造紙污泥做有機肥的嘗試

喬引莊 伍安國 王燕濤 徐雪楠 牛延強

(1.燕山大學里仁學院,河北秦皇島,066004；2.四川工商職業技術學院,四川都江堰,611830)

?

·造紙污泥利用·

造紙污泥做有機肥的嘗試

喬引莊1伍安國2王燕濤1徐雪楠1牛延強1

(1.燕山大學里仁學院,河北秦皇島,066004；2.四川工商職業技術學院,四川都江堰,611830)

本文介紹了河北某生物科技公司利用造紙污泥做有機肥的生產經驗。生產實踐顯示,采用好氧堆肥(生物干化)技術,解決了造紙污泥難以低成本快速脫水問題；造紙污泥與秸稈粉和雞糞合理搭配可以制成精制有機肥,田間試驗結果表明,使用該有機肥可以減少化肥用量；造紙污泥堆肥的長期施用對土壤重金屬的累積量和作物中累積行為還需要進一步研究。

造紙污泥；有機肥；秸稈粉；雞糞

1 有機肥料的發展概況

我國素有利用有機肥料(有機肥)的傳統。早在3000多年前的春秋時期,我國農民就開始應用有機肥了[1]。1905年我國開始引入化學肥料(化肥),到20世紀五六十年代,有機肥仍占主要地位。20世紀60年代以后,化肥用量迅速增加,有機肥的比重有所下降。據農業部農技推廣中心的數據,有機肥在肥料總投入量中的比例,從1949年的99.9%下降到1990年的37.4%,2000年降至30.6%,2012年降至8%。就目前我國發展現狀來看,有機肥的施用量估計已經下降至化肥使用量的5%～10%。

在化肥的迅猛發展過程中,已經產生了污染生態環境,導致威脅人體健康的許多問題。①氮素肥料可能引起的環境污染：?氨的揮發和反硝化脫氮對大氣環境的污染；?氮素的流失對地表水和地下水環境的污染；?氮素引起農產品,尤其是食品中硝酸鹽的富集。②磷素肥料可能引起的環境污染：?磷素隨地表徑流造成地表水體的富營養化；?磷素生產過程中引起的大氣氟污染,而施用時可能帶來重金屬鎘等的污染及放射性元素的污染。③有機肥的缺乏和偏重使用無機化肥的習慣,致使農產品品質降低,同時惡化了土壤的物理、化學及生物學性狀,破壞了土壤中營養元素的正常比例,導致土壤肥力下降。

我國農業科技人員普遍認為,土地施肥中，有機肥以占50%左右的比例為好,高產田可以低一些,化肥與有機肥的比例約為60∶40；而低產田可以高一些,化肥與有機肥的比例約為40∶60。由此可見,目前我國有機肥的施用比例很不恰當。所以,發展商品有機肥,推廣使用有機肥,成為目前我國肥料行業發展的必然趨勢。

有機肥種類很多,其中最大項是畜禽糞尿與作物秸稈,還有綠肥、餅粕、草木灰、污泥、生活垃圾與污水、熏土等。合理施用有機肥一方面可以增加土壤有機質含量和多種生物活性物質,改善土壤物理、化學和生物學性狀,提高土壤肥力；另一方面能夠為作物提供漸進、持續、全面的養分供應,不僅可以增加作物產量,而且還能夠改善農產品品質。有機肥和無機肥配合施用,還可以提高化肥的利用率和利用效率,在不降低產量的情況下,減少化肥的用量。

2002年被稱為我國有機肥的元年,當年通過了GB 18877—2002有機無機復混肥料標準和NY 525—2002有機肥料標準,標志著我國商品有機肥正式規范地進入肥料流通領域。高產高效優質(“兩高一優”)的生態農業,是我國及世界大農業的發展趨勢。

