生物碳基有機(jī)肥的研究進(jìn)展

開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的1篇生物碳基有機(jī)肥的研究進(jìn)展，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。

摘要:污水污泥因其數(shù)量巨大，處理難度較高，探究處理新工藝已顯得十分迫切。為深入解決污泥處置與礦物肥料緊缺的問題，以污水污泥無害化處理改性有機(jī)礦物肥料的研究為引導(dǎo)，簡述了有機(jī)礦物肥料在改善作物生長與減少營養(yǎng)物質(zhì)在環(huán)境中的損失方面的極大潛力。通過回顧近些年礦物肥料的需求量、價(jià)格與時(shí)間的關(guān)系，分析污水污泥的處置方式與所含有機(jī)成分對(duì)提高土壤肥力的作用，表明污水污泥無害化改性生物碳基有機(jī)礦物質(zhì)肥料在提高土壤肥力的效果方面具有極大的應(yīng)用前景。通過總結(jié)和對(duì)比可預(yù)測(cè)將污泥中提取的有機(jī)礦物肥料經(jīng)添加礦物元素后進(jìn)行有效改良，并加入一定量的酸或堿進(jìn)行滅菌后，可顯示出比常規(guī)肥料更加高效的作物產(chǎn)量反應(yīng)值，同時(shí)營養(yǎng)物質(zhì)的緩慢釋放效應(yīng)顯示出更加高效和持久的肥效釋放能力。

關(guān)鍵詞:污水污泥;有機(jī)礦物肥料;氮的吸收;生物利用率

隨著全球人口數(shù)量的迅猛增長，無疑對(duì)農(nóng)業(yè)和糧食生產(chǎn)的需求加劇，這也顯示出對(duì)肥料投入的潛在依賴。目前世界對(duì)氮、磷和鉀的需求量每年將增加1.4%、2.2%和2.6%，眾所周知，磷作為一種不可再生資源，可能在未來50～130年內(nèi)耗盡［1］。因此有必要最大限度地減少磷的損失，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)可循環(huán)利用的閉環(huán)路徑。另一方面，城市化和工業(yè)化也加劇了污水污泥的產(chǎn)生，鑒于污泥對(duì)人類健康和環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)，它應(yīng)該被妥善處理。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年歐盟27國共產(chǎn)生了超過1100萬噸干燥的固體污泥，預(yù)計(jì)到2030年，數(shù)量將達(dá)到近2500萬噸［2］。目前常見的處理污泥的方式有：土壤處理、填埋和焚燒，在大多數(shù)條件下，使用污水污泥作為肥料似乎是最佳的方案。污水污泥作為提供植物生長所需的主要營養(yǎng)物質(zhì)的寶貴來源，其固體部分中約有50%是有機(jī)物，這對(duì)土壤的物理、化學(xué)和生物特性有重大的改良作用。有機(jī)物可以改善土壤多孔性，增加水的保留和移動(dòng)，一些有機(jī)物的某些成分在土壤聚集中起著重要的作用［3］。向土壤中添加有機(jī)物可促進(jìn)物質(zhì)的分解并建立起微生物平衡，另一方面，將生物固體直接回收到土地中會(huì)帶來一些問題，例如包括重金屬含量增加，可能長期聚集于植物體內(nèi)，污泥的直接應(yīng)用會(huì)給人類和環(huán)境帶來風(fēng)險(xiǎn)［4］。盡管污水污泥中的營養(yǎng)物質(zhì)含量相對(duì)較高，但宏觀營養(yǎng)素的濃度并不足以滿足作物的生長需求。此外，眾多關(guān)于污水污泥的報(bào)道中［5-9］稱在生物固體中出現(xiàn)的低氮磷比，導(dǎo)致土壤中的磷堆積，造成水體的富營養(yǎng)化。有機(jī)礦物肥料作為提升土壤肥力的關(guān)鍵，可減緩廢物和副產(chǎn)品數(shù)量增加的問題，在不同的技術(shù)中，對(duì)于從生物固體中提取的有機(jī)礦物肥料（OMFs）可極大降低成本，經(jīng)過消毒、滅菌和富集污水污泥，以便將其用于制備顆粒肥料。