蚯蚓生物堆肥技术处理城市污泥

蚯蚓生物堆肥技术处理城市污泥

及系列产品开发（节选）

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3蚯蚓生物堆肥技术概述

3.1 蚯蚓堆肥处理技术机理

蚯蚓堆肥技术是基于蚯蚓在自然生态系统中所具有的促进有机物质分解转化功能以及固体废弃物堆肥处理的基础上，发展起来的一项针对城市生活垃圾、农业废弃物和城市生活污水污泥中的有机部分的生物处理技术。它是在污泥堆肥基础上引入蚯蚓，蚯蚓在堆肥处理污泥过程中，寻觅合适的营养物质作为食物，污泥进入蚯蚓体内到最后以蚯蚓粪的形式排出，相当于一套完整的污泥处理工艺，此间既有蚯蚓体内分泌物的化学作用以及蚯蚓体内肠道微生物的生化作用，还有研磨、消化等物理化学作用，其整个流程如图3.1所示。在整个过程中，不仅有蚯蚓的吞噬消化作用，而且由于蚯蚓在污泥中的活动再加上其特殊的生物学功能，加速了污泥中的微生物的活动，蚯蚓与微生物协同作用从而加速污泥中有机物质的分解转化。

图3.1 蚯蚓堆肥处理污泥流程图

3.2蚯蚓堆肥技术的优点

与其它国内目前国内普遍使用的处理技术相比，它克服了污泥资源化最大的限制因素，避开了其它技术的缺点，充分体现了其优越性。与污泥农用技术相比，它解决重金属污染的难题；与填埋技术相比，它不仅不需要大量的土地，而且彻底解决了污泥的问题，而填埋并未最终避免环境污染，而只是延缓了污染发生的时间；与焚烧相比，它不需要巨额投资而且也不产生二次污染；与堆肥技术相比，它可以缩短污泥的堆肥周期，解决了重金属残留问题，提高了养分增加了肥料中的微生物。

3.2.1富集重金属

污泥中含有多种重金属、有机污染物和病原物，这些环境危险物质随污泥进入土壤，对生态环境安全和人类健康带来风险，甚至构成威胁。其中，污泥中重金属含量的增加对人类、动物、植物和土壤生态系统存在的潜在危害一直是人们所关注的环境问题，因城市污泥中的重金属具有难迁移、易富集、危害大等特点，因此把城市污泥所含的重金属问题看作是限制其农用的主要障碍。目前去除污泥中重金属的方法主要使用无机酸络合剂或者利用微生物将污泥中的重金属浸提到液相中加以去除，而近年来利用生物的某些习性来适应、抑制和改良重金属污染的生物治理法已成为人们关注的热点之一。研究表明，蚯蚓是一种能提高土壤肥力的环境生物，且对重金属具有富集作用，利用它可以处理城市垃圾、工业废弃物以及农药中重金属等有害物质。3.2.2改变水分存在形态，缩短堆肥时间

湿污泥中的水分主要以间隙水的形态存在，这种形态的水在自然条件下很难去

除，因此污泥的干化需要时间较长，导致占用更多的土地作为干化场地，增加污泥处理成本。在蚯蚓堆肥处理污泥的过程中，经过蚯蚓的吞食，污泥中的细胞结构在蚯蚓肠道内被破坏，有机物质被蚯蚓吸收，从而在很大程度上改变了水的存在形态，更加有利于水分的蒸发，缩短了污泥的干化时间，从而大大增加了污泥的减量化速度。污泥经蚯蚓处理后，含水量可有83.3%降至56.3%，明显低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》中规定的污泥稳定化、无害化处理要求：含水率﹤65%。更重要的是蚯蚓粪具有很好的团粒结构以及空隙度，通气性好、排水性好，可大大缩短后期干化时间。

3.2.3改善污泥储运中心的周边环境，减少大气污染

蚯蚓堆肥技术对处置场地的土壤环境要求不高，因此可以利用各种盐碱地、沙地等无法耕作或利用的废弃土地进行处理。并且可以充分利用蚯蚓粪以及蚯蚓达到改良当地土壤的目的。

由于污泥中含有大量有机质，并且其性质极不稳定，因此在集中堆放或者大规模的堆肥过程中，会释放出大量的NH3、H2S等有毒有害的恶臭气体。这些气体严重污染着周边大气环境，危害着工作人员和周围居民的身体健康。污泥在经过蚯蚓堆肥处理后，产生的蚯蚓粪便含有大量的微生物群落和复杂的有机化学成分，并具有特殊的物理结构，可以改善污泥的各种理化结构，具有生物除臭和物理除臭的作用，从而消除污泥臭味。

