崔玉波,郭智倩,劉穎慧,楊明蕾

(1.大連民族學院 環(huán)境工程系,大連116600;2.東風設(shè)計研究院有限公司,武漢430000)

人工濕地已經(jīng)成功應(yīng)用于污水處理,將其用于污泥穩(wěn)定處理的研究和應(yīng)用成為近年來的熱點之一。濕地植物蘆葦具有克服或避免厭氧土壤的物理和化學危害的獨特特性[1],且可以促進污泥的脫水和穩(wěn)定,將污泥轉(zhuǎn)化成具有農(nóng)用價值的、類似土壤的基質(zhì)[2]。將人工濕地技術(shù)用于污泥的穩(wěn)定化,充分利用了植物、微生物、陽光、風等的作用,且這些要素構(gòu)成了一個完整的生態(tài)系統(tǒng),在此將其定義為“污泥生態(tài)穩(wěn)定化技術(shù)”。

污泥生態(tài)穩(wěn)定化技術(shù)在歐洲研究和應(yīng)用較多[3-4]。中國第一個污泥生態(tài)穩(wěn)定化示范工程建于2005年[5]。目前該技術(shù)仍然被廣為研究[6-9]。

實際上,污泥生態(tài)穩(wěn)定化中的植物(例如蘆葦)是生存在逆境環(huán)境中,蘆葦根系不僅生存在厭氧環(huán)境中,且還要承受來自污泥中無機和有機成分的毒性影響。而污泥中含有豐富的有機物和氮磷鉀等營養(yǎng)元素以及植物生長所必需的各種微量元素如鈣、鎂、銅、鐵等,又可促進濕地植物的生長,濕地植物在生長過程中又促發(fā)污泥的穩(wěn)定和無害化。經(jīng)穩(wěn)定和無害化的污泥,作為肥料使用能夠改良土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤肥力、促進植物的生長,有望解決當今濫施無機化肥造成的土壤肥力下降及用地和養(yǎng)地的矛盾。

在生態(tài)穩(wěn)定化過程中,污泥脫水可歸結(jié)為蒸發(fā)、滲透和礦化。在剩余污泥中種植蘆葦可促進殘余污泥中干物質(zhì)的高含量,提高有機物質(zhì)的分解和滲濾水質(zhì)量。蘆葦對滲濾的積極作用歸因于污泥的膠體結(jié)構(gòu)變化,緊靠近植物根系的區(qū)域產(chǎn)生腐殖酸溶膠,水很容易透過。同時,蘆葦根莖在積存污泥中的生長以及根系新陳代謝產(chǎn)生的腐根增加了積存污泥的空隙度,連同自然風的搖動作用,促進了水的滲透[10-11]。

現(xiàn)有的研究主要集中于傳統(tǒng)污水廠污泥的生態(tài)穩(wěn)定處理,污泥中的VS/TS比較高,而這一特點對污泥的脫水和穩(wěn)定進程影響很大。為了進一步完善該技術(shù)在污泥處理中的應(yīng)用,文章對CAST工藝排放的低VS/TS比污泥的生態(tài)穩(wěn)定化進程進行了為期4 a的跟蹤研究。

1 材料和方法

污泥生態(tài)穩(wěn)定化試驗場地占地80 m2(8m×10 m),底部防水,周邊為磚混墻體。床體內(nèi)充填填料層,由下到上依次為大礫石20 cm、小礫石20 cm、細砂10 cm、粗砂10 cm。超高部分為50 cm,其作用是為積存污泥提供空間。進泥由配泥管完成,排水管位于池內(nèi)底部(圖1)。綜合考慮污泥處理和當?shù)氐膬?yōu)勢濕地植物種類,選擇蘆葦作為系統(tǒng)的濕地植物。

圖1 污泥生態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)