生物固體衍生的肥料生產(chǎn)方式通常是基于污水污泥中的營養(yǎng)物質(zhì)與酸或堿之間的化學(xué)反應(yīng)，在生產(chǎn)過程中加入酸或堿，在顆粒狀的生物固體上涂抹尿素或直接將生物固體與尿素進(jìn)行混合，亦或是將生物固體與干性添加劑（無機(jī)肥料）進(jìn)行混合，便可獲得逐漸釋放養(yǎng)分的OMFs。研究表明，經(jīng)過OMFs作用的土壤，其干物質(zhì)含量增加，顯示出有機(jī)物含量和氮的利用效率的極大提高［10］。所有這些都說明了生物固體衍生的OMFs在改善作物和減少營養(yǎng)物質(zhì)在環(huán)境中的損失方面具有極大的潛力。

1目前的礦物肥料趨勢(shì)

預(yù)計(jì)在未來的40年內(nèi)，由于全球人口的增長，對(duì)糧食的需求量將增加60%以上，到2050年全球的人口將達(dá)到93億。廉價(jià)原料的時(shí)代已成為過去時(shí)，農(nóng)業(yè)和食品生產(chǎn)是造成自然資源枯竭的主要原因之一，自然資源的價(jià)格在1998年至2011年期間增長了300%以上［11］。資源的匱乏導(dǎo)致了投入和生產(chǎn)成本的增加、市場(chǎng)緊縮，這是由于需求的增長速度超過了生產(chǎn)能力的增長速度。對(duì)自然資源的有效和可持續(xù)利用可以確保糧食保障，肥沃的土壤是平衡商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)農(nóng)作物的關(guān)鍵。然而長期以來很少有農(nóng)業(yè)土壤產(chǎn)生足夠的營養(yǎng)成分來滿足作物產(chǎn)量的需求，它們中的大多數(shù)更依賴于定期施用化肥。按照每年的增長率為1.8%計(jì)算，化肥總消費(fèi)量將從2013年的1.83億噸快速增長至2030年的4.05億噸。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009年中國作為全球化肥生產(chǎn)的領(lǐng)導(dǎo)者，占全球產(chǎn)量的33%，其他大量參與世界化肥生產(chǎn)的國家還包括美國（10%）、印度（9%）和俄羅斯（9%）［12］。商業(yè)化肥的生產(chǎn)需要大量的能源消耗，而化肥生產(chǎn)中使用的近75%的能源均來源于消耗天然氣，因此天然氣也成為氮肥生產(chǎn)中的主要投資之一，天然氣價(jià)格的上漲將導(dǎo)致氨的成本升高［13］。另一方面，運(yùn)輸成本對(duì)化肥的價(jià)格也產(chǎn)生著巨大的影響，2014年，化肥價(jià)格指數(shù)將比2010年相比增加15%。在工業(yè)化前期的農(nóng)業(yè)中，氮是制約產(chǎn)量最根本的營養(yǎng)元素。1909年，HABER-BOSCH從有機(jī)物中提取氨的方法被開發(fā)出來，伴隨著氮的制備這個(gè)障礙被打破，全球合成氨的產(chǎn)量也從1950年的370萬上升到2010年的約1.33億。然而大約75%的氮總量被用于肥料生產(chǎn)，大約70%的甲烷被用于合成氨工業(yè)，這就導(dǎo)致了氮肥價(jià)格對(duì)天然氣價(jià)格的高度依賴。預(yù)計(jì)未來氮肥消費(fèi)的增長將來自亞洲，主要是中國、印度、印度尼西亞和巴基斯坦；拉丁美洲（巴西、阿根廷、哥倫比亞和墨西哥）、歐洲（烏克蘭和俄羅斯）、北非（埃及和摩洛哥）和美國。近乎所有的磷肥都是由磷酸鹽巖生產(chǎn)的，而磷酸鹽巖也是一類有限的資源［14］，開采用于化肥生產(chǎn)的磷酸鹽巖始于19世紀(jì)，在此之前，農(nóng)業(yè)是以應(yīng)用動(dòng)物磷基肥料，如鳥糞、糞便、骨頭等為主。