污泥處理濕地自然穩(wěn)定期溫室氣體排放規(guī)律研究*

梁俊煜 崔玉波 楊文舉 菲爾卡特·甫力冬 洛桑竹瑪

(大連民族大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，遼寧 大連 116600)

污泥處理濕地是利用植物、微生物等對剩余污泥進(jìn)行脫水與穩(wěn)定的新型污泥處理技術(shù)[1]。污泥處理濕地屬于人工濕地的一種，具有運(yùn)行費(fèi)用低、不需要添加化學(xué)藥劑、終產(chǎn)物可以安全處置或農(nóng)用等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛研究和應(yīng)用[2-3]，但污泥處理濕地在穩(wěn)定污泥過程中釋放的CO2、CH4等溫室氣體對環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響不容忽視[4-6]。已有研究指出CH4增溫潛勢是CO2的25倍，對全球溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)率約為23%[7-8]。濕地是地球上重要的碳匯和碳源，據(jù)報(bào)道，人工濕地的溫室氣體排放量為自然濕地的2～10倍[9]，這意味著若不能控制好人工濕地溫室氣體的排放，將會降低其綜合環(huán)境效益。

CH4是由污水中有機(jī)物、基質(zhì)所含的有機(jī)質(zhì)和植物產(chǎn)生的生物質(zhì)進(jìn)行厭氧分解所產(chǎn)生，而CO2則是由這些有機(jī)物、有機(jī)質(zhì)、生物質(zhì)好氧氧化產(chǎn)生[10-11]，產(chǎn)生的CO2和CH4的最終量決定了污泥處理濕地中碳基溫室氣體的排放效應(yīng)，即污泥處理濕地是碳匯還是碳源。

目前，對于污泥處理濕地的研究主要致力于污泥穩(wěn)定和脫水方面，而污泥穩(wěn)定過程中溫室氣體的產(chǎn)生與排放報(bào)道較少。污泥處理濕地在負(fù)荷期會定期布泥，濕地具有充足的底物和濕度，而在自然穩(wěn)定期污泥處理濕地經(jīng)歷的是單一的污泥土質(zhì)化過程。由于兩個(gè)時(shí)期條件不同，污泥處理濕地的溫室氣體排放也會產(chǎn)生差異。本研究對3個(gè)污泥處理濕地自然穩(wěn)定期的溫室氣體排放規(guī)律進(jìn)行對比，進(jìn)一步探明污泥處理濕地碳循環(huán)機(jī)制，為今后溫室氣體增匯減排研究提供參考。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)場地位于遼寧省大連經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)污水處理廠。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由污泥泵、進(jìn)料罐、污泥處理濕地和滲濾液排水管等組成。3個(gè)污泥處理濕地分別記為STW1、STW2、STW3(STW1為具有通風(fēng)結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)污泥干化床，STW2為具有通風(fēng)結(jié)構(gòu)的蘆葦床，STW3為普通蘆葦床)，其尺寸均為3.0 m×1.0 m×1.3 m(長×寬×高)，獨(dú)立運(yùn)行。STW1未栽種蘆葦，布有通氣管；STW2栽種蘆葦并布有通氣管；STW3栽種蘆葦?shù)珶o通氣管。STW1、STW2的通氣管與大氣相連通，通過床體填料空隙為單元提供氧氣。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖見圖1。由圖2可知，污泥處理濕地填料高度為65 cm，由底層至表層依次為爐渣 20 cm、礫石20 cm、粗砂5 cm、細(xì)砂20 cm，填料上部用于積存污泥。污泥處理濕地表面單側(cè)布泥，排水管位于底部，排出的滲濾液回流至污水處理廠的生物池進(jìn)行處理。

