CN103755400B - 一种利用城市污水厂剩余污泥制备矿物有机肥的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用城市污水厂剩余污泥制备矿物有机肥的方法，主要经过以下三个步骤进行：首先将污泥浓缩池中的污泥进行减量化，采用臭氧催化氧化的方法，减量化的污泥经过脱水进入亚临界水反应，然后出来的固体已经完成无害化处理，最后将改性过的凹凸棒粘土与无害化处理后的污泥、鸡粪、微生物有益菌剂混合发酵制成矿物生态有机肥。本发明绿色环保，实现了污泥的无害化与资源化处置，所得矿物有机肥可以明显改善土壤的结构性，使土壤的容重下降、孔隙增多、土壤的通气透水性变好，具有良好的控释效果，调节农作物均匀生长，从而提高农作物品质。
Description
技术领域
本发明属于污泥处理和农用肥料技术领域，具体涉及一种利用城市污水厂污泥制备矿物有机肥的方法。
背景技术
随着我国城市化进程的迅速发展，城市污水处理厂的数量和规模快速增加，由于污水处理厂多采用最普遍的活性污泥法，一般会产生占污水量体积0.3%～0.5%或约为污水量质量的1%～2%的剩余污泥。目前，我国每年产生剩余污泥3000万吨左右，“十二五”后，剩余污泥量还将逐年加倍。
城市污水处理厂剩余污泥所含成分复杂，富营养物质（有机营养物、钾、氮和磷等）、生活污水、工业废水等含量丰富。还含有部分泥沙、纤维、动植物残体等固态、半固态、液态絮状泥粒的废弃物。除此之外，微生物的存在所形成的群体及其吸附在该群体周围的有机营养物、重金属元素、盐类化合物、寄生虫卵、致病菌等综合固体物质含量也很丰富。此类物质含水量丰富、具有高度的腐败性质、腐臭味很浓。如将其任意排放，会使水体恶化，有毒物质增加，威胁生态环境。如果污泥被直接利用到农业中，污泥中的铜、铝、镍、铬、锌、汞等金属会污染土壤和农作物；微生物分解污泥中的有机物后会增加对大气环境有害的物质含量，威胁空气质量。同时，难以降解的有毒物质（如致病菌、寄生虫、多氯联苯、二恶英、放射性元素等）将威胁到生态环境和人类健康，后果不可估量。
目前污泥处理方式主要有焚烧、堆肥、填埋等。焚烧法的设备成本和运行费用高，短期内也无法完全实现设备和工艺的改革，且在焚烧过程中可能对大气造成二次污染。堆肥法更易引土壤和地下水污染等问题；现行的主要处置方式为垃圾填埋法。但是由于城市发展迅速，地价不断上涨，填埋处理成本高昂，且作为垃圾填埋的污泥二次污染严重，不符合我国可持续发展基本方针。近年来，世界各国污泥处理涌现了许多新技术，例如污泥热化学液化处理使之转化为燃料油，低温热化学过程将污泥转化为燃料，利用污泥制砖、制陶瓷等用作建筑材料等。但由于对资源化过程中污染物的迁移、转化规律缺乏系统和深入研究，特别是在污泥高温资源化利用过程中对重金属固化除毒机理的研究不够，过高的安全风险和低价值收益限制了这种资源化方法的发展。另一方面，污泥主要是由各种氨基酸组成的菌体,主成份包括：总氮(1.6%～3.44%)、总磷(0.55%～1.98%)、钾(0.11%～0.79%)、氨基酸(35%～40%)、各种维生素和矿物质等，这些都是农作物生长所必须的肥料成分，所以污泥是很好的肥料和土壤改良剂。因此，应大力开发剩余污泥处理新技术，有效利用污泥，变废为宝，实现污泥处理与处置的“无害化”、“减量化”和“资源化”。