2 造紙污泥的特點和資源化利用方法

造紙污泥是一種有機質含量高的廢棄物,處理利用難度大的主要原因是含水量大且難于快速脫水,經離心機脫水后含水率在80%左右,當前需要解決的技術難題是：如何用較低的成本,將污泥進一步脫水至含水量50%以下,以有利于運輸和無害化處理。

造紙污泥中除含有大量的有機質外,還含有氮、磷、鉀等農作物生長需要的微量元素。造紙污泥的重金屬含量比城市污泥的低,均低于GB 4284—1984農用污泥污染物控制標準[2],在堆肥過程中，有機質在微生物的作用下進行礦化分解,合成新的更穩定的有機物,在此過程中廢棄物中重金屬與污泥中含有的大量碳酸鹽和硅酸鹽反應而被鈍化,有助于土壤中重金屬元素(尤其是鎘和鉛)的保留,可避免其遷移到植物中,不會威脅人類食物鏈,還可對土壤起到改良作用。

在造紙廢水處理和污泥脫水過程中一般需要加入絮凝劑,但其投加量很小,加入的聚合氯化鋁會變成氫氧化鋁,不會造成土壤板結；聚丙烯酰胺(PAM)即使在堆肥過程中沒有被消化,也不會造成土壤板結,相反還會起到保土、保水、保肥和增產的作用。1995年1月，美國農業部討論了使用PAM控制溝渠灌溉侵蝕的臨時保護行動標準,1996年在美國西部大約有16萬～20萬hm2的土地得到處理,500萬～1億t土壤得到保護[3]。處理造紙污泥一直是環保部門和企業共同重視的問題,如何因地制宜地無害化處理和利用造紙污泥,不同規模的企業根據自己的設施情況選擇不同的方法。目前我國國內無害化處理造紙污泥的方式主要有[4]：焚燒爐焚燒、混煤燃燒、制作有機肥、土壤改良劑[5]和制備金屬物脫硝催化劑[6]等,也有研究制作人造板材(用于墻板、隔板、天花板等非承重板材)的。利用現代技術,最大限度地減少造紙生產過程中污泥的產生量,提高資源、能源利用率,綜合利用生產過程中的廢棄物,變廢為寶是企業的根本出路。

造紙污泥做有機肥是造紙污泥資源化利用的方法之一。通過園林綠地施用污泥堆肥對環境的影響以及污泥用于農田、綠化、園林等研究,結果表明，造紙污泥堆肥綜合利用具有合理性、科學性，不會導致重金屬污染,所以造紙污泥是一種良好的有機肥料資源[7],用其制作有機肥是比較好的資源化利用途徑。同時,在堆肥過程中需要一定的水分,正好解決了污泥含水量大、難脫水的難題。

本文介紹的造紙污泥取自于河北某造紙廠兩條高強瓦楞原紙生產線(4200 mm，500 m/min)的廢水處理系統,每條生產線年產瓦楞原紙10萬t,年總產量20萬t。污泥取自于廢水處理系統的平流式初沉池、輻流式沉淀池和好氧曝氣后的二沉池,三者的比例約為6∶3∶1,經測算噸紙能產生含水量為80%的污泥約350 kg。目前污泥是通過離心脫水機脫水至含水率80%左右,然后用汽車運往有機肥廠進行堆肥。該廠主要以國內廢箱紙板為原料,印刷油墨量很少,因此生產過程中不需要脫墨,也不用漂白,廢水和廢水處理后產生的污泥不存在有機鹵化物和二惡英等污染物質,重金屬含量也較低。由于OCC在制漿過程中沒有脫墨和漂白工序,因此,與脫墨污泥相比,OCC制漿造紙污泥中的污染物更少,資源化利用的前景更好[8]。在廢水處理和污泥脫水過程中沒有添加PAM。為了制定堆肥工藝條件,該廠委托市環保監測站,對該廠的污泥成分進行了化驗,結果如下：pH值7.81；有機質345 g/kg；鉀含量4.483 g/kg；汞含量0.568 mg/kg；鉻含量30.5 mg/kg；鎘含量0.1 mg/kg；鉛含量21.1 mg/kg；砷含量6.48 mg/kg。由上面的數據看出,有機質含量約34.5%,能滿足有機肥的質量標準,重金屬含量遠低于我國NY 525—2012農業部生物有機肥標準、GB 18877—2002有機-無機復混肥國家標準和GB 8172—1987城鎮垃圾農用控制標準限量指標(見表1),可以作為有機復混肥原料使用。