磷酸鹽巖石通常是通過地面采礦技術(shù)開采出來的，其世界產(chǎn)生能力估計(jì)為每年1.65～1.95億噸，這其中的80%的P2O5被用于肥料生產(chǎn)，令人遺憾的是磷酸鹽儲(chǔ)量并沒有在全世界進(jìn)行均勻分布，排名前12位的國家生產(chǎn)了全世界95%的磷礦石總量，美國、中國和摩洛哥目前生產(chǎn)的磷礦石占總產(chǎn)量的三分之二，在這些主要生產(chǎn)國中，摩洛哥的磷礦石儲(chǔ)量占據(jù)世界總量的近40%［1］。對(duì)于鉀元素來說，美國和中國擁有約20%的全球資源，鉀存在于各種開采和制造的鹽類中。鉀的開采需要昂貴的采礦技術(shù)，由于鉀礦深藏在地表之下，預(yù)計(jì)全球鉀的儲(chǔ)量比目前已知的存量還要多很多［15］。鉀肥的主要生產(chǎn)商是加拿大，其次是白俄羅斯、俄羅斯和中國，鉀肥消耗量的年增長率約為2.6%。自2000年以來，主要的磷肥和氮肥的價(jià)格不斷升高，這主要與它們的生產(chǎn)成本增加有關(guān)，隨著糧食產(chǎn)量的增加，農(nóng)業(yè)將變得更加依賴于礦物肥料。目前人們?cè)絹碓蕉嗟仃P(guān)注著營養(yǎng)物質(zhì)的可用性和未來自然資源的匱乏性，伴隨著傳統(tǒng)肥料的不恰當(dāng)應(yīng)用，對(duì)環(huán)境造成了巨大的危害。從糧食安全的角度考慮，全球營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)必須要考慮到能源短缺，通過使用廢物和副產(chǎn)品找到礦物肥料的替代品［16］，將有助于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)和工業(yè)之間的平衡。

2污水污泥的特征

由于人口數(shù)量的增長、城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展，污水的產(chǎn)生和污泥的數(shù)量顯著增加。然而污水污泥的處理卻未能很好地解決。幾十年前，城市污水污泥被丟棄在海水中或作為肥料直接使用，后來其替代的利用方式逐漸出現(xiàn)，如焚燒或填埋被經(jīng)常使用。1998年之后，為了有效保護(hù)環(huán)境，國際組織禁止在海上肆意處置污水污泥，同時(shí)由于高濃度的重金屬含量，指令（86/278/EEC）對(duì)污水污泥在陸地上的應(yīng)用也進(jìn)行了限制。此后替代填埋和土地分散的方式是焚燒和好氧或厭氧消化［17］。污泥處置的新趨勢(shì)，如汽化、熱解、共燃和濕式氧化已逐漸出現(xiàn)，污水處理過程中產(chǎn)生的不溶性殘留物，是在穩(wěn)定化過程中產(chǎn)生。通常情況下，好氧消化在小型污水處理廠更有利可圖，而厭氧消化則用于大型污水處理廠。在厭氧處理中，污水的特性取決于被處理污水的性質(zhì)與處理技術(shù)，在厭氧條件下處理后的消化污泥顯示出高含量的營養(yǎng)物質(zhì)（主要是氮和磷），這些營養(yǎng)物質(zhì)可以被利用作為一種潛在的肥料來源和土壤改良劑［18］，許多科研人員報(bào)道了在農(nóng)業(yè)中使用污水污泥的良好效果［19］。污水污泥在土壤中的應(yīng)用可改善土壤的物理化學(xué)和生物特性，從而使植物更好地生長。城市污水污泥中的有機(jī)物含量通常高于干物質(zhì)的50%，應(yīng)用污水污泥形式的有機(jī)物可增加土壤聚合物的形成及穩(wěn)定性，改善水的滲透，并增加土壤的總孔隙度，可增強(qiáng)微生物的活動(dòng)、數(shù)量和生物量的產(chǎn)生。氮和磷作為植物的基本生長必需元素之一，污水污泥可成為其重要的來源。污水污泥中的總氮含量接近40～50kg/t，但只有一小部分的氮可被植物及時(shí)利用［20］。由于污水污泥的礦化作用，氮可被轉(zhuǎn)化為一種可利用的形式。磷作為一種基本元素，在植物和動(dòng)物的許多代謝反應(yīng)中都需要它，將污水污泥添加到農(nóng)業(yè)土壤中會(huì)使磷的含量從2～4mg/kg增加到114mg/kg，表明磷在修正土壤營養(yǎng)的效果中依舊十分重要［21］。