市场迫切的需要一种既不破坏环境、破坏土壤，又能够增产改善品质的化肥替代品。有不少专利报道了关于有机肥的制作方法，例如：有机无机混配肥及制备方法（96120245.9），生物活性有机肥的生产方法（02133027.1），农作物秸杆转化为液体燃料和有机肥料的方法（01127346.1），利用有机废弃物制造生物发酵活性有机肥料的生产方法及其装置（03102255.3）等。但是这些方法都普遍存在重金属残留、有毒有害物质存在、发酵反应时间较长、原料收集困难、缺乏营养元素等弊端。以凹凸棒粘土为原料制备肥料的专利有，凹凸棒的成型制作方法（200810086721.3），天然矿物肥料（201010554887.0），主要是利用凹凸棒粘土、鸡粪和菌种混合发酵而成，但是大量鸡粪收集将带来很大的麻烦，也会增加制作肥料的成本。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了提供一种利用城市污水厂剩余污泥生产出高价值矿物有机肥的方法，从污泥处理的源头开始，通过一系列污泥处理处置技术，生产出经济、环保而且具有高价值的资源化产品。
技术方案：一种利用城市污水厂剩余污泥制备矿物有机肥的方法，步骤如下：
（1）将臭氧催化氧化设备放置于污泥浓缩池外部，氧化时间为100-150分钟，使污泥中臭氧投加量达到0.05～0.08gO3/gSS，从而实现污泥约50%的减量和消除部分重金属；
（2）从步骤（1）得到的污泥中投加絮凝剂进行压滤脱水，由于细胞破壁，大量细胞内水被释放出来，实现污泥含水率达到40%～60%；
（3）将经步骤（2）压滤脱水得到的污泥加入到亚临界水反应釜内，进行亚临界水反应步骤，得到含水率为10%～20%固态产物，为初级肥料产品。
（4）将步骤（3）得到的初级肥料与微生物有益菌剂、改性凹凸棒粘土和鸡粪混合均匀，制堆得到混合物进行发酵步骤；
（5）将经过步骤（4）发酵后的混合物采用挤压造粒、包装后得到矿物有机肥成品。
优选地，步骤（2）所述絮凝剂是聚丙烯酰胺。
优选地，步骤（3）所述的亚临界水反应步骤的条件是：向所述亚临界水反应釜内加入氢氧化钠调节污泥的pH至7.5～8.5，并通入蒸汽，调节温度至100～250℃，压力至1.0～4.0MPa，反应时间为15～30min。
优选地，步骤（3）所述初级肥料、改性凹凸棒粘土和鸡粪添加的重量比为6～8:9～12:2～3，微生物有益菌剂添加少量，占总体混合物重量的0.5～1%。
优选地，步骤（4）所述发酵步骤的条件是，发酵温度为50～60℃，发酵时间5～7天，发酵过程中当温度超过65℃时，进行自动机械翻堆。
本发明所述的利用城市污水厂剩余污泥制备矿物有机肥的方法，主要经过以下三个步骤进行：首先将污泥浓缩池中的污泥进行减量化，采用臭氧催化氧化的方法，减量化的污泥经过脱水进入亚临界水反应，然后出来的固体已经完成无害化处理，最后将改性过的凹凸棒粘土与无害化处理后的污泥、鸡粪、微生物有益菌剂混合发酵制成矿物生态有机肥。
1.臭氧催化氧化
臭氧是一种强氧化剂，臭氧分解产生的新生态氧原子具有很高的氧化活性，具有很高的氧化还原电位，仅次于氟。臭氧与污泥接触氧化时，污泥中的多糖类及细胞壁成分等难于或不可生物降解的有机物被氧化为易生物降解的小分子，细胞壁破坏，细胞质从细胞中释放出来，使细胞内物质较快地溶于水中。在催化作用下，臭氧氧化效果能得到进一步提升，能有效分解污泥中的大分子物质，去除部分重金属物质，改善污泥的沉降性能，降低污泥的含水率，从而减轻了后续处理的负担。本发明中，将臭氧催化氧化设备放置于污泥池外部，经过臭氧催化氧化处理后的污泥，后期脱水絮凝剂的投加量减少30-40%，脱水产生的污泥量减少50%以上，含水量降低至65%以下。从而极大的降低了后续亚临界水反应的负荷和处理成本，提高了后续处理效率。
2.亚临界水反应
一般认为水处于200～374℃、10～22MPa时的状态，称为水的亚临界状态。污泥中有机物在这种亚临界状态可直接与O2或空气进行燃烧反应，将污泥中的大分子有机物在短时间(几分钟)内转换为低分子有机物(如葡萄糖，氨基酸等)。污泥在高温和高压条件下，内部颗粒碰撞几率增大，颗粒间的碰撞导致了胶体结构的破坏，使束缚水和固体颗粒分离。因此，污泥亚临界水反应技术可以使污泥在亚临界状态有机质产生一部分的气，气体可以回收，上清液可以回收，气、固、液三相得到有效分离，固体则成为很好的初级肥料。
3.微生物混合发酵
