造纸污泥做有机肥的尝试

乔引庄 伍安国 王燕涛 徐雪楠 牛延强

(1.燕山大学里仁学院,河北秦皇岛,066004；2.四川工商职业技术学院,四川都江堰,611830)



·造纸污泥利用·

造纸污泥做有机肥的尝试

乔引庄1伍安国2王燕涛1徐雪楠1牛延强1

(1.燕山大学里仁学院,河北秦皇岛,066004；2.四川工商职业技术学院,四川都江堰,611830)

本文介绍了河北某生物科技公司利用造纸污泥做有机肥的生产经验。生产实践显示,采用好氧堆肥(生物干化)技术,解决了造纸污泥难以低成本快速脱水问题；造纸污泥与秸秆粉和鸡粪合理搭配可以制成精制有机肥,田间试验结果表明,使用该有机肥可以减少化肥用量；造纸污泥堆肥的长期施用对土壤重金属的累积量和作物中累积行为还需要进一步研究。

造纸污泥；有机肥；秸秆粉；鸡粪

1 有机肥料的发展概况

我国素有利用有机肥料(有机肥)的传统。早在3000多年前的春秋时期,我国农民就开始应用有机肥了[1]。1905年我国开始引入化学肥料(化肥),到20世纪五六十年代,有机肥仍占主要地位。20世纪60年代以后,化肥用量迅速增加,有机肥的比重有所下降。据农业部农技推广中心的数据,有机肥在肥料总投入量中的比例,从1949年的99.9%下降到1990年的37.4%,2000年降至30.6%,2012年降至8%。就目前我国发展现状来看,有机肥的施用量估计已经下降至化肥使用量的5%～10%。

在化肥的迅猛发展过程中,已经产生了污染生态环境,导致威胁人体健康的许多问题。①氮素肥料可能引起的环境污染：ⓐ氨的挥发和反硝化脱氮对大气环境的污染；ⓑ氮素的流失对地表水和地下水环境的污染；ⓒ氮素引起农产品,尤其是食品中硝酸盐的富集。②磷素肥料可能引起的环境污染：ⓐ磷素随地表径流造成地表水体的富营养化；ⓑ磷素生产过程中引起的大气氟污染,而施用时可能带来重金属镉等的污染及放射性元素的污染。③有机肥的缺乏和偏重使用无机化肥的习惯,致使农产品品质降低,同时恶化了土壤的物理、化学及生物学性状,破坏了土壤中营养元素的正常比例,导致土壤肥力下降。

我国农业科技人员普遍认为,土地施肥中，有机肥以占50%左右的比例为好,高产田可以低一些,化肥与有机肥的比例约为60∶40；而低产田可以高一些,化肥与有机肥的比例约为40∶60。由此可见,目前我国有机肥的施用比例很不恰当。所以,发展商品有机肥,推广使用有机肥,成为目前我国肥料行业发展的必然趋势。

有机肥种类很多,其中最大项是畜禽粪尿与作物秸秆,还有绿肥、饼粕、草木灰、污泥、生活垃圾与污水、熏土等。合理施用有机肥一方面可以增加土壤有机质含量和多种生物活性物质,改善土壤物理、化学和生物学性状,提高土壤肥力；另一方面能够为作物提供渐进、持续、全面的养分供应,不仅可以增加作物产量,而且还能够改善农产品品质。有机肥和无机肥配合施用,还可以提高化肥的利用率和利用效率,在不降低产量的情况下,减少化肥的用量。

2002年被称为我国有机肥的元年,当年通过了GB 18877—2002有机无机复混肥料标准和NY 525—2002有机肥料标准,标志着我国商品有机肥正式规范地进入肥料流通领域。高产高效优质(“两高一优”)的生态农业,是我国及世界大农业的发展趋势。

2 造纸污泥的特点和资源化利用方法

造纸污泥是一种有机质含量高的废弃物,处理利用难度大的主要原因是含水量大且难于快速脱水,经离心机脱水后含水率在80%左右,当前需要解决的技术难题是：如何用较低的成本,将污泥进一步脱水至含水量50%以下,以有利于运输和无害化处理。