3.2.4投资少，见效快

蚯蚓堆肥技术最重要的特点就是其所具有成长性，蚯蚓堆肥处理污泥的过程即是蚯蚓自身繁殖生长的过程。因此，随着处理时间的延长，蚯蚓的生物量也在不断的增

加，相应的污泥的处理量也在逐渐增大。以北京蚯蚓技术研究所引进的10t污泥处理专用蚯蚓为蚓种，进行繁殖。每月蚯蚓的保守增殖量为30%，在场地基建等设施建设得到保障的前提下，只需经过15个月的繁殖，每天处置量可以达到500t（相当于北京市日产污泥量的20%）；18个月可以达到1000t；24个月就可以达到3000t，即可满足北京市进行污泥处理处置的需要。

3.2.5产品的高值化

蚯蚓堆肥处理的产品为生物肥料（蚯蚓粪）和兼有饲用、药用等多种开发价值的蚯蚓。蚯蚓以其特殊的生物学功能，与环境中的微生物协同作用加速污泥中有机物质的分解转化。由于蚯蚓体内具有丰富的酶系统，被蚯蚓吞食的物质经过2-3小时体内酶的作用，就形成了微生物、酶类、无机物质高度融合的肥料。产生的蚯蚓粪作为有机肥具有营养全面、肥效持久、保水、保肥能力强，增强植物抗病、防病能力，改良土壤，改善作物品质，降低硝酸盐含量等显著优势。以蚯蚓粪代替草炭土作为有机肥的生产原料用于城市绿化、草坪施肥、大田作物、有机蔬菜及果树的种植相对于其他有机肥具有非常明显的性价比优势。蚯蚓粪粒比普通土壤中的N素多5倍，P多7倍，K多11倍，镁多3倍。酸碱为中性，并含有丰富的的铜、锌、钼、硼等植物生长的微量元素。蚯蚓粪粒又是坚固的团粒结构，保水性和排水性都很强，长期使用也不会分散或压密，这是任何有机肥料所没有的特性。此外，就蚯蚓本身兼有饲用、药用等多种开发价值的，而且蚯蚓体富含动物蛋白，这些蛋白具有抗菌和抗病的医药功能，易于利用现代生物工程技术开发高值化的产品。

3.3 蚯蚓堆肥处理污泥技术国内外发展现状

利用蚯蚓堆肥技术处理利用城市污泥，这项技术不仅工艺简便、费用低廉，而且既可生产生物有机肥料，又可生产优质的动物蛋白。在整个处理过程中不会对环境产生二次污染。利用蚯蚓堆肥技术处理污泥在国外一些国家已经得到了大规模的应用，其中最具代表性的就是我们的近邻——韩国。

在韩国，以往的污泥处置方式主要以投海（72%）为主，辅以填埋、焚烧等处置手段。但是自2003年7月1日以后，污泥已经禁止填埋、投海，并且出于焚烧处理费用高昂且导致地球变暖等因素考虑，韩国从印度引进蚯蚓品种进行驯化建立了一整套利用蚯蚓规模化转化污泥的技术。首尔市污泥32%以上是由蚯蚓处理（日处理污泥150t，年处理量5.5万t），在韩国国内起到了重要的示范带头作用。首尔污水处理厂蚯蚓堆肥处理污泥项目主要经营单位包括韩国国立环境研究院、南极污水处理事务所和韩国绿色环境公司。其中韩国国立环境研究院提供技术支持；南极污水处理事务所提供闲置场地；韩国绿色环境公司负责具体实施以及产品营销。韩国通过采用政府扶持，科研院校与企业相结合的模式，利用蚯蚓来生物转化污泥彻底达到了污泥的资源化的目的。

在我国，在上世纪80年代初，曾出现过有关利用蚯蚓进行污泥处理的研究报道，这可能也是在我国出现最早的关于利用蚯蚓进行污泥处理的研究。近年来，随着污泥问题的日益突出，相关的研究在我国的一些城市（北京、上海、西安）已经展开，而且有的已初具规模。但由于其是一项新型的技术，真正规模化的利用蚯蚓来处理污泥目前在我国还没有推广。