然而，由于存在重金屬、有毒化合物和微生物病原體，污水污泥在土壤中的應(yīng)用受到嚴(yán)格的限制。重金屬一般從工業(yè)中進(jìn)入到下水道系統(tǒng)，主要來源于電鍍、化學(xué)工業(yè)（有機(jī)和無機(jī)化合物的制造、制藥業(yè)、染料和顏料制造）、金屬加工工業(yè)，以及來自下水道系統(tǒng)的徑流和腐蝕等［22］。目前有三種降低污水污泥中重金屬含量的方法，第一種是控制重金屬的個(gè)別來源排放，第二種是控制擴(kuò)散源（使用無鉛汽油、無銅自來水運(yùn)輸系統(tǒng)），第三種方法是清除污水污泥中的重金屬含量。從污水污泥中去除重金屬的過程包含四個(gè)步驟，通過改變pH和氧化還原電位來溶解重金屬；分離包括金屬在內(nèi)的液體；重金屬的化學(xué)沉淀和從濾液中去除重金屬［23］。重金屬在土壤中的積累可能會(huì)對(duì)谷物、蔬菜、水果和飼料作物的生長產(chǎn)生毒性影響，動(dòng)物和人類食用這些產(chǎn)品后會(huì)對(duì)健康造成極大的危害。污水污泥中的重金屬濃度取決于污水來源和污水污泥處理過程，控制金屬化合物在土壤中流動(dòng)性的最重要因素是金屬化合物在土壤中流動(dòng)時(shí)的pH，而土壤pH影響著礦物有機(jī)復(fù)合物和不溶性氫氧化物的沉淀和溶解。有機(jī)物污水污泥是土壤中微量金屬的良好吸附介質(zhì)，污水污泥中的可溶性有機(jī)物有兩組交換位點(diǎn)：第一組結(jié)合Ca、Mg、Zn、Ni、Co、Mn、Cd和Fe；第二組結(jié)合Cu、Pb和H，用污水污泥處理的土壤中的金屬含量有效增加。YESIL等人指出，在水稻生產(chǎn)中每公頃加入40噸的污水污泥會(huì)導(dǎo)致大約4、5、2和11倍的Cd、Cr、Ni和Pb含量增加，與未加入的土壤相比，Cd、Cr和Pb的累積量分別增加了4、5和11倍，大多數(shù)重金屬在土壤中具有良好的流動(dòng)性，并能在植物的根部積累［24］。根據(jù)RULKENS等人［25］的研究，污水污泥可以通過化學(xué)/熱力方式作為能源生產(chǎn)的原料使用，有機(jī)物和有毒化合物的復(fù)雜氧化，這將是化學(xué)/熱力過程的結(jié)果，重金屬被固定在灰燼中，并可用于生產(chǎn)建筑材料。

3有機(jī)礦物質(zhì)肥料

有機(jī)礦物質(zhì)肥料可認(rèn)為是通過混合、化學(xué)反應(yīng)、造粒或?qū)⒕哂幸环N或多種主要營養(yǎng)成分的無機(jī)肥料與有機(jī)肥料和土壤改良劑混合、進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)、造粒或溶于水而得到的肥料，因此，有機(jī)礦物質(zhì)肥料可以由不同的有機(jī)和無機(jī)來源生產(chǎn)。AKANNI等人［26］報(bào)道，有機(jī)礦物質(zhì)肥料是由城市垃圾、家禽和奶牛的糞便組成，與尿素和過磷酸鈣相結(jié)合，可增加土壤中的有機(jī)物、N、P、K、Ca和Mg含量，經(jīng)處理的作物在有機(jī)礦物質(zhì)肥料的作用下，葉面積和谷粒產(chǎn)量都達(dá)到了較高值。當(dāng)使用尿素配制的N：P：K（比例9：3：3）的有機(jī)礦物肥料處理水稻作物時(shí)，水稻的所有生長參數(shù)都有顯著的影響。AYENI等［27］進(jìn)行的研究也證實(shí)有機(jī)礦物質(zhì)肥料可以提高土壤的肥力，根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，在有機(jī)礦物質(zhì)肥料中加入少量的氮磷鉀（15：15：15）可以提高營養(yǎng)物質(zhì)的早期礦化。基于有機(jī)礦物肥料的生產(chǎn)需要大量的磷，而磷作為一種極其有限的資源，它的添加將會(huì)在很大程度上改良農(nóng)藝、土壤的利用性。