城市污泥堆肥化处理技术报告教材.docx
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城市污泥堆肥化处理技术报告教材
城市生活污泥无害化堆肥利用关键技术
技术报告
提要
城市生活污水污泥是经过好氧-厌氧处理絮凝沉淀出的污染物集合体，经压滤后含水量仍然达到80%左右，另含有微量重金属。
目前主要采用填埋、焚烧等方法处理。
但，填埋需要占用大量土地，且污染周边的空气和土地环境；焚烧，需要消耗大量能源，会增加二噁英和二氧化碳的排放，污染空气。
利用具有金属硫蛋白酶基因的微生物对重金属进行无害化处理具有广阔前景，该方法主要利用微生物产生的金属硫蛋白，通过螯合或络合作用将水溶态和离子交换态的重金属转化为难溶态，可不再或缓慢被植物吸收，从而降低污泥土地的生态风险。
本研究将具有金属硫蛋白基因和高温发酵功能的微生物菌群有机结合，通过高温堆肥化处理，污泥中的重金属被螯合固化，病毒、病菌、虫卵等被杀灭，同时还去除了污泥中的大量水分和臭味，从而实现污泥的无害化和肥料化利用。
为避免内含重金属在农田的积累，建议将转化的有机肥用于园林、荒山、沙漠绿化等非农肥料。
采用基因检测技术，通过选育、优化，获得了由具有金属硫蛋白基因的真菌和高温除臭细菌相结合的复合发酵菌剂；研究确定了污泥堆肥发酵工艺；通过盆栽实验和小区示范，证实采用该技术处理获得的污泥堆肥，其中的镉（Cd）、铅（Pb）不会被油麦菜、番茄和小麦等植物吸收，说明该技术是可行的。
该技术不仅可用于城市生活污泥的无害化处理，还可用于禽畜粪便的堆肥转化，以及因污灌造成重金属污染土壤的治理，生态效益、社会效益和经济效益均十分显著，具有广阔应用前景。
一、前言
随着经济的快速发展，城市化进程的加快,随着环境质量要求的提高,城市生活污水处理率也越来越高,要处理的污水不断增加，因此，势必产生大量污泥。
据不完全统计，每处理1m3生活污水就会产生10kg污泥。
这种稀泥状的凝聚体成分很复杂,是由多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物和无机物组成的集合体,含有大量的水分（可高达98%以上）,还含有难降解的有机物、重金属和盐类以及少量的病原微生物和寄生虫卵等。
用一句话概括，污泥就是污水中污染物的浓缩物。
大量的未经处理的污泥任意堆放和排放会对环境造成新的污染,其处理处置费用通常与污水处理费用相当。
污泥处理处置的风险大于污水灌溉的风险。
有害重金属是污泥中最主要的污染物之一。
由于重金属具有难迁移、易富集和危害大等特点已成为限制污泥农业、林业利用的最主要因素。
另一个限制污泥农林利用的因素是污泥中残存着难降解、毒性大的多环芳烃类（PAHs）等污染物，这些难降解的有机物虽然含量不高，但是，它们造成的环境毒害却非常大，可以称之为环境激素。
因而,如何将产量巨大,成分复杂的污泥,经过科学处理,使其无害化、资源化,已成为我国乃至全世界都在关注的课题之一。
絮凝沉降出的污泥因含水率太高，一般需要经过机械脱水。
目前世界各国普遍采用的脱水方法有真空抽滤、板框过滤、带式压滤和离心等。
近年来,转筒离心和带式压滤得到迅速发展,作为污泥脱水的主要方法在世界各国得到广泛应用。
脱水后的污泥含水率在70%~80%之间。
以往，有的国家把污泥混同生活垃圾一起填埋或排海，这实际是把污染转移。
所以，现在各国都明文禁止排海。
由于脱水污泥富含有机质达30%~50%，平均38%左右，也含有氮、磷、钾以及多种微生物，在高含水率下仍然不稳定，在常温下会腐败、发臭，所以也不能混同生活垃圾填埋。
但是，污泥中的营养成分比鸡粪还高，优于一般的农家肥（见附录1），这是污泥有利用价值的一面。
所以，国内外许多人研究采用堆肥化-固体发酵过程来进一步去除其水分，促进其有机质转化，利用堆肥的高温阶段杀灭病原微生物，使污泥转化为腐熟的稳定的有机物料。
但是，一般意义上的堆肥化过程并不能去除原污泥中的有害重金属和难降解的有机物。