造纸污泥中除含有大量的有机质外,还含有氮、磷、钾等农作物生长需要的微量元素。造纸污泥的重金属含量比城市污泥的低,均低于GB 4284—1984农用污泥污染物控制标准[2],在堆肥过程中，有机质在微生物的作用下进行矿化分解,合成新的更稳定的有机物,在此过程中废弃物中重金属与污泥中含有的大量碳酸盐和硅酸盐反应而被钝化,有助于土壤中重金属元素(尤其是镉和铅)的保留,可避免其迁移到植物中,不会威胁人类食物链,还可对土壤起到改良作用。

在造纸废水处理和污泥脱水过程中一般需要加入絮凝剂,但其投加量很小,加入的聚合氯化铝会变成氢氧化铝,不会造成土壤板结；聚丙烯酰胺(PAM)即使在堆肥过程中没有被消化,也不会造成土壤板结,相反还会起到保土、保水、保肥和增产的作用。1995年1月，美国农业部讨论了使用PAM控制沟渠灌溉侵蚀的临时保护行动标准,1996年在美国西部大约有16万～20万hm2的土地得到处理,500万～1亿t土壤得到保护[3]。处理造纸污泥一直是环保部门和企业共同重视的问题,如何因地制宜地无害化处理和利用造纸污泥,不同规模的企业根据自己的设施情况选择不同的方法。目前我国国内无害化处理造纸污泥的方式主要有[4]：焚烧炉焚烧、混煤燃烧、制作有机肥、土壤改良剂[5]和制备金属物脱硝催化剂[6]等,也有研究制作人造板材(用于墙板、隔板、天花板等非承重板材)的。利用现代技术,最大限度地减少造纸生产过程中污泥的产生量,提高资源、能源利用率,综合利用生产过程中的废弃物,变废为宝是企业的根本出路。

造纸污泥做有机肥是造纸污泥资源化利用的方法之一。通过园林绿地施用污泥堆肥对环境的影响以及污泥用于农田、绿化、园林等研究,结果表明，造纸污泥堆肥综合利用具有合理性、科学性，不会导致重金属污染,所以造纸污泥是一种良好的有机肥料资源[7],用其制作有机肥是比较好的资源化利用途径。同时,在堆肥过程中需要一定的水分,正好解决了污泥含水量大、难脱水的难题。

本文介绍的造纸污泥取自于河北某造纸厂两条高强瓦楞原纸生产线(4200 mm，500 m/min)的废水处理系统,每条生产线年产瓦楞原纸10万t,年总产量20万t。污泥取自于废水处理系统的平流式初沉池、辐流式沉淀池和好氧曝气后的二沉池,三者的比例约为6∶3∶1,经测算吨纸能产生含水量为80%的污泥约350 kg。目前污泥是通过离心脱水机脱水至含水率80%左右,然后用汽车运往有机肥厂进行堆肥。该厂主要以国内废箱纸板为原料,印刷油墨量很少,因此生产过程中不需要脱墨,也不用漂白,废水和废水处理后产生的污泥不存在有机卤化物和二恶英等污染物质,重金属含量也较低。由于OCC在制浆过程中没有脱墨和漂白工序,因此,与脱墨污泥相比,OCC制浆造纸污泥中的污染物更少,资源化利用的前景更好[8]。在废水处理和污泥脱水过程中没有添加PAM。为了制定堆肥工艺条件,该厂委托市环保监测站,对该厂的污泥成分进行了化验,结果如下：pH值7.81；有机质345 g/kg；钾含量4.483 g/kg；汞含量0.568 mg/kg；铬含量30.5 mg/kg；镉含量0.1 mg/kg；铅含量21.1 mg/kg；砷含量6.48 mg/kg。由上面的数据看出,有机质含量约34.5%,能满足有机肥的质量标准,重金属含量远低于我国NY 525—2012农业部生物有机肥标准、GB 18877—2002有机-无机复混肥国家标准和GB 8172—1987城镇垃圾农用控制标准限量指标(见表1),可以作为有机复混肥原料使用。