3 造紙污泥做有機肥生產工藝介紹

3.1 企業規模和設施情況

本文介紹的是秦皇島某生物科技有限公司把造紙污泥轉化成有機肥,并形成了品牌產品的實際運行情況,供同行們參考。

表1 肥料重金屬限量指標 mg/kg

注 GB 18877—2002標準中的限量指標的原單位為%,表中已進行了換算。各重金屬含量均以烘干基計。

該公司成立于2013年10月,是按處理附近造紙企業污泥生產有機肥項目設立的,其有機肥生產的工藝流程見圖1。公司占地面積40畝(2.67 hm2),主要設施有：混料系統兩套；發酵槽24個(長48 m、寬4 m、高1.5 m)；翻拋機2臺和裝載機2臺；連續包裝線1條,造粒包裝生產線1條等。主要廠房有：混料車間900 m2；發酵車間6000 m2；陳化車間4228 m2；粉碎、包裝車間2721 m2；一個成品庫2000 m2；有上引風+活性炭吸附廢氣處理系統。目前的產品有：有機-無機復混肥料(執行標準GB 18877—2009)；有機肥料(執行標準NY 525—2012)。具有年產3萬t有機肥的能力。

圖1 有機肥生產工藝流程圖

3.2 造紙污泥制作有機肥的生產工藝

3.2.1 配料

按照堆肥的最佳條件確定原料配比：碳氮比(C/N)為25∶1～35∶1,水分含量50%～60%,氧氣質量分數大于5%,顆粒直徑0.32～1.27 cm,pH值6.5～8.0,最高堆肥溫度70℃。

原料性質：造紙污泥水分含量80%,C/N約30∶1；生雞糞水分30%,C/N約10∶1；花生殼粉,粒度大小能通過40目的篩子,水分含量15%,C/N約50∶1,作為調理劑和膨脹劑使用。

堆肥混合物比例(質量比)為：造紙污泥60%,生雞糞10%,花生殼粉30%,好氧肥菌0.1%。混合后的混合物水分含量約55.5%,C/N為26.64∶1。

3.2.2 發酵過程

好氧堆肥工藝過程為：前處理→主發酵→后發酵→后處理→貯存。堆肥高度1.5 m,堆寬4 m。

(1)前處理階段：主要是混合均勻,按原料配比,用皮帶輸送機送到攪拌機中攪拌均勻,然后用鏟車送往發酵槽中發酵。

(2)主發酵階段：從開始發酵,經中溫、高溫然后到溫度開始下降的整個過程,一般需要10～14天,其中高溫(約70℃)階段持續時間6～8天。翻拋機每天翻拋1次。

(3)后發酵(陳化)階段：物料經過主發酵階段后,還有一部分易分解和大量難分解的有機物存在,需將其送到陳化車間,堆成1～1.5 m高的堆垛進行二次發酵并腐熟。每2～3天翻拋1次。當溫度穩定在40℃左右時即可達到腐熟。一般需14～20天,C/N為(15～20)∶1。

(4)后處理階段:對發酵熟化的堆肥進行處理,進一步去除堆肥中前處理過程沒有去除的雜質，進行必要的破碎和篩選過程，經處理后得到的精制堆肥含水在30%左右,然后裝袋。