3.4技术的可行性分析

3.4.1技术研究基础条件

北京蚯蚓技术研究所，多年来一直以“坚持经济效益、社会效益和环境效益的统一，促进环境、经济、社会持续稳定协调发展”为指导思想，致力于利用蚯蚓处理生活垃圾、畜禽粪便及相关产品开发方面的研究。研究所与中国农业大学合作，走出一条产研相结合的道路，具有雄厚的技术研究基础和实验条件以及一支高水平的研究队伍，自主开发的技术及产品获专利十多项。

●蚯蚓粪除臭方法及其除臭装置（专利号：ZL200310101736.X）；

●一种蚯蚓抗菌肽的生产方法（专利号：ZL00136778.1）；

●一种蚯蚓生物反应器（专利号：ZL02208871.7）；

●饲用蚯蚓复合酶及其生产方法（专利受理号：00122133.7）；

●饲用蚯蚓氨基酸锌及其生产方法（专利受理号：00122131.0）；

●饲用蚯蚓氨基酸铜及生产方法（专利受理号：00122130.2）；

●蚓菌混合酶解制造双酸叶面肥（专利受理号：00122132.9）；

●红蚯蚓生态肥及其生产方法（专利受理号：01111564.5）；

●红蚯蚓肥精及其生产方法（专利受理号：01111449.5）；

●红蚯蚓氨基酸螯合肥生产新工艺（专利受理号：00104213.0）；

●一种蛋白质酶解生物反应器（专利号：ZL002375362）；

●一种蚯蚓强化蛋白饲料及其生产方法（专利受理号：00118531.4）。

蚯蚓人工养殖高产技术和蚯蚓加工技术均为中国农业大学的科技成果和专利。其中蚯蚓人工养殖高产技术和蚯蚓氨基酸加工技术先后获得山东省科技进步二等奖；蚯

蚓生物反应床设计为中美合作项目技术；另外有两项技术为国家十五科技攻关项目和国家863技术成果，部分成果已经在宁夏、云南等地推广应用，取得了较满意的经济和社会效益。这些技术主要来自：国家自然科学基金项目、中美国际合作项目、国家留学人员回国基金项目、山东省重点科研项目、云南省校合作项目、国家博士后基金项目。整体居国内领先水平，部分技术填补国内空白。

3.4.2 前期研究成果

为了能获得蚯蚓堆肥处理污泥技术在北京应用可行性的充分依据，研究所在中国农业大学生物质综合利用与转化实验室与北京市大兴区庞各庄污泥转运站开展了为期4个月小试研究（日处理规模为处理1t），随后又进行了日处理规模为10t的中试试验，试验的研究结果表明，利用蚯蚓堆肥处理污泥从技术上是可行的。具体的研究结果如下：

①对污泥含水量的调节

蚯蚓堆肥处理污泥过程中可明显降低污泥的含水量，由83.3%降至56.3%，低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》中规定的污泥稳定化、无害化处理要求（含水率﹤65%）。更重要的是污泥经蚯蚓堆肥处理后产生的蚯蚓粪具有良好的团粒结构以及孔隙度，通气性好、排水性好，可大大缩短后期干化时间。

②对污泥重金属的吸收、富集

通过对处理前后污泥中的重金属含量的测定，测定结果表明蚯蚓具有富集Cu、Zn、Cr、Cd、Pb、Hg、As等重金属的能力，且对部分重金属的富集能力较高。接种蚯蚓可以明显减少污泥的浸出毒性。

图3-1蚯蚓堆肥处理污泥过程中对重金属的影响

③对营养成分的影响

城市污泥中含有大量的N、P、K及有机质，而且N、P以有机态为主，还有大量的铁、铝、钙、镁、硫、钠等元素，在蚯蚓作用下能迅速分解、转化，成为自身或其他生物易于利用的营养成分。实验过程中，对蚯蚓堆肥处理前后污泥中的组分进行了测定，测定结果见表3-1。

