污泥堆肥技术现状及应用中需注意的问题

王 涛

（1.机械科学研究总院环保技术与装备研究所，北京 100044；2.机科发展科技股份有限公司，北京 100044）

1 堆肥技术概述

1.1 起源与发展

堆肥是指在人工控制下，在一定的水分、C/N和通风条件下通过微生物的发酵作用，将有机废弃物转变为近似土壤特征物质的过程。堆肥有着悠久的历史：我国公元6世纪就出现了“踏肥”，即厩肥的生产和利用；1591年就出现了“蒸粪法”，即堆肥的积制利用方法；1633年就开始了“酿粪法”，即沤肥的积制利用方法。

真正对堆肥技术进行科学的研究始于20世纪初。1920年，英国农学家Howard在印度提出了Indore法，包括堆肥基质配方和操作程序。1925年Bangalore在Indore法基础上优化改进形成Bangalore法，即将固体废物和人粪肥分层交替堆积，并使翻堆频率由1到2次变为多次翻堆。1931年荷兰出现了Van Mannen法；1933年在丹麦出现了Dano法堆肥工艺；1940年，Earp.Thomas在美国取得了立式多段发酵塔堆肥专利；此后又相继出现了Frazer Eweson法、Jersey法、Naturizer法、Varro法等。在近几十年堆肥技术工业化、机械化发展的趋势中，将固定发酵槽和翻堆搅拌设备相结合的动态发酵槽技术最具代表性，代表工艺有Fairfield Hardy法、Snell法、Metro-Wasfe法、Tollemache法等。

机械化堆肥技术被广泛应用于发达国家污泥处理处置过程，其中美国、加拿大、英国等国超过半数的市政污泥采用机械化好氧堆肥工艺进行处理。在我国，机械化污泥堆肥技术的应用起步较晚。20世纪90年代，在国家“九五”重点科技攻关计划（课题编号：KF-91-10-01/02）的支持下，建成了我国第一座市政污泥机械化堆肥项目—唐山西郊污水处理厂污泥堆肥项目，形成了中国自主知识产权的第一代污泥堆肥核心工艺与装备。之后北京、太原、烟台、洛阳、秦皇岛、郑州、长春等城市建设了一批机械化堆肥项目，尤其是2012年投运的沈阳市污水处理厂1000t/d污泥堆肥项目，创造了目前世界上同类技术处理规模之最，也使得中国的机械化污泥堆肥技术迅速接近并看齐国际先进水平。

1.2 堆肥工艺原理

堆肥分为厌氧堆肥和好氧堆肥两类，目前工业化堆肥主要是指好氧堆肥，也称高温好氧发酵。污泥堆肥的原理是在人工控制下，在一定的水分、碳氮比和通风条件下通过微生物的发酵作用，将污泥中的有机物转化为腐殖质的过程。其实质是污泥中的有机物在微生物的作用下，通过生化反应实现转化和稳定化的过程（见图1）。

1.3 堆肥工艺分类

按照堆肥物料堆积形状和发酵设施形式可分为：条垛式、槽式、容器式，以及近几年新出现的隧道仓式等。按照物料状态可分为动态（总体推流式）、静态（总体批序式）。目前在国内已经工业化应用的系统均属于上述分类，如IPS系统属于动态槽式技术，SACT系统属于动态隧道仓式技术，CTB系统属于静态槽式技术，膜覆盖系统属于静态条垛式技术。

图1 好氧堆肥原理简图

1.4 国内应用实例

国内保持运行状态，且具有机械化、工业化特点的的大型污泥堆肥项目（设计处理规模在200t/d以上）主要有以下几个（注：按照投产年代排序，部分不具代表性的项目未纳入）。

1.4.1 北京庞各庄污泥消纳厂项目

该项目是首个获国债资金支持的污泥处理处置项目，一期处理能力150～200t/d（含水率80%），采用晾晒翻堆工艺。项目占地13.2公顷，其中露天堆肥场的总面积为38,000m2，污泥堆肥条垛指标：垛高1.5～2m，垛底宽6～8m，垛顶宽4～6m，垛长60m。工程总投资2600万元。该项目于2002年7月1日投入试运行。发酵产物部分作为园林绿化营养土销售，部分作为肥料基质使用销售。

