污泥堆肥技術現狀及應用中需注意的問題

王 濤

（1.機械科學研究總院環保技術與裝備研究所，北京 100044；2.機科發展科技股份有限公司，北京 100044）

1 堆肥技術概述

1.1 起源與發展

堆肥是指在人工控制下，在一定的水分、C/N和通風條件下通過微生物的發酵作用，將有機廢棄物轉變為近似土壤特征物質的過程。堆肥有著悠久的歷史：我國公元6世紀就出現了“踏肥”，即廄肥的生產和利用；1591年就出現了“蒸糞法”，即堆肥的積制利用方法；1633年就開始了“釀糞法”，即漚肥的積制利用方法。

真正對堆肥技術進行科學的研究始于20世紀初。1920年，英國農學家Howard在印度提出了Indore法，包括堆肥基質配方和操作程序。1925年Bangalore在Indore法基礎上優化改進形成Bangalore法，即將固體廢物和人糞肥分層交替堆積，并使翻堆頻率由1到2次變為多次翻堆。1931年荷蘭出現了Van Mannen法；1933年在丹麥出現了Dano法堆肥工藝；1940年，Earp.Thomas在美國取得了立式多段發酵塔堆肥專利；此后又相繼出現了Frazer Eweson法、Jersey法、Naturizer法、Varro法等。在近幾十年堆肥技術工業化、機械化發展的趨勢中，將固定發酵槽和翻堆攪拌設備相結合的動態發酵槽技術最具代表性，代表工藝有Fairfield Hardy法、Snell法、Metro-Wasfe法、Tollemache法等。

機械化堆肥技術被廣泛應用于發達國家污泥處理處置過程，其中美國、加拿大、英國等國超過半數的市政污泥采用機械化好氧堆肥工藝進行處理。在我國，機械化污泥堆肥技術的應用起步較晚。20世紀90年代，在國家“九五”重點科技攻關計劃（課題編號：KF-91-10-01/02）的支持下，建成了我國第一座市政污泥機械化堆肥項目—唐山西郊污水處理廠污泥堆肥項目，形成了中國自主知識產權的第一代污泥堆肥核心工藝與裝備。之后北京、太原、煙臺、洛陽、秦皇島、鄭州、長春等城市建設了一批機械化堆肥項目，尤其是2012年投運的沈陽市污水處理廠1000t/d污泥堆肥項目，創造了目前世界上同類技術處理規模之最，也使得中國的機械化污泥堆肥技術迅速接近并看齊國際先進水平。

1.2 堆肥工藝原理

堆肥分為厭氧堆肥和好氧堆肥兩類，目前工業化堆肥主要是指好氧堆肥，也稱高溫好氧發酵。污泥堆肥的原理是在人工控制下，在一定的水分、碳氮比和通風條件下通過微生物的發酵作用，將污泥中的有機物轉化為腐殖質的過程。其實質是污泥中的有機物在微生物的作用下，通過生化反應實現轉化和穩定化的過程（見圖1）。

1.3 堆肥工藝分類

按照堆肥物料堆積形狀和發酵設施形式可分為：條垛式、槽式、容器式，以及近幾年新出現的隧道倉式等。按照物料狀態可分為動態（總體推流式）、靜態（總體批序式）。目前在國內已經工業化應用的系統均屬于上述分類，如IPS系統屬于動態槽式技術，SACT系統屬于動態隧道倉式技術，CTB系統屬于靜態槽式技術，膜覆蓋系統屬于靜態條垛式技術。

圖1 好氧堆肥原理簡圖

1.4 國內應用實例

國內保持運行狀態，且具有機械化、工業化特點的的大型污泥堆肥項目（設計處理規模在200t/d以上）主要有以下幾個（注：按照投產年代排序，部分不具代表性的項目未納入）。

1.4.1 北京龐各莊污泥消納廠項目

該項目是首個獲國債資金支持的污泥處理處置項目，一期處理能力150～200t/d（含水率80%），采用晾曬翻堆工藝。項目占地13.2公頃，其中露天堆肥場的總面積為38,000m2，污泥堆肥條垛指標：垛高1.5～2m，垛底寬6～8m，垛頂寬4～6m，垛長60m。工程總投資2600萬元。該項目于2002年7月1日投入試運行。發酵產物部分作為園林綠化營養土銷售，部分作為肥料基質使用銷售。