表3-1 蚯蚓堆肥处理前后污泥中组分对照表

项目有机质（%）pH 总氮（%）总磷（%）总钾（%）处理前污泥45.8~49.4 6.8~7.5 4.56~4.80. 1.78~2.00 0.45~0.53

处理后污泥46.2~49.9 7.1~7.3 4.58~4.83 1.81~2.23 0.37~0.43

从表中可以看出，经过蚯蚓堆肥处理后，污泥中的总磷、总氮、有机质指标均有所提高。这与其它研究结果完全一致，原因是通过蚯蚓活动对污泥的研磨等途径，加速污泥中氮的循环转化和水溶性有机物质的降解，同时蚯蚓在自身的新陈代谢过程

中，也可以排泄物的形式向污泥中释放含胺类和水溶性有机物质的蚓粪，宏观上表现为污泥中总氮含量增加。

④对病原微生物的处理效果

蚯蚓堆肥处理污泥9天后4种致病指示生物均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）的要求。

3.4.3工程应用实例

在小试和中试试验取得成功后，又与北京桑德环保产业集团北京肖家河污水处理厂合作开展了日处理规模为20t的工程项目，到目前为止，该项目已经顺利进行了7个月，工程正在按照预先设计的模式稳定运行。运行过程的各项参数与小试和中试的试验结果基本吻合。

3.4.4可行性分析结论

前期的研究和工程应用的结果表明，采用蚯蚓堆肥技术处理污泥在是可行的。这

是因为蚯蚓堆肥技术是近年来根据蚯蚓在自然生态系统中具有促进有机物质分解转化功能而在固体废弃物堆肥处理的基础上，发展起来的一项针对有机废弃物的生物处理技术。蚯蚓以其特殊的生物学功能处理转化有机废弃物，涉及到重建一个物质再循环过程，蚯蚓与环境中的微生物协同作用加速污泥中有机物质的分解转化，并最终形成一种可以利用的产品。利用生物方法来处理城市污泥不仅成本较低，没有二次污染，而且使有机废弃物再生增值，因此具有广泛的推广应用价值。

处理过程中，因为蚯蚓生态系统集浓缩、调理、脱水、稳定、处置和综合利用于一身，可以将污泥全部进行分解和吸收。蚯蚓可以调节污泥酸碱度，降低污泥碳氮比，处理后污泥剩余物中氮、磷、钾都得到提高。蚯蚓堆肥处理对污泥中的重金属、致病微生物、杀虫剂等有毒有害物质均有很好的降解作用。脱水新鲜污泥不需要堆肥发酵或老化可以直接使用蚯蚓堆肥技术进行处理。蚯蚓堆肥处理污泥无论在能耗、物耗还是二次污染物的数量方面均体现了最小化的优势。大规模蚯蚓堆肥技术提供了替代传统堆肥和石灰稳定法的一种生态的、商业性的、可持续的稳定法，用以解决污泥的最终处置问题。

4蚯蚓堆肥技术处理城市污泥工程设计方案

4.1工艺流程

以多年的研究成果为基础，结合目前污泥处理处置和资源化过程中面临的种种难题，故设计出一套比较适合目前国内情况蚯蚓生物堆肥技术处理污泥的工艺流程，其处理过程及后续产品的卡法的工艺流程设计思路如图4.1：

图4.1 蚯蚓生物堆肥技术处理污泥及其后续产品加工流程图

4.2 关键技术

4.2.1蚓种的选育

蚯蚓生物堆肥技术处理污泥是在总结了蚯蚓堆肥技术处理畜禽粪便和农业有机垃圾成功经验的基础上，逐渐开发出来的。污泥不仅含水率高，而且还含有大量有毒有害的物质，对于这样恶劣的生长环境，一般的蚯蚓是很难适应这样的生存环境，一旦蚯蚓被投放到污泥中，蚯蚓或逃逸或死亡，因此蚓种的选择、培育和驯化是关系到该项技术能否成功实施的关键。通过多年致力于蚯蚓处理废弃物研究，我们已经成功掌握这项关键技术。

4.2.2微生物菌剂

微生物制剂开发也是该项技术能够广泛应用的重要一环。由于污泥中的恶劣生长环境，会对蚯蚓处理污泥的效率和自身的繁殖有一定影响，为了改善蚯蚓在堆肥处理污泥污泥过程中的生境，更进一步提高蚯蚓堆肥处理污泥的效率，在蚯蚓堆肥过程中添加一定量特殊的微生物制剂以达到提高污泥处理效率和蚯蚓繁殖率的目的。

