CN102875205A - 一种城市污水处理厂剩余污泥堆肥方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种以凹凸棒石为重金属固定剂的城市污水处理厂剩余污泥堆肥方法，具体是：将含水率为80~86%的城市污水处理厂剩余污泥与鸡粪按照质量比（2～3）:1混合，再按照剩余污泥与鸡粪总量的质量比添加5%的凹凸棒石，得混合物；然后调节混合物的C/N质量比为（28～31）:1和初始含水率为58～62%，再将其置于堆槽中，通过静态强制通风方式进行堆肥处理，通气量为10~40m3/h˙t；经过28~32天后得到可作为观赏性植物，苗木栽培和城市绿化基质的污泥堆肥产品。本发明对所述剩余污泥中重金属铅、镉起到钝化及固定作用，降低或消除其潜在的生态毒性，同时可使城市污水处理厂剩余污泥达到减害化和有效的利用。
Description
技术领域
本发明涉及肥料，特别是涉及一种以凹凸棒石为重金属固定剂的城市污水处理厂剩余污泥堆肥方法。
背景技术
城市污水处理厂剩余污泥是污水处理后的副产物，其产量随着污水处理能力的提高迅速增加，不仅占用大量土地，而且其中的有害成分（如重金属、病原菌、寄生虫、有机污染物、臭气）已经成为影响城市环境卫生的公害。城市污水处理厂剩余污泥中含有丰富的有机质、氮、磷和其他一些营养物质，具有可观的肥效成分。
目前国内对城市污水处理厂剩余污泥处理处置水平很低，污泥经过常规的浓缩脱水后，主要是弃置，难以达到污泥的减量化、稳定化、无害化、资源化的要求，并带来环境的二次污染。
城市污水处理厂剩余污泥的不良环境效应要求在其排入环境前必须进行妥善处理，以降低其环境风险，因此传统污水厂在设计时均设置了污泥处理工艺。一般来讲，我国污泥处置的基建投资约占污水厂总投资的30%-50%，而发达国家污泥处置的基建投资占污水厂总投资的50%-70%，因此从成本上分析，城市污水处理厂剩余污泥已经成为影响污水厂正常运行的限制性因子。传统卫生填满和焚烧处置方法由于产生渗滤液、二噁英、甲烷气、占地面积大以及工程建设投资高等问题已经不是污泥处置的主流技术；污泥海洋投弃威胁海洋生态系统和食物链，且未从根本上解决环境问题。上世纪末，国际上签署禁止排海公约，中国是该公约的缔约国。而作为一种可再利用物质，目前污泥的资源化率不到10%。土地利用是城市污水处理厂剩余污泥资源化合理而有效的途径。但是，随着污泥中的营养成分一起进入土壤中的还有其中有害的重金属元素。为此，直接将污泥农用必对环境产生不可逆转的毒害，这也是限制污泥农用的主要因素之一。
堆肥处理是污泥无害化和资源化的重要途径之一。污泥经过堆肥化处理不仅能有效地消除臭味、杀死病原菌和寄生虫卵、钝化重金属，而且能使部分有机物转化为腐殖质，使营养物质易于被植物吸收，促进植物生长，维持自然界的良性循环。
经过堆肥化处理后的城市污水处理厂剩余污泥，其中重金属的形态有较大的变化，而重金属的生物有效性与其形态密切相关。研究普遍认为重金属重量不能准确地反映重金属的潜在环境影响，而重金属的生态环境效应与影响其生物有效性的化学形态密切相关。因此，某种程度上，重金属的化学形态比其重量更值得关注。通常有两种方法来确定重金属的生物有效性：一种是通过测定在污泥堆肥或施用污泥堆肥土壤上生长的植物体所吸收重金属的量来确定；另一种是化学方法。化学方法又分为两类，一类是用单一浸提剂来提取某种形态重金属，这主要是基于对植物的可给性来考虑的；另一类是采用几种化学试剂的顺序浸提法。由于不同的化学方法采用不同的试剂和分析流程，因此，测定结果很难进行相互比较，也没有一种方法能被普遍接受，为此，欧盟标准局在1987年提出并建立了一套三步提取法（BCR），用于元素的形态分析，并通过了国际实验室的验证。