2007年8月，龐各莊改擴建工程批復實施，項目設計總處理規模增至518t/d（含水率80%），采用動態條垛式好氧堆肥工藝。好氧發酵設計停留時間30～40d；配備3臺17.50翻堆設備，柴油機最大功率209kW，起混合攪拌和倒垛功能，未設曝氣系統和臭氣收集系統。

鑒于原設計處理效率和除臭等方面存在先天不足，2011年，啟動龐各莊再次改造項目可行性研究工作，改建后將形成機械化封閉處理能力600t/d。

1.4.2 洛陽瀍東污水處理廠污泥處理工程

該項目是瑞典政府貸款項目，一期處理能力228t/d（含水率80%），采用動態條垛式好氧堆肥工藝。好氧發酵設計停留時間15d；配備2臺16.43翻堆設備，起混合攪拌和倒垛功能，未設臭氣收集系統。項目占地12.6公頃，其中發酵車間建筑面積為7776m2，凈高9m。工程總投資6434萬元。該項目于2007年12月投入試運行。發酵產物部分作為園林綠化營養土銷售，部分作為肥料基質使用銷售。

鑒于原設計處理效率和除臭等方面存在先天不足，2012年，啟動了二期改造工作，改建后將形成機械化封閉處理能力400t/d，并徹底解決臭氣收集處理問題。

1.4.3 秦皇島市綠港污泥處理廠

該項目設計規模200t/d（含水率80%），采用靜態槽式好氧堆肥工藝。發酵槽長35m、寬5m、深2.2m（物料有效深度1.8m，其中包括0.3m輔料覆蓋層）；共設置20座發酵槽，好氧發酵設計停留時間20d；配備1臺30kW翻堆設備，起混合攪拌作用但不能實現倒垛功能，進出槽采用有人駕駛工程車輛；曝氣系統采用羅茨鼓風機一供三形式（電磁閥切換），設計曝氣強度0.1～0.3m3/m3·min；設置除臭系統，終端采用生物除臭濾池，設計處理能力10萬m3/h。

項目占地面積約3.3公頃；工程總投資約5200萬元，處理成本為142元/t，直接運行成本108元/t。項目于2008年6月開工建設，2009年4月投入調試運行階段。發酵產物主要作為園林綠化營養土使用。

1.4.4 鄭州市八崗污泥處理廠

該項目設計規模600t/d（含水率80%），采用靜態槽式好氧堆肥工藝。發酵槽長33m、寬4.5m、深2.2m（物料有效深度2m）；設置兩座堆肥車間共132座發酵槽，好氧發酵設計停留時間21d；配備2臺LT45 20DC翻堆設備，柴油機最大輸出功率261kW，起混合攪拌作用和倒垛功能，進出槽采用有人駕駛工程車輛；一期（100t/d）曝氣系統采用羅茨鼓風機一供三形式（電磁閥切換），設計曝氣強度0.22m3/m3·min；后期采用離心通風機一供一形式，設計最大曝氣強度0.4m3/m3·min；設置除臭系統，終端采用生物除臭濾池，生物濾池表面負荷為0.022m3/m2·s，濾料高度1.5m。

項目占地面積約26.5公頃；工程總投資約2.575億元，直接運行成本140元/t。項目于2008年12月開工建設，2009年9月一期（100t/d）投入運行，一期（剩余200t/d）2010年9月投入運行，二期（300t/d）2011年底投入運行。發酵產物主要作為園林綠化營養土、填埋場覆蓋土使用，少量作為有機肥料使用。

1.4.5 長春市污水處理廠污泥處理處置工程

該項目設計規模400t/d（含水率80%），采用靜態槽式好氧堆肥工藝。好氧發酵車間共有72座發酵倉，設計停留時間24d（前14d靜態曝氣，后10d翻堆3～4次）；配備2臺110kW翻堆設備，起混合攪拌作用但不能實現倒垛功能，進出槽采用有人駕駛工程車輛；曝氣系統采用羅茨鼓風機一供三形式（電磁閥切換），設計曝氣強度0.1～0.3m3/m3·min；該項目采用水源熱泵系統為車間供暖，設計室內溫度5℃。設置除臭系統，終端采用生物除臭濾池，設計處理能力14.7萬m3/h。