4.2.3蚯蚓粪产品开发技术

为了使后续产品——蚯蚓粪有更高的附加值，经过多年的研究，结合蚯蚓粪的特定，成功掌握了蚯蚓粪功能性产品的开发技术。以蚯蚓粪为原料，可以开发出以下产品。

（1）生物有机肥

蚯蚓粪中富含细菌、放线菌和真菌。这些微生物不仅使复杂物质矿化为植物易于吸收的有效物质，而且还合成一系列生化物质，如酶、肽、糖、氨基酸、维生素等以及植物激素，因此可以根据蚯蚓粪的生物学特性和化学特性，开发出具有营养、抗病、改良土壤环境的新型多功能有机肥。蚯蚓粪是一种能替代草炭的新型有机栽培基质，用来作为有机肥厂的生产原料具有明显的性价比优势。

（2）除臭剂

随着人们生活水平的提高和环保意识的增强，污水处理厂以及污泥转运站的恶臭气体对周边大气环境的污染，周边居民围困封堵污水处理厂以及污泥转运站的事件屡有发生。由于蚯蚓粪具有极好的团粒结构和丰富的有益微生物，可以起到生物除臭和物理除臭的作用。因此蚯蚓粪可以就近作为污泥转运站或城市垃圾填埋场的覆盖物、

养殖场废弃物的除臭材料。

（3）环境修复剂

利用蚯蚓粪的物理特性（极好的团粒结构，具有吸附作用）开发出可以对土壤重金属污染的进行生态修复的环境修复剂。

4.2.4蚯蚓综合加工

蚯蚓是一种繁殖率非常高的土壤动物，只要条件合适，它一年四季都在繁殖，因此蚯蚓在处理污泥过程的同时，也是它繁殖的过程，而蚯蚓本身又是一种富含高蛋白的，可以作为饲料或药用的非常好的原料，因此繁殖过剩的蚯蚓还可以提供给制药厂进行药用成分（蚓激酶）的提取。

4.3工程基础投资和运行成本

与其它污泥资源化得技术，本技术具有工艺简单、易操作，基础工程投资和运行成本低的特定，基础投资和运行成本对比详见下表：

4.4效益分析

4.4.1 社会效益

本技术应用或推广起来具有显著的社会效益，表现在以下方面：

①可以彻底解决了长期围扰人们的污泥处理处置和资源化利用等一系列问题，因此可以大大减少因污泥处理而产生的环境问题；

②由于将污泥处理过程中产生的蚯蚓粪和蚯蚓商品化，可以大大降低污泥的处理成本，增加企业的收入和经济效益；

③开发的一系列生物肥料、功能肥料，克服了污泥农用的限制因素，提高其在市场上的竞争力；

⑸可以创建一批规模化企业，安置大量剩余劳动力。

在当今众多的污泥处理技术中，蚯蚓生物堆肥技术是一种比较理想的技术，在当前环境保护领域中，是对污泥的资源化的一场变革。污泥资源化是一项功在当代，利在千秋，造福人类的事业。

4.4.2 经济效益

生物肥料

从肥料角度来看，由蚓粪开发出来的生物肥料的售价约在200~400元/m3左右，根据目前中试实验的情况表明，含水率在80%左右的污泥，6~8 m3污泥可以生产1m3生物肥料。

功能性肥料

如果利用蚯蚓粪的特点，开发出的新型功能性肥料每t的售价在1000元左右。

蚯蚓系列产品

处理过程中产生的过剩的蚯蚓可以作为原料开发生产高附加值的蚯蚓复合酶制剂，经济效益显著，据保守估计，每年每吨蚯蚓至少可以繁殖3t蚯蚓，而每吨蚯蚓的市场售价在8000~10000元，如果将蚯蚓开发成综合酶制剂，每公斤的售价在8000~16000元。

5.风险预测

污泥资源化利用，是目前国家鼓励从事的产业。以蚯蚓和蚯蚓粪为原料开发的饲生物肥料、功能性肥料和蚯蚓系列生化制剂都是国家指定的优先发展领域，市场前景广阔。不仅将污泥变废为宝，而且以高新技术为依托产品的高附加值，使得经济回报率较高，市场风险比较低。