城镇粪便无害化处理资源化利用示范工程流水线

城镇粪便无害化处理资源化利用示范工程流水线粪便以其丰富的有机质和作物生长发育所需要的氮、磷、钾元素成为农家传统的有机肥料。近年来由于石油农业发展和农民用肥习惯的改变,农业对粪便施用日趋减少。而农村集镇化的加速和畜禽养殖业规模化的发展更加剧了城镇环境治理的压力。尤其是现代化封闭型的规模养殖业的发展,大量未经处理的禽畜粪尿和废水严重地污染环境,成为与工业废水和生活污水一样的污染源[1]。“粪多为患”已成为农村集镇环境治理中的一个棘手问题。人、畜粪便的处理和利用,因为涉及环境保护、资源利用和人民的身体健康,历来为国内外科技、产业界所关注,往往采取无害化、减量化或资源化的技术路线消纳粪便,以求得化害为利,变废为宝。一些发达国家往往不惜巨资研制工艺,美国应用聚丙烯酸碱配合脱水工艺处理粪便;日本用板框压滤加高压离心方法处理;瑞典HAMSTERN粪水处理系统采用真空压滤脱水;丹麦采用螺旋压缩脱水。这些工艺共同点是耗资巨大,不适我国国情。检阅国内粪便处理的技术,大体也是沿着这三条技术路线拓展。利用厌氧发酵产生沼气是粪便无害化处理资源化利用最普遍的方法,中国农业工程研究设计院成功设计1300m3总容积的沼气池,保定用大型沼气池所产的沼气进行发电。鹤岗市有将无害化处理后的粪便制成颗粒肥料的报道。商丘的全塑封闭式粪便无害化厕所、金华的生态公厕、江苏的AUAT型公厕都是以无害化技术路线进行设计。国内的多数研究,工艺固然简单,但处理效果欠佳。然而,国内外的有关研究,为深化研究提供了借鉴,经多方案遴选、消化、组装,终于完成了我国第一条粪便无害化处理资源化利用工程流水线的组装工作。1研究概述研究分工程流水线研制、生产和用肥环境监测、肥效测定三部分。前者为研究核心,后两部分为应用作出评价:研究涉及环保、生化、工程、机械、农化等诸多学科,有机组合形成整体。粪便无害化处理资源化利用的工程流水线采用液固分离,脱臭杀菌、机械成型工艺路线,使粪便制成颗粒肥料。生产和用肥环境监测,应用常规环保测定技术对厂区排放水和颗粒肥料及农产品毒理学指标进行测定,为安全生产和用肥提供依据。肥效测定以拉丁方设计进行颗粒肥料用量的单因子试验,测定不同颗粒肥料用量对作物产量和营养成分的影响,为颗粒肥料合理用量提供依据。2工艺研制2.1工艺原理城镇粪便是一种高粘度、富含有机质、粒子细微、含水量高的复杂浑浊胶体。据对平阳县敖江镇人粪尿采样分析,人粪pH8.17～9.15,CODcr26,742～28,584mg/L,BOD510,450～11,975mg/L,TKN6440～8640mg/L,NH4-N5400～6993mg/L,密度1.01～1.04g/cm3,含水量95%左右。为将粪便中的干物质制成消毒的有机肥,同时降低残留废水的COD和BOD,达到既得到颗粒肥料又降低排放水的污染目的,在粪便中加入一定量的絮凝剂。胶体和悬浮物质颗粒在絮凝剂作用下,由于电荷中和作用和桥连作用,使粪尿液中的胶质悬浮物凝聚并与水溶液分离。分离后的糊状凝聚物经进一步脱水、恒温发酵、膨化成型制成颗粒肥料。尿液经好氧发酵继之嫌氧发酵降低COD、2.2工艺流程粪液经格栅去除杂质后流入储粪池,由卧式高压污水泵抽提进入搅拌反应桶。当粪尿液达反应桶容量1/3时,开始投放絮凝剂并继续进料,搅拌器运转搅拌3min达液固两相分离的目的。经凝聚反应的粪尿进入滚筒污泥式脱水机,脱去粪尿含水量的25%。700kg的物料进入真空干燥机,保持物温50℃～60℃,在700kg/cm2压力下脱水4h,脱去水分40%～45%。