該項目占地面積約11.34公頃；工程總投資約17,843萬元，直接運行成本約110元/t。項目于2009年5月開工建設，2010年10月200t/d能力投入運行。發酵產物主要作為營養土、復合肥原料、育苗基質、草坪基質等使用。

1.4.6 唐山城市污泥處理項目

該項目設計規模400t/d（含水率80%），采用動態隧道倉式好氧堆肥工藝。發酵倉長45m、寬5m、高7m（物料有效深度2m）；建筑物采用雙層發酵倉結構形式，共設置32座發酵倉，好氧發酵設計停留時間14d；配備4臺F5·110筒式翻堆設備，起混合攪拌和倒垛作用，進槽采用組合式皮帶布料機，出槽采用皮帶輸送機；曝氣系統采用離心式通風機一供一形式，設計最大曝氣強度0.4m3/m3·min，并在倉壁內設置溫度傳感器，可以與對應風機聯動；設置除臭系統，終端采用生物除臭濾池，設計處理能力19.2萬m3/h。

該項目占地面積不足1公頃（其中發酵車間占地面積約4500m2）；工程總投資約8500萬元，直接運行成本70～80元/t。項目于2011年9月試運行投產。發酵產物部分作為園林綠化營養土銷售，部分作為有機-無機復混肥料基質使用銷售。

1.4.7 沈陽市污水處理廠污泥處理項目

該項目是目前已投入運行世界最大的污泥機械化堆肥項目，設計規模1000t/d（含水率80%），采用動態槽式好氧堆肥工藝。發酵槽長90m、寬3.05m、深2.5m（物料有效深度2.4m）；共設置96座發酵槽，好氧發酵設計停留時間22d；配備8臺Wide3.0翻堆設備，起混合攪拌和倒垛作用，進槽采用皮帶式布料機，出槽采用出料皮帶式輸送機；曝氣系統采用分段曝氣形式，每座發酵槽由6臺離心式通風機正壓供風，設計最大曝氣強度0.3m3/m3·min；設置除臭系統，終端采用生物除臭濾池，設計處理能力140萬m3/h。

項目占地面積約13公頃；工程總投資約3億元，直接運行成本80～100元/t。項目于2011年7月開工建設，2012年8月開始進泥調試，2013年6月達產運行。發酵產物作為園林綠化營養土，或送至電廠混燒。

1.4.8 天津張貴莊污水處理廠污泥堆肥項目

該項目設計規模300t/d（含水率80%），采用動態槽式好氧堆肥工藝。發酵槽長84m、寬3.05m、深2.5m（物料有效深度2.4m）；共設置20座發酵槽，好氧發酵設計停留時間21d；配備2臺Wide3.0翻堆設備，起混合攪拌和倒垛作用，進槽采用皮帶式布料機，出槽采用出料皮帶式輸送機；曝氣系統采用分段曝氣形式，每座發酵槽由4臺離心式通風機負壓供風，設計最大曝氣強度0.3m3/m3·min；設置除臭系統，終端采用生物除臭濾池，設計處理能力12萬m3/h。

項目占地面積約1.95公頃；項目于2011年8月開工建設，2012年底開始進泥調試。發酵產物作為園林綠化營養土。

國內主要的的污泥堆肥項目概況見表1。

2 堆肥處理過程應注意的問題

表1中的8個項目共涉及4個工藝類型，也是目前我國污泥堆肥主流的技術類型：1）動態條垛工藝—BACKHUS系統，項目2個，均建于2007年前；2）靜態槽式工藝—CTB系統等，項目3個，均建于2009～2010年間；3）動態隧道倉式工藝—SACT系統，項目1個，建于2011年；4）動態槽式工藝—IPS系統，項目2個，均建于2012年。

從總體發展看，傳統條垛工藝僅在大型堆肥項目剛起步時采用，后期倉/槽式堆肥技術已經完全取代條垛式堆肥技術成為大型堆肥項目的主流技術，主要原因是除臭越來越成為項目關注的目標。其它三種類型工藝主要技術參數對比見表2。

