋场覆土、建筑材料中的原料等）。在未来的发展中，污泥的有效利用部分均将逐年增加，至2010年将达到70%，同时，污泥用于填埋或焚烧的比例将逐年下降。根据Biocycel杂志的调查，2000年美国大部分污泥被有效利用，21个州的50%以上的污泥被循环利用，4个州的50%以上的污泥被填埋，5个州的50%以上的污泥被焚烧。调查的40个州中，有5个州没有污泥陆地填埋处置，17个州没有污泥焚烧处理。由此表明：美国的污泥的主要处置方法是循环利用，而污泥填埋的比例正逐步下降，美国许多地区甚至己经禁止污泥土地填埋。据美国环保局估计，今后几十年内美国6500个填埋场将有5000个被关闭。目前美国每年约有49的城市污泥制成肥料施于农田或林地。1.4国内污泥堆肥技术的发展趋势堆肥化过程虽然是20世纪才发展起来的科学技术，但原始的堆肥方式很早就出现了，在我国和印度等东方国家历史尤其悠久，如我国古籍汜胜之书、齐民要术和农书等对积肥制肥均作过较详细的阐述。现代的堆肥化技术是在原始的堆肥方式基础上发展起来的。近年来，国内先后建成了一些机械化程度较高的堆肥厂，如无锡、杭州、武汉、上海等地的机械化堆肥技术包括较完整的前处理、发酵、后处理工艺和设备，其堆肥技术在产品质量、运行操作可控性、环境质量等方面的指标都达到了较高水平。天津市污水处理研究所在纪庄子污水处理厂进行的污泥高温堆肥的试验和研究中，探索出了一套少加甚至不加调节剂、简单而便于操作管理的污泥堆肥工艺，同时提出了工艺流程和技术参数，为生产线的设计与建设提供了技术依据。以堆肥处理前、后消化污泥的提取液为试验液，以草履虫为试验对象所进行的综合毒性研究表明，两者的半致死浓度相差近10倍，说明堆肥对毒性有机物的降解效果是显著的。 1997年北京市环境保护科学研究院总结多年研究成果，吸取国内外各类机械堆肥装置的优点设计、研制了污泥动态发酵器，该装置效率高、能耗低，便于操作管理和设备化。根据所研制的设备，提出以污泥动态发酵器为核心的污泥制复合肥新工艺路线，建成了条年产5000复合肥生产的装置。生产线包括污泥动态发酵器、混合搅拌器、圆盘造粒机、烘干机、筛分机等组成，运行以后设备稳定可靠、经济效益明显。该研究提出的污泥动态发酵无害化及污泥制肥工艺，将在北京市高碑店等污水处理厂的污泥处理处置中得到应用，对于解决北京市的污水污泥处置问题，会起到很好的作用。可以说，该项技术的成果转化和推广应用已经有了良好的开端。 城市污水处理厂污泥好氧堆肥处理技术，针对目前污泥处理处置中普遍存在的难软化、易霉变、病原微生物污染以及处理不经济等问题，采用高温好氧堆肥工艺，通过添加疏松物质和重金属钝化材料，接种有益微生物等处理手段，彻底杀灭有害微生物，阻断有害微生物的二次传播，实现污泥的稳定化和无害化，同时生产沃土有机肥和有机无机复混肥。这一方案通过好氧堆肥将污泥这种有效的生物资源加以循环利用，得到最终处置，不仅解决了城镇污水污泥的处理处置难题，有效降低污泥的处理费用，同时又可为农业、林业和城市绿化提供了优质肥料和培植营养土，实现了生物资源的循环利用，其产品市场竞争力强，具有显著的经济、社会和生态效益。1.5污泥减量化、资源化、无害化和稳定化的意义20世纪90年代提出了污泥减量化的新概念，它是在剩余污泥资源化利用的基础上所提出的更高的要求。通过利用物理、化学、生化的手段，污泥减量化使得整个污水处理系统向外排放的生物固体量达到最少。污泥处理的目的是减量、稳定、无害化和综合利用。随着环境问题的突出，人们已认识到污泥处理、处置的优先顺序是减容、利用、废弃。因此，污泥减量是处在第一位、最重要的一环。污泥的处置技术与资源化利用自20世纪80年代开始引起世界各国的重视，其特点是强调污泥的资源化利用，使其更好的参与生态系统的物质循环（地球化学和能量流动），走上人类社会与生态环境的和谐共处与可持续发展轨道。污泥中含有大量的有机质和营养元素。