经过亚临界水反应产生的初级肥料，保存了污泥中的有机质，同时消除了污泥中的各种病菌和病毒物质，各种重金属含量均显著低于国家有机肥限制标准，各种有机污染物均无法检出，可作为生产有机肥料的理想原料。凹凸棒粘土是指以坡缕石为主要组分的一种粘土矿物。凹凸棒土石为一种纳米级晶质水合镁铝硅酸盐矿物，具有独特的层链状结构特征。由于凹凸棒石独特的晶体结构，使之具有许多特殊的物化及工艺性能，凹凸棒粘土中含有丰富的植物生长所需的各种矿物元素：碘、硒、硼、锌等等尤其富含硒，这些元素即可以调节农作物的生长，还可以增加其营养成分，生产出富含微量元素的优质作物。
本发明采用的是改性凹凸棒粘土为原材料，改性凹凸棒粘土是指对原有坡缕石粘土进行破碎、粉末化及改性处理。
鸡粪能进一步提高肥料的氮、磷等营养元素的含量，进一步提高肥效。为进一步提高其价值和肥效，实现废物利用，变废为宝，我们将亚临界水反应而来的初级肥料与改性凹凸棒粉末和鸡粪混合发酵，发酵过程中，微生物菌群可将矿物中的有益元素形态转化，制造为可生物利用的有效成分。
有益效果：
1、本发明绿色环保，不仅无需化学氧化药剂，实现污泥减量，还减少了污泥脱水的絮凝剂添加量，处理过程中无需去除水分，时间短，操作简单快速；处理后污泥无污染，无后遗症；处理成本低、效率高；制成的矿物有机肥附加值高；节省土地资源，降低社会成本；处理过程中无二噁英等有害物质的产生，无臭气产生，避免了传统的高温污泥堆肥法常有的恶臭问题，建设费及运行费远低于焚烧法。因此实现了城市剩余污泥的减量化、无害化与资源化处置。
2、本发明专利将无害化处理后剩余污泥、改性凹凸棒粘土、鸡粪和菌种进行混合发酵，其中无害化污泥将占有很大比例，同时也对部分污水处理厂污泥的处理处置提供了出路，解决了传统处理方法，例如污泥焚烧、填埋和生物发酵带来的弊端。三种基本原料（无害化处理后剩余污泥、改性凹凸棒粘土、鸡粪）经过充分的混合，加入高温发酵菌种充分腐熟发酵，有机分子以常量元素、微量元素与凹凸棒晶体将会形成吸附性结合，这种相对聚合结构有益成分易于农作物吸收，又具有良好的控释效果，调节农作物均匀生长，从而提高农作物品质。
3、该产品可以明显改善土壤的结构性，实现土壤改良，使土壤的容重下降、孔隙增多、土壤的通气透水性变好。随着用量的增加，土壤可供植物吸收的氮、磷等营养成分和有机质含量相应递增，会明显地增加土壤氮、磷养分，并能有效地向植物提供养分，减少化学肥料的施用量，从而可以降低农业生产的成本。
4、对多种作物进行肥效实验和重金属含量检测表明，各种作物中重金属含量无显著差异，且能促进作物生长，增产效果明显。主要体现在：促进着色，提早成熟，农作物提前1-5天开花、结果，早2-6天，早熟7-10天。花卉植物生产茁壮、开花早、花期长、鲜艳持久、香气浓郁，可缩短水果和其他作物的成熟期。增产效果明显，彻底改善作物品质，能促进农作物较快吸收养分，增加蛋白质、糖分、维生素、固形物的含量，使果实增大、形状和色泽美观。优级品增加，商品率可提高20%以上，平均增产10%以上。使用本品农作物早发芽，苗齐、苗壮、根系发达、病虫害少、防病抑菌、健壮植株、茎叶壮等，可以抑制灰霉病菌、炭疽病菌等真菌病害。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
实施例1
如图1所示，是利用城市污水厂剩余污泥制备矿物有机肥的方法的一个工艺流程，具体步骤如下:
（1）将臭氧催化氧化设备放置于污泥浓缩池外部，通过污泥进出设备达到污泥减量，氧化时间为120分钟，使污泥中臭氧投加量达到0.07gO3/gSS，从而实现污泥的50%的减量和消除部分重金属；
（2）从步骤（1）得到的污泥中投加絮凝剂聚丙烯酰胺进行压滤脱水，实现污泥含水率达到50%；