经脱水的粪便由输送带送往发酵罐,此时脱水粪便的含水量约55%,在发酵罐40℃下发酵6h,耗失含水量10%～15%。发酵后的粪便送往造粒机,此时可据作物生长的需要添加其他必要成分经液固分离所得的尾水由管道输入曝气池。由90m3空气压缩机从曝气池的不同方向送入压缩空气,在强大的气流压力下产生旋涡,为尾水好氧发酵创造了良好的条件。经8h曝气的尾水送入贮水池进入沉淀池静置,在嫌氧发酵中污泥部分得以沉淀。经水处理的尿液COD、BOD分别下降到145mg/L、60mg/L。加药消毒杀菌即可排放。排放水经土壤渗透进一步降低了BOD、COD的含量。其工艺流程如图13环境监测环境监测分生产区环境监测和颗粒肥料应用环境监测两部分。对生产区的排放水测定如表1所示。经工程流水线液固两相分离,尾水中的COD、BOD只有原粪的3.31%和5.15%。经水处理系统好氧、嫌氧发酵,COD进一步降至1.83%;再经土壤渗透流入毗邻厂区的河道,检测排放口河水的COD和BOD只有6.16mg/L和5.64mg/L,仅为原粪0.22%和0.05%,大大降低了粪便对环境的压力,缓解了水质的恶化。测定颗粒肥料和农产品的残毒如表2、3所示,表明颗粒肥料虽富集了微量重金属,但都在正常污泥所含重金属域值之内:控制在国外有关国家污泥农田施用有毒物质最高允许含量之下[2],说明颗粒肥料可在农田应用。施用颗粒肥料的甘蓝肥效和产品毒理学测定表明:颗粒肥料能够增加产量,增进品质。检出5种重金属,未检出Cr、Cd、Pb,含有微量的Zn和Cu;但与我国南方蔬菜卷心菜、青菜[2]比较,均在本底值之内。从毒理学角度阐明颗粒肥料在农田应用是安全的。4肥效测定为测定颗粒肥料的肥效,用拉丁方排列,以不同颗粒肥料用量进行对比试验。试验分别在小白菜、水稻、甜橙等作物上进行,证明颗粒肥料有一定肥效。分析测定表明,人粪颗粒肥料有机质含量达5.17%,全氮3.23%,全磷3.51%,全钾0.38%,富集了人粪中的氮磷,而钾对作物生长稍感不足。鸡粪颗粒肥料原料虽来自集约化的养鸡场,因饲料掺有砂砾而使有机质、三要素相对含量降低;但有机质仍达47.67%,氮磷钾分别为2.42%,1.92%,1.97%。由于原料的富集作用,颗粒肥料中含有微量的重金属;但在正常污泥控制值[2]之内。表明颗粒肥料可安全使用于农田。大田颗粒肥料肥效测定表明:不同颗粒肥料施用量的甘蓝或白菜均比对照生长茁壮,产量增加。至采收期,不论生物产量抑或经济产量,处理与对照比较均达极显著差异。随施肥量增加,甘蓝叶球相对含水量增加,叶球鲜嫩,粗蛋白、全醣量增加,叶球经济性状改善;但维生素C含量下降。下降原因在于维生素C主要贮藏于绿叶部分,随施肥量增加结球率上升,绿叶比下降导致维生素C下降。水稻在300kg/ha尿素基肥基础上再追施颗粒粪肥则引起倒伏,是否氮肥过量所致有待进一步重复试验。颗粒粪肥在旱地施用没有取得预期效果,究其原因是颗粒肥料在旱地应用缺乏水分灌溉,颗粒难以破碎;缺水肥效难以发挥。试验启示我们必须探索颗粒造型,以适应旱地作物生长需求。5环境和经济效益评价本工程流水线最大效益是对环境质量的改善。流水线的工程耗资80万元,占地2667m2,日处理人粪24t,年可消纳人粪8700t,相当于5500成年人的全年排放量。年可生产颗粒肥料400t。整个生产厂区,除贮粪池外,没有嗅到粪便的恶臭,也没有感到硫化氢的刺鼻。苍蝇不叮吮经絮凝剂处理的粪便。更加重要的是,处理尾水经水处理系统处理,CODcr从27,633mg/L下降至60mg/L,BOD5也从11,213mg/L下降到145mg/L,分别为粪尿的