2007年8月，庞各庄改扩建工程批复实施，项目设计总处理规模增至518t/d（含水率80%），采用动态条垛式好氧堆肥工艺。好氧发酵设计停留时间30～40d；配备3台17.50翻堆设备，柴油机最大功率209kW，起混合搅拌和倒垛功能，未设曝气系统和臭气收集系统。

鉴于原设计处理效率和除臭等方面存在先天不足，2011年，启动庞各庄再次改造项目可行性研究工作，改建后将形成机械化封闭处理能力600t/d。

1.4.2 洛阳瀍东污水处理厂污泥处理工程

该项目是瑞典政府贷款项目，一期处理能力228t/d（含水率80%），采用动态条垛式好氧堆肥工艺。好氧发酵设计停留时间15d；配备2台16.43翻堆设备，起混合搅拌和倒垛功能，未设臭气收集系统。项目占地12.6公顷，其中发酵车间建筑面积为7776m2，净高9m。工程总投资6434万元。该项目于2007年12月投入试运行。发酵产物部分作为园林绿化营养土销售，部分作为肥料基质使用销售。

鉴于原设计处理效率和除臭等方面存在先天不足，2012年，启动了二期改造工作，改建后将形成机械化封闭处理能力400t/d，并彻底解决臭气收集处理问题。

1.4.3 秦皇岛市绿港污泥处理厂

该项目设计规模200t/d（含水率80%），采用静态槽式好氧堆肥工艺。发酵槽长35m、宽5m、深2.2m（物料有效深度1.8m，其中包括0.3m辅料覆盖层）；共设置20座发酵槽，好氧发酵设计停留时间20d；配备1台30kW翻堆设备，起混合搅拌作用但不能实现倒垛功能，进出槽采用有人驾驶工程车辆；曝气系统采用罗茨鼓风机一供三形式（电磁阀切换），设计曝气强度0.1～0.3m3/m3·min；设置除臭系统，终端采用生物除臭滤池，设计处理能力10万m3/h。

项目占地面积约3.3公顷；工程总投资约5200万元，处理成本为142元/t，直接运行成本108元/t。项目于2008年6月开工建设，2009年4月投入调试运行阶段。发酵产物主要作为园林绿化营养土使用。

1.4.4 郑州市八岗污泥处理厂

该项目设计规模600t/d（含水率80%），采用静态槽式好氧堆肥工艺。发酵槽长33m、宽4.5m、深2.2m（物料有效深度2m）；设置两座堆肥车间共132座发酵槽，好氧发酵设计停留时间21d；配备2台LT45 20DC翻堆设备，柴油机最大输出功率261kW，起混合搅拌作用和倒垛功能，进出槽采用有人驾驶工程车辆；一期（100t/d）曝气系统采用罗茨鼓风机一供三形式（电磁阀切换），设计曝气强度0.22m3/m3·min；后期采用离心通风机一供一形式，设计最大曝气强度0.4m3/m3·min；设置除臭系统，终端采用生物除臭滤池，生物滤池表面负荷为0.022m3/m2·s，滤料高度1.5m。

项目占地面积约26.5公顷；工程总投资约2.575亿元，直接运行成本140元/t。项目于2008年12月开工建设，2009年9月一期（100t/d）投入运行，一期（剩余200t/d）2010年9月投入运行，二期（300t/d）2011年底投入运行。发酵产物主要作为园林绿化营养土、填埋场覆盖土使用，少量作为有机肥料使用。

1.4.5 长春市污水处理厂污泥处理处置工程

该项目设计规模400t/d（含水率80%），采用静态槽式好氧堆肥工艺。好氧发酵车间共有72座发酵仓，设计停留时间24d（前14d静态曝气，后10d翻堆3～4次）；配备2台110kW翻堆设备，起混合搅拌作用但不能实现倒垛功能，进出槽采用有人驾驶工程车辆；曝气系统采用罗茨鼓风机一供三形式（电磁阀切换），设计曝气强度0.1～0.3m3/m3·min；该项目采用水源热泵系统为车间供暖，设计室内温度5℃。设置除臭系统，终端采用生物除臭滤池，设计处理能力14.7万m3/h。