3 造纸污泥做有机肥生产工艺介绍

3.1 企业规模和设施情况

本文介绍的是秦皇岛某生物科技有限公司把造纸污泥转化成有机肥,并形成了品牌产品的实际运行情况,供同行们参考。

表1 肥料重金属限量指标 mg/kg

注 GB 18877—2002标准中的限量指标的原单位为%,表中已进行了换算。各重金属含量均以烘干基计。

该公司成立于2013年10月,是按处理附近造纸企业污泥生产有机肥项目设立的,其有机肥生产的工艺流程见图1。公司占地面积40亩(2.67 hm2),主要设施有：混料系统两套；发酵槽24个(长48 m、宽4 m、高1.5 m)；翻抛机2台和装载机2台；连续包装线1条,造粒包装生产线1条等。主要厂房有：混料车间900 m2；发酵车间6000 m2；陈化车间4228 m2；粉碎、包装车间2721 m2；一个成品库2000 m2；有上引风+活性炭吸附废气处理系统。目前的产品有：有机-无机复混肥料(执行标准GB 18877—2009)；有机肥料(执行标准NY 525—2012)。具有年产3万t有机肥的能力。

图1 有机肥生产工艺流程图

3.2 造纸污泥制作有机肥的生产工艺

3.2.1 配料

按照堆肥的最佳条件确定原料配比：碳氮比(C/N)为25∶1～35∶1,水分含量50%～60%,氧气质量分数大于5%,颗粒直径0.32～1.27 cm,pH值6.5～8.0,最高堆肥温度70℃。

原料性质：造纸污泥水分含量80%,C/N约30∶1；生鸡粪水分30%,C/N约10∶1；花生壳粉,粒度大小能通过40目的筛子,水分含量15%,C/N约50∶1,作为调理剂和膨胀剂使用。

堆肥混合物比例(质量比)为：造纸污泥60%,生鸡粪10%,花生壳粉30%,好氧肥菌0.1%。混合后的混合物水分含量约55.5%,C/N为26.64∶1。

3.2.2 发酵过程

好氧堆肥工艺过程为：前处理→主发酵→后发酵→后处理→贮存。堆肥高度1.5 m,堆宽4 m。

(1)前处理阶段：主要是混合均匀,按原料配比,用皮带输送机送到搅拌机中搅拌均匀,然后用铲车送往发酵槽中发酵。

(2)主发酵阶段：从开始发酵,经中温、高温然后到温度开始下降的整个过程,一般需要10～14天,其中高温(约70℃)阶段持续时间6～8天。翻抛机每天翻抛1次。

(3)后发酵(陈化)阶段：物料经过主发酵阶段后,还有一部分易分解和大量难分解的有机物存在,需将其送到陈化车间,堆成1～1.5 m高的堆垛进行二次发酵并腐熟。每2～3天翻抛1次。当温度稳定在40℃左右时即可达到腐熟。一般需14～20天,C/N为(15～20)∶1。

(4)后处理阶段:对发酵熟化的堆肥进行处理,进一步去除堆肥中前处理过程没有去除的杂质，进行必要的破碎和筛选过程，经处理后得到的精制堆肥含水在30%左右,然后装袋。

(5)贮存阶段：袋装的有机肥贮存时要注意保持干燥通风,防止闭气受潮。

3.3 影响污泥堆肥效果的因素

3.3.1 C/N

堆肥过程中,C元素是堆肥微生物的基本能量来源,也是微生物细胞构成的基本材料。微生物在分解含碳有机物的同时,利用部分氮素来构建自身细胞体。N是构成细胞中蛋白质、核酸、氨基酸、酶、辅酶的重要成分。微生物在生长繁殖时最佳C/N应为(25～35)∶1。一般情况下,C/N过高,微生物生长繁殖所需的氮素来源受到限制,微生物繁殖速度低,有机物分解速度慢,发酵时间长,有机原料损失大,腐殖化系数低,并且堆肥产品C/N过高,施入土壤后容易造成土壤缺氧,使作物生长发育受限。C/N过低,微生物生长繁殖所需的能量来源受到限制,发酵温度上升缓慢,氮过量并以氨气的形式释放,有机氮损失大,还会散发难闻的气味。所以合理调节堆肥原料中的C/N,是加速堆肥腐熟、提高腐殖化系数的有效途径。