污泥取自長春市第三污水廠CAST工藝污泥調(diào)節(jié)池剩余污泥,因污水廠運行中排泥不規(guī)律,故懸浮物濃度變化較大,污泥指標及系統(tǒng)污泥負荷見表1。2 a運行期間進泥TS、VS、含水率分別為22.34 g/L、7.76 g/L、97%。Cooper等人建議蘆葦床的污泥負荷率(SLR)為30～80 kg(TS)/m2?a,布尼周期為1周[12];而Koottatep等人建議SLR為250 kg(TS)/m2?a,布泥周期為1周[13]。具體負荷率受不同的地域和氣候條件影響。本研究的 SLR平均0.691 kg(TS)/m2?d,即在負荷期相當于252.2 kg(TS)/m2?a的負荷量。

表1 污泥特征及負荷率

污泥生態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)于2005年6月2日完工。蘆葦種苗取自近郊野生蘆葦,種植間距為15 cm×15 cm。移植前先用深井水澆透填料,植苗后每天上午用污水處理廠生化池出水澆灌,保證填料上有10 cm浮水。經(jīng)過40 d后,蘆葦生長到1.5 m,開始進泥。

負荷期共進行了2 a。第1 a從啟動到結(jié)束共5個月時間,分為2個階段：第1階段為連續(xù)流進泥,進泥量10 t/d;第2階段為間歇流進泥,進泥量10 t/4 d,即4 d1個周期。

第2 a從啟動到結(jié)束共運行了7個月,分為3個負荷 ：15 t/d、10 t/d 和 7 t/d。

第3 a至第4 a為污泥自然穩(wěn)定期。

2 結(jié)果與討論

2.1 滲濾液處理效果

污泥滲濾液中含有較高的有機物和豐富的氮磷等元素,這些污染物質(zhì)需要在系統(tǒng)內(nèi)進行去除。濕地結(jié)構(gòu)設(shè)計和濕地植物的引入能夠為這些物質(zhì)去除提供必要條件。蘆葦根系能夠為濕地深處帶來一定量的氧,遠離根系則處于厭氧狀態(tài),蘆葦豐富的根系則形成了交錯的好氧-厭氧環(huán)境,為污染物質(zhì)的去除提供了有利條件。生長于床體填料表面的微生物是滲濾液污染物去除的主體,微生物從流過填料表面的污水中獲得有機物和無機物,合成自身生長所需的能量和物質(zhì),完成污水凈化過程。部分污染物如重金屬、硫等可通過土壤、植物作用降低濃度。

第1 a基本屬于調(diào)整期,進泥中滲濾液的COD變化幅度較大,在90～400 mg/L之間,出水COD受進水的影響,變化也較大。系統(tǒng)啟動前期,即第1階段,COD去除率有隨時間升高的趨勢,最后保持在60%～70%;第2階段改為間歇布泥后,滲濾液COD去除率整體升高,基本維持在70%～80%。

系統(tǒng)運行到第2 a,從植物到微生物都基本完成了調(diào)整。剩余污泥在蘆葦床表面積泥層完成泥水分離,滲濾液在重力作用下通過蘆葦根系和床體填料層,最終通過濕地底層的排水管排出。第2 a考察了不同污泥負荷下滲濾液的COD處理效果。從檢測結(jié)果看,污泥負荷越大,滲濾液COD去除率越小。在污泥負荷15 t/4 d、10 t/4 d、7 t/4 d條件下,滲濾液COD去除率分別為平均40%、45%和50%左右。出水COD穩(wěn)定在100～200 mg/L,需回流至污水處理單元進行進一步處理。

第2 a滲濾液出水COD去除率較第1 a低,分析其原因,一方面有積泥層的污泥發(fā)生消化作用并溶出COD,增加了滲濾液中的COD量;另一方面,根據(jù)長春地區(qū)的氣象資料,該地多年平均降雨量為561mm,蒸發(fā)量大約為降雨量的2倍,考慮到這個因素,滲濾液出水COD濃度較高的主要原因應(yīng)該是蒸發(fā)引起的濃縮作用所致。