该项目占地面积约11.34公顷；工程总投资约17,843万元，直接运行成本约110元/t。项目于2009年5月开工建设，2010年10月200t/d能力投入运行。发酵产物主要作为营养土、复合肥原料、育苗基质、草坪基质等使用。

1.4.6 唐山城市污泥处理项目

该项目设计规模400t/d（含水率80%），采用动态隧道仓式好氧堆肥工艺。发酵仓长45m、宽5m、高7m（物料有效深度2m）；建筑物采用双层发酵仓结构形式，共设置32座发酵仓，好氧发酵设计停留时间14d；配备4台F5·110筒式翻堆设备，起混合搅拌和倒垛作用，进槽采用组合式皮带布料机，出槽采用皮带输送机；曝气系统采用离心式通风机一供一形式，设计最大曝气强度0.4m3/m3·min，并在仓壁内设置温度传感器，可以与对应风机联动；设置除臭系统，终端采用生物除臭滤池，设计处理能力19.2万m3/h。

该项目占地面积不足1公顷（其中发酵车间占地面积约4500m2）；工程总投资约8500万元，直接运行成本70～80元/t。项目于2011年9月试运行投产。发酵产物部分作为园林绿化营养土销售，部分作为有机-无机复混肥料基质使用销售。

1.4.7 沈阳市污水处理厂污泥处理项目

该项目是目前已投入运行世界最大的污泥机械化堆肥项目，设计规模1000t/d（含水率80%），采用动态槽式好氧堆肥工艺。发酵槽长90m、宽3.05m、深2.5m（物料有效深度2.4m）；共设置96座发酵槽，好氧发酵设计停留时间22d；配备8台Wide3.0翻堆设备，起混合搅拌和倒垛作用，进槽采用皮带式布料机，出槽采用出料皮带式输送机；曝气系统采用分段曝气形式，每座发酵槽由6台离心式通风机正压供风，设计最大曝气强度0.3m3/m3·min；设置除臭系统，终端采用生物除臭滤池，设计处理能力140万m3/h。

项目占地面积约13公顷；工程总投资约3亿元，直接运行成本80～100元/t。项目于2011年7月开工建设，2012年8月开始进泥调试，2013年6月达产运行。发酵产物作为园林绿化营养土，或送至电厂混烧。

1.4.8 天津张贵庄污水处理厂污泥堆肥项目

该项目设计规模300t/d（含水率80%），采用动态槽式好氧堆肥工艺。发酵槽长84m、宽3.05m、深2.5m（物料有效深度2.4m）；共设置20座发酵槽，好氧发酵设计停留时间21d；配备2台Wide3.0翻堆设备，起混合搅拌和倒垛作用，进槽采用皮带式布料机，出槽采用出料皮带式输送机；曝气系统采用分段曝气形式，每座发酵槽由4台离心式通风机负压供风，设计最大曝气强度0.3m3/m3·min；设置除臭系统，终端采用生物除臭滤池，设计处理能力12万m3/h。

项目占地面积约1.95公顷；项目于2011年8月开工建设，2012年底开始进泥调试。发酵产物作为园林绿化营养土。

国内主要的的污泥堆肥项目概况见表1。

2 堆肥处理过程应注意的问题

表1中的8个项目共涉及4个工艺类型，也是目前我国污泥堆肥主流的技术类型：1）动态条垛工艺—BACKHUS系统，项目2个，均建于2007年前；2）静态槽式工艺—CTB系统等，项目3个，均建于2009～2010年间；3）动态隧道仓式工艺—SACT系统，项目1个，建于2011年；4）动态槽式工艺—IPS系统，项目2个，均建于2012年。

从总体发展看，传统条垛工艺仅在大型堆肥项目刚起步时采用，后期仓/槽式堆肥技术已经完全取代条垛式堆肥技术成为大型堆肥项目的主流技术，主要原因是除臭越来越成为项目关注的目标。其它三种类型工艺主要技术参数对比见表2。