这是多年来不能把污泥转化成有机肥资源的两个主要障碍。
依据我国农用污泥标准（GB4284-84）和美国优质污泥标准（USEPA1994）存在于污泥中超标的重金属主要是Cu、Zn、Pb、Cd、Ni、Hg、As、Cr（见附录2）。
陈同斌等对国内（1994─2001年）44个城市污水污泥的重金属含量进行统计分析，结果表明：
污泥中重金属Ni、Pb、Cr、Cu和Zn含量变化幅度很大，极差最高达几千毫克/千克；Zn是含量最高的元素，Cu和Cr次之；毒性较大的重金属Hg、Cd和As含量往往较低，通常在几到十几个毫克/千克范围内。
石家庄桥西污水处理厂的污泥依据上述两个标准并不超标，但是依据我国《绿色食品产地环境质量标准NY/T391-2000》超标或接近超标的重金属是Cd、As、Pb。
存在于污泥和土壤中的重金属由于含量低（即使超标，仍在mg.kg-1级）、很分散又以多种形态存在，如水溶态、离子交换态、有机结合态、残渣态等8种形态（Leleyter,1999）。
用普通的物理、化学方法去除几乎是不可能的，成本高，工作量大，无效益。
但是，利用微生物能产生金属硫蛋白酶（Metallothionein,MT）的特性，利用MT中的巯基和半胱氨酸能够絡合或鳌合重金属的水溶态和离子交换态，形成紧密结合的有机结合态-金属硫蛋白。
这种酶只有在微量重金属诱导下才能基因表达。
金属硫蛋白是热稳定性很高的蛋白，一旦形成与金属螯合的蛋白就很难再被其它生物利用。
重金属的水溶态和离子交换态（通称可提取态）最容易被金属硫蛋白酶所螯合，因此，就不会被植物吸收利用，或减少了被植物利用的机会，因而重金属也就不会进入人类食物链，从而大大降低重金属对生态环境造成危害的风险。
大量研究说明许多微生物，尤其是真菌，如黑曲霉、酵母菌等具有金属硫蛋白酶基因或类基因。
以基因检测为主要手段筛选、选育出真菌菌种，再与细菌配合，制备出细菌-真菌复合菌剂。
把菌剂与污泥充分混合，进行生物堆肥化，螯合重金属，降解污染物，去除臭味，完成污泥变为有机肥的转化。
本研究将具有金属硫蛋白基因和高温发酵功能的微生物菌群有机结合，通过高温堆肥化处理，污泥中的重金属被螯合固化，病毒、病菌、虫卵等被杀灭，同时还去除了污泥中的大量水分和臭味，从而实现污泥的无害化和肥料化利用。
为避免内含重金属在农田的积累，建议将转化的有机肥用于园林、荒山、沙漠绿化等非农肥料。
本研究采用的技术路线：
二、材料与方法
1．材料
1.1污泥：
来自于石家庄桥西污水处理厂，经过带式压滤脱水处理。
基本性状和性质如表1所示。
表1：
石家庄桥西污水处理厂污泥成分分析
指标
污泥中含量
农用污泥标准GB4284-84
标1
GB15618-1995
标2
NY/T391-2000
有机质（%）
N（%）
P（%）
K（%）
PH值
As（mg.kg-1）
Cd（mg.kg-1）
Pb（mg.kg-1）
Cr（mg.kg-1）
Hg（mg.kg-1）
42-50
4.04
3.16
0.60
5.5-6.0
14.0
7.0
85.0
17.0
1.0
75
20
1000
1000
15
25
0.6
350
250
1.0
20
0.4
50
120
0.35
注：
标1-《土壤环境质量标准》（二级）（GB15618-1995）；标2-《绿色食品产地环境质量标准》（NY/T391-2000）
1.2贝壳粉（CaCO3，钙粉）：
秦皇岛华宇公司生产。
用以改善、调节污泥水分和污泥的阳离子交换率（CEC）。
研究表明（杨军等，2009），在弱碱性条件下，CaCO3可促进CdCO3等沉淀物的形成。
1.3发酵腐熟鸡粪：
石家庄金太阳生物有机肥有限公司提供。
用于调节污泥的含水率、理化特性，使污泥pH值＞7.5，含水率降至60%以下，使污泥适宜进行好氧固体发酵-堆肥化，并在发酵过程中固定化重金属、降解难降解污染物。
2．实验方法
2.1优良菌株筛选
采用基因检测方法筛选具有金属硫蛋白酶基因的优良菌株。