2.2 污泥穩(wěn)定化特性

2.2.1積存污泥的脫水性能 從2 a負荷期的運行來看,周期內(nèi)污泥含水率呈歷時下降趨勢,但由于周期布泥,系統(tǒng)內(nèi)積存污泥層存在反復濕化過程,因此從第3 a系統(tǒng)考察積存污泥的脫水效果。

第3 a5月到10月份,系統(tǒng)中污泥含水率歷時和空間變化見表2。第3 a系統(tǒng)停止進泥,植物生長所需水份來自于污泥和降雨。由于無法準確衡量蒸發(fā)和降雨之間的水平衡,只能從積存污泥含水率變化大致反映污泥的脫水效果。污泥含水率歷時大幅度降低,5月到10月,底層污泥含水率從50%遞降至34%,中間層污泥含水率從75%遞降至35%,底層污泥含水率從61.6%遞降至34%。到10月份,系統(tǒng)內(nèi)污泥含水率趨于一致。到第4年9月份,穩(wěn)定化污泥的含水率進一步下降,平均為30.5%。

表2 穩(wěn)定化污泥含水率歷時和空間變化

考慮到長春地區(qū)蒸發(fā)量遠大于降雨量,以及穩(wěn)定床內(nèi)的植物量較野生蘆葦產(chǎn)量高出近13倍。因此,在污泥自然穩(wěn)定期,污泥脫水的主要因素分析為泥面的蒸發(fā)作用和植物的蒸發(fā)蒸騰作用。

2.2.2污泥的滲透性能 理論上分析,積存污泥層越厚,滲濾液的透過時間越長,滲濾液在污泥中存留的時間越長,越不利于下一周期滲濾液的下滲。當積存污泥達到一定厚度后,從表層污泥中分離出來的滲濾液無法順利通過污泥層時,此時系統(tǒng)將無法運行,因此考察滲濾液通過污泥層的時間,可作為濕地運行年限和布泥負荷的指標。

但實際上滲濾液的滲透情況要復雜得多。除了污泥自身的滲透性能外,不同積存時間的污泥結(jié)構(gòu)存在較大差異,不同積存厚度的污泥含水率和有機物含量也不同,加之植物根莖的生長以及老化根系的土質(zhì)化,這些因素都在影響著滲濾液的滲透。

在積泥底部和填料頂部的交界面設(shè)定取樣點,考察滲濾液透過積泥層的時間,在濕地填料底部設(shè)取樣點,計量滲濾液透過填料層的時間。滲透系數(shù)計算如下：

滲透系數(shù)=積泥層厚度(或填料層厚度)/透過時間

第2 a運行期間檢測了10組數(shù)據(jù),表現(xiàn)的特征為：隨著運行時間的延長,也即隨著污泥積存厚度的增加,滲濾液透過積泥層的時間并非理論分析中的隨之增加,而是變化不定,積泥最厚的最后一次檢測,滲濾液透過時間甚至最短,滲透系數(shù)存在同樣的變化趨勢;滲濾液透過積泥層時間較理論分析數(shù)據(jù)要短,即滲透系數(shù)要大得多。因此可以推斷,滲濾液并非均勻下滲,而是部分滲濾液優(yōu)先沿阻力最小的植物莖壁、根系以及積存污泥中大的孔隙向下流動,部分滲濾液則以積存污泥吸濕、植物蒸發(fā)蒸騰、空氣蒸發(fā)等形式以及滯后滲透等形式轉(zhuǎn)移。監(jiān)測發(fā)現(xiàn),污泥層滲透系數(shù)為0.15～1.3 m/h,填料層滲透系數(shù)為0.9～3.6 m/h。顯然,填料層具有較大的孔隙度,雖然經(jīng)歷長時間運行后部分孔隙被污泥堵塞,部分被生物膜充填,但其透水性仍然比污泥層大很多。

2.2.3污泥中營養(yǎng)物質(zhì)的去除 負荷期的前2 a,系統(tǒng)內(nèi)積存污泥理化性質(zhì)受污泥負荷影響較大,因此從第3 a開始系統(tǒng)研究積存污泥有機質(zhì)、氮和磷含量的變化。