2.1 工艺类型的选择

（1）静态槽式工艺，自动化水平偏低，且设备翻堆功率和曝气强度均较低，设备依赖性低，但辅料添加比例较高，适用于以稳定化、资源化为目标的中小型污泥堆肥处理项目。

（2）动态隧道仓式工艺，占地面积、除臭风量最低，但设备依赖性最高，适用于占地面积紧张，除臭要求严格的各种规模的污泥堆肥处理项目。

（3）动态槽式工艺，设备依赖性适中，辅料添加比例较低，适用于对可靠性要求较高但用地充裕的大型、超大型污泥堆肥处理项目。

表1 我国主要污泥堆肥项目概况

表2 三种工艺类型的主要参数（平均值）汇总

2.2 设计处理规模与实际处理规模

从实际运行情况可知，堆肥项目设计处理规模与实际处理规模一般存在差距，最大差距可达40%，这主要是由于设计“基准点”选取误差造成的：系统处理能力最主要的因素取决于除水能力，而作为强制通风堆肥系统外界气温与湿度直接影响到除水效果，冬季与夏季差异尤为明显。选取最不利的冬季气候参数还是最有利的夏季气候参数作为设计依据，或者“基准点”取在两者之间的哪里，将极大影响投资和运行成本分析。解决这个问题的方法有：

（1）冬季采暖，使发酵系统工作环境接近于正常工作条件；

（2）冬季降低处理量，设置污泥临时储存地，待夏季提高处理量后消纳这部分污泥；

（3）冬季降低处理量，剩余部分污泥采用临时措施消纳，如静态条垛、石灰干化等方法。

2.3 通风设计与臭气控制

目前大部分堆肥系统的除臭设计按照换气次数计算通风换气量，存在较大误差，这是因为堆肥过程中的通风系统主要起移除水分的作用，而非一般车间的换气功能，因此无论曝气还是引风过程，均应充分考虑在热量平衡前提下的水分移除能力需满足设计要求，最后的结果可用换气次数加以校核。

早期曝气风源采用的罗茨风机多考虑其出风温度较高，热量可以有效利用，但由于效率较低且存在一些无法避免的技术问题，后期多被离心通风机取代。

2.4 自动化与可靠性

自动化水平的提高可以节省人力并降低安全事故发生的机率，但由于污泥堆肥物料的复杂特性，自动化系统的可靠性多受质疑，由表2可以看出超过60%的项目采用有人驾驶设备进行发酵过程操作。尤其是近期投产的唐山、沈阳、天津项目的发酵过程实现了无人操作，为后续项目提供了借鉴经验。

总体上，200t/d以上的项目应重点考虑自动化程度，为项目的经济性和人员的安全性提供保障。

2.5 减量化与稳定化

在项目发酵周期方面，上述项目从14d到40d，有些设计者基于稳定化目的按照20d或者以上考虑。实际上仅就减量化目的而言，在通风系统设计合理的情况下，14d即可满足含水率降至40%的要求。而就稳定化目的来讲，添加含有大量纤维、木质素成分的辅料，在20d甚至更长时间也无法实现彻底稳定化。

比较经济的做法应在一次发酵后设置堆场，将一次发酵产物堆置一段时间并完成二次升温后，可视为腐熟物料。

3 堆肥处置过程应注意的问题

根据《城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南（试行）》（住房城乡建设部、国家发展改革委，2011年3月）给出的高温好氧发酵（好氧堆肥）相关推荐处置技术路线：

（1）脱水→高温好氧发酵→土地利用（用于土壤改良、园林绿化、限制性农用）；

（2）脱水→高温好氧发酵→园林绿化等分散施用。

可以明确得出结论，土地利用是堆肥技术最主要的处置路线。污泥土地利用所面临的技术风险主要包括重金属、持续性有机污染物（POPs）等问题，此外，上游原料来源、下游消纳渠道也会为项目的运营带来经营风险。

3.1 重金属

重金属规范分布在空气、泥土，甚至饮用水中，甚至一些护肤品的原料也包含重金属物质。目前我国制定的泥质标准中的重金属指标较发达国家更为严格，以《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》（GB/T23486-2009）与美国 EPA 40CFR Part503 重金属浓度指标对比为例（见表3）。因此，符合标准的污泥按照一定方法施用到土壤中应该讲是安全的。