近年来，随着环境分子科学的快速发展，纳米材料在污染环境修复研究中越来越受到重视并成为新的研究热点。纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级（1~100nm）的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米颗粒所组成的新一代材料。当颗粒尺寸处于纳米量级时，量子效应开始影响到物质的性能和结构，而表现出特殊的理化性质如小尺寸效应，界面（表面）效应、量子尺寸效应以及量子隧道效应等。纳米颗粒由于其大量的微界面及微孔性，可以强化各种界面反应，如对重金属的表面及转性吸附反应等。目前，对重金属污染土壤的原位修复机制主要在于增加土壤中重金属离子的吸附、与重金属离子形成沉淀-共沉淀从而降低重金属离子的迁移转化特性。无极纳米颗粒类修复剂由于具有巨大微界面，对土壤中的污染重金属离子具有极强的吸附作用，这种强吸附作用对降低污染土壤中重金属离子的迁移、转化及其生物有效性发挥着十分重要的作用。
作为天然纳米材料，凹凸棒石是一种层链状结构的含水富镁铝硅酸盐矿物，具有特殊的纤维状晶体形态，内部多孔道，比表面积大，具有良好的吸附性能；其储量丰富，来源广，成本低。吸附法处理城市污水处理厂剩余污泥具有不引入新的污染物，操作简单，能耗低等优点。在吸附剂的选择方面，凹凸棒石有较大的比表面和剩余电荷，表面化学活性较高，对金属离子具有较强的吸附能力，利用凹凸棒石吸附剂对重金属离子的吸附、解吸和沉淀可以控制重金属元素的迁移和富集。
城市污水处理厂剩余污泥添加凹凸棒石进行堆肥化处理后，不仅消除臭味、杀死病原菌和寄生虫卵、而且还有效钝化重金属，为城市污水处理厂剩余污泥的土地利用消除了障碍。
综上所述，我国作为发展中国家，经济发展水平还不够高，污泥成分也不一定和国外相同，因此必须寻求适合国情的处理方法。我国又是农业大国，在安全、可靠、避免二次污染的前提下，通过添加凹凸棒石进行堆肥来钝化城市污水处理厂剩余污泥，这样既可以消除城市污染，又能促进农业的发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种以凹凸棒石为重金属固定剂的城市污水处理厂剩余污泥堆肥方法，以解决城市污水处理厂剩余污泥因含有重金属而限制其土地利用的问题；
并且充分利用城市污水处理厂剩余污泥中含有的大量有机质和微量营养元素；同时为观赏性植物，苗木栽培和城市绿化提供基质，变废为宝。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的城市污水处理厂剩余污泥堆肥方法，是一种以凹凸棒石为重金属固定剂的城市污水处理厂剩余污泥堆肥方法，该方法包括混合、发酵步骤，具体是：
（1）混合：将含水率为80~86%的城市污水处理厂剩余污泥与鸡粪按照质量比（2～3）:1进行混合，再按照剩余污泥与鸡粪总量的质量比添加5%的凹凸棒石，得混合物；
（2）发酵：先调节混合物的C/N质量比为（28～31）:1和初始含水率为58～62%，再将其置于堆槽中，然后采用静态强制通风方式进行堆肥处理，通气量为10~40m3/h˙t；经过28~32天后污泥混合物达到腐熟，得到污泥堆肥产品。
本发明可以根据污泥检测结果按比例添加尿素来调节混合物的C/N质量比和初始含水率，该C/N质量比为30:1，初始含水率为60% 。
本发明制备的城市污水处理厂剩余污泥堆肥产品，其作为观赏性植物、苗木栽培或城市绿化用的基质。
本发明与现有技术相比，主要有以下优势：
其一.与现有其他材料相比，添加重金属固定剂凹凸棒石可以明显降低堆肥污泥重金属镉、铅的生物有效性，从而降低或消除其潜在生态毒性，最终获得的污泥堆肥产品对土壤的理化性能起到很好的改良作用，可以作为观赏性植物、苗木栽培和城市绿化基质。
