利用微生物无害化与减量化处理污泥制备园林用肥的方法与流程

本发明涉及一种污泥处理与利用的方法，尤其涉及一种利用微生物无害化与减量化处理污泥制备园林用肥的方法，属于水污染防治领域。

背景技术：

污水治理过程中形成了“污水变污泥，污染大转移，治水不治泥，等于白治理”的现状和困境。国内外污泥处置的路线主要有填埋、焚烧、堆肥和厌氧或好氧消化。填埋需要占用大量土地资源同时可能造成土地污染，焚烧会产生二恶英等空气污染物，因此这两种处置方式的使用越来越受到限制。基于微生物的堆肥和厌氧或好氧消化处理方式，由于其具有绿色环保，且利于污泥的资源化利用或安全处置的优点，已成为近年来污泥处置的重要发展方向。

污泥中含有大量的有机质、病菌、寄生虫及有害物(如重金属、有机化合物)，其中重金属已成为污泥安全处置和资源化利用中的关键问题。在污泥重金属处理中主要有固化和去除两种策略。固化主要是通过物理手段或化学物质将重金属结合，降低其生物活性，但是随着时空环境的变化，重金属的固化效果会减弱或消失，重新进入环境，造成潜在的生态危害，因此重金属固化只能相对减少或降低重金属的危害作用，但无法从根本上根除重金属污染。

污泥重金属去除是从根本上解决重金属污染的有效方法，主要有电化学技术、离子交换技术、化学浸滤和生物浸滤技术。其中电化学方法和离子交换技术需要较高的设备要求和操作，较为不便；化学浸滤对络合性较强的重金属具有明显去除效果，但难以去除络合性较差的重金属，同时加入的一些化学物质，可能导致二次环境污染。

微生物的生物浸出技术(bioleaching)是利用微生物的产酸特性，可以有效的将污泥中的重金属浸出到溶液中，再通过固液分离去除重金属。微生物浸出技术具有设备简单、操作方便、处理成本低、二次污染少等特点。自20世纪90年代初，国外开始采用这一微生物方法从污泥中去除或回收重金属，并对影响污泥生物浸出效果的原因进行细致研究。近年来，我国研究人员也广泛开展了微生物浸出原理研究与相关技术开发和产业化应用，取得了较好的成果。由于微生物对污泥重金属的浸出效率高且环境友好，实现了污泥中重金属的去除，因此微生物浸出技术在污泥重金属处理中展现了广阔的发展前景。

基于微生物的处理技术在污泥资源化利用和污泥重金属去除等方面显示出独有的技术优势，如低碳、环保、无二次污染、处理效果好等，因此其逐渐成为污泥治理的重要研究和发展方向。污泥微生物处理技术的研究和开发，可以实现污泥尤其是重金属污泥的绿色处理与资源利用，形成污泥治理绿色产业，构建污水-污泥治理的产业链条与循环经济模式。

但经检索，关于针对污泥微生物处理过程使用不同功能的微生物菌群，同时根据各菌群工作原理建立起相适应的反应体系，形成一种微生物处理污泥制备园林用肥方法的专利还未见报道。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种利用微生物无害化与减量化处理污泥制备园林用肥的方法。

本发明所述的利用微生物无害化与减量化处理污泥制备园林用肥的方法，步骤是：

(1)污泥减量化处理：利用减量化菌群(cmd)的微生物代谢作用消耗污泥中有机物质，降低污泥含水率，减小污泥体积；

(2)污泥无害化处理：利用无害化菌群(cmb)产生的产生含铁离子的ph<2的酸性环境将污泥中重金属有害物质浸出到溶液中，使用压滤法分离产生滤液和重金属含量达到国家标准的泥饼，然后通过处理滤液实现重金属的分离与回收；

(3)污泥资源化制得园林用肥：利用资源化菌群(cma)将分离出的泥饼进行厌氧发酵处理，然后添加有益菌制成园林用肥；

其特征在于：

步骤(1)所述污泥减量化处理的方法是：将经检测重金属超标的未脱水污泥装入生物反应器中，按体积比接种10～20％的减量化菌群(cmd)，温度设为25～45℃，转速150～300rpm，通气量1～3l/min，进行污泥发酵反应，污泥发酵液的ph值维持在7.5～8.5，每天取样检测污泥的沉降比，待絮状污泥体积占总体积的10±1％时，发酵过程终止；发酵完成后，污泥中有机质含量减少40-50％，静置使絮状污泥与自由水进行分离，自由水回流到污水处理池再利用，絮状污泥进行下一步处理；其中，所述减量化菌群(cmd)选用山东亿安生物工程公司的cm复合菌剂，登记证号：微生物肥(2002)准字(0050)号；