BELLO等人［28］發(fā)現(xiàn)，將巖石磷酸鹽與農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥會(huì)增加磷酸鹽的溶解度，存在于有機(jī)物中的有機(jī)配位體與磷在相同的土壤中的吸附點(diǎn)，可增加磷的釋放，提高了土壤中的釋放率。根據(jù)學(xué)者的研究［29］，向土壤中施用有機(jī)礦物對(duì)磷的吸附，可減少磷在生物中的轉(zhuǎn)化，降低體積密度，增加總孔隙度，從而改善土壤的物理、化學(xué)和生物特性。在這項(xiàng)研究中，磷酸二銨和Sokoto巖石磷酸鹽與不同的有機(jī)物來源（棕櫚仁脫油餅、花生脫油餅和棕櫚碎屑）結(jié)合在一起，并施用于土壤中；結(jié)果顯示油棕櫚的所有生長參數(shù)和營養(yǎng)含量都達(dá)到了最佳效果。礦物肥料處理土壤以提高產(chǎn)量作為一個(gè)有效的3解決方案，其中一個(gè)最重要的特點(diǎn)就是"緩釋"效應(yīng)。一種較理想的有機(jī)礦物質(zhì)生物肥料（BIOFOM）是利用糖和酒精工業(yè)的廢料生產(chǎn)的，固態(tài)顆粒有機(jī)礦物質(zhì)肥料的生產(chǎn)過程包括混合濾餅、鍋爐灰燼和煙塵、改良的醋渣與N、P和K的礦物源混合。CHARLESE等［30］比較了經(jīng)不同處理方式后土壤的結(jié)果，分別用無機(jī)肥和有機(jī)肥作為兩種獨(dú)立的產(chǎn)品，與有機(jī)礦物質(zhì)肥料進(jìn)行土壤處理的結(jié)果相比較，結(jié)果表明有機(jī)礦物質(zhì)肥的氮損失比有機(jī)肥少16.1%，這與其他宏觀和微觀營養(yǎng)素的損失相吻合。此研究實(shí)驗(yàn)是在溫室中隨機(jī)進(jìn)行的，以甘蔗為植物試驗(yàn)，試驗(yàn)包括25次不同肥料的效果，包括對(duì)照（不施肥）和四個(gè)添加有機(jī)礦物質(zhì)生物肥料的重復(fù)試驗(yàn)。50天后，采集植物樣品并分析葉面面積、嫩枝和根的干重以及植物嫩枝中的宏觀和微觀營養(yǎng)素含量。該研究表明BIOFOM的施肥結(jié)果是增加了干物質(zhì)產(chǎn)量的四倍，被測(cè)植物部分的N、P、K含量分別增加了6、7、8倍。有機(jī)礦物質(zhì)肥料促進(jìn)了作物產(chǎn)量的增加，改善了土壤的理化性質(zhì)、陽離子交換能力和孔隙度，通過BIOFOM的處理使植物嫩枝中的磷積累量明顯大于對(duì)照樣品。另外，一部分的磷在使用45天后還可以應(yīng)用，這證實(shí)了有機(jī)礦物質(zhì)肥料具有緩慢的營養(yǎng)物質(zhì)的釋放能力。對(duì)于有機(jī)礦物質(zhì)肥料的物理特性的信息，通過氮、磷、有機(jī)物類型和制造工藝之間的關(guān)系可預(yù)測(cè)其行為，同時(shí)還可以預(yù)測(cè)其對(duì)環(huán)境的影響。了解制造工藝之間的關(guān)系，就可以預(yù)測(cè)其在運(yùn)輸、儲(chǔ)存和處理時(shí)的行為。物理性質(zhì)還可以用來控制顆粒溶解的時(shí)間和速度，從而控制營養(yǎng)物質(zhì)的擴(kuò)散。通過試驗(yàn)驗(yàn)證有機(jī)物含量對(duì)有機(jī)礦物肥料的物理參數(shù)的影響最大［31］，隨著有機(jī)物含量的增加，總的孔隙率和抗拉強(qiáng)度也在增強(qiáng)，而如體積密度、顆粒密度和傾斜角等參數(shù)則隨著有機(jī)物含量的增加而減少，抗拉強(qiáng)度取決于顆粒密度和自由水的含量。有機(jī)礦物質(zhì)肥料的生產(chǎn)的一個(gè)重要標(biāo)志是對(duì)污水污泥進(jìn)行消毒。污水污泥的消毒，通常是通過添加堿化合物（石灰、窯粉、氫氧化鉀、氫氧化鈉）或酸（硫酸、磷酸或其混合物）來進(jìn)行的。此外，這些制劑的加入將增加肥料產(chǎn)品中的營養(yǎng)成分，通常情況下在生產(chǎn)平衡的生物固體肥料時(shí)，需要添加無機(jī)肥料或其前驅(qū)物。