人工濕地法污泥處理研究進展

孫秀娟

（青島科技大學(xué) 化工學(xué)院，山東 青島 266042）

污泥處理已成為城市以及工業(yè)廢水處理的關(guān)鍵問題，占傳統(tǒng)污水處理廠運營成本的20％～60％［1］。因此，減少污泥體積的方法研究已成為世界各國學(xué)者共同關(guān)注的課題［2］。一般情況下，廢水處理中產(chǎn)生的污泥都以液態(tài)形式存在，通?？偣毯浚═S）為0.5％～15％。大多是有機化合物，其中揮發(fā)性固體的含量較大，占TS的75％～80％［1］。污泥處理的主要目的是增加總固體的濃度，以減少污泥的體積（即污泥濃縮和脫水），或降低揮發(fā)性固體濃度以及固定有機物中可生物降解的成分（即通過厭氧消化或堆肥法增加污泥穩(wěn)定性）。

由于傳統(tǒng)的污泥處理系統(tǒng)成本高，農(nóng)村小型污水處理廠很少進行污泥處理，而轉(zhuǎn)移到大型污水處理廠進行。人工濕地法污泥處理技術(shù)［3］的使用可以為這種小型的污水處理廠提供一個治理污泥的機會。

人工濕地污泥處理系統(tǒng)，也被稱為污泥干燥蘆葦床，是一種新型的人工濕地處理技術(shù)［4］，具有能耗低，運營和維護費用低，環(huán)境相容性好的優(yōu)勢［5］，因而逐步受到了人們的重視［6］。20世紀(jì)80年代末，人工濕地法在世界許多地區(qū)已被用于污泥脫水和固定。本文總結(jié)了人工濕地法污泥處理的最新研究進展，主要描述了其設(shè)計特點，技術(shù)操作以及處理效率，并將人工濕地法污泥處理技術(shù)的效率與傳統(tǒng)處理技術(shù)進行了對比。

1 人工濕地的設(shè)計特點

1.1 人工濕地的基本構(gòu)造和設(shè)計因素

目前，人工濕地還沒有標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計圖樣和結(jié)構(gòu)。通常，人工濕地建成矩形混凝土池槽［7］如圖1所示。池槽底部需要有1％的坡度，用防水膜覆蓋，防止池槽滲漏，還要在底部放置一些多孔管，這樣可以減少浸出液聚積，還能提高砂礫過濾層和污泥層的通氣性。進料管可以固定在池槽的一角，也可以沿著池槽的一邊，或固定在池槽的中間（垂直上流管）。最有效的床體深度為2.4m（過濾層0.6～0.7m，污泥累積層1.5～1.6m）。實際上，床體的高度應(yīng)該保證至少1m的污泥殘余物的處理容量。當(dāng)污泥距離床體上壁20cm時通常停止填料。一般過濾層以上的池槽深度不少于1.7～1.8m，這樣可以保證積累1.5～1.6m的殘留污泥。

圖1 人工濕地法處理污泥的示意圖Fig.1.Schematic diagram of a sludge treatment wetland

人工濕地最主要的設(shè)計因素是污泥填充率，這決定了所需表面積的大小，而影響到系統(tǒng)的尺寸度量。表1列出了很多人工濕地法研究中的床層數(shù)目、每個池槽的表面積和最大污泥裝填率。床層數(shù)目從3［7-8］到18［9］不等，床層表面積也差別較大，小到4.5m2，大至1000多m2［10］。根據(jù)污泥和環(huán)境條件的不同，填充標(biāo)準(zhǔn)也有所不同。在夏季時填充量可以隨植物蒸發(fā)蒸騰作用的增強而增加，而在植物生長期，填充率通常比設(shè)計的要低，這樣有利于加快植物的生長和發(fā)育。

系統(tǒng)精確的尺寸度量需要考慮填充時間和休眠時間兩個因素，以確定表面積的大小和床層的數(shù)目，這兩項特征最終決定了每個操作循環(huán)的壽命。但是，目前填充模式和休眠期并沒有標(biāo)準(zhǔn)化。一些系統(tǒng)的填充時間為7～8d，休眠時間為55～56d；也有的系統(tǒng)填充時間為2～3d，休眠時間為14～21d［10］。

表1 不同人工濕地系統(tǒng)中的床層數(shù)目、各池槽表面積和最大污泥裝填率Table 1 Number of beds，total surface area and sludge loading rate in different studies on sludge treatment wetlands