禾本科植物的C/N较高,约为(40～100)∶1之间；畜禽粪便、城市污泥C/N较低,约为(10～30)∶1。为达到理想的堆肥效果,通常用C/N较高的秸秆粉、草炭、蘑菇渣等与C/N较低的畜禽粪便、城市污泥等进行混合调整。在堆肥过程中,由于微生物作用,有近2/3的C元素会以CO2的形式释放出来,剩余部分与N元素一起合成细胞生物体,所以堆肥化过程是一个C/N逐渐下降并趋于稳定的过程,腐熟堆肥的C/N一般为15∶1左右。

3.3.2 含水率

在堆肥工艺中,堆肥原料的含水率对发酵过程影响很大,水的作用一是溶解有机物,参与微生物的新陈代谢；二是可以调节堆肥温度,当温度过高时可通过水分的蒸发,带走一部分热量。水分太低妨碍微生物的繁殖,使分解速度缓慢,甚至导致分解反应停止。水分过高则会导致原料内部空隙被水充满,使空气量减少,造成向有机物供氧不足,形成厌氧状态。同时因过多的水分蒸发,而带走大部分热量,使堆肥过程达不到要求的高温阶段,抑制了高温菌的降解活性,最终影响堆肥的效果。实践证明堆肥原料的水分在50%～60%为宜。

3.3.3 温度

对堆肥而言,温度是堆肥得以顺利进行的重要因素,温度会影响微生物的生长,一般认为高温菌对有机物的降解效率高于中温菌。堆肥初期,堆体温度一般与环境温度相一致,经过中温菌1～2天的作用,堆肥温度便能达到高温菌的理想温度50～65℃,在这样的高温下,一般堆肥只要5～6天即可达到无害化要求。过低的温度将大大延长堆肥达到腐熟的时间,而过高的堆肥温度(≥70℃)将对堆肥微生物产生不利影响。

据研究资料介绍,在55℃时加热7 min和在50℃时加热60 min,蛔虫卵基本消失,但在47℃时,加热2 h的蛔虫卵也不被破坏。为了能保证彻底消灭蛔虫卵,好氧堆肥的高温阶段温度不应低于50℃。

3.3.4 通风供氧

通风供氧是堆肥成功的关键因素之一。堆肥需氧的多少与堆肥物料中有机物含量有关,堆肥物料中的有机碳越多,其耗氧率越大。堆肥过程中合适的氧浓度为18%,一旦低于18%,好养堆肥中微生物生命活动将受到限制,容易使堆肥进入厌氧状态而产生恶臭。

对于好氧堆肥[9]而言,氧气是微生物赖以生存的物质条件,供氧不足会造成大量微生物死亡,使分解速度减慢；但供冷空气量过大又会使温度降低,尤其不利于耐高温菌的氧化分解过程,因此供氧量要适当,一般为0.1～0.2 m3/(m3·min),供氧方式是靠强制通风。保持物料间一定的空隙率很重要,物料颗粒太大使空隙率减小,颗粒太小其结构强度小,一旦受压会发生倾塌压缩而导致实际空隙减小。因此颗粒大小要适当,颗粒直径一般在0.32～1.27 cm之间。

3.3.5 堆肥的pH值

pH值对微生物的生长也是重要影响因素之一,一般微生物最适宜的pH值是中性或弱碱性,pH值太高或太低都会使堆肥处理遇到困难。此外,pH值也会影响氮的损失,pH值在7.0以上时,氮以氨的形式挥发,因此,一般维持堆肥的pH值在6.5～8.0之间,pH值低可用少量的石灰调节。