一般地除钾元素含量稍低外，其他营养物质甚至高于牛粪、猪粪等农家肥，所以特别适合于做土壤改良剂，用于农林牧地的土壤保养和改良修复。目前我国大部分耕地土壤退化严重，影响了农业及整个国民经济的可持续发展，因此污泥的农业回用资源化对土壤的生态修复具有重要的战略意义。由于污泥含有机质高，易腐败变质，且一般含有大量的重金属物质（如铜、铅、砷、镉、汞、铬、钼、镍、硒、锌等）和大量的病原菌及病毒微生物，并可能含有各种毒性有机物，因此，在其农业回用或资源化利用之前，必须进行适当的处理与处置，以达到稳定化、无害化、减量化。可见，对污泥的处理处置进行研究是十分必要的，对其资源化利用有着重要的实际意义。污泥无害化稳定化的目的主要是去除污泥中易于腐化的有机物，包括去除臭味、有害病原体和有害细菌等，也适当地改善污泥的脱水性能。污泥稳定的最基本的方法仍是生物法（包括厌氧消化和好氧消化），也有的国家用化学法来完成。有资料报道，欧洲国家有将近70的污泥在最终处置前要经过稳定化处理，多数采用污泥消化，特别是厌氧消化。美国大多数采用好氧消化的方法，丹麦有40的污泥用好氧消化进行污泥稳定处理，日本的污水污泥只有近20在处置前采用厌氧消化处理。污泥厌氧消化处理主要分为中温和高温两种方式，以往认为，高温厌氧消化速率比中温厌氧消化速率快接近一倍，但实际运行结果表明，采用高温厌氧消化后的污泥的稳定性以及消化后污泥的脱水性能均不如中温消化好。最新研究成果显示，高温消化在消化速率上也不一定比中温消化快多少，但高温消化在大多数国家仍在较多的使用，其主要原因是高温消化同时具有杀灭细菌的作用，能够满足日益严格的卫生学方面的要求。近年来，有关污泥稳定的两段消化的研究较多，在实践上也有较多的应用，是目前污泥稳定方法中一种较好的处理方法，而且得出采用中温高温两段厌氧消化系统无论在产气率、有机物的去除率、污泥的稳定性等方面均要比高温高温和中温中温两段厌氧或好氧消化系统及中温单相消化系统好。该种污泥的减量化技术与无害化方法的主要目的及主要的好处在于降低了传统的污泥稳定处理中的基建投资和运行费用，在两段处理方法中，活性污泥的降解有明显的改善，为各种不同的细菌创造了较好的生长环境，从而大大强化了污泥的稳定过程。随着能源越来越紧张，采用厌氧法处理污泥显得有越来越大的优势，与采用好氧法来稳定污泥相比不仅耗能低，而且回收生物能源。故采用好氧法来稳定污泥在一些国家已经不再采用。但是，由于高温好氧消化具有稳定和杀灭细菌的双重作用，高温好氧消化在另一些国家仍然有所进展。污泥消毒也是较为常用的污泥稳定的方法，常见的方法有巴氏消毒法、石灰消毒法、辐射处理等，此外还有采用热处理、化学处理、低温杀菌、湿式氧化及堆肥等方法的。2 污泥的堆肥化及污泥的利用目前，对污泥的处理采用方法最多的是对脱水生污泥进行堆肥化处理，经过堆肥化过程的处理，可以实现污泥的减量化、稳定化和无害化。对稳定化和无害化后的污泥堆肥产品进行土地利用更是引起了国内外学者的兴趣。2.1污泥的堆肥化“污泥”系指在污水处理过程中产生的半固态或固态物质，不包括栅渣、浮渣和沉砂。“堆肥化”系指在控制条件下，利用微生物的生化作用，将废弃物中的有机质分解、腐熟并转化为稳定腐殖土的微生物学过程。“堆肥”系指有机废弃物经过堆肥化处理制得的成品。它是堆肥化过程生物降解和转化的产物，是一类腐殖质含量高的疏松物质，故也称为“腐殖土”。堆肥一般分为好氧堆肥和厌氧堆肥两种。好氧堆肥是在有氧情况下有机物料的分解过程，其代谢产物主要是二氧化碳、水和热；厌氧堆肥是在无氧条件下有机物料的分解，厌氧分解最后的产物是甲烷、二氧化碳和许多低分子量的中间产物，如有机酸等。厌氧堆肥于好氧堆肥相比较，单位质量的有机质降解产生的能量较少，而且厌氧堆肥通常容易发出臭气。由于这些原因，几乎所有的堆肥工程系统都采用好氧堆肥。 