表3 美国和中国泥质重金属浓度标准对比（单位：mg/kg干污泥）

3.2 持续性有机污染物（POPs）

一些生产部门排放的污水中含有一定的有机污染物，如聚氯二酚、多环芳烃以及农药的残留物。这些物质在污水和污泥的处理过程中会得到一定程度的降解，但一般难以完全去除，在污泥的使用时还需考虑其可能产生的危害。我国1984年颁布的《农用污泥中污染物控制标准》（GB4284-84）增加了矿物油、苯并（a）芘、可吸附有机卤化物AOX的限值，《城镇污水厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中增加了石油类、对多氯代二苯并二英/多氯代二苯并呋喃、可吸附性有机卤素（AOX）、多氯联苯（PCB）等的浓度限值。土地利用的污泥应符合上述标准限制。

3.3 经营风险

污泥土地利用前的稳定化处理一般采用高温好氧发酵方法，但城镇污泥含水率高、黏度大、C/N较低，需要添加高C/N、高含固率的物料作为原料，一般采用农业废弃物如秸秆、稻壳等。但这类物质的季节性特征明显，收集储运环节都存在价格风险，影响了运行成本的稳定。

此外，发酵成品的出路除上述两点影响外，还存在使用上的“经济半径”，作为有机肥使用，一般运输距离超过50km将不具备竞争力，而作为营养土或土壤改良剂使用的“经济半径”则更小，如果超出范围使用发酵成品，则必需予以补贴，否则经济上不可行。

4 经济性分析

4.1 处理过程成本分析

根据《城镇污水处理厂污泥处理处置污染防治最佳可行技术指南（试行）》（环境保护部，2010年2月，简称《指南》）给出的参考数据：

投资成本与系统的构成、污泥性质、自动化程度、设备质量等因素相关，“一般情况下，设计完整的污泥好氧发酵系统的投资为30万～50万元/t（80%含水率）。”从本文1.4中所列举的8个案例的数据分析，工程投资为22.5万～44.60万元/t，其中投资较低的项目基本为原厂改造或与污水厂合建项目，因此考虑完整系统投资应为30万～50万元/t（80%含水率）。

《指南》给出：“堆肥系统经营成本为80～150元/t脱水污泥”。从本文1.4所列举的8个案例的数据分析，直接运行费用为80～140元/t。因此堆肥系统的经营成本为80～150元/t脱水污泥符合实际情况。

4.2 处置过程成本分析

如果将土地利用作为最终处置路线，一般分三个层次的利用：1）作为土壤改良剂替代客土资源；2）作为绿化或林业用肥料替代有机肥；3）作为农用复混肥原料替代原有机肥成分和部分氮磷钾成分。前两种处置成本与受益基本持平，第三种处置成本为负，即处置过程存在正受益。

如果将混烧作为最终处置路线，处置成本根据热值贡献量可能持平或增加少量成本。

如果将填埋作为最终处置路线，处置成本应为运费扣除原覆盖土取土成本。

4.3 成本分析结论

总体上，污泥处理处置采用好氧发酵+土地利用技术路线，投资和处理成本适中，土地利用资源化渠道和资源化程度决定处置成本（或收益）的多少。

5 结语

随着国家污泥处理处置标准政策的快速出台，技术路线日益清晰，堆肥技术尤其是机械化堆肥技术得到推广应用，适用于各种规模污泥处理工程，尤其适用于占地面积要求不高、土地利用渠道畅通的项目。

目前，堆肥处理处置技术已逐渐呈现出四个发展趋势：

（1）建筑结构空间化。越来越多的堆肥项目发展多层结构形式，很多项目利用污水处理厂原有的场地进行改造就完成了全部污泥处理过程，这在五年前对于堆肥技术是很难实现的。

（2）封闭空间集约化。新建大型污泥堆肥项目越来越重视自由空间的压缩，以期降低除臭规模和处理成本，有效控制臭气造成的二次污染。

（3）工业产品民用化。针对系统的可靠性、操作简易性、安全保障措施以及厂房人性化设计采用民用产品设计的思路，对于提高污泥堆肥总体技术水平有重要意义。

（4）设备制造专业化。高水平的行业需要专业化的队伍，污泥堆肥领域不仅需要系统提供商，还需要众多的专业设备制造商，促进行业的规范、有序发展，走向成熟。

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