3.3.6 好氧菌剂

目前市面堆肥的好氧菌剂品种较多,加入少量微生物菌剂可以加快堆腐物料的发酵速度,但会增加成本,根据发酵情况,可在翻抛过程中少量添加。

3.4 生物有机肥生产效益和肥效试验

经核算,有机肥成本为325.31元/t,出厂价500元/t,每吨利润174.69元,年产3万t的有机肥厂年利润有524.07万元,经济效益可观。

该生物科技有限公司委托市农业局土肥站在小油菜地进行有机肥施用田间试验,试验地小油菜在常规施肥减量10%的基础上，底施生物有机肥160 kg/亩(1 hm2=15亩),比常规施肥增产188.33 kg,增产率11.61%；比不施肥的空白对照相比，每亩增产785.83 kg,增产率76.67%,增产效果显著。

4 造纸污泥做有机肥对土壤重金属累积量及在作物中累积行为的影响

造纸污泥堆肥中重金属元素虽然含量较低,但在土壤中是否会积累并造成污染,长期使用其对土壤生态环境的影响如何是大家非常关心的问题。污泥堆肥中的重金属是限制其农用的重要因素,污泥堆肥施入的同时也会使有毒有害的重金属元素随之进入土壤,因此应注意污泥中重金属对土壤及作物是否会造成污染。武书彬等人[10]分析了旧新闻纸脱墨污泥的化学组成,发现在绝干污泥中铅含量达190 mg/kg,超过了国家标准限量指标,因此不建议将脱墨污泥作堆肥处理,应采用其他更合适的处理方法。

林云琴等人[11]将造纸污泥经过交替好氧厌氧堆肥处理后施加到菜园土中,进行盆栽实验。结果表明,施入污泥堆肥后,土壤中铜、镍、镉、铬、铅、锌的含量大部分较不加污泥堆肥的有所增加,但其含量均未超过国家菜园土重金属含量标准,土壤不受其污染。他们还研究了重金属在作物中的累积行为,认为重金属在作物中的累积是由以下3种作用的共同结果：作物对土壤中重金属的吸收作用、堆肥土壤中养分等的增加导致作物吸收重金属的抑制作用、以及作物生物量的增加产生对作物体内重金属的稀释效果。从盆栽实验看出,重金属生物累积的峰值均低于国家蔬菜重金属含量标准。可见造纸污泥堆肥的重金属含量较低,重金属污染风险性较小。但长期施用对土壤重金属的累积量和作物中累积行为还需要进一步研究。

5 结 论

(1)采用好氧堆肥(生物干化)技术,解决了造纸污泥难以低成本快速脱水的问题,使污泥得到合理的资源化利用。

(2)造纸污泥与秸秆粉和鸡粪合理搭配可以制成精制有机肥,田间试验结果表明，使用该有机肥可以减少化肥用量。

(3)造纸污泥堆肥的长期施用对土壤重金属的累积量和作物中累积行为还需要进一步研究。

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(责任编辑：常 青)

An Attempt on the Production of Organic Fertilizer by Using Paper Mill Sludge

QIAO Yin-zhuang1,*WU An-guo2WANG Yan-tao1XU Xue-nan1NIU Yan-qiang1

(1.LirenCollege,YanshanUniversity,Qinhuangdao,HebeiProvince, 066004; 2.SichuanTechnologyandBusinessCollege,Dujiangyan,SichuanProvince, 611830)

(*E-mail: 13513348001@163.com)

Paper mill sludge is a kind of valuable biomass resource, its utilization not only can solve the problems of the secondary environmental pollution, but also obtain a certain economic benefit. Production of organic fertilizer with sludge is conducive to ecological environment, and to make a significant contribution to the development of ecological agriculture. The practical experience in the production of organic fertilizer with paper mill sludge was introduced in this paper.

paper mill sludge; organic fertilizer; straw powder; chicken manure

乔引庄先生，高级工程师，注册咨询师；主要从事轻工建设项目的前期咨询工作。

2016- 02-19(修改稿)

X793

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.09.011