1.2 床體填充材料的選擇

床體填充材料組成了一個總厚度為30cm到50～60cm的過濾層。過濾層又分為幾個自上而下厚度依次增加的層，依次是細(xì)砂層，沙礫層和碎石層［11］。對于一個厚度為30～60cm的標(biāo)準(zhǔn)過濾層，通常細(xì)沙層厚為10～15cm，沙礫層厚度為20～30cm，碎石厚為15～20cm。過濾層厚度是可變的，對處理的效率影響不是很大。水可以透過過濾層滲出，滲出液用粒狀介質(zhì)底部的排泄管收集。最下層的碎石直徑約5cm，可以保護排泄管，上層為直徑為2～10mm的沙礫和直徑為0.5～1mm的細(xì)沙，可以滿足基本的過濾要求和植物生長。過濾層上部的細(xì)沙層是粒狀介質(zhì)和污泥層的分離界面。首先，細(xì)沙層可以截留固體，防止過濾層阻塞而阻礙水的滲透；其次，細(xì)沙層可以保持污泥層和過濾層之間的毛細(xì)浸出作用，防止水壓負(fù)差引起的排水不暢。此外，將處理過的污泥除去后，細(xì)沙層能保護主要的過濾層，而不需要每次都換新［9］。有研究將用細(xì)沙層替換為堆肥［12-13］，并對其進行了評估，結(jié)果表明兩者的脫水效果近似，堆肥層更有利于植物的生長，但是其過濾容量要比細(xì)沙層低。堆肥作為介質(zhì)還需要進一步的研究。

1.3 植物

植物是人工濕地法處理污泥的關(guān)鍵因素，植物根系提供了放氧表面，利于生物和化學(xué)轉(zhuǎn)化，根系放氧和為微生物提供棲息空間是濕地植物的主要功能。植物主要靠蒸發(fā)蒸騰作用（ET）來助于污泥脫水，通過根系的生長、死亡和代謝來維持床體較好的水力傳導(dǎo)性，腐爛的根葉為反硝化細(xì)菌提供了必要的碳源。

人工濕地上種植的植物必須能夠在多水、泥濘、缺氧的條件下生長，同時還要能夠承受水的震蕩、高鹽度和pH值的大幅變化［9］。在人工濕地法中應(yīng)用最廣的是蘆葦［14］，研究表明蘆葦對污水處理產(chǎn)生的污泥有很高的適應(yīng)能力，其芽的密度比在自然界常見的兩倍還要多。由于蒲菜具有很高的生長率，在人工濕地法中也被廣泛應(yīng)用。為植物生長提供合適的條件是很重要的。栽種密度在24～10顆根莖/m為宜。

1.4 濾出液

典型的次級污泥中的水分可分為孔隙水（66.7％），毛細(xì)管水（25％）和結(jié)合水（8.3％）。在每次進樣之后，濾過作用使水分迅速流失，這部分水主要是孔隙水的流失［7］。濾出的水分用排泄管收集并返回進樣槽。由于濾出液再循環(huán)到進樣槽，將會影響WWTP的性能，因此必須很好的控制和計算循環(huán)量。

2 污泥處理流程

人工濕地法可以處理不同來源的污泥，包括厭氧沼氣池［9］，好氧沼氣池，傳統(tǒng)的活化污泥系統(tǒng)［9］，延時曝氣系統(tǒng)［8］，化糞池等。通常，經(jīng)過化學(xué)處理或熱處理的污泥是不需要進行人工濕地法處理的。

污泥可以直接從曝氣槽排到池槽，或者在緩沖槽進行預(yù)先均質(zhì)后再用半連續(xù)法注入人工濕地的某個床體中。

在人工濕地系統(tǒng)中，污泥干燥是分批處理的。每次加料的時間可持續(xù)1～2d（甚至1～2周）。加料之后，系統(tǒng)進入休眠期，污泥開始脫水。休眠期可能持續(xù)幾天或幾個星期，這主要取決于處理容量，天氣條件，系統(tǒng)的年齡，干物質(zhì)的含量和污泥的厚度等因素［9］。在接下來的循環(huán)中，在進樣期將污泥料液加到殘渣層上，然后進入休眠期進行脫水。水透過殘渣層和粒狀介質(zhì)而濾出，而固體物仍停留在表面并且進行降解。殘余的水分可通過植物蒸發(fā)蒸騰作用進一步除去。通過增加床體的數(shù)量可以建立更長的循環(huán)，并以此延長休眠期從而加快污泥殘渣的干燥。

人工濕地中污泥層的高度以特定的速度增加，當(dāng)接近最大高度時，在最后一個休眠期之后停止進料，目的是促進最后污泥的干燥和礦化，然后可以用電力鏟等將終產(chǎn)物取出，注意不要取出含有植物根的下層污泥殘渣，這些污泥可以再生植物。

3 處理效率

3.1 污泥脫水

人工濕地法處理污泥的主要目的是脫水，將液體轉(zhuǎn)化為固體廢物（或副產(chǎn)物），得到所謂的污泥餅。污泥中固體物含量越高，污泥的體積越小，處理費用越低。一些人工濕地法污泥處理系統(tǒng)的脫水效率，按污泥中總固體物（TS）密度自小而大列于表2。一般而言，經(jīng)過人工濕地處理法處理后的污泥中總固體物的密度1％～4％增加到20％～30％。人工濕地法處理污泥的脫水效率與傳統(tǒng)處理法（如離心、真空過濾和帶式壓榨）相比較，脫水效率最高的方法是離心和壓濾，能使總固體物密度高達35％，但這種處理方法耗能高、操作和維持費用高。

