陳同斌　黃啟飛　高定　李艷霞　黃澤春　鄭玉琪　羅維　鄭國砥　金燕　趙莉　徐偉樸
（中國科學院地理科學與資源研究所環境修復室）

　　隨著我國人口和經濟的增長，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迅速增多。按照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。由于我國至今仍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了污水處理廠的沉重負擔，甚至導致嚴重的二次污染問題，以致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，其余兩種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”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“城市污泥堆肥化及其復合肥生產成套技術”，并進行了中試，生產的復合肥產品已通過權威機構的質量認證。

1　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、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。對我國1994～2001年期間排放的60個城市污泥樣品的系統統計分析表明，我國城市污泥中的重金屬含量普遍低于英美發達國家，而且其中的重金屬含量呈現逐漸降低的趨勢；在各種重金屬中，Cd、Zn活性最高，Pb活性最低，如果與美國國家環保局制訂的城市污泥農用標準進行對比，則我國城市污泥的重金屬全部都沒有超標；我國現行的農用污泥污染物控制標準不盡合理，需要根據新的研究成果進一步修訂和完善，以控制城市污泥土地利用的重金屬污染風險，推動城市污泥的資源化和無害化。

2　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。

3　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）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。
　　圖2是采用上述工藝進行堆肥時，高溫殺菌階段的堆體溫度分布曲線。從該圖可以看出，堆體的大部分區域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。因此，采用本工藝進行無害化處理，合格率堆肥 產品的生產效率很高。

　　圖3是采用我們設計的CTB快速堆肥系統進行堆肥的溫度動態監測結果。從圖中氣溫的變化曲線可知，即使在冬季氣溫達到零下5°C的情況下，堆肥過程仍可正常進行，而且能按照我們設計的、以55°C為臨界溫度（美國國家環保局規定的高溫滅菌臨界溫度）的控溫要求，在達到55°C的高溫滅菌階段形成一個良好的平臺，使溫度在55°C左右維持5～6天，一方面可以避免過高的溫度對有益的耐高溫微生物的傷害，同時有防止溫度太低而達不到滅菌效果。
　　氧氣是反應堆肥過程中微生物活動狀況的最直接的參數，實時在線監測堆體中氧氣的濃度，可以適時地根據堆體中氧氣的變化調節通風充氧狀況，及時供給微生物活動需要的氧氣，避免厭氧環境的產生。圖4采用我們自行開發的堆肥氧氣在線監測系統對堆肥過程不同階段的堆體氧氣含量的監測結果，結果表明在堆肥溫度上升期氧氣消耗最快，達509mgO₂／kg.s，其次是高溫期和脫水期，而腐熟期最慢。

　　　

4　城市污泥生產有機肥和有機無機復合肥的技術特色

　　雖然從技術路線的角度分析，城市污泥含有大量養分物質，可以替代復合肥生產中的氮磷化肥和填充劑等原料，但是在實際中往往由于城市污泥的含水量太高、物理性質不良和影響作物發芽等原因而無法直接用于復合肥生產。通過多年研究，我們解決了產業化中的相關技術難題，并取得下述8項重要技術創新：
　　（1）開發出強制通風靜態倉高溫好氧堆肥技術，攻克了城市污泥堆肥中的滅菌、穩定化、脫水、除臭等技術難題，可以通過微生物的快速繁殖來達到快速脫水、滅菌、穩定化、除臭和殺滅雜草種子的效果。
　　（2）開發出強制通風靜態倉高溫好氧堆肥的專用調理劑，不僅可以加速堆肥過程，實現調理劑的循環利用，而且可以起到一定的除臭、脫水等效果。
　　（3）開發出計算機自動測控系統，根據對堆肥過程的實時、在線檢測，對堆肥過程中的微生物活動進行工業化自動控制，保證堆肥產品的質量及其穩定性。
　　（4）開發出堆肥自動測控計算機軟件（Compsoft）（軟件登記號：2001SR0529），除可以對堆肥過程進行自動測控之外，還可以進行堆肥過程的故障檢測和診斷，使依靠經驗的傳統堆肥技術實現工業化和“傻瓜化”方向發展，方便普通用戶的操作，降低堆肥過程的技術風險。
　　（5）開發出與堆肥自動測控系統相配套的傳感器，尤其是解決了探頭本身的傳熱導致測定結果不準等問題，其測定精度和耐腐蝕能力等主要技術指標優于國外同類產品。
　　（6）開發出可用于優化堆肥工藝參數的堆肥氧氣在線監測系統。
　　（7）搜集了1980年以來國內同行所做的5000多個田間試驗結果，建立了“中國肥料――產量效應數據庫（Fertbase）”，可以針對我國不同地區的作物和土壤養分情況，有針對性地設計出最佳的專用復合肥配方，以提高肥效和減少養分損失。
　　（8）獲得了高溫好氧堆肥工藝及配套工程技術的優化參數，使堆肥的占地面積和耗電量分別相當于國外同類技術的1/3～2/3和1/10～1/20，每噸城市污泥的無害化處理總成本（每噸約15～20元）僅為國外同類技術的1/5～1/20。
　　（9）在近30種作物上進行了不同規模的產品效果試驗，對污泥復合肥農林地施用的肥效和環境影響進行了系統的評價，并解決了產品用于糧食、蔬菜、園林、花卉的配套技術。