2.1 工藝類型的選擇

（1）靜態槽式工藝，自動化水平偏低，且設備翻堆功率和曝氣強度均較低，設備依賴性低，但輔料添加比例較高，適用于以穩定化、資源化為目標的中小型污泥堆肥處理項目。

（2）動態隧道倉式工藝，占地面積、除臭風量最低，但設備依賴性最高，適用于占地面積緊張，除臭要求嚴格的各種規模的污泥堆肥處理項目。

（3）動態槽式工藝，設備依賴性適中，輔料添加比例較低，適用于對可靠性要求較高但用地充裕的大型、超大型污泥堆肥處理項目。

表1 我國主要污泥堆肥項目概況

表2 三種工藝類型的主要參數（平均值）匯總

2.2 設計處理規模與實際處理規模

從實際運行情況可知，堆肥項目設計處理規模與實際處理規模一般存在差距，最大差距可達40%，這主要是由于設計“基準點”選取誤差造成的：系統處理能力最主要的因素取決于除水能力，而作為強制通風堆肥系統外界氣溫與濕度直接影響到除水效果，冬季與夏季差異尤為明顯。選取最不利的冬季氣候參數還是最有利的夏季氣候參數作為設計依據，或者“基準點”取在兩者之間的哪里，將極大影響投資和運行成本分析。解決這個問題的方法有：

（1）冬季采暖，使發酵系統工作環境接近于正常工作條件；

（2）冬季降低處理量，設置污泥臨時儲存地，待夏季提高處理量后消納這部分污泥；

（3）冬季降低處理量，剩余部分污泥采用臨時措施消納，如靜態條垛、石灰干化等方法。

2.3 通風設計與臭氣控制

目前大部分堆肥系統的除臭設計按照換氣次數計算通風換氣量，存在較大誤差，這是因為堆肥過程中的通風系統主要起移除水分的作用，而非一般車間的換氣功能，因此無論曝氣還是引風過程，均應充分考慮在熱量平衡前提下的水分移除能力需滿足設計要求，最后的結果可用換氣次數加以校核。

早期曝氣風源采用的羅茨風機多考慮其出風溫度較高，熱量可以有效利用，但由于效率較低且存在一些無法避免的技術問題，后期多被離心通風機取代。

2.4 自動化與可靠性

自動化水平的提高可以節省人力并降低安全事故發生的機率，但由于污泥堆肥物料的復雜特性，自動化系統的可靠性多受質疑，由表2可以看出超過60%的項目采用有人駕駛設備進行發酵過程操作。尤其是近期投產的唐山、沈陽、天津項目的發酵過程實現了無人操作，為后續項目提供了借鑒經驗。

總體上，200t/d以上的項目應重點考慮自動化程度，為項目的經濟性和人員的安全性提供保障。

2.5 減量化與穩定化

在項目發酵周期方面，上述項目從14d到40d，有些設計者基于穩定化目的按照20d或者以上考慮。實際上僅就減量化目的而言，在通風系統設計合理的情況下，14d即可滿足含水率降至40%的要求。而就穩定化目的來講，添加含有大量纖維、木質素成分的輔料，在20d甚至更長時間也無法實現徹底穩定化。

比較經濟的做法應在一次發酵后設置堆場，將一次發酵產物堆置一段時間并完成二次升溫后，可視為腐熟物料。

3 堆肥處置過程應注意的問題

根據《城鎮污水處理廠污泥處理處置技術指南（試行）》（住房城鄉建設部、國家發展改革委，2011年3月）給出的高溫好氧發酵（好氧堆肥）相關推薦處置技術路線：

（1）脫水→高溫好氧發酵→土地利用（用于土壤改良、園林綠化、限制性農用）；

（2）脫水→高溫好氧發酵→園林綠化等分散施用。

可以明確得出結論，土地利用是堆肥技術最主要的處置路線。污泥土地利用所面臨的技術風險主要包括重金屬、持續性有機污染物（POPs）等問題，此外，上游原料來源、下游消納渠道也會為項目的運營帶來經營風險。

3.1 重金屬

重金屬規范分布在空氣、泥土，甚至飲用水中，甚至一些護膚品的原料也包含重金屬物質。目前我國制定的泥質標準中的重金屬指標較發達國家更為嚴格，以《城鎮污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質》（GB/T23486-2009）與美國 EPA 40CFR Part503 重金屬濃度指標對比為例（見表3）。因此，符合標準的污泥按照一定方法施用到土壤中應該講是安全的。