其二.凹凸棒石为天然层链状矿物材料，化学性质稳定，无毒无害，价格便宜，而且空隙率高，比表面积大，具有良好的吸附性能，可以较好的吸附城市污水处理厂剩余污泥中重金属物质。而城市污水处理厂剩余污泥中大量有机质在微生物菌群的作用下逐渐降解生成腐殖酸类物质，使肥料中的养分具有缓释性。因此，所制备的肥料具有有机质含量高，成本低廉、肥效持久、养分利用率高等特点，同时还可以调节土壤物理形状，对土壤具有改良作用。
其三.使城市污水处理厂剩余污泥达到减害化，同时也使这一资源得到有效的利用。
其四.解决了城市污水处理厂剩余污泥的处置问题，可实现城市污水处理厂剩余污泥的土地利用，这样既可以消除城市污染，促进农业的发展，又能降低种植成本。
具体实施方式
本发明的技术关键是采用凹凸棒石作为重金属固定剂，鸡粪作为城市污水处理厂剩余污泥的调理剂，将鸡粪与城市污水处理厂剩余污泥按照2～3:1的比例进行混合，添加5%凹凸棒石，混匀后进行堆肥发酵，28～32天后即可使用。
下面结合实施例对本发明作进一步描述，但不限定本发明。
实施例1：
选用含水量为80%的武汉市某生活污水处理厂剩余污泥300kg，添加鸡粪100kg、凹凸棒石20kg，充分混匀，调节C/N 质量比为30：1，含水率为60%左右，之后将混合物置于水泥堆槽中，然后采用静态堆强制通风方式，对城市生活污水处理厂剩余污泥进行28～32天的堆肥处理。水泥堆槽的结构为：长宽高的尺寸为L×W×H＝1.5m×1.0m×0.1m；槽体底部水平放置6根直径20mm的PVC通风管，每根通风管管壁四周打有直径为2mm的小孔；所有通风管的一段密封，另一段与鼓风机相连；每天通气三次，每次2h。堆肥高度为0.7～1m。
堆肥期间，每周采用四分法取样一次，样品风干粉碎后，过1mm筛贮存备用。样品主要测定指标包括堆料pH、含水率，两种重金属Cd和Cu的不稳定形态含量、种子发芽指数等。所述可交换态和可还原态均属于不稳定形态，重金属Cd和Cu的这两种形态易于迁移和被植物所利用。
pH值：样品与去离子水按照1︰10质量体积比（m︰V）充分混合后，pH计测定溶液pH值。
含水率：准确称量样品经105℃保温24 h前后的质量，计算其含水率。
发芽指数：采用湿样法，即以堆肥浸提液和蒸馏水培养种子进行对照试验，种子采用阳春大白菜种子（日本进口）。
采用BCR四步浸提法测定重金属的形态，所有样品用4mol/L HNO3浸泡过夜，再用蒸馏水清洗备用，样品在提取之前用万能粉碎机研磨以提高金属的释放效果，研磨后过60目筛子，然后按照表1进行浸提。
测定结果显示：在整个堆肥过程中pH值始终保持在7～9之间，不会对微生物生长活动产生危害，利于堆肥顺利进行。堆肥含水率从初始的59.8%下降到堆肥周期结束时的38.3%，降低十分明显。种子发芽指数在堆肥32d后为70%，表明堆体达到腐熟。添加凹凸棒石可以显著降低堆肥污泥中不稳定形态Cd、Cu的含量，即对重金属Cd、Cu起到固定稳定化作用。堆肥结束后，其中不稳定形态Cd的含量较堆肥前减少了60.2%，不稳定形态Cu的含量较堆肥前减少了57.6%。与未添加凹凸棒石的污泥堆肥相比较，添加凹凸棒石可直接降低不稳定形态Cd的含量38.1%，不稳定形态Cu含量30.2%。
实施例2：
选用含水量为83%的武汉市某生活污水处理厂剩余污泥300kg，添加鸡粪140kg、凹凸棒石22kg，充分混匀，调节C/N 质量比为30：1，含水率为60%左右，之后将混合物置于堆槽中。采用静态堆强制通风方式对城市生活污水处理厂剩余污泥进行堆肥处理。水泥堆槽的结构为：长宽高的尺寸为L×W×H＝1.5m×1.0m×0.1m；槽体底部水平放置6根直径20mm的PVC通风管，每根通风管管壁四周打有直径为2mm的小孔；所有通风管的一段密封，另一段与鼓风机相连；每天通气三次，每次2h。堆肥高度为0.7～1m。