（3）将经步骤（2）压滤脱水得到的污泥经加入到亚临界水反应釜内，进行亚临界水反应步骤，向所述亚临界水反应釜内加入氢氧化钠调节污泥的pH至8，并通入蒸汽，调节温度至150℃，压力至3.0MPa，反应时间为25min，得到含水率为15%固态产物，为初级肥料产品。
（4）将步骤（3）得到的初级肥料与初级肥料、改性凹凸棒粘土和鸡粪以重量配比为4:5:1的比例混合均匀，添加占混合物总体重量分数为0.5%的微生物有益菌剂，混合制堆得到混合物进行发酵步骤，发酵温度为60℃，发酵时间6天，发酵过程中当温度超过65℃时，进行自动机械翻堆；
（5）将经过步骤（4）发酵后的混合物进行挤压造粒、包装后得到矿物有机肥成品。生产出的矿物有机肥颗粒均匀圆整、表面光滑、抗压强度高，流动性好，微生物菌成活率＞90%，成粒率85-95%，颗粒直径3.5-4mm。
实施例2
一种利用城市污水厂剩余污泥制备矿物有机肥的方法，具体步骤如下:(1)将臭氧催化氧化设备放置于污泥浓缩池外部，氧化时间为100分钟，使污泥中臭氧投加量达到0.05gO3/gSS，从而实现污泥的减量和消除部分重金属；
（2）从步骤（1）得到的污泥中投加絮凝剂聚丙烯酰胺进行压滤脱水，实现污泥含水率达到60%；
（3）将经步骤（2）压滤脱水得到的污泥经加入到亚临界水反应釜内，进行亚临界水反应步骤，向所述亚临界水反应釜内加入氢氧化钠调节污泥的pH至8.5，并通入蒸汽，调节温度至250℃，压力至1.0MPa，反应时间为15min，得到含水率为20%固态产物，为初级肥料产品。
（4）将步骤（3）得到的初级肥料与初级肥料、改性凹凸棒粘土和鸡粪以重量配比为6:11:3的比例混合均匀，添加占混合物总体重量分数为0.8%的微生物有益菌剂，混合制堆得到混合物进行发酵步骤，发酵温度为50℃，发酵时间7天，发酵过程中当温度超过65℃时，进行自动机械翻堆；
（5）将经过步骤（4）发酵后的混合物进行挤压造粒、包装后得到矿物有机肥成品。
实施例3
一种利用城市污水厂剩余污泥制备矿物有机肥的方法，具体步骤如下:(1)将臭氧催化氧化设备放置于污泥浓缩池外部，氧化时间为150分钟，使污泥中臭氧投加量达到0.05gO3/gSS，从而实现污泥的减量和消除部分重金属；
（2）从步骤（1）得到的污泥中投加絮凝剂聚丙烯酰胺进行压滤脱水，实现污泥含水率达到40%；
（3）将经步骤（2）压滤脱水得到的污泥经加入到亚临界水反应釜内，进行亚临界水反应步骤，向所述亚临界水反应釜内加入氢氧化钠调节污泥的pH至7.5，并通入蒸汽，调节温度至100℃，压力至4.0MPa，反应时间为30min，得到含水率为10%固态产物，为初级肥料产品。
（4）将步骤（3）得到的初级肥料与初级肥料、改性凹凸棒粘土和鸡粪以重量配比为8:12:3的比例混合均匀，添加占混合物总体重量分数为1%的微生物有益菌剂，混合制堆得到混合物进行发酵步骤，发酵温度为55℃，发酵时间6天，发酵过程中当温度超过65℃时，进行自动机械翻堆；
（5）将经过步骤（4）发酵后的混合物进行挤压造粒、包装后得到矿物有机肥成品。
实施例4
以实施例1得到的矿物有机肥为例来检测本发明产品的肥效：
将本发明矿物有机肥与普通肥料（磷二铵和尿素）作对比，试验采用大区无重复设计，指示作物为枸杞，每区11～15棵树，每区选取6棵树作为取样株，矿物有机肥的施肥量为300kg/亩，普通肥料的施肥量为磷二铵250g/株，尿素250g/株；枸杞种植株行距为1m×2m，5000株/hm2。采用人工采摘的方法，每约7天采摘一次，共采摘8次，每棵树单独计产、考种。与普通肥料的肥效相比，结果如下：
矿物有机肥能促进枸杞叶片和枝条的生长。枸杞叶长和叶干重增加2.86%～10.10%和2.06%～14.87%；枝条生长量、湿重和干重均增加10.38%～98.11%。
矿物有机肥能增加枸杞产量，并随施肥量的增加而产量增加11.82%～32.45%。