步骤(2)所述污泥无害化处理的方法是：在絮状污泥中，按体积比接种10～20％的无害化菌群(cmb)，再加入终浓度为5～10g/l的硫粉、终浓度为5～20g/l的feso4·7h2o，温度设为20～45℃，转速100～200rpm，通气量0.5～2l/min，进行絮状污泥发酵，反应中取样检测ph值，待ph值降到1.5时，终止反应；使用压滤法分离产生滤液和泥饼，分离后的滤液中按15mg/l投加量加入聚合硅酸铝铁沉淀浸出的重金属离子，重金属沉淀渣送专业公司回收处理，上清液若重金属含量检测达到国家标准，即回流到污水处理池再利用，分离后的泥饼经重金属cr、zn、cu、cd、ni含量检测达到国家标准后进行下一步处理；其中，所述污泥无害化菌群(cmb)是由每种菌的细胞浓度为10⁹个/ml的acidithiobacillusthiooxidans、acidithiobacillusferrooxidans、acidithiobacilluscaldus、leptospirillumferriphilum四种市售嗜酸性自养菌按照体积比为1:1:1:1混合制成；

步骤(3)所述污泥资源化制得园林用肥的方法是：将资源化菌群(cma)以体积比1～5％接种量与步骤(2)所述达到国家标准的泥饼混合均匀，总水分应控制在30～45％，堆垛发酵；堆温控制在50～60℃，当温度达到65℃以上时，应该翻垛处理，厌氧发酵处理10±1天即可成熟，然后按10l/m³的比例加入有益菌，制成ph值在5.5～8.5之间，含水率≤40％，总养分(tn+tp+tk)≥3％，有机质含量≥25％的园林用肥；其中，所述资源化菌群(cma)选用山东亿安生物工程有限公司的cm土壤微生物修复菌剂，登记证号：微生物肥(2018)准字(6313)号；所述有益菌是由每种菌的细胞浓度为10¹⁰个/ml的植物乳杆菌、固氮菌、枯草芽孢杆菌、活性乳酸菌四种市售菌按照体积比为1:1:1:1混合制成。

上述利用微生物无害化与减量化处理污泥制备园林用肥的方法中：所述污泥是污水处理厂产生的各种污泥，或是电镀、制革、印染行业中产生的富含重金属的高危污泥。

上述利用微生物无害化与减量化处理污泥制备园林用肥的方法，进一步优选的实施方式是：

步骤(1)所述温度设为30～32℃，转速170～200rpm，通气量3l/min，进行污泥发酵反应。

步骤(2)所述在絮状污泥中，按体积比接种20％的无害化菌群(cmb)，再加入终浓度为10g/l的硫粉、终浓度为10g/l的feso4·7h2o。

步骤(2)所述温度设为30℃，转速100rpm，通气量1l/min，进行絮状污泥发酵。

步骤(3)所述总水分应控制在35～40％。若水分过高，影响发酵效果，可在搅拌过程中加入其它物质回调。

本发明公开的利用微生物无害化与减量化处理污泥制备园林用肥的方法是利用多种不同功能微生物菌群的联合作用，实现对污泥的减量化、无害化和资源化的处理过程(如图1和2所示)，该技术主要包括三步：

(1)污泥减量：利用减量化菌群(cmd)的微生物代谢作用消耗污泥中有机物质，降低污泥含水率，减少污泥体积；消耗污泥中的一些小分子的醇、有机酸，有利于无害化处理过程菌群的生长。污泥减量化的核心是由多种异养菌构成的复合菌群的生物好氧发酵过程。

(2)污泥无害化：利用无害化菌群(cmb)产生含铁离子的ph<2的酸环境将污泥中重金属等有害物质浸出到溶液中，通过固液分离，将重金属等有害物质从污泥中去除，进而可对浸出液中重金属进行回收，去除有害物质的污泥可进一步资源化处理。

(3)污泥资源化：利用资源化菌群(cma)将压滤后的污泥进行厌氧发酵处理，通过厌氧微生物对有机质的降解，增“肥”调ph，同时添加植物生长所需有益菌，生产出符合国家标准的园林用肥。