5　肥料產品的質量認證

　　用本技術生產的有機肥和有機―無機復合肥產品完全符合國家標準的。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（表3）。
　　對比試驗表明：如果脫水城市污泥直接農用，蔬菜（生菜）種子的發芽率僅為40～50%，同時還使生菜的葉緣出現嚴重的燒苗癥狀；施用采用本技術生產的有機-無機復合肥，生菜的發芽率為95～105%，而且沒有出現任何燒苗癥狀。

表3 用城市污泥生堆肥生產的有機―無機復合肥的質量檢測結果

檢測項目

檢測結果

標準值

參照標準及檢測機構

養分和有機質

總氮（N）

16.8%

≥ 4.0%

GB15063－94

（國家化肥質量監督
檢驗中心檢測）

總磷（P₂O₅）

12.5%

≥ 4.0%

總鉀（K₂O）

8.5%

≥ 4.0%

總養分（N＋P₂O₅＋K₂O）

37.8%

≥ 25.0%

水溶性磷（P₂O₅）

10.5%

無

水溶性磷占有效磷的比例

84%

≥ 40.0%

有機質總量

44.4％

無

中國農業科學院
土肥測試中心檢測

重金屬

砷（As）

8mg／l

≤75mg／l

GB4284－84
（中國農業科學院
土肥測試中心檢測）

鎘（Cd）

2mg／l

≤5mg／l

鉛（Pb）

42mg／l

≤300mg／l

鉻（Cr）

42mg／l

≤600mg／l

病原菌

大腸菌群

陰性

≤1000個/克

GB7959－87
（農業部微生物肥料
監督檢驗測試中心檢測）

蛔蟲卵死亡率

未檢出

95～100%

發芽率

95～105%

無

中國科學科院地理所

6　肥料產品的應用

　　幾年來，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。

表4 用城市污泥堆肥生產有機－無機復合肥的應用效果

作物類型

供試作（植）物名稱

應用效果

糧食作物

小麥、玉米

增產15～25％

大棚、大田蔬菜

油菜、芹菜、茄子、菜花、茼蒿、萵苣等

增產10～24％

草坪草和草皮

黑麥草、早熟禾、紫羊茅、剪股穎等

綠色期延長，抗性增強

家庭和苗圃花卉

龜背竹、君子蘭、細椰子、富貴竹等

花期延長，提高花質

園林綠化樹木

國槐、白蠟、油松、泡桐、楊樹等

高度增加，地莖增大

　　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。河北省的田間試驗表明，該復合肥的供肥時間相對延長2～4個月。
　　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。

7　肥料產品對作物衛生品質的影響評價

　　從表5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，即便是在像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5 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

試驗類別

處理

重金屬含量（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

污泥復合肥

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

市售復合肥

1.15ba

2.57a

0.0014a

污泥復合肥

1.02b

2.58a

0.0012a

大田萵筍

空白

1.32a

3.00b

0.0041a

化肥

1.44a

2.93b

0.0040a

市售復合肥

1.33a

3.10b

0.0046a

污泥復合肥

1.32a

3.45a

0.0044a

國家食品衛生標準^[11]

≤ 10

≤ 20

≤ 0.05

　　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。

8　結語

　　通過本專題的技術研究，開發出適合我國國情的城市污泥高效低耗堆肥與復合肥生產成套技術。這一技術可以為解決污水處理廠的污泥處置及出路問題提供一條經濟可行的新途徑，實現城市污泥的穩定化、無害化，使城市污泥變廢為寶，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，因此具有較良好的環境效益、經濟效益和社會效益。