目标菌株除能在微量重金属诱导下表达产生金属硫蛋白酶和多种氧化物酶外，还与根共生、促生，具有修复土壤生态的功能。
目标菌：
啤酒酵母、热带假丝酵母、淡紫拟青霉和黑曲霉等真菌，以及枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、多粘芽孢杆菌等细菌。
筛选菌株购自中科院微生物所菌种保藏中心（CGMCC）,所有菌株都无毒、无害，是农业部允许农业应用的菌种。
2.1.1基因检测方法（以酵母菌为例）：
（1）先将酵母菌活化、平板划线培养，挑取单菌落放入PCR扩增管内，加入20μL真菌基因组DNA提取试剂盒（北京天漠公司经销）提取液，再加入0.1mg微珠振摇提取1min;
（2）以据金属硫蛋白酶基因结构（CUP1）设计引物，引物由上海生物工程公司合成。
上游引物:
5’-GTCAGCTAGCGCAAAAAGAGCGATGCG-3’
下游引物:
5’-TATTAACGTATACCTATAAATTAACAAAG-3’
（3）菌落PCR条件与体系，在25μL体系中,2xTaqPCRMasterMix12.5μL,上游引物1μL,下游引物1μL,菌体提取液0.5μL,无菌水
10μL。
程序:
扩增CUP1片段为95℃5min,95℃40s,55℃40s,72℃40s,72℃10min。
（4）凝胶电泳检查，CUP1片段约500bp（下图，泳道3）
2.1.2促根菌株的筛选
以莴苣种子为实验材料，100+1（污泥）g/L土壤浸出液为营养液，将单一菌或复合菌菌体（4000r/min,离心10min,约0.1g）加入土壤浸出营养液，经过光照培养箱培养5-7天，观察出芽、生根的状态。
与对照比较，如果发芽快，支根、根毛多，就可以判断该菌或复合菌有促根生的作用。
（游佩进等，2009）。
2.2．菌剂制备
以玉米粉-硝酸钾为主要培养基成分，经过三级液体发酵、扩大培养，吸附于适量草炭粉上，制备成固体菌剂。
与干燥的发酵鸡粪、贝壳粉一起加入待堆肥发酵的污泥中。
菌剂的有效活菌菌落数大于或等于20个亿/克，即≥2×109cfu/g。
菌剂由石家庄金太阳生物有机肥有限公司制备。
50L实验发酵罐3000L中试发酵罐
2.3.污泥无害化效果检测
采用室内盆栽试验法。
在晋州市选用有代表性的壤土，加入75%表土和25%污泥有机肥（相当于50吨/亩），充分混合后装3盆作为实验组，另3盆只加表土不另加其它肥料，作为空白对照组。
撒播油麦菜种子，浇水、光照、温度、湿度等条件都相同。
种植一个月后分别采集油麦菜地上部分，105℃烘干，再经微波（加浓硝酸和双氧水）消解后测定叶子中的Cd、Pb。
2.4.应用试验与示范
地点：
石家庄晋州市南张村。
实验设计：
在室内盆栽实验基础上，建立1000平米蔬菜小区示范工程。
750m2一次施入1.5吨污泥有机肥；另250m2常规施肥，作为对照区。
同种油麦菜，光照、温度、湿度以及田间管理都相同。
检测指标：
重金属（水溶态和离子交换态的Cd和Pb）在油麦菜叶子中的残留；污泥有机肥对施入土壤生态和油麦菜根系的影响。
试验土壤背景：
有机质2.94%，总氮0.81%，速效磷（P2O5）270mg/kg，速效钾（K2O）120mg/kg，可提取态Cd1.27mg.kg-1，Pb13.63mg.kg-1
2.5.重金属检测方法污泥、土壤中Cd、Pb的可提取态采用0.1mol.L-1MgCl2提取，用火焰-原子吸收分光光度法测定，具体方法参照《土壤环境监测技术规范》。
植物Cd、Pb总含量采用硝酸-双氧水消解后，石墨炉-原子吸收分光光度法测定《绿色食品产地环境质量标准NY/T391-2000》。
2.6.有机肥质量标准与检测
参照农业部《商品有机肥标准》NY525-2002进行。
2.7.根围土壤生态系统修复效果检测
采用土壤基因组DNA提取-细菌16SrDNA特异扩增-变性梯度
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