同实施例1，堆肥期间每周采样一次（采用四分法取样），样品风干粉碎后，过1mm筛贮存备用。主要测定指标包括堆料pH、含水率，两种重金属Cd和Cu的不稳定形态（可交换态和可还原态均属于不稳定形态，重金属Cd和Cu的这两种形态易于迁移和被植物所利用）含量、种子发芽指数等。
测定结果显示：在整个堆肥过程中pH值始终保持在7～9之间，不会对微生物生长活动产生危害，利于堆肥顺利进行。堆肥含水率从初始的59.2%下降到堆肥周期结束时的37.1%，降低十分明显。种子发芽指数在堆肥32d后为70%，表明堆体达到腐熟。添加凹凸棒石可以显著降低堆肥污泥中不稳定形态Cd、Cu的含量，即对重金属Cd、Cu起到固定稳定化作用。堆肥结束后，其中不稳定形态Cd的含量较堆肥前减少了61.3%，不稳定形态Cu的含量较堆肥前减少了58.1%。与未添加凹凸棒石的污泥堆肥相比较，添加凹凸棒石可直接降低不稳定形态Cd的含量37.6%，不稳定形态Cu含量31.7%。
实施例3：
选用含水量为81%的武汉市某生活污水处理厂剩余污泥300kg，添加鸡粪110kg、凹凸棒石20.5kg，充分混匀，调节C/N 质量比为30：1，含水率为60%左右，之后将混合物置于堆槽中。采用静态堆强制通风方式对城市生活污水处理厂剩余污泥进行堆肥处理。水泥堆槽的结构为：长宽高的尺寸为L×W×H＝1.5m×1.0m×0.1m；槽体底部水平放置6根直径20mm的PVC通风管，每根通风管管壁四周打有直径为2mm的小孔；所有通风管的一段密封，另一段与鼓风机相连；每天通气三次，每次2h。堆肥高度为0.7～1m。
同实施例1，堆肥期间每周采样一次（采用四分法取样），样品风干粉碎后，过1mm筛贮存备用。主要测定指标包括堆料pH、含水率，两种重金属Cd和Cu的不稳定形态（可交换态和可还原态均属于不稳定形态，重金属Cd和Cu的这两种形态易于迁移和被植物所利用）含量、种子发芽指数等。
结果显示：在整个堆肥过程中pH值始终保持在7～9之间，不会对微生物生长活动产生危害，利于堆肥顺利进行。堆肥含水率从初始的60.2%下降到堆肥周期结束时的37.6%，降低十分明显。种子发芽指数在堆肥32d后为70%，表明堆体达到腐熟。添加凹凸棒石可以显著降低堆肥污泥中不稳定形态Cd、Cu的含量，即对重金属Cd、Cu起到固定稳定化作用。堆肥结束后，其中不稳定形态Cd的含量较堆肥前减少了61.8%，不稳定形态Cu的含量较堆肥前减少了58.6%。与未添加凹凸棒石的污泥堆肥相比较，添加凹凸棒石可直接降低不稳定形态Cd的含量38.3%，不稳定形态Cu含量32.1%。
实施例4：
选用含水量为85%的武汉市某生活污水处理厂剩余污泥300kg，添加鸡粪120kg、凹凸棒石21kg、尿素400g，充分混匀，调节C/N 质量比为30：1，含水率为60%左右，之后将混合物置于堆槽中。采用静态堆强制通风方式对城市生活污水处理厂剩余污泥进行堆肥处理。水泥堆槽的结构为：长宽高的尺寸为L×W×H＝1.5m×1.0m×0.1m；槽体底部水平放置6根直径20mm的PVC通风管，每根通风管管壁四周打有直径为2mm的小孔；所有通风管的一段密封，另一段与鼓风机相连；每天通气三次，每次2h。堆肥高度为0.7～1m。
同实施例1，堆肥期间每周采样一次（采用四分法取样），样品风干粉碎后，过1mm筛贮存备用。主要测定指标包括堆料pH、含水率，两种重金属Cd和Cu的不稳定形态（可交换态和可还原态均属于不稳定形态，重金属Cd和Cu的这两种形态易于迁移和被植物所利用）含量、种子发芽指数等。
测定结果显示：在整个堆肥过程中pH值始终保持在7～9之间，不会对微生物生长活动产生危害，利于堆肥顺利进行。堆肥含水率从初始的61.2%下降到堆肥周期结束时的38.1%，降低十分明显。种子发芽指数在堆肥32d后为70%，表明堆体达到腐熟。添加凹凸棒石可以显著降低堆肥污泥中不稳定形态Cd、Cu的含量，即对重金属Cd、Cu起到固定稳定化作用。堆肥结束后，其中不稳定形态Cd的含量较堆肥前减少了62.1%，不稳定形态Cu的含量较堆肥前减少了58.4%。与未添加凹凸棒石的污泥堆肥相比较，添加凹凸棒石可直接降低不稳定形态Cd的含量38.9%，不稳定形态Cu含量32.3%。