2.1.1污泥堆肥系统的分类表2-1 国内外主要堆肥系统分类开 放 性搅 动鼓 风堆 肥 类 型开 放无搅动不鼓风传统堆肥鼓风静态堆肥有搅动不鼓风条垛堆肥（自然通风）鼓风条垛堆肥（强制通风）密 闭物料流动方向干 预 方 式堆 肥 类 型水平静态隧道式堆肥搅拌搅拌槽式堆肥翻转转鼓式（DANO）堆肥垂直搅拌塔式堆肥填充筒仓式堆肥 表2-2 各种堆肥系统的优缺点比较条垛堆肥静态堆肥反应器堆肥投资成本低低高运行和维护费用较低低高操作难度低较低难受气候条件影响大小大较大小臭味控制差良优占地面积大中小堆肥时间长中短堆肥产品质量良优良2.1.2污泥堆肥的基本原理因为目前应用最为广泛的堆肥方法均采用好氧堆肥法，本文对好氧堆肥的基本原理进行阐述。堆肥过程的阶段原理污泥的堆肥以生物学为基础，利用混合的微生物群落在特定的环境中对多相的有机物进行分解，并将污泥改良成稳定的腐殖质。参与分解作用的微生物以细菌为主，还包括放线菌、酵母菌和真菌等。微生物群落在营养、水分和通风条件合适的情况下，将污泥中的有机物分解转化为二氧化碳、水、无机物和生物体细胞物质，同时释放能量，逐渐形成高温，杀死对热敏感的病原体。有学者认为整个堆肥化过程分为三个阶段1）升温阶段一般指堆肥过程的初期，在该阶段，堆体温度逐步从环境温度上升到45左右，主导微生物以嗜温性微生物为主，包括真菌、细菌和放线菌，分解底物以糖类和淀粉类为主。2）高温阶段堆温升至45以上即进入高温阶段，在这一阶段，嗜温微生物受到抑制甚至死亡，而嗜热微生物则上升为主导微生物。堆肥中残留的和新形成的可溶性有机物质继续被氧化分解，复杂的有机物如半纤维素、纤维素和蛋白质也开始被强烈分解。微生物的活动也是交替出现的，通常在50左右时最活跃的是嗜热性真菌和放线菌，温度上升到60时真菌几乎完全停止活动，仅有嗜热性细菌和放线菌活动，温度升到70时大多数嗜热性微生物已不再适应，并大批进入死亡和休眠阶段。现代化堆肥生产的最佳温度一般为55，这是因为大多数微生物在该范围内最活跃，最易分解有机物，其中的寄生虫卵和病原微生物大多数可被杀死。3）降温阶段高温阶段必然造成微生物的死亡和活动减少，自然进入低温阶段。在这一阶段，嗜温性微生物又开始占据优势，对残余较难分解的有机物作进一步的分解，但微生物活性普遍下降，堆体发热量减少，温度开始下降，有机物趋于稳定化，需氧量大大减少，堆肥进入腐熟或后熟阶段。堆肥过程的有机质降解原理污泥的好氧堆肥是微生物在好氧条件下将有机物氧化分解的过程。微生物通过自身新陈代谢氧化、还原、合成等过程，将一部分有机物氧化成简单的无机物，并获得生命活动所需的能量，而将另一部分有机物转化为生物体所必需的营养物，组成新的细胞物质，使其生长和繁殖。有机质的降解过程如图2.1：有机物+氧+微生物（C. O. H. N. S. P）储备的新营养新细胞物质生物学的非分解物质最终的产物CO2 H2O NH3同化 作用能 量酶 水异化 作用能量O2热图2-1 有机物的好氧分解图2.1.3污泥堆肥的控制参数 机械化好氧堆肥过程的关键，就是如何选择和控制堆肥条件，促使微生物降解的过程能快速顺利进行，一般来说好氧堆肥要求控制的参数有：1）供氧量对于好氧堆肥而言，氧气是微生物赖以生存的物质条件，供氧不足会造成大量微生物死亡，使分解速度减慢；但供冷空气量过大又会使温度降低，尤其不利于耐高温菌的氧化分解过程，因此供氧量一般为0.10.2m3/min，供氧方式是靠强制通风，因此保持物料间一定的空隙率很重要，物料颗粒太大使空隙率减小，颗粒太小其结构强度小，一旦受压会发生倾塌压缩而导致实际空隙减小。因此颗粒大小要适当，可视物料组成性质而定。2）含水率与空隙率在堆肥工艺中，堆肥原料的含水率对发酵过程影响很大，水的作用：一是溶解有机物，参与微生物的新陈代谢；二是可以调节堆肥温度，当温度过高时可通过水分的蒸发，带走一部分热量。