矿物有机肥能增大枸杞（尤其是盛果期）鲜果果粒长度和直径、百粒鲜重、百粒重，减小枸杞粒度和鲜果含水量，改善枸杞品质。单粒鲜果的长度和直径增加0.21%～7.46%和0.25%～20.03%，鲜果含水量降低0.46%～4.60%；百粒重产量最高时达到最小，为14.03～17.68g/100粒，粒度变化则与百粒重相反。枸杞鲜果的维生素C、可溶性糖、糖酸比和钙含量分别增加31.89%、8.68%、22.32%和13.33%；铁和锌含量减小19.52%、25.12%。
矿物有机肥能增加枸杞地土壤有机质3.55%～11.15%，降低土壤容重3.62%～11.55%。，增大土壤孔隙度3.70%～13.74%。
实施例5
指示作物为番茄（大红一号），施肥量如下：其中对照组——亩施美国二铵（46%磷酸二铵）800公斤；试验组——亩施矿物有机肥800公斤。试验结果：
亩产量共计3万斤，其中试验组：1.6万斤；对照组：1.4万斤。
番茄经测试，各种成分品质对照如下：
可见，经矿物有机肥施肥后的番茄的营养成分高于对照组。
实施例6
经处理后的城市污泥有机物含量很高，重金属含量如下表，符合国家限制性标准，不含杂菌，且含有少量氮磷钾元素，是生产农用微生物菌剂和生物有机肥非常理想的原料。
| 检验项目 | 剩余污泥（mg/kg） | 处理后污泥（mg/kg） |
| 铜 | 262 | 76 |
| 铁 | 1.1×104 | 4.19×103 |
| 锌 | 976 | 300 |
| 铝 | 1.6×104 | 4.9×103 |
| 铅 | 30.4 | 20.4 |
| 砷 | 6.77 | 1.6 |
| 汞 | 7.75 | 0.88 |
| 镉 | 0.52 | 0.097 |
| 铬 | 42 | 22.4 |
| 镁 | 1.14×104 | 3.09×103 |
| 钙 | 2.04×104 | 7.05×104 |
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种利用城市污水厂剩余污泥制备矿物有机肥的方法，其特征在于，步骤如下：
（1）将臭氧催化氧化设备放置于污泥浓缩池外部，氧化时间为100-150分钟，使污泥中臭氧投加量达到0.05～0.08gO3/gSS，从而实现污泥减量和消除部分重金属;
（2）从步骤（1）得到的污泥中投加絮凝剂进行压滤脱水，由于细胞破壁，大量细胞内水被释放出来，实现污泥含水率达到40%～60%；
（3）将经步骤（2）压滤脱水得到的污泥加入到亚临界水反应釜内，进行亚临界水反应步骤，得到含水率为10%～20%固态产物，同时消除污泥中的重金属，保留污泥中有机成分，为初级肥料产品；
（4）将步骤（3）得到的初级肥料与微生物有益菌剂、改性凹凸棒粘土和鸡粪混合均匀，制堆得到混合物进行发酵步骤；
（5）将经过步骤（4）发酵后的混合物采用挤压造粒、包装后得到矿物有机肥成品。
2.根据权利要求1所述的一种利用城市污水厂剩余污泥制备矿物有机肥的方法，其特征在于，步骤（2）所述絮凝剂是聚丙烯酰胺。
3.根据权利要求1所述的一种利用城市污水厂剩余污泥制备矿物有机肥的方法，其特征在于，步骤（3）所述的亚临界水反应步骤的条件是：向所述亚临界水反应釜内加入氢氧化钠调节污泥的pH至7.5～8.5，并通入蒸汽，调节温度至100～250℃，压力至1.0～4.0MPa，反应时间为15～30min。
4.根据权利要求1所述的一种利用城市污水厂剩余污泥制备矿物有机肥的方法，其特征在于，步骤（3）所述初级肥料、改性凹凸棒粘土和鸡粪添加的重量比为6～8:9～12:2～3。
5.根据权利要求1所述的一种利用城市污水厂剩余污泥制备矿物有机肥的方法，其特征在于，步骤（4）所述发酵步骤的条件是，发酵温度为50～60℃，发酵时间5～7天，发酵过程中当温度超过65℃时，进行自动机械翻堆。
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