实施例5：
选用含水量为86%的武汉市某生活污水处理厂剩余污泥300kg，添加鸡粪150kg、凹凸棒石22.5kg、尿素400g，充分混匀，调节C/N 质量比为30：1，含水率为60%左右，之后将混合物置于堆槽中。采用静态堆强制通风方式对城市生活污水处理厂剩余污泥进行堆肥处理。水泥堆槽的结构为：长宽高的尺寸为L×W×H＝1.5m×1.0m×0.1m；槽体底部水平放置6根直径20mm的PVC通风管，每根通风管管壁四周打有直径为2mm的小孔；所有通风管的一段密封，另一段与鼓风机相连；每天通气三次，每次2h。堆肥高度为0.7～1m。
同实施例1，堆肥期间每周采样一次（采用四分法取样），样品风干粉碎后，过1mm筛贮存备用。主要测定指标包括堆料pH、含水率，两种重金属Cd和Cu的不稳定形态（可交换态和可还原态均属于不稳定形态，重金属Cd和Cu的这两种形态易于迁移和被植物所利用）含量、种子发芽指数等。
测定结果显示：在整个堆肥过程中pH值始终保持在7～9之间，不会对微生物生长活动产生危害，利于堆肥顺利进行。堆肥含水率从初始的59.6%下降到堆肥周期结束时的38.7%，降低十分明显。种子发芽指数在堆肥32d后为70%，表明堆体达到腐熟。添加凹凸棒石可以显著降低堆肥污泥中不稳定形态Cd、Cu的含量，即对重金属Cd、Cu起到固定稳定化作用。堆肥结束后，其中不稳定形态Cd的含量较堆肥前减少了62.5%，不稳定形态Cu的含量较堆肥前减少了59.1%。与未添加凹凸棒石的污泥堆肥相比较，添加凹凸棒石可直接降低不稳定形态Cd的含量39.2%，不稳定形态Cu含量32.6%。
附表
表1
| 步 骤 | 提取剂 | 土壤/溶液（V/V） | 提取时间 | 形 态 |
| 1 | 0.11mol/L HAc | 1：40 | 振荡16h | 可交换态 |
| 2 | 0.1mol/L NH2OH·HCl，pH1.5 | 1：40 | 振荡16h | 可还原态 |
| 3 | 8.8mol/L H2O2,pH2-3,85℃水浴 | 1：10 | 1h偶尔振荡 | 可氧化态 |
| 3 | 8.8mol/L H2O2,pH2-3,85℃水浴 | 1：10 | 1h偶尔振荡 | 可氧化态 |
| 3 | 1.0mol/L NH4Ac，pH2 | 1：50 | 振荡16h | 可氧化态 |
| 4 | HNO3-HClO4 | 1：10 | 残渣态 |
Claims (3)
1.一种城市污水处理厂剩余污泥堆肥方法，其特征是一种以凹凸棒石为重金属固定剂的城市污水处理厂剩余污泥堆肥方法，该方法包括混合、发酵步骤，具体是：
（1）混合：将含水率为80~86%的城市污水处理厂剩余污泥与鸡粪按照质量比（2～3）:1进行混合，再按照剩余污泥与鸡粪总量的质量比添加5%的凹凸棒石，得混合物；
（2）发酵：先调节混合物的C/N质量比为（28～31）:1和初始含水率为58～62%，再将其置于堆槽中，然后采用静态强制通风方式进行堆肥处理，通气量为10~40m3/h˙t；经过28~32天后污泥混合物达到腐熟，得到污泥堆肥产品。
2.根据权利要求1所述的城市污水处理厂剩余污泥堆肥方法，其特征是根据污泥检测结果按比例添加尿素来调节混合物的C/N质量比和初始含水率，该C/N质量比为30:1，初始含水率为60% 。
3.权利要求1至2中任一权利要求所述污泥堆肥产品的用途，其特征是该污泥堆肥产品作为观赏性植物、苗木栽培或城市绿化用的基质。
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