(5)貯存階段：袋裝的有機肥貯存時要注意保持干燥通風,防止閉氣受潮。

3.3 影響污泥堆肥效果的因素

3.3.1 C/N

堆肥過程中,C元素是堆肥微生物的基本能量來源,也是微生物細胞構成的基本材料。微生物在分解含碳有機物的同時,利用部分氮素來構建自身細胞體。N是構成細胞中蛋白質、核酸、氨基酸、酶、輔酶的重要成分。微生物在生長繁殖時最佳C/N應為(25～35)∶1。一般情況下,C/N過高,微生物生長繁殖所需的氮素來源受到限制,微生物繁殖速度低,有機物分解速度慢,發酵時間長,有機原料損失大,腐殖化系數低,并且堆肥產品C/N過高,施入土壤后容易造成土壤缺氧,使作物生長發育受限。C/N過低,微生物生長繁殖所需的能量來源受到限制,發酵溫度上升緩慢,氮過量并以氨氣的形式釋放,有機氮損失大,還會散發難聞的氣味。所以合理調節堆肥原料中的C/N,是加速堆肥腐熟、提高腐殖化系數的有效途徑。

禾本科植物的C/N較高,約為(40～100)∶1之間；畜禽糞便、城市污泥C/N較低,約為(10～30)∶1。為達到理想的堆肥效果,通常用C/N較高的秸稈粉、草炭、蘑菇渣等與C/N較低的畜禽糞便、城市污泥等進行混合調整。在堆肥過程中,由于微生物作用,有近2/3的C元素會以CO2的形式釋放出來,剩余部分與N元素一起合成細胞生物體,所以堆肥化過程是一個C/N逐漸下降并趨于穩定的過程,腐熟堆肥的C/N一般為15∶1左右。

3.3.2 含水率

在堆肥工藝中,堆肥原料的含水率對發酵過程影響很大,水的作用一是溶解有機物,參與微生物的新陳代謝；二是可以調節堆肥溫度,當溫度過高時可通過水分的蒸發,帶走一部分熱量。水分太低妨礙微生物的繁殖,使分解速度緩慢,甚至導致分解反應停止。水分過高則會導致原料內部空隙被水充滿,使空氣量減少,造成向有機物供氧不足,形成厭氧狀態。同時因過多的水分蒸發,而帶走大部分熱量,使堆肥過程達不到要求的高溫階段,抑制了高溫菌的降解活性,最終影響堆肥的效果。實踐證明堆肥原料的水分在50%～60%為宜。

3.3.3 溫度

對堆肥而言,溫度是堆肥得以順利進行的重要因素,溫度會影響微生物的生長,一般認為高溫菌對有機物的降解效率高于中溫菌。堆肥初期,堆體溫度一般與環境溫度相一致,經過中溫菌1～2天的作用,堆肥溫度便能達到高溫菌的理想溫度50～65℃,在這樣的高溫下,一般堆肥只要5～6天即可達到無害化要求。過低的溫度將大大延長堆肥達到腐熟的時間,而過高的堆肥溫度(≥70℃)將對堆肥微生物產生不利影響。

據研究資料介紹,在55℃時加熱7 min和在50℃時加熱60 min,蛔蟲卵基本消失,但在47℃時,加熱2 h的蛔蟲卵也不被破壞。為了能保證徹底消滅蛔蟲卵,好氧堆肥的高溫階段溫度不應低于50℃。

3.3.4 通風供氧

通風供氧是堆肥成功的關鍵因素之一。堆肥需氧的多少與堆肥物料中有機物含量有關,堆肥物料中的有機碳越多,其耗氧率越大。堆肥過程中合適的氧濃度為18%,一旦低于18%,好養堆肥中微生物生命活動將受到限制,容易使堆肥進入厭氧狀態而產生惡臭。