水分太低妨碍微生物的繁殖，使分解速度缓慢，甚至导致分解反应停止。水分过高则会导致原料内部空隙被水充满，使空气量减少，造成向有机物供氧不足，形成厌氧状态。同时因过多的水分蒸发，而带走大部分热量，使堆肥过程达不到要求的高温阶段，抑制了高温菌的降解活性，最终影响堆肥的效果。实践证明堆肥原料的水分在5060为宜。空隙率是物料中自由气体空间占总物料体积的百分数，与含水率、物料颗粒的尺寸和物质结构有关。空隙率可反映堆层中的供氧状况，是好氧堆肥重要的工艺参数。空隙率太低，影响堆层中氧气的供给，使好氧转向厌氧。空隙率太高则加大了分散剂的用量，相应影响了污泥的处理量。当物料的空隙率为5154时，堆肥的稳定周期（堆层耗氧速率降至0.01molO2/kg堆肥物hr时的堆肥时间）最短，在此范围之外，过低或过高的空隙率对堆肥都会有影响。由于脱水污泥的含水率较高，故不适宜直接堆肥，需要添加干的膨胀材料进行调节。一方面可以降低堆肥物料的含水率，另一方面也增加了物料的空隙率。常用的膨胀材料有木屑、秸秆、煤渣以及堆肥产品等。3）碳氮比有机物被微生物分解的速度随碳氮比变化，微生物自身的碳氮比约为4-30，因此用作其营养的有机物的碳氮比最好也在该范围内，当碳氮比在10-25时，有机物被生物分解速度最大。如果碳氮比过高，堆肥成品的比值也过高，即出现“氮饥饿”状态，施于土壤后，会夺取土壤中的氮，而影响作物生长。堆肥过程适宜的碳氮比应为2030。 4)碳磷比磷对微生物的生长也有很大影响，城市污水处理厂的污泥含有丰富的磷，可满足微生物生长的需要，堆肥原料适宜的碳磷比为75150。 5）PH值在堆肥过程中，pH值影响微生物的活动，从而对堆肥产生影响。pH值过高或过低，会影响微生物细胞中酶的活性，对微生物的代谢产生抑制。细菌和放线菌的最适pH值为中性或弱碱性，一般城市污水厂污泥的pH值在6.97.5之间故对堆肥的微生物活动没有抑制作用。试验表明，堆肥过程中的pH值在初期有下降的趋势，有时甚至在5以下，然后随着微生物对有机酸的利用，使pH值逐渐上升，堆肥产品的pH值为68。堆肥原料的组成和堆肥中间产物的生成要影响pH值，若原料的pH值太高或太低，则应进行调理（如加入腐熟污泥）。堆肥过程中的pH值变化，与微生物的代谢活动有关，微生物自身可以调整。6）温度温度是堆肥无害化处理的主要因素。较高的堆温可将病原菌和寄生虫（卵）杀死，但温度过高也会使堆肥中的有益微生物活动受到抑制，甚至引起微生物的死亡。 堆肥的温度变化是由微生物对有机物代谢活动产生的热量以及热量的散失引起的，与污泥中营养物质、含水率、通气性、微生物活性等有关，目前对堆肥过程中温度的控制主要是利用通风进行调节。研究表明，温度对微生物参加反应速率的影响表现为，在一定的温度范围内温度升高，反应速度加快；超过这一范围随着温度上升，酶逐渐变性失活，使反应速度降低。7）腐熟度由于堆肥稳定化指标在堆肥工艺研究、工程设计和堆肥产品评价方面起着非常重要的作用，一般用腐熟度表示，国内外学者正在进行深入的研究，力图建立一个合理统一的腐熟度标准。目前衡量腐熟度的方法可分为物理指标、化学指标、生物学指标以及毒理学指标。张所明通过垃圾堆肥试验认为好氧速率作为腐熟度判定依据符合堆肥的生理学原理，并具有良好的稳定性、专一性、可靠性及应用范围广等特点，其中耗氧速率值为0.020.1molO2/min可作为腐熟度的定量化标准。2.1.4污泥堆肥工艺随着科学技术的发展，堆肥技术的理论研究及实际工程应用也日臻完善。目前常用的堆肥工艺主要有：条垛式堆肥、发酵槽（池）式堆肥、筒仓式堆肥和容器式堆肥工艺。下面对典型的堆肥处理工艺作一简单的介绍。1）条垛堆肥工艺条垛堆肥工艺按其有无机械化搅拌装置可分为静态堆肥和动态堆肥两类。 静态堆肥典型的条垛静态堆肥技术亦称中国式堆肥，堆肥物料在经整理后的地面和通风管道系统上，通过强制通风来保证堆肥过程所需的氧气，堆体表面覆盖约30厘米的腐熟堆肥，以减少臭味的扩散及保证堆体内维持较高的温度，整个堆肥周期为34周。