人工濕地法污泥處理研究進展

孫秀娟

（青島科技大學 化工學院，山東 青島 266042）

污泥處理已成為城市以及工業廢水處理的關鍵問題，占傳統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者共同關注的課題［2］。一般情況下，廢水處理中產生的污泥都以液態形式存在，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定性）。

由于傳統的污泥處理系統成本高，農村小型污水處理廠很少進行污泥處理，而轉移到大型污水處理廠進行。人工濕地法污泥處理技術［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，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［4］，具有能耗低，運營和維護費用低，環境相容性好的優勢［5］，因而逐步受到了人們的重視［6］。20世紀80年代末，人工濕地法在世界許多地區已被用于污泥脫水和固定。本文總結了人工濕地法污泥處理的最新研究進展，主要描述了其設計特點，技術操作以及處理效率，并將人工濕地法污泥處理技術的效率與傳統處理技術進行了對比。

1 人工濕地的設計特點

1.1 人工濕地的基本構造和設計因素

目前，人工濕地還沒有標準的設計圖樣和結構。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，床體的高度應該保證至少1m的污泥殘余物的處理容量。當污泥距離床體上壁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，而影響到系統的尺寸度量。表1列出了很多人工濕地法研究中的床層數目、每個池槽的表面積和最大污泥裝填率。床層數目從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］。根據污泥和環境條件的不同，填充標準也有所不同。在夏季時填充量可以隨植物蒸發蒸騰作用的增強而增加，而在植物生長期，填充率通常比設計的要低，這樣有利于加快植物的生長和發育。

系統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目，這兩項特征最終決定了每個操作循環的壽命。但是，目前填充模式和休眠期并沒有標準化。一些系統的填充時間為7～8d，休眠時間為55～56d；也有的系統填充時間為2～3d，休眠時間為14～21d［10］。

表1 不同人工濕地系統中的床層數目、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，依次是細砂層，沙礫層和碎石層［11］。對于一個厚度為30～60cm的標準過濾層，通常細沙層厚為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的細沙，可以滿足基本的過濾要求和植物生長。過濾層上部的細沙層是粒狀介質和污泥層的分離界面。首先，細沙層可以截留固體，防止過濾層阻塞而阻礙水的滲透；其次，細沙層可以保持污泥層和過濾層之間的毛細浸出作用，防止水壓負差引起的排水不暢。此外，將處理過的污泥除去后，細沙層能保護主要的過濾層，而不需要每次都換新［9］。有研究將用細沙層替換為堆肥［12-13］，并對其進行了評估，結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沙層低。堆肥作為介質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鍵因素，植物根系提供了放氧表面，利于生物和化學轉化，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性，腐爛的根葉為反硝化細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］。在人工濕地法中應用最廣的是蘆葦［14］，研究表明蘆葦對污水處理產生的污泥有很高的適應能力，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％），毛細管水（25％）和結合水（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，傳統的活化污泥系統［9］，延時曝氣系統［8］，化糞池等。通常，經過化學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先均質后再用半連續法注入人工濕地的某個床體中。

在人工濕地系統中，污泥干燥是分批處理的。每次加料的時間可持續1～2d（甚至1～2周）。加料之后，系統進入休眠期，污泥開始脫水。休眠期可能持續幾天或幾個星期，這主要取決于處理容量，天氣條件，系統的年齡，干物質的含量和污泥的厚度等因素［9］。在接下來的循環中，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蒸騰作用進一步除去。通過增加床體的數量可以建立更長的循環，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，將液體轉化為固體廢物（或副產物），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 污泥穩定

在人工濕地法污泥處理中，揮發性固體（VS）可以減少25％～30％，得到最終揮發性固體的密度為40％～50％。揮發性固體的去除率與被處理污泥中揮發性固體的濃度有關。例如，延時曝氣活化系統中得到的污泥比其他的處理方法（比如標準活化污泥法）得到的污泥中揮發性固體含量更少。因此，當處理這種污泥時，人工濕地法中揮發性固體的去除變少。結果，人工濕地法去除揮發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，傳統處理系統中最終的揮發性固體的濃度接近無氧降解。非固定污泥脫水處理結果與前處理有關，例如，當離心的污泥未被提前固定化，最終的揮發性固體含量將高達70％。污泥的穩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化成副產物，如有機肥料或土壤改良劑，使之適合農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境和衛生公害，因此，在對這些已處理污泥進行土地應用之前，需對這些潛在污染物進行鑒定。只有能避免污泥對土壤、農產品、人類健康和環境的有害影響時，才能將污泥應用于農業。

污泥中重金屬的濃度與污水的組成緊密相關，人工濕地法處理的污泥中的重金屬的濃度差異很大。然而，絕大多數情況下重金屬的含量都在法定范圍以內［8］。所以，經人工濕地法處理的污泥能在農業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列出了污泥經脫水和礦化之后的平均組成。人工濕地法的數據是處理過程中的數據而不是處理完成后的數據。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，都遠遠低于標準堆肥法（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果使得污泥中復雜有機物的增加，導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。

關于營養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的展望

隨著人工濕地系統的應用和發展，人工濕地技術從單池走向多池，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注。目前，國內的城市污水處理廠主要采用傳統的二級活性污泥處理工藝，存在著工程投資高、能耗高、運轉管理要求高以及處理效果受進水水質及水量波動影響大等問題。而人工濕地系統由于它具有高效率、低投資、低運轉費、低維護技術、低能耗、處理效果好等優點，非常適合中國國情，尤其是適合廣大農村地區、中小城鎮地區的污泥處理。人工濕地系統是一種新興的污泥處理技術，隨著時間的推移，對其研究的深入和技術的進步，必將具有廣闊的應用前景［3］。

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