對于好氧堆肥[9]而言,氧氣是微生物賴以生存的物質條件,供氧不足會造成大量微生物死亡,使分解速度減慢；但供冷空氣量過大又會使溫度降低,尤其不利于耐高溫菌的氧化分解過程,因此供氧量要適當,一般為0.1～0.2 m3/(m3·min),供氧方式是靠強制通風。保持物料間一定的空隙率很重要,物料顆粒太大使空隙率減小,顆粒太小其結構強度小,一旦受壓會發生傾塌壓縮而導致實際空隙減小。因此顆粒大小要適當,顆粒直徑一般在0.32～1.27 cm之間。

3.3.5 堆肥的pH值

pH值對微生物的生長也是重要影響因素之一,一般微生物最適宜的pH值是中性或弱堿性,pH值太高或太低都會使堆肥處理遇到困難。此外,pH值也會影響氮的損失,pH值在7.0以上時,氮以氨的形式揮發,因此,一般維持堆肥的pH值在6.5～8.0之間,pH值低可用少量的石灰調節。

3.3.6 好氧菌劑

目前市面堆肥的好氧菌劑品種較多,加入少量微生物菌劑可以加快堆腐物料的發酵速度,但會增加成本,根據發酵情況,可在翻拋過程中少量添加。

3.4 生物有機肥生產效益和肥效試驗

經核算,有機肥成本為325.31元/t,出廠價500元/t,每噸利潤174.69元,年產3萬t的有機肥廠年利潤有524.07萬元,經濟效益可觀。

該生物科技有限公司委托市農業局土肥站在小油菜地進行有機肥施用田間試驗,試驗地小油菜在常規施肥減量10%的基礎上，底施生物有機肥160 kg/畝(1 hm2=15畝),比常規施肥增產188.33 kg,增產率11.61%；比不施肥的空白對照相比，每畝增產785.83 kg,增產率76.67%,增產效果顯著。

4 造紙污泥做有機肥對土壤重金屬累積量及在作物中累積行為的影響

造紙污泥堆肥中重金屬元素雖然含量較低,但在土壤中是否會積累并造成污染,長期使用其對土壤生態環境的影響如何是大家非常關心的問題。污泥堆肥中的重金屬是限制其農用的重要因素,污泥堆肥施入的同時也會使有毒有害的重金屬元素隨之進入土壤,因此應注意污泥中重金屬對土壤及作物是否會造成污染。武書彬等人[10]分析了舊新聞紙脫墨污泥的化學組成,發現在絕干污泥中鉛含量達190 mg/kg,超過了國家標準限量指標,因此不建議將脫墨污泥作堆肥處理,應采用其他更合適的處理方法。

林云琴等人[11]將造紙污泥經過交替好氧厭氧堆肥處理后施加到菜園土中,進行盆栽實驗。結果表明,施入污泥堆肥后,土壤中銅、鎳、鎘、鉻、鉛、鋅的含量大部分較不加污泥堆肥的有所增加,但其含量均未超過國家菜園土重金屬含量標準,土壤不受其污染。他們還研究了重金屬在作物中的累積行為,認為重金屬在作物中的累積是由以下3種作用的共同結果：作物對土壤中重金屬的吸收作用、堆肥土壤中養分等的增加導致作物吸收重金屬的抑制作用、以及作物生物量的增加產生對作物體內重金屬的稀釋效果。從盆栽實驗看出,重金屬生物累積的峰值均低于國家蔬菜重金屬含量標準。可見造紙污泥堆肥的重金屬含量較低,重金屬污染風險性較小。但長期施用對土壤重金屬的累積量和作物中累積行為還需要進一步研究。

5 結 論

(1)采用好氧堆肥(生物干化)技術,解決了造紙污泥難以低成本快速脫水的問題,使污泥得到合理的資源化利用。

(2)造紙污泥與秸稈粉和雞糞合理搭配可以制成精制有機肥,田間試驗結果表明，使用該有機肥可以減少化肥用量。

(3)造紙污泥堆肥的長期施用對土壤重金屬的累積量和作物中累積行為還需要進一步研究。

[1] HUANG Hong-xiang, LI Shu-tian, LI Xiang-lin, et al. Analysis on the present situation and development prospect of organic fertilizer in China[J]. Soil and Fertilizer Sciences, 2006(1): 3.