动态堆肥动态堆肥处理技术是国外较为传统的堆肥方法之一，有着较为广泛的应用。它采用轮式或履带式机械翻堆的手段使堆肥物料与空气接触而补给氧气。动态堆肥典型工艺流程为用轮式装载机将堆肥物料堆积成三棱形锥体，为保证堆体中的碳氮比和含水率，需先将各种物料进行混合。堆肥过程中堆体温度可达75，通过翻堆机械可保证堆体内的氧气供应，翻堆频率大约为每周两次。翻堆的过程只是将堆肥物料向后甩，整个堆体向后移动几米。整个堆肥过程大约需要23周的时间。2）发酵槽式堆肥工艺发酵槽式堆肥改变了条垛式堆肥的露天堆肥方式，把发酵槽放到了厂房或隧道仓中，堆肥工艺按其处理构筑物形式可分为阳光棚发酵槽和隧道式发酵仓两类。阳光棚发酵槽阳光棚发酵槽方式，利用了阳光棚的透光和保温性能，充分利用充足的太阳能量，提高发酵槽内温度，即使在寒冷的冬天也能保证正常发酵。发酵槽的尺寸一般根据所处理物料量的多少及选用的翻堆设备型号来决定。发酵槽式堆肥使用搅拌式翻堆机、链板式翻堆机、双螺旋式翻堆机和铣盘式翻堆机均可，都是通过翻堆机搅拌并使物料后移。发酵槽底部安装有通风管道系统，通过强制通风来保证堆肥过程所需的氧气。堆肥物料一般在入槽后3天即可达到45，在槽内要求温度55以上持续7天左右，堆肥周期为1215天。隧道式发酵仓隧道式发酵仓堆肥装置是封闭式的。由于把发酵槽做成了相互独立的隧道式结构，像一节矩形断面的隧道，物料在发酵过程和翻堆时产生的一些臭气和粉尘，可以通过废气收集管道抽出并集中进行处理，尽可能减少对环境和人员带来的不利影响。发酵仓的尺寸和数量可以根据所处理物料量的多少来决定。发酵的翻堆作业采用翻堆机或装载机，在发酵仓的底部有通风管道，并通过控制系统向发酵仓内供风。隧道式发酵仓堆肥周期为1215天，堆肥温度可以上升至6070。3)筒仓式发酵仓筒仓式发酵仓为单层圆筒形或矩形，发酵仓深度一般为45米，大多采用钢筋混凝土结构。通常筒仓式发酵仓采取堆肥物料从仓顶加入，螺旋出料机从下部出料，由发酵仓底用高压离心机强制通风供氧，以维持仓内物料的好氧发酵。物料堆肥周期约为1012天。第一家使用筒仓式发酵仓的美国生物技术公司的污泥堆肥厂就建在纽约州首府的污水处理厂，日处理污泥100吨，从1984年建成至今已稳定运行了二十年。国内筒仓式发酵仓主要用在垃圾堆肥厂，无锡、常州、杭州等地堆肥厂均采用此种类型或其改进形式，取得较好效果。筒仓式堆肥装置，在筒仓中分布有曝气管，根据发酵物料的温度、水分等参数的变化，开启风机向发酵仓内曝气或抽出废气。筒仓式与其它堆肥装置相比，具有处理量大、占地面积小、机械化程度高、无二次污染等优点，并可根据处理量的多少，灵活搭配发酵仓的组合。 就城镇污水处理厂而言，堆肥工艺的选择应既满足污泥稳定化、无害化、资源化的要求，又能达到投资及运营成本低、技术工艺成熟、操作管理方便。从国内目前污水处理厂采用好氧堆肥工艺处理污泥的实际情况看，以选择发酵槽（池）式堆肥工艺的居多，其次是选择条垛式堆肥工艺。目前世界各国采用的堆肥方法主要有条垛堆肥、静态通气堆肥和反应器堆肥。2.1.5 污泥好氧堆肥的优缺点优点产品生物活性高，维生素丰富,酶活产量高。能最大幅度地转化非蛋白氮为真蛋白。蛋白含量因物质损耗而得以浓缩和提高。发酵时间短(13 d) 。培养物易于干燥。缺点投资相对较大。杂菌难以控制，易产氨味，卫生条件要求严格。物质损耗大(好氧呼吸) ，损耗达8 %20 %。劳动强度大，管理复杂。占地面积大。有可能发酵失败，技术风险大。原料一般要求蒸料灭菌处理。2.2污泥的土地利用土壤乃万物之源，土壤资源的可持续利用是人类社会发展的重要物质基础。污泥源于土壤，从自然界的循环观点来看，污泥的最终归宿应是土壤；从土壤养分的观点来看，污泥中含有大量植物生长所需要的元素，其成分也与土壤接近，并在很多方面优于土壤，所以无论从土壤学还是植物学方面考虑，污泥的土地利用都是一种资源化的利用途径。