表3 美國和中國泥質重金屬濃度標準對比（單位：mg/kg干污泥）

3.2 持續性有機污染物（POPs）

一些生產部門排放的污水中含有一定的有機污染物，如聚氯二酚、多環芳烴以及農藥的殘留物。這些物質在污水和污泥的處理過程中會得到一定程度的降解，但一般難以完全去除，在污泥的使用時還需考慮其可能產生的危害。我國1984年頒布的《農用污泥中污染物控制標準》（GB4284-84）增加了礦物油、苯并（a）芘、可吸附有機鹵化物AOX的限值，《城鎮污水廠污染物排放標準》（GB18918-2002）中增加了石油類、對多氯代二苯并二英/多氯代二苯并呋喃、可吸附性有機鹵素（AOX）、多氯聯苯（PCB）等的濃度限值。土地利用的污泥應符合上述標準限制。

3.3 經營風險

污泥土地利用前的穩定化處理一般采用高溫好氧發酵方法，但城鎮污泥含水率高、黏度大、C/N較低，需要添加高C/N、高含固率的物料作為原料，一般采用農業廢棄物如秸稈、稻殼等。但這類物質的季節性特征明顯，收集儲運環節都存在價格風險，影響了運行成本的穩定。

此外，發酵成品的出路除上述兩點影響外，還存在使用上的“經濟半徑”，作為有機肥使用，一般運輸距離超過50km將不具備競爭力，而作為營養土或土壤改良劑使用的“經濟半徑”則更小，如果超出范圍使用發酵成品，則必需予以補貼，否則經濟上不可行。

4 經濟性分析

4.1 處理過程成本分析

根據《城鎮污水處理廠污泥處理處置污染防治最佳可行技術指南（試行）》（環境保護部，2010年2月，簡稱《指南》）給出的參考數據：

投資成本與系統的構成、污泥性質、自動化程度、設備質量等因素相關，“一般情況下，設計完整的污泥好氧發酵系統的投資為30萬～50萬元/t（80%含水率）。”從本文1.4中所列舉的8個案例的數據分析，工程投資為22.5萬～44.60萬元/t，其中投資較低的項目基本為原廠改造或與污水廠合建項目，因此考慮完整系統投資應為30萬～50萬元/t（80%含水率）。

《指南》給出：“堆肥系統經營成本為80～150元/t脫水污泥”。從本文1.4所列舉的8個案例的數據分析，直接運行費用為80～140元/t。因此堆肥系統的經營成本為80～150元/t脫水污泥符合實際情況。

4.2 處置過程成本分析

如果將土地利用作為最終處置路線，一般分三個層次的利用：1）作為土壤改良劑替代客土資源；2）作為綠化或林業用肥料替代有機肥；3）作為農用復混肥原料替代原有機肥成分和部分氮磷鉀成分。前兩種處置成本與受益基本持平，第三種處置成本為負，即處置過程存在正受益。

如果將混燒作為最終處置路線，處置成本根據熱值貢獻量可能持平或增加少量成本。

如果將填埋作為最終處置路線，處置成本應為運費扣除原覆蓋土取土成本。

4.3 成本分析結論

總體上，污泥處理處置采用好氧發酵+土地利用技術路線，投資和處理成本適中，土地利用資源化渠道和資源化程度決定處置成本（或收益）的多少。

5 結語

隨著國家污泥處理處置標準政策的快速出臺，技術路線日益清晰，堆肥技術尤其是機械化堆肥技術得到推廣應用，適用于各種規模污泥處理工程，尤其適用于占地面積要求不高、土地利用渠道暢通的項目。

目前，堆肥處理處置技術已逐漸呈現出四個發展趨勢：

（1）建筑結構空間化。越來越多的堆肥項目發展多層結構形式，很多項目利用污水處理廠原有的場地進行改造就完成了全部污泥處理過程，這在五年前對于堆肥技術是很難實現的。

（2）封閉空間集約化。新建大型污泥堆肥項目越來越重視自由空間的壓縮，以期降低除臭規模和處理成本，有效控制臭氣造成的二次污染。

（3）工業產品民用化。針對系統的可靠性、操作簡易性、安全保障措施以及廠房人性化設計采用民用產品設計的思路，對于提高污泥堆肥總體技術水平有重要意義。

（4）設備制造專業化。高水平的行業需要專業化的隊伍，污泥堆肥領域不僅需要系統提供商，還需要眾多的專業設備制造商，促進行業的規范、有序發展，走向成熟。

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