較簡單的技術(shù)是基于混合污水污泥，其特點(diǎn)是含水量不低于70%的污泥，與一些副產(chǎn)品混合，如石膏、水泥窯粉塵、石灰窯灰、熟石灰、燃煤鍋爐的粉煤灰、煤炭廢料作為矯正劑［32］。當(dāng)污水污泥被轉(zhuǎn)化的時(shí)候，通常要降低養(yǎng)分含量，為了更好地優(yōu)化N：P：K的比例，可以添加鉀肥、磷酸鹽和液氨。實(shí)際中宏觀營養(yǎng)素可以從尿素、硝酸銨、硫酸銨、磷酸二銨、磷酸一銨、氯化鉀、鉀等中去選擇。在美國，處理廢物的方法是將其轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的肥料，堿性氨氣脈沖（AAP）工藝已被開發(fā)出來［33］。該AAP工藝是基于混合污水污泥的形態(tài)，以添加觸媒材料、除臭堿劑進(jìn)行氨化、酸化，并對(duì)獲得的產(chǎn)品進(jìn)行造粒。第一步可在犁式攪拌機(jī)的雙軸螺旋槳磨機(jī)或其它強(qiáng)力攪拌機(jī)中進(jìn)行，為了使混合物脫臭，可以使用二氧化氯、鉀或鐵酸鈣。鐵酸鹽是一類十分強(qiáng)的氧化劑，它不僅可以氧化有機(jī)氣味和胺類，也會(huì)分解蛋白質(zhì)和其他有機(jī)分子。石灰窯粉作為一種堿劑被添加到反應(yīng)器中，將導(dǎo)致pH上升到12或更高。接著是在混合物中添加9%的氨水，以進(jìn)行消毒并增加氮?dú)鉂舛龋@樣的pH和氨的存在導(dǎo)致了微生物的化學(xué)壓力變化，以使它們對(duì)隨后的酸化更加敏感。酸化發(fā)生在第二個(gè)混合器中，廢棄的磷酸（65%的P2O5）被添加至混合物中，這個(gè)過程后pH降低到7以下，并導(dǎo)致銨的形成。最后加入造粒劑，如工業(yè)糖漿和專有的結(jié)合劑，以利于將混合物轉(zhuǎn)化為球狀的顆粒（2.0～3.5mm）。AAP過程的最后一步是肥料干燥和篩分，最終將獲得成分為（N：P：K：S：Fe：有機(jī)物）比例為10：10：10：0：1：20的有機(jī)礦物肥料。專利［34］也報(bào)道了將液體污泥轉(zhuǎn)化為具有高營養(yǎng)成分的顆粒肥料的技術(shù)，該技術(shù)的特點(diǎn)是污泥的消毒是在70℃的溫度下加熱進(jìn)行的，接著將污泥送入靜態(tài)混合器中。結(jié)果顯示pH降低到2.0以下，可導(dǎo)致病原體的破壞，最后混合物被轉(zhuǎn)移到攪拌罐中，在30分鐘內(nèi)進(jìn)行混合，由于磷酸和石灰漿之間的反應(yīng)，得到了磷酸三鈣（85%）和磷酸二鈣（15%）。該技術(shù)包括一個(gè)過濾步驟，可減少至少50%的水含量，在進(jìn)行粉碎后，污泥餅被送入粉碎機(jī)，在那里與硫磺反應(yīng)，得到的產(chǎn)品與回收的細(xì)粉一起被造粒，最終進(jìn)行干燥與分類。過去廣泛用于生產(chǎn)氮磷鉀肥的管道交叉反應(yīng)器，可用于處理廢物并將其轉(zhuǎn)化為顆粒狀肥料。首先，將污水污泥與水進(jìn)行混合，形成適合泵送的泥漿，接著漿液被轉(zhuǎn)移到管道交叉反應(yīng)器，在其中加入氨、硫磺和磷酸，由于發(fā)生中和過程，溫度達(dá)到149℃，這導(dǎo)致了混合物的殺菌和除臭。造粒系統(tǒng)配備了一個(gè)氨氣增壓器，允許酸和堿之間的完全反應(yīng)，在造粒機(jī)中噴灑上細(xì)小的回收顆粒，得到的顆粒被送入旋轉(zhuǎn)干燥器中，接著被篩選成細(xì)料、產(chǎn)品和超大尺寸材料。粉末和大尺寸材料在工藝中被回收，在熔化過程中，鉀肥可以被加入到造粒機(jī)中，通過上述方法獲得了肥料成分為氮磷鉀比是12：3：6的有機(jī)肥。