国家鼓励符合标准的污泥进行土地利用。污泥土地利用应符合国家及地方的标准和规定。污泥的土地利用可以有多种方式，例如污泥农用、污泥的林地利用、污泥用作草皮基质、污泥用于荒废矿山等，鼓励符合标准的污泥用于土地改良和园林绿化，并列入政府采购名录。允许符合标准的污泥限制性农用。2.2.1污泥的林地利用污泥的林地利用包括在森林、园林绿地、市政绿化、高速公路的隔离带、育苗基质、高尔夫球场、草坪等非食物链植物生长的土地施用，其可促进树木、花卉、草坪的生长，提高其观赏品质，并且不易构成食物链污染的危害。因此，污泥的森林与园林绿地利用是一种很有前途的利用方式。污泥用于园林绿化时，泥质应满足城镇污水处理厂污泥处置 园林绿化用泥质（CJ248）的规定和有关标准要求。污泥必须首先进行稳定化和无害化处理，并根据不同地域的土质和植物习性等，确定合理的施用范围、施用量、施用方法和施用时间。在我国，城市园林绿化事业的蓬勃发展，需要大量的苗木花卉草坪基地。而污泥堆肥用于花卉苗圃，一是可以改良土壤，增加土壤有机质和养分；二是促进苗木和花卉生长；三是污泥中的一些重金属和有害物质不进入食物链，同时树木园林花卉对重金属和有害物质有一定的净化功能。当前我国正进行大规模生态建设，大面积植树种草，污泥堆肥用于城市园林绿化和防护林建设是最合适的途径。张天红在陕西省长安县南五台林场，对杨树、泡桐和油松林施用不同量的污泥，一年后与对照相比，施污泥的树木树高和树茎随污泥施用的增加而增加；土壤100120cm中硝态氮的含量小于30mg/kg，未引起地下水的污染；重金属积累于表层，未向下层迁移。尽管污泥林地利用比农田土壤优越得多，但同样存在着寄生虫卵污染、重金属残留富集和硝酸盐淋失等问题。污泥堆肥后施用，寄生虫卵的问题基本消除，但堆肥后重金属并未减少，施入土壤后仍会留在土壤中。一般讲，pH值越小，重金属活动越强，所以改变土壤条件，可控制重金属的危害。石灰性土壤为微碱性，重金属的活动性就很小。目前，污泥林地利用时应采取的措施有：（1）把污泥制成有机无机复合肥料，适当添加钾肥补充污泥肥料中钾的不足，以提高肥效、降低运输成本、减少有害物的含量；（2）在经济政策上给予使用污泥复合肥的单位或个人优惠，如免费提供试用肥料样品，免费为施用污泥复合肥料的区域或地块作土壤营养状况分析等。2.2.2污泥的农业利用污水污泥中含有大量有机质、氮、磷等植物营养成分，有机质含量的达2040，全氮含量达28，全磷（P2O5）含量达1.55，它是一种兼容堆肥与化肥之优点的特殊高效肥料。有人估计，将全美国的污泥用于农田，相当于施入140万吨氮、30万吨纯磷和4060万吨纯钾，其价值相当于1亿美元的商品化肥。正因如此，污水污泥表现了良好的增产效果。另一方面，由于污水污泥中含有大量有机质，明显起到了促进土壤团粒结构的形成、改良土壤物理性质的作用。污水污泥中富集有各种重金属元素，其中有许多是对植物有益的而且往往是土壤所缺乏的微量元素，如Zn、B、Mo、Fe、Mn等，这些元素进入土壤对植物生长有利；另一些是有害的元素如Hg、As、Cd、Pb、Ni等，植物过量摄入后可能通过食物链造成对人体的不良影响。对于以处理工业废水为主的污水处理厂，世界各国对重金属的排放都在严格控制，使这种污水污泥中的重金属含量在一般情况下，不致超标。而污水污泥的臭味、寄生虫、病原菌等有害成分可通过高温堆肥或热干化等多种方法加以消除。目前，日本已将约50的污泥用于农田，其中一半为脱水污泥（7080的含水率）。就施用情况看，旱地约占49，牧地与草地占33，绿地占9，果园占3，其他占6，水田几乎没有应用。近年来，我国对污水污泥的农业利用进行了不少的研究工作，其中包括污泥对农作物的增产效果和对土壤作物与人体健康的影响。