黃鴻翔, 李書田, 李向林, 等. 我國有機肥的現狀與發展前景分析[J]. 土壤肥料, 2006(1): 3.

[2] WANG Chuan-gui, JIANG Ze-hui, LIU Xian-miao, et al. Research Advance of Utilization of Paper Sludge[J]. China Pulp & Paper, 2009, 28(1): 64.

王傳貴, 江澤慧,劉賢淼,等.造紙污泥資源化利用研究進展[J]. 中國造紙,2009,28(1): 64.

[3] DONG Ying, GUO Shao-hui, ZHAN Ya-li. Polyacrylamide effects on soil amendments[J]. Polymer Bulletin, 2004(5): 83.

董 英, 郭紹輝, 詹亞力. 聚丙烯酰胺的土壤改良效應[J]. 高分子通報, 2004(5): 83.

[4] ZHANG Rong-wei. Progress of papermaking sludge resource utilization[J]. Paper and Paper Making, 2015, 34(6): 69.

張榮偉. 造紙污泥及其資源化利用的進展[J]. 紙和造紙, 2015, 34(6): 69.

[5] WANG De-han, PENG Jun-jie, DAI Miao. Fertilizer effect of pulp and paper mill sludges compost as soil amendment[J]. Transactions of China Pulp & Paper, 2003, 18(1): 141.

王德漢, 彭俊杰, 戴 苗. 造紙污泥堆肥作為土壤改良劑的肥效研究[J]. 中國造紙學報, 2003, 18(1): 141.

[6] ZHANG An-long, PAN Mei-ling. Basic properties of paper mill sludge and its utilization[J]. Paper and Paper Making, 2011, 30(1): 50.

張安龍, 潘美玲. 造紙污泥的基礎性質及資源化利用[J]. 紙和造紙, 2011, 30(1): 50.

[7] CONG Gao-peng, SHI Ying-qiao, DING Lai-bao, et al. Biomass resource utilization of paper mill sludge[J]. Biomass Chemical Engineering, 2011, 45(5): 37.

叢高鵬, 施英喬, 丁來保, 等. 造紙污泥生物質資源化利用[J]. 生物質化學工程, 2011, 45(5): 37.

[8] ZHANG Ru, HAN Qing, HOU Tong-mei. Study on the Basic Properties of OCC Pulping Sludge[J]. China Pulp & Paper, 2014, 33(4): 8.

張 茹, 韓 卿, 侯彤梅. OCC制漿造紙污泥基礎特性的研究[J]. 中國造紙, 2014, 33(4): 8.

[9] Huang Qing, Lin Xiao-ming, Yang Shao-hai. The aerobic composting technology for paper mill sludge treatment in closed automatic processing[J]. Paper Science & Technology, 2011, 30(4): 83.

黃 慶, 林小明, 楊少海. 造紙污泥封閉式自動化好氧堆肥技術[J]. 造紙科學與技術, 2011, 30(4): 83.

[10] WU Shu-bin, KONG Xiao-ying, XIE Guo-hui, et al. Chemical Composition and Pyrolysis Properties of Deinking Sludge[J]. China Pulp and Paper, 2002, 21(1): 12.

武書彬, 孔曉英, 謝國輝, 等. 脫墨污泥的化學組成與熱解特性分析[J]. 中國造紙, 2002, 21(1): 12.

[11] LIN Yun-qin, ZHOU Shao-qi. Bioaccumulation of Heavy Metals in Crop Caused by Utilization of Paper Mill Sludge Compost[J]. China Pulp & Paper, 2005, 24(5): 30.

(責任編輯：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

喬引莊先生，高級工程師，注冊咨詢師；主要從事輕工建設項目的前期咨詢工作。

2016- 02-19(修改稿)

X793

A

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