在中國，新的生物固體衍生的有機(jī)礦物質(zhì)肥料被開發(fā)出來，應(yīng)用于草地和耕地作物，這種產(chǎn)品可以克服城市和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)之間的養(yǎng)分循環(huán)問題，OMFs以兩種配方生產(chǎn)，N：P：K比例為15：4：4（OMF15）和10：4：4（OMF10）。生物固體被用作OMFs的核心，作為一種緩釋營養(yǎng)源，添加尿素和鉀肥是為了提高N和K的濃度，因?yàn)樯锕腆w中的營養(yǎng)物質(zhì)含量不足以滿足作物生長的需要。與硝酸銨相比，尿素是一種廉價(jià)的氮源選擇，并且與干燥的污水污泥混合時(shí)，爆炸的風(fēng)險(xiǎn)極低。由于在新的OMFs中不添加P，這使得生物固體中的N：P比例和營養(yǎng)物質(zhì)的總體不平衡，這反過來又會(huì)導(dǎo)致土壤中P的堆積。而在蒸汽（95～100℃）的作用下，直徑為3到6mm之間的生物固體被噴灑尿素，形成涂層。經(jīng)過噴霧過程后，生物固體衍生的OMFs中重金屬含量是很低的，這與生物固體中存在的磷形式和OMFs不能被植物吸收的情況相一致。ANTILLE等人［35］的現(xiàn)場(chǎng)研究也證實(shí)OMFs中的大部分P是不容易獲得的，這或許與污水處理過程中使用的除磷技術(shù)有關(guān)。通常鐵的鹽類用于沉淀磷，因而可形成植物無法吸收的鐵磷酸鹽，經(jīng)歷了生物除磷的污水污泥，顯示出比常規(guī)處理過程中的生物固體更低的磷植物利用率。KUMPIENE等［36］報(bào)道了鐵-磷酸鹽可以與土壤發(fā)生反應(yīng)，優(yōu)先形成Fe-氫氧化物，導(dǎo)致P可被植物吸收的形式釋放。在田間研究中，人們發(fā)現(xiàn)土壤中礦物氮的最大增幅在OMFs處理的前30天時(shí)達(dá)到最大增幅，這可能與NH4+的快速釋放有關(guān)。事實(shí)上，在施肥90天后，經(jīng)OMFs處理的土壤礦物氮達(dá)到了與尿素處理的結(jié)果大致相同的數(shù)值，這證實(shí)了生物固體氮的緩慢釋放。在OMFs處理120天后進(jìn)行的土壤分析表明土壤有機(jī)氮的減少，這可歸因于氮-固定化和氣態(tài)的損失，也是反硝化過程的結(jié)果。氣象因素和土壤類型也對(duì)氮的吸收有重要的影響，土壤中的有機(jī)物含量高，會(huì)促進(jìn)更多的土壤礦物氮的數(shù)量產(chǎn)生［37］。生物固體和OMFs的應(yīng)用增加了土壤中的有機(jī)物，這導(dǎo)致了微生物生物量的增加，生物固體和OMFs中大量的碳元素為微生物的增殖提供了所需的基質(zhì)，它可以促進(jìn)更大的固定化土壤微生物群落中的營養(yǎng)物質(zhì)的固定化程度。用污水中提取的OMFs處理土壤污泥后，作物產(chǎn)量可大幅度提升，可使用從污水污泥中提取的OMFs用于提高谷物、油菜和豆類的性能。經(jīng)消化后的干燥污水污泥顆粒（直徑3～6mm）在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的鼓式混合器中用熔化的尿素噴灑，硫酸鉀作為鉀的來源，分別與OMFs一起直接添加到土壤中。作為田間研究的結(jié)果，養(yǎng)分釋放特性和肥料配方表明，OMFs產(chǎn)品有可能進(jìn)一步應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，也擴(kuò)大了OMFs產(chǎn)品應(yīng)用于土壤中的潛力。OMFs的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是礦物成分通過與有機(jī)成分的結(jié)合與吸附得到保護(hù)，OMFs顆粒與尿素的包裹提供了快速釋放的NH4+到土壤中。營養(yǎng)物質(zhì)從生物固體中的釋放較晚，由于有機(jī)氮的部分十分穩(wěn)定，這就決定了和礦物肥料相比，有機(jī)肥料的效率更高，它能在短時(shí)間內(nèi)發(fā)揮作用。