本发明方法的核心是针对污泥微生物处理过程开发了不同功能的微生物菌群，同时根据各菌群工作原理建立起相适应的反应体系，形成了完整的微生物处理污泥制备园林用肥体系，实现了污泥的无害化、减量化和资源化处理，是一种新型的绿色生物技术。

本发明通过微生物处理污泥，实现污泥无害化、减量化与资源化，解决了污泥填埋产生的土壤污染和土地资源占用问题以及污泥燃烧引起空气污染问题。具体效果和技术指标如下：

(1)胶状污泥体积减少90％以上，有机质含量降低50％以上；

(2)污泥中重金属浸出90％以上，可进行资源化利用；

(3)生产的有机肥料达到国家园林用土标准。

附图说明

图1是是微生物处理污泥技术原理图。

图2为技术路线图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。

本实施例所涉及的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1

1、污泥基本特性

本实施例使用经检测重金属超标的制革污泥，cr含量达13250mg/kg，超出国家污泥资源化标准(cr最高允许含量为1000mg/kg)13倍，有机质含量为2.45％，其它详细参数如表1所示。

表1制革污泥基本特性

2、污泥减量化处理

将600l重金属超标的未脱水污泥装入体积为700l发酵罐中，按体积比接种20％的减量化菌群(cmd)(选用山东亿安生物工程公司的cm复合菌剂，登记证号：微生物肥(2002)准字(0050)号)进行污泥发酵反应，温度设为30℃，转速180rpm，通气量3l/min，污泥发酵液的ph值维持在7.5～8.5之间，每天取样检测污泥的沉降比，经过5-6天的发酵污泥由胶团状变为絮状，待絮状污泥体积占总体积的10％时，发酵过程终止；此时絮状污泥占总体积的10％，90％以上形成自由的水，与絮状污泥完全脱离。发酵完成后，有机质含量达到1.23％，较初始污泥有机质含量减少约50％，静置使絮状污泥与自由水进行分离，自由水回流到污水处理池再利用，絮状污泥进行下一步处理；

通过减量化处理胶体状污转化成絮状沉淀物，通过沉淀作用实现上清和沉淀的分离，利于下一步操作。

上述污泥有机质检测方法是：

将洗净的坩埚置于烘箱中烘干至恒重，移至干燥器冷却至室温，准确称量坩埚质量。称取5g污泥原样，置于预备好的坩埚中，放入烘箱，在105～110℃温度下烘至恒重，取出后放入干燥器内冷却至室温，从干燥器内取出坩埚称重。将烘干称重后的样品放入电阻炉于600℃灼烧约60min，取出后在干燥器中冷却30min，称重并计算结果，污泥减量化处理后，有机质含量从2.45％降低到1.23％。

3、污泥无害化处理

在初步脱水的絮状污泥中加入无害化菌群(cmb)(该菌群是由每种菌的细胞浓度为10⁹个/ml的acidithiobacillusthiooxidans、acidithiobacillusferrooxidans、acidithiobacilluscaldus、leptospirillumferriphilum四种市售嗜酸性自养菌按照体积比为1:1:1:1混合制成；接种量体积比20％)、硫粉(终浓度10g/l)、feso4·7h2o(终浓度10g/l)，温度设置为30℃，在转速100rpm，通气量1l/min的条件下进行絮状污泥发酵，反应中取样检测ph值，待ph值降到1.5时，终止反应；实验中经过大约5天的无害化处理后，ph值降到1.5，使用压滤法分离产生滤液和泥饼，分离后的滤液中按15mg/l投加量加入聚合硅酸铝铁沉淀浸出的重金属离子，重金属沉淀渣送专业公司回收处理，上清液若重金属含量检测达到国家标准，即回流到污水处理池再利用，分离后的泥饼经重金属cr、zn、cu、cd、ni含量检测达到国家标准后进行下一步处理；

本实验中，上清液六价铬含量为0.2mg/l，达到国家工业排放污水标准0.5mg/l，分离后的泥饼含水率约40％，对重金属cr、zn、cu、cd、ni含量的测定步骤方法是：