随着研究的逐步深入，污泥的农业利用也日渐广泛。污泥农用时，污泥必须进行稳定化和无害化处理，并达到农用污泥中污染物控制标准（GB4284）等国家和地方的有关农用标准和规定。污泥衍生产品应通过场地适用性环境影响评价和环境风险评估，并经有关部门审批后方可实施。污泥农用应严格控制施用量和施用期限。2.2.3污泥用作草皮基质草坪建设是城市现代化的重要标志，它对绿化城市，保护环境和生态平衡起着重要的作用。但是目前我国草皮的生产还存在着诸多空白，无法满足草皮生产的需要，其中草皮基质的研制和供应不足是重要的限制因素之一。在草皮生产中，为保证质量，生产草皮的土壤必须理化状良好，每完成一次草皮生产过程，至少要铲去2cm以上的熟土，连续的34次操作，肥沃的农田即遭到破坏。污泥中含有大量的有机质和植物生长所需的营养元素，将污泥经适当处理后可杀灭病原菌和寄生虫，消除臭味，而且由于生物的降解作用，使污泥中的养分更容易被植物吸收利用。污泥适当处理用作草坪栽培基质，不但避开了食物链，同时又解决了污泥的出路问题，而且对于城市的草坪业发展（尤其是草皮卷生产）也将起到一定的推动作用。李艳霞等人对污泥堆肥用作草皮基质做了研究，得出以下结论：1）采用城市污泥堆肥作草皮基质，可以明显促进黑麦草的生长。施用1470t/hm2的污泥堆肥，能够提高黑麦草生物量及促进其根系生长，草坪的密度和盖度明显提高。2）用城市污泥堆肥作为基质可以使黑麦草叶片对氮的吸收显著增加，特别是黑麦草生长后期，其叶片中氮和叶绿素的含量明显高于化肥对照处理，草坪草的品质达到一级水平。3）城市污泥堆肥基质，可以提高土壤速效氮和速效磷的含量，有利于改善草坪的土壤肥力，但是对土壤中速效钾的含量无显著性的影响。4）采用城市污泥堆肥作为草坪基质，可以拓宽城市污泥的处置途径，降低草皮生产成本，而且也有利于保护耕地和提高土壤肥力，是一条经济可行的途径。2.2.4污泥在矿山废弃地复垦上的利用我国人口众多，土地资源短缺，每年由于采矿等各种原因使土地资源不断减少，人多地少的矛盾日益突出。然而，人们可以通过对矿山废弃地进行有效的复垦，从而可以在一定程度上缓解这种矛盾。影响复垦效果的关键因素之一是施肥，主要是有机肥。城市污泥作为一种废弃物，虽然含有一定的污染物，但它同时也是一种良好的有机肥料资源。矿山废弃地是指在采矿活动中所破坏的、不经一定处理便无法使用的土地。它包括，由剥离表土、开采的岩石碎块和低品位矿石堆积而成的废石堆弃地；矿体采完选出精矿以后留下的采空区和塌陷区形成的采矿坑废弃地；开采出的矿石经选出精矿后产生的尾矿堆积形成的尾矿废弃地；采矿作业面、机械设施、矿山辅助建筑物和道路交通等先占用后废弃的土地。城市污泥在矿山废弃地复垦上的应用有如下几个方面：1）改良矿山废弃地的理化性质和防治水土流失。土壤的特性，尤其是透水性、抗蚀性、抗冲性对水土流失有很大影响。由于城市污泥的上述特性，施用城市污泥有机肥能迅速有效地提高矿山废弃地的有机质含量和改变其结构性能，从而达到防治水土流失的目的。2）有利于迅速有效地恢复植被。植被在水土保持中起着重要作用，表现在拦截雨滴、调节地面径流、固结土地和改良土壤性状等方面。植被保护土壤免受侵蚀的能力，不仅取决于其密度或厚度，而且大部分氮磷是有机结合态的，经矿化后易被植物吸收。因而通过施用城市污泥有机肥来恢复植被，既能迅速供肥，又能持久供肥。3）有利于提高矿山废弃地中微生物的活动性。土壤环境的改善为土壤微生物的活动提供了条件。土壤微生物活动又反过来进一步促进土壤肥力的提高。施用城市污泥，一方面是输入了大量的有机质和矿质养料，有利于促进土壤中原有微生物的活动和繁殖；另一方面又因为其本身主要是由微生物群体组成的活性污泥（1g污泥含有细菌高达数万亿个），从而直接地大大提高了土壤中的微生物数量。