表2 人工濕地法污泥處理系統(tǒng)的脫水效率Table 2 Total solids（TS）and volatile solids（VS）concentration observed in several sludge treatment wetlands

3.2 污泥穩(wěn)定

在人工濕地法污泥處理中，揮發(fā)性固體（VS）可以減少25％～30％，得到最終揮發(fā)性固體的密度為40％～50％。揮發(fā)性固體的去除率與被處理污泥中揮發(fā)性固體的濃度有關(guān)。例如，延時曝氣活化系統(tǒng)中得到的污泥比其他的處理方法（比如標(biāo)準(zhǔn)活化污泥法）得到的污泥中揮發(fā)性固體含量更少。因此，當(dāng)處理這種污泥時，人工濕地法中揮發(fā)性固體的去除變少。結(jié)果，人工濕地法去除揮發(fā)性固體的效率比需氧降解（40％～55％）或無氧降解（35％～50％）稍低［1］。然而，傳統(tǒng)處理系統(tǒng)中最終的揮發(fā)性固體的濃度接近無氧降解。非固定污泥脫水處理結(jié)果與前處理有關(guān)，例如，當(dāng)離心的污泥未被提前固定化，最終的揮發(fā)性固體含量將高達70％。污泥的穩(wěn)定性可用來定義易生物降解有機物的降解程度。

3.3 重金屬含量

污泥處理的目的是將污泥轉(zhuǎn)化成副產(chǎn)物，如有機肥料或土壤改良劑，使之適合農(nóng)作物生長或土地改良［15］。但是，污泥中的有機和無機污染物的積累可能造成環(huán)境和衛(wèi)生公害，因此，在對這些已處理污泥進行土地應(yīng)用之前，需對這些潛在污染物進行鑒定。只有能避免污泥對土壤、農(nóng)產(chǎn)品、人類健康和環(huán)境的有害影響時，才能將污泥應(yīng)用于農(nóng)業(yè)。

污泥中重金屬的濃度與污水的組成緊密相關(guān)，人工濕地法處理的污泥中的重金屬的濃度差異很大。然而，絕大多數(shù)情況下重金屬的含量都在法定范圍以內(nèi)［8］。所以，經(jīng)人工濕地法處理的污泥能在農(nóng)業(yè)或土地改良中回收利用。

3.4 處理效率的比較

在西班牙地區(qū)分別用人工濕地法［7］、堆肥和離心的方法處理污泥，表3列出了污泥經(jīng)脫水和礦化之后的平均組成。人工濕地法的數(shù)據(jù)是處理過程中的數(shù)據(jù)而不是處理完成后的數(shù)據(jù)。比較TS％看出，人工濕地法得到的干燥程度（19％）與離心法（18％）相似，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)堆肥法（83％）。然而，值得注意的是，在人工濕地法的最后休眠期污泥干燥可能增加到30％。有機物的含量在42％～73％之間。最低值42％是人工濕地法中得到的，由此證明了處理過程中的污泥礦化。堆肥過程中的污泥固定化和礦化的結(jié)果使得污泥中復(fù)雜有機物的增加，導(dǎo)致堆肥法得到的較大值62％。離心只進行污泥脫水，因此最終得到的是最大值（73％），與起始加入的污泥相近。

關(guān)于營養(yǎng)物氮和磷的含量都是固定的，分別是2.5％～6.4％TKN/TS和1.1％～2.3％Ptotal/TS［16］，因此終產(chǎn)物有作為有機肥的潛在用途。堆肥法的重金屬含量在一定程度上要高于離心法和人工濕地法。正如以上所述，人工濕地法中重金屬的濃度低于污泥的土地應(yīng)用限制濃度。

表3 人工濕地法、離心、堆肥法處理后的污泥組成Table 3 Sludge composition after treatment in treatment wetlands，centrifugation and composting

4 人工濕地污泥處理系統(tǒng)的展望

隨著人工濕地系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展，人工濕地技術(shù)從單池走向多池，從植物床處理走向植物床處理和氧化塘及多種類型單元處理相組合，以及在水和動、植物資源化利用方面都取得了較大的進展［6］。作為一種低耗、高效且與自然相和諧的污水處理工藝，人工濕地在各國都受到極大關(guān)注。目前，國內(nèi)的城市污水處理廠主要采用傳統(tǒng)的二級活性污泥處理工藝，存在著工程投資高、能耗高、運轉(zhuǎn)管理要求高以及處理效果受進水水質(zhì)及水量波動影響大等問題。而人工濕地系統(tǒng)由于它具有高效率、低投資、低運轉(zhuǎn)費、低維護技術(shù)、低能耗、處理效果好等優(yōu)點，非常適合中國國情，尤其是適合廣大農(nóng)村地區(qū)、中小城鎮(zhèn)地區(qū)的污泥處理。人工濕地系統(tǒng)是一種新興的污泥處理技術(shù)，隨著時間的推移，對其研究的深入和技術(shù)的進步，必將具有廣闊的應(yīng)用前景［3］。

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