圖2 污泥處理濕地剖面圖Fig.2 Profile of sludge treatment wetland

1.2 樣品采集

溫室氣體的采集采用原位靜態(tài)箱法。采樣箱為直徑30 cm、高150 cm的透明有機(jī)玻璃圓柱箱，采樣箱頂部中心與筒壁中下部各有一插口，供儀器采樣和回流。頂部采樣口旁另有一插口用于放置溫度計(jì)。采樣箱內(nèi)部中間位置安置一個(gè)風(fēng)扇，用于混勻箱內(nèi)氣體。儀器采用美國LGR公司UGGA超便攜溫室氣體分析儀，測量時(shí)將儀器的進(jìn)氣管與出氣管分別插入采樣箱頂部與中下部的插口，儀器將自動(dòng)保存測得的數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷了3年的污泥負(fù)荷期和1年的自然穩(wěn)定期。自然穩(wěn)定期實(shí)驗(yàn)期間(4—11月)，溫室氣體的測量頻率為4次/d，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為9:00至16:00。實(shí)驗(yàn)前需先將采樣箱插入各污泥處理濕地的污泥層中30 min，30 min后開始第1次測定，各單元每次檢測時(shí)間為5 min，同時(shí)記錄下采樣箱內(nèi)蘆葦?shù)臄?shù)量。一般情況下，每次測量溫室氣體時(shí)采樣箱內(nèi)一般都是2株長勢相似的蘆葦。

1.3 CH4與CO2排放通量計(jì)算

參考文獻(xiàn)[12]的公式計(jì)算CH4與CO2排放通量。

2 結(jié)果與討論

2.1 植物對污泥處理濕地CH4和CO2排放通量的影響

在蘆葦生長初期的春季(4—5月)，未種植蘆葦?shù)腟TW1和種植蘆葦?shù)腟TW2的CH4排放通量較低，兩者差異相對較小(見圖3(a))。隨著溫度的上升，在蘆葦生長最為茂盛的夏季(6—8月)，兩個(gè)單元的CH4排放通量相差最大，STW2的CH4月均排放通量最高上升到2.07 mg/(m2·d)，而STW1相對穩(wěn)定，最高為0.88 mg/(m2·d)。在進(jìn)入秋季(9—11月)后，隨著氣溫的降低和植被生長期的結(jié)束，STW2的CH4排放通量出現(xiàn)大幅降低，10—11月兩個(gè)污泥處理濕地的CH4排放通量變化較小，且大致相當(dāng)，STW1、STW2最低月均排放通量分別為0.10、0.13 mg/(m2·d)。實(shí)驗(yàn)期間，STW1和STW2均在排放CH4，其中STW2受季節(jié)變化影響較大，而STW1則相對穩(wěn)定。從圖3(b)可以看出，4—6月，STW1和STW2的CO2排放通量整體呈上升趨勢，6月達(dá)到峰值；6—11月，兩個(gè)污泥處理濕地的CO2排放通量均呈現(xiàn)下降趨勢，其中STW2在6—7月時(shí)下降幅度較大，而STW1降幅相對較小。STW1、STW2的CO2最高月均排放通量分別為62 311.40、52 114.03 mg/(m2·d)，最低月均排放通量分別為2 803.05、2 395.58 mg/(m2·d)。

圖3 植物對污泥處理濕地CH4與CO2排放通量的影響Fig.3 Effects of plants on CH4 and CO2 emission fluxes from sludge treatment wetland

蘆葦對污泥處理濕地CH4和CO2排放通量有一定的影響。圖3中種植蘆葦?shù)腟TW2在自然穩(wěn)定期內(nèi)的CH4排放通量高于未種植蘆葦?shù)腟TW1，這是由于蘆葦?shù)拇嬖跒槲勰嗵幚頋竦刂蠧H4的釋放提供了新的途徑，與水?dāng)U散相比，植物擴(kuò)散能讓污泥層中的CH4更快地釋放到大氣。據(jù)相關(guān)研究報(bào)道，土壤中超過50%的CH4由植物擴(kuò)散排放到大氣[13]。自然穩(wěn)定期的兩個(gè)單元在相同自然條件下，STW2的CO2排放通量幾乎都低于STW1，這可能是由于氣體采樣所用靜態(tài)箱均由透明的有機(jī)玻璃制成，能使陽光通過，蘆葦可以在靜態(tài)箱中進(jìn)行光合作用，從而減少了STW2的CO2凈排放，綜合來看，STW2的CO2排放通量比STW1大約低15%。