污泥用于盐碱地、沙化地和废弃矿场等土地改良时，泥质应符合城镇污水处理厂污泥处置 土地改良泥质（CJ/T291）的规定；并应根据当地实际，进行环境影响评价，经有关主管部门批准后实施。2.3污泥建筑材料综合利用有条件的地区，应积极推广污泥建筑材料综合利用。污泥建筑材料综合利用是指污泥的无机化处理，用于制做水泥添加料、制砖、制轻质骨料和路基材料等。污泥建筑材料利用应符合国家和地方的相关标准和规范要求，并严格防范在生产和使用中造成二次污染。2.4污泥填埋不具备土地利用和建筑材料综合利用条件的污泥，可采用填埋处置。国家将逐步限制未经无机化处理的污泥在垃圾填埋场填埋。污泥填埋应满足城镇污水处理厂污泥处置 混合填埋泥质（CJ/T249）的规定；填埋前的污泥需要进行稳定化处理；横向剪切强度应大于25KN/m2；填埋场应有沼气利用系统，渗滤液能达标排放。3 污泥堆肥的适用性与可行性3.1 适用性3.1.1污泥重金属要符合污泥农用标准在污水处理过程中通过污泥的吸附、沉淀和浓缩，使得污泥中富集了污水中的各种重金属，所以在考虑污泥农用时，首先必须考虑污泥中重金属的安全性，也就是必须符合农用污泥中污染物控制标准（GB4284-84）。城镇污水处理厂所处理的污水，一般为居民生活和城镇工业的混合污水。随着城市化发展进程的加快和城市区域经济的分工细化，一般意义上的城镇污水处理厂以处理居民生活污水为主，即使有少部分的工业污水，也随着工业污水不断达标处理，工业污水中的有毒有害物质不断减少。今后随着城市第三产业比重的不断加大和居民生活质量的不断提高，生活污水比重逐步提高，因而污水处理厂所产生的污泥中氮、磷和有机质成分不断提高，重金属含量不断下降。下表列出了国内部分污水处理厂污泥重金属含量与农用标准对比。表3-1 国内部分城市污水厂的污泥重金属含量（mg/kg以干污泥计）重金属及有毒物质AsCdCrCuNiPbZnHgB矿物油太原杨家堡9.70.9514517426.269.58317.410.0146上海曲阳净化厂11.72.5423.228242.672.521103.08上海长桥净化厂28.92.6434.5284.734.993.118302.491248天津纪庄子17.9556548620066913558.5国家污泥农用标准酸性土壤755600250*100300500*51503000中性及碱性75201000500*20010001000*151503000*城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）将Cu和Zn的限制标准调整为800/1500和2000/3000 mg/kg。由表3-1可以看出，一般的城市污水处理厂污泥有害成分是比较低的，除铜和锌含量略高于标准外，其余的元素均远低于标准。因此，城镇污水处理厂的污泥采用好氧堆肥之后土地利用是适宜的，也是安全的。3.1.2 有便利的辅料供应和产品市场条件污水处理厂的脱水污泥含水率一般在75%以上，直接堆肥是不可能的，因此，要加入一些辅助材料，比如秸秆粉、木屑等膨松剂调节水分，增加孔隙度。在大城市中如果要解决这样一些辅助材料的供应、运输和储存等问题是有一定困难的，但对于中小城镇却是便利的，可以很容易地就近找到这些材料。对于不同地域的城镇来说，可以因地制宜选择一些能长期供应和数量充足的材料，比如秸秆粉、稻壳、木屑、菇渣、蔗渣等废弃物，充分利用当地丰富的种植农业和养殖业有机固体废物做辅料资源。目前全国各地农业生产中产生大量的作物秸秆，规模化的畜禽养殖业产生大量的畜禽粪便，生产加工业产生大量的稻壳、木屑、菇渣、蔗渣等废弃物。农村和城镇这些废弃物的利用途径还很有限，利用率还很低，还存在焚烧秸秆、乱排畜禽粪便等现象。不仅浪费资源而且污染大气环境，畜禽粪便排放造成水体环境污染、大气恶臭污染和有害病原菌微生物污染。利用城镇污水处理厂污泥与作物秸秆或其它废弃物好氧堆肥，既解决了污泥问题，又生产了微生物活