第3 a系統(tǒng)內(nèi)積存污泥的有機質(zhì)含量變化見表3。污泥有機質(zhì)隨時間整體呈下降趨勢。5月到11月,底層污泥有機質(zhì)從25.3%遞降至16.1%,中層污泥有機質(zhì)從30.7%遞降至17.8%,表層污泥有機質(zhì)從34.5%遞降至16.5%。中間層有機質(zhì)略高的原因有2個：一是由積存時間造成;二是與空氣接觸程度有關(guān)。

考慮到原泥有機質(zhì)含量35%～46%,而第3 a11月系統(tǒng)內(nèi)積存污泥有機質(zhì)平均16.8%,有機質(zhì)降解率平均超過52%,符合中國污泥堆肥標準,同時符合城鎮(zhèn)垃圾農(nóng)用控制標準＞10%的規(guī)定。到第4年9月,穩(wěn)定化污泥的有機質(zhì)含量進一步降低,平均達到10.24%,降解率超過70%。

表3 污泥有機質(zhì)含量歷時和空間變化

第3年9月底系統(tǒng)內(nèi)積存污泥的氮磷含量見表4。從表層到底層,污泥氮磷含量皆呈下降趨勢,顯示污泥積存時間越長,氮磷被消耗的越多。污泥全氮含量為0.66%～1.27%,平均0.98%,雖然較進泥全氮含量下降了61.6%,但仍符合城鎮(zhèn)垃圾農(nóng)用控制標準的＞0.5%要求。根據(jù)Stefanakis的研究成果,污泥生態(tài)穩(wěn)定中污泥全氮含量從進泥的5.49%降到1.89%,去除了65.5%[9],與本研究的結(jié)論相近。全磷含量為 0.17%～0.45%,平均0.27%,較進泥全磷含量下降了81%,略低于城鎮(zhèn)垃圾農(nóng)用控制標準 ＞0.3%的要求;本研究中的81%全磷去除率高于文獻[9]的66.6%,低于文獻[2]的84.7%～90.3%。

表4 系統(tǒng)內(nèi)積存污泥中的氮磷含量

污泥生態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)中氮素的轉(zhuǎn)化相對復雜,存在有機氮、氨氮、硝態(tài)氮、氮氣等形態(tài)的變化,也存在液相、固相和氣相之間相的轉(zhuǎn)移。本研究中,經(jīng)過3 a的穩(wěn)定,蘆葦床中污泥全氮含量下降了61%以上,考慮到植物吸收只占總氮去除量的大約4%[3];而蘆葦具有向根系傳遞氧的能力,連同污泥表面因干化產(chǎn)生龜裂形成的復氧通道以及通風結(jié)構(gòu)的影響,在污泥層一定區(qū)域內(nèi)存在著好氧條件,為硝化作用的發(fā)生提供了條件;同時污泥層部分區(qū)域的厭氧狀態(tài)為反硝化提供了基礎(chǔ)。因此,污泥中全氮得以去除的主要機理分析為積存污泥層中發(fā)生了硝化、反硝化作用。污泥中全磷的去除與氮不同,其去除機理分析為植物吸收轉(zhuǎn)化以及隨滲濾液流出或在填料層發(fā)生物理化學沉積所致。

2.3 濕地植物

系統(tǒng)啟動階段為均勻布泥,即采用3根穿孔布泥管進行布泥。待濕地表面形成一層固定的污泥層后,改為1根穿孔管從濕地一側(cè)進行布泥。此方案為防止污泥分布不均蘆葦出現(xiàn)燒苗所設(shè)計。試驗表明,蘆葦對污泥有一段適應(yīng)過程之后,能夠正常生長,沒有出現(xiàn)枯死情況。