实验准备：聚四氟乙烯管、50ml容量瓶使用10％硝酸(优级纯)浸泡24h，使用蒸馏水及ddh2o各清洗3遍。

当絮状污泥发酵ph降至1.5时，实验终止。取10ml接菌污泥压滤之后分离固液，每个样分别称取0.3g泥饼及2ml滤液进入聚四氟乙烯消解管，做好标记，每管加入10ml优级纯微波消解2h，确认所有固体物全部消解，否则继续消解直到所有固体物全部消解。将消解产物置于赶酸仪中，放置于通风橱中140℃赶酸直到残余约0.5ml液体为止。将残余液体倒入容量瓶中，使用ddh2o润洗3次，润洗液同样置于容量瓶中，定容至50ml。

梯度稀释液体，使用原子吸收光谱测定各离子浓度。

结果显示泥饼中重金属含量显著下调，cr含量124.8mg/kg已达到国家污泥资源化标准(≤1000mg/kg)，其它重金属含量也显著下调，ni含量(5.6mg/kg)≤200mg/kg，zn、cd和cu基本可完全去除，结果表明处理后的泥饼可用于园林绿化堆肥。

4、污泥资源化

将资源化菌群(cma)以体积比1％接种量与已达到国家标准的泥饼混合均匀，总水分应控制在30～40％，堆垛发酵；堆温控制在50～60℃，当温度达到65℃以上时，应该翻垛处理，厌氧发酵处理10±1天即可成熟，然后按10l/m³的比例加入有益菌，制成ph值在5.5～8.5之间，含水率≤40％，总养分(tn+tp+tk)≥3％，有机质含量≥25％的园林用肥；其中，所述资源化菌群(cma)选用山东亿安生物工程有限公司的cm土壤微生物修复菌剂，登记证号：微生物肥(2018)准字(6313)号；所述有益菌是由每种菌的细胞浓度为10¹⁰个/ml的植物乳杆菌、固氮菌、枯草芽孢杆菌、活性乳酸菌四种市售菌按照体积比为1:1:1:1混合制成。

实施例2

1、污泥基本特性

本实施例使用经检测重金属超标的电镀污泥，指标类似于实施例1。

2、污泥减量化处理

将600l重金属超标的未脱水污泥装入体积为700l发酵罐中，按体积比接种15％的减量化菌群(cmd)(选用山东亿安生物工程公司的cm复合菌剂，登记证号：微生物肥(2002)准字(0050)号)进行污泥发酵反应，温度设为40℃，转速300rpm，通气量2l/min，污泥发酵液的ph值维持在7.5～8.5之间，每天取样检测污泥的沉降比，经过6-7天的发酵污泥由胶团状变为絮状，待絮状污泥体积占总体积的10％时，发酵过程终止；此时絮状污泥占总体积的10％，90％以上形成自由的水，与絮状污泥完全脱离。发酵完成后，有机质含量达到1.31％，较初始污泥有机质含量显著减少，静置使絮状污泥与自由水进行分离，自由水回流到污水处理池再利用，絮状污泥进行下一步处理；

3、污泥无害化处理

在初步脱水的絮状污泥中加入无害化菌群(cmb)(该菌群是由每种菌的细胞浓度为10⁹个/ml的acidithiobacillusthiooxidans、acidithiobacillusferrooxidans、acidithiobacilluscaldus、leptospirillumferriphilum四种市售嗜酸性自养菌按照体积比为1:1:1:1混合制成；接种量体积比15％)、硫粉(终浓度5g/l)、feso4·7h2o(终浓度15g/l)，温度设置为30℃，在转速180rpm，通气量1.5l/min的条件下进行絮状污泥发酵，反应中取样检测ph值，待ph值降到1.5时，终止反应；实验中经过大约5天的无害化处理后，ph值降到1.5，使用压滤法分离产生滤液和泥饼，分离后的滤液中按15mg/l投加量加入聚合硅酸铝铁沉淀浸出的重金属离子，重金属沉淀渣送专业公司回收处理，上清液六价铬含量为0.2mg/l，达到国家工业排放污水标准，即回流到污水处理池再利用，分离后的泥饼含水率约45％，对滤饼中的重金属cr、zn、cu、cd、ni进行含量测定，测定步骤同实施例1，泥饼经重金属cr、zn、cu、cd、ni含量检测达到国家标准后进行下一步处理；

结果显示泥饼中重金属含量显著下调，cr的含量已达到污泥资源化标准，其它重金属含量也显著下调，cr含量(159.3mg/kg)≤1000mg/kg、ni含量(4.9mg/kg)≤200mg/kg，zn、cd和cu基本可完全去除，处理后的泥饼可用于园林绿化堆肥。