經(jīng)過發(fā)酵后的污水污泥和未經(jīng)處理的污泥都可被用來生產(chǎn)有機(jī)礦物質(zhì)肥料，滅菌和消毒未處理的污水污泥在添加氨或其他堿劑（CaO、Ca（OH）2、KOH、水泥窯粉）后，會(huì)引起pH的突然升高或降低，進(jìn)而導(dǎo)致微生物壓力的減少。然而這種技術(shù)包含更多的步驟，導(dǎo)致操作成本增加、且技術(shù)過程較復(fù)雜。在技術(shù)過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致了鈣的一氫和二氫磷酸鹽或磷酸二鈣的形成。礦物肥料被添加到污水中并形成均勻的肥料，將為植物提供固有的營養(yǎng)，在前期實(shí)施的過程中為植物提供現(xiàn)成的營養(yǎng)物質(zhì)，而來自污水污泥的營養(yǎng)物質(zhì)在有機(jī)物分解后的下一階段可接續(xù)使用。這種緩釋肥料比傳統(tǒng)的肥料更加有效，并且可以減少對(duì)環(huán)境的營養(yǎng)損失。在大多數(shù)技術(shù)中［38］，有機(jī)礦物質(zhì)肥料是以顆粒狀或粒狀形式生產(chǎn)的，這有利于肥料的傳輸。現(xiàn)有技術(shù)的概述表明，污水污泥能作為二級(jí)原料進(jìn)行處理，并可以成功地用于有機(jī)礦物肥料的生產(chǎn)，特別是對(duì)于小型污水處理廠而言，這是一個(gè)最佳的污水污泥處理方案。然而，由于來自不同污水處理廠的污水污泥會(huì)有不同的特性，因此每個(gè)污水處理廠應(yīng)單獨(dú)處理。重金屬含量作為應(yīng)用污水污泥生產(chǎn)肥料的一個(gè)重要問題，應(yīng)選擇適當(dāng)比例的污水污泥和其他成分，以達(dá)到平衡的作用，滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。

4結(jié)語與展望

污水污泥中含有大量的營養(yǎng)物質(zhì)和有機(jī)物，它可以有效地被用于生產(chǎn)有機(jī)礦物肥料。由于未經(jīng)處理的污水污泥含有高濃度的重金屬和病原微生物，經(jīng)不同的堿性化合物（石灰、氫氧化鉀、氫氧化鈉）或酸（硫酸、磷酸或其替代品）對(duì)污水污泥進(jìn)行消毒和殺菌后可用于生產(chǎn)有機(jī)礦物肥料。有機(jī)礦物肥料的生產(chǎn)技術(shù)通常包括添加礦物肥料或其他廢物（石膏、水泥窯粉、石灰窯粉）來作為N、P、K、Ca、Mg等的來源，可獲得最佳N：P：K比例的平衡肥料，玄武巖碎屑和煤炭廢料可被添加到污水污泥中，以便吸附重金屬并將其轉(zhuǎn)化為難溶的化合物。在經(jīng)過消毒和改變產(chǎn)品成分之后，通常進(jìn)行造粒和干燥，最終獲得易于傳播、運(yùn)輸和儲(chǔ)存的有機(jī)礦物質(zhì)肥料。可以預(yù)測(cè)漸進(jìn)式釋放的氮磷鉀有機(jī)礦物肥料的效果可大幅度地提升作物的產(chǎn)量，在土壤中施用OMFs可以增加土壤中的有機(jī)物和土壤礦物氮，但它并不會(huì)對(duì)土壤中的重金屬含量造成明顯影響。用于生產(chǎn)肥料的有機(jī)固體可以降低污水污泥處理的成本和對(duì)礦物肥料的依賴，這是向循環(huán)經(jīng)濟(jì)政策邁出的注重環(huán)境友好和資源節(jié)約的重要一步，該技術(shù)偏重于環(huán)境友好和資源高效，通過重新使用和回收材料，進(jìn)而形成一個(gè)閉合的使用系統(tǒng)。

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作者:李有文 查向浩 牛鳴光 丁志強(qiáng) 張玉才 單位:喀什大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 新疆生物類固廢資源化工程技術(shù)研究中心 喀什海關(guān)技術(shù)中心 喀什地區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站