試驗中發(fā)現(xiàn),第2 a年春系統(tǒng)中蘆葦出苗比野生蘆葦早10～15 d,在蘆葦根系節(jié)點處都會長出新芽,第2 a系統(tǒng)中蘆葦植株密度明顯大于第1 a。由于剩余污泥中富含氮磷和植物生長所需的各種營養(yǎng)元素,對植物的生長具有較好的促進作用[5],系統(tǒng)中蘆葦生長旺盛,初春時即比野生蘆葦高20～30 cm,且在日后的觀察中始終比野生蘆葦高30～50 cm。系統(tǒng)中蘆葦株高最高可達3.8m,比野生蘆葦高約1m。

污泥的肥效對植物本身的營養(yǎng)成分起到關(guān)鍵的作用。系統(tǒng)運行的第2 a,分別取生長至10月份的野生蘆葦和系統(tǒng)內(nèi)蘆葦,對其根和莖葉分別進行水分、粗蛋白、粗脂肪、粗纖維的檢測。結(jié)果發(fā)現(xiàn),無論是根還是莖葉,系統(tǒng)中蘆葦?shù)拇值鞍?、粗脂肪和粗纖維含量都高于野生蘆葦,其中系統(tǒng)內(nèi)蘆葦根的粗蛋白含量高出野生蘆葦2倍多,達到7.38%;系統(tǒng)內(nèi)蘆葦根的粗纖維含量較野生蘆葦高出7.64個百分點,達到33.64%;粗脂肪含量略高,為 1.14%。系統(tǒng)內(nèi)蘆葦莖葉的粗蛋白、粗脂肪、粗纖維含量略高于野生蘆葦,分別為 7.77%、2.21%和35.77%。系統(tǒng)內(nèi)蘆葦各部分水分含量與野生蘆葦差異不大。

第2 a11月和第3 a11月分別檢測了系統(tǒng)內(nèi)蘆葦和野生蘆葦?shù)纳锪?單株蘆葦重量沒有明顯差異,但單位面積的植物總量差異顯著。第2 a系統(tǒng)內(nèi)外蘆葦產(chǎn)量分別為926 g/m2和556 g/m2,高出66%;第3 a系統(tǒng)內(nèi)蘆葦量發(fā)生劇增,達到7 342 g/m2,較野生蘆葦產(chǎn)量高出近13倍。由此說明,系統(tǒng)內(nèi)的污泥對植物生長有明顯的肥效作用;從資源化的角度,污泥得到穩(wěn)定的同時,也實現(xiàn)了資源轉(zhuǎn)移。

第3 a逐月測量了系統(tǒng)內(nèi)積存污泥層厚度變化,共設(shè)計了9個均勻分布的污泥厚度測量點,結(jié)果見表5。由于第3 a沒有進泥,積存污泥厚度變化可以間接反應(yīng)地下生物量的變化。

表5 系統(tǒng)內(nèi)積存污泥厚度變化

將每個月的9個監(jiān)測點數(shù)據(jù)平均,并進行擬合,發(fā)現(xiàn)5-8月份人工濕地內(nèi)積存污泥以1.69的斜率線性增長,此階段對應(yīng)著植物的快速增長期;而8月份以后的積存污泥厚度基本相同?？梢酝茢?污泥厚度增長的根本原因是植物根系的生長。

3 結(jié)論

利用人工濕地技術(shù)對剩余污泥進行生態(tài)穩(wěn)定化處理,可以有效利用植物、微生物以及陽光和風等自然力的作用,對污泥進行脫水、對有機質(zhì)進行降解、對氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)進行轉(zhuǎn)化。污泥滲濾液COD去除率與污泥負荷有關(guān),負荷越大,去除率越低,出水COD濃度不能滿足排放要求,需進一步回流處理。經(jīng)過4 a的穩(wěn)定,污泥中的有機質(zhì)降至10.24%,降解率超過70%;氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)明顯降低,而植物量和植物營養(yǎng)成分與野生植物相比明顯增加。污泥得到穩(wěn)定的同時,實現(xiàn)了資源轉(zhuǎn)移。

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