4、污泥资源化

将资源化菌群(cma)以体积比3％接种量与已达到国家标准的泥饼混合均匀，总水分应控制在30～40％，堆垛发酵；堆温控制在50～60℃，当温度达到65℃以上时，应该翻垛处理，厌氧发酵处理10±1天即可成熟，然后按10l/m³的比例加入有益菌，制成ph值在5.5～8.5之间，含水率≤40％，总养分(tn+tp+tk)≥3％，有机质含量≥25％的园林用肥；其中，所述资源化菌群(cma)选用山东亿安生物工程有限公司的cm土壤微生物修复菌剂，登记证号：微生物肥(2018)准字(6313)号；所述有益菌是由每种菌的细胞浓度为10¹⁰个/ml的植物乳杆菌、固氮菌、枯草芽孢杆菌、活性乳酸菌四种市售菌按照体积比为1:1:1:1混合制成。

实施例3

1、污泥基本特性

本实施例使用经检测重金属超标的印染污泥，指标类似于实施例1。

2、污泥减量化处理

将600l重金属超标的未脱水污泥装入体积为700l发酵罐中，按体积比接种10％的减量化菌群(cmd)(选用山东亿安生物工程公司的cm复合菌剂，登记证号：微生物肥(2002)准字(0050)号)进行污泥发酵反应，温度设为25℃，转速100rpm，通气量1l/min，污泥发酵液的ph值维持在7.5～8.5之间，每天取样检测污泥的沉降比，经过8-9天的发酵污泥由胶团状变为絮状，待絮状污泥体积占总体积的10％时，发酵过程终止；此时絮状污泥占总体积的10％，90％以上形成自由的水，与絮状污泥完全脱离。发酵完成后，有机质含量达到1.3％，较初始污泥有机质含量显著减少，静置使絮状污泥与自由水进行分离，自由水回流到污水处理池再利用，絮状污泥进行下一步处理；

3、污泥无害化处理

在初步脱水的絮状污泥中加入无害化菌群(cmb)(该菌群是由每种菌的细胞浓度为10⁹个/ml的acidithiobacillusthiooxidans、acidithiobacillusferrooxidans、acidithiobacilluscaldus、leptospirillumferriphilum四种市售嗜酸性自养菌按照体积比为1:1:1:1混合制成；接种量体积比10％)、硫粉(终浓度5g/l)、feso4·7h2o(终浓度5g/l)，温度设置为25℃，在转速100rpm，通气量2l/min的条件下进行絮状污泥发酵，反应中取样检测ph值，待ph值降到1.5时，终止反应；实验中经过大约6天的无害化处理后，ph值降到1.5，使用压滤法分离产生滤液和泥饼，分离后的滤液中按15mg/l投加量加入聚合硅酸铝铁沉淀浸出的重金属离子，重金属沉淀渣送专业公司回收处理，上清液六价铬含量为0.2mg/l，达到国家工业排放污水标准，即回流到污水处理池再利用，分离后的泥饼含水率约45％，对滤饼中的重金属cr、zn、cu、cd、ni进行含量测定，测定步骤同实施例1，泥饼经重金属cr、zn、cu、cd、ni含量检测达到国家标准后进行下一步处理；

结果显示泥饼中重金属含量显著下调，cr的含量已达到污泥资源化标准，其它重金属含量也显著下调，cr含量(186.8mg/kg)≤1000mg/kg、ni含量(7.1mg/kg)≤200mg/kg，zn、cd和cu基本可完全去除，处理后的泥饼可用于园林绿化堆肥。

4、污泥资源化

将资源化菌群(cma)以体积比5％接种量与已达到国家标准的泥饼混合均匀，总水分应控制在30～40％，堆垛发酵；堆温控制在50～60℃，当温度达到65℃以上时，应该翻垛处理，厌氧发酵处理10±1天即可成熟，然后按10l/m³的比例加入有益菌，制成ph值在5.5～8.5之间，含水率≤40％，总养分(tn+tp+tk)≥3％，有机质含量≥25％的园林用肥；其中，所述资源化菌群(cma)选用山东亿安生物工程有限公司的cm土壤微生物修复菌剂，登记证号：微生物肥(2018)准字(6313)号；所述有益菌是由每种菌的细胞浓度为10¹⁰个/ml的植物乳杆菌、固氮菌、枯草芽孢杆菌、活性乳酸菌四种市售菌按照体积比为1:1:1:1混合制成。