2.2 通風(fēng)結(jié)構(gòu)對污泥處理濕地CH4和CO2排放通量的影響

由圖4可知，有通風(fēng)結(jié)構(gòu)的STW2和無通風(fēng)結(jié)構(gòu)的STW3在蘆葦生長初期(4—5月)的CH4、CO2排放通量差異較小，但隨著蘆葦?shù)纳L和溫度的升高，兩個(gè)污泥處理濕地的CH4、CO2排放通量整體都呈上升趨勢，并且其排放通量的差異也逐漸明顯。6月STW2、STW3的CO2排放通量達(dá)到峰值，而CH4排放通量峰值分別出現(xiàn)在8、7月。9月后，氣溫逐漸降低，隨著蘆葦生長期的結(jié)束，STW2和STW3的CH4、CO2排放通量也逐漸降低。STW2和STW3在實(shí)驗(yàn)期間均在排放CH4。STW3的CH4最高月均排放通量為1.40 mg/(m2·d)，最低月均排放通量為0.16 mg/(m2·d)，CO2最高月均排放通量為52 725.64 mg/(m2·d)，最低月均排放通量為2 635.47 mg/(m2·d)。

圖4 通風(fēng)結(jié)構(gòu)對污泥處理濕地CH4與CO2排放通量的影響Fig.4 Effects of ventilation structure on CH4 and CO2 emission fluxes from sludge treatment wetland

表1 自然穩(wěn)定期月平均溫度

STW2的CH4排放通量大體高于STW3，而STW2的CO2排放通量低于STW3，說明STW2中的蘆葦光合作用吸收CO2的量高于STW3中的蘆葦，在觀察蘆葦長勢后發(fā)現(xiàn)，STW2中的蘆葦生長情況優(yōu)于STW3，這表明在相同條件下具有通風(fēng)結(jié)構(gòu)的污泥處理濕地更適合蘆葦?shù)纳L。

對3個(gè)污泥處理濕地的CH4排放通量與月平均氣溫(見表1)進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，污泥處理濕地的CH4排放通量與月平均溫度顯著正相關(guān)(P<0.05)，這說明溫度對污泥處理濕地CH4的排放影響較大。

2.3 碳基溫室氣體排放量

本研究將CH4的排放量按照溫室氣體增溫潛勢轉(zhuǎn)化為CO2當(dāng)量，分別估算了3個(gè)污泥處理濕地在自然穩(wěn)定期的碳基溫室氣體排放量，結(jié)果見表2。

表2 自然穩(wěn)定期污泥處理濕地碳基溫室氣體排放量

污泥處理濕地在自然穩(wěn)定期表現(xiàn)出較低的CH4排放量。自然穩(wěn)定期全年不進(jìn)泥，污泥中的水分和微生物所需的底物得不到補(bǔ)充，所以在自然穩(wěn)定過程中污泥會龜裂產(chǎn)生大量的裂縫，這增加了污泥層與空氣接觸的面積，使得污泥層的好氧環(huán)境增加，從而抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性，減少了CH4的產(chǎn)生，這是3個(gè)污泥處理濕地在自然穩(wěn)定期的碳基溫室氣體排放量較低的重要原因。STW2的碳基溫室氣體排放量低于STW1、STW3，說明蘆葦?shù)姆N植和通風(fēng)結(jié)構(gòu)的設(shè)置為污泥處理濕地溫室氣體減排提供了新的途徑。

3 結(jié) 語

3個(gè)污泥處理濕地在自然穩(wěn)定期的碳基溫室氣體排放量相對較低，種植蘆葦?shù)腟TW2和STW3的CO2排放量低于未種植蘆葦?shù)腟TW1，而CH4的排放量高于STW1。CH4排放通量表現(xiàn)為STW2>STW3>STW1。蘆葦?shù)拇嬖跍p少了CO2的排放，CO2排放通量表現(xiàn)為STW1>STW3>STW2?？傮w來講，STW1的碳基溫室氣體排放量最高，其次是STW3，STW2最低，說明植物和通風(fēng)結(jié)構(gòu)的存在有利于污泥處理濕地溫室氣體減排。