人工湿地法污泥处理研究进展

孙秀娟

（青岛科技大学 化工学院，山东 青岛 266042）

污泥处理已成为城市以及工业废水处理的关键问题，占传统污水处理厂运营成本的20％～60％［1］。因此，减少污泥体积的方法研究已成为世界各国学者共同关注的课题［2］。一般情况下，废水处理中产生的污泥都以液态形式存在，通常总固含量（TS）为0.5％～15％。大多是有机化合物，其中挥发性固体的含量较大，占TS的75％～80％［1］。污泥处理的主要目的是增加总固体的浓度，以减少污泥的体积（即污泥浓缩和脱水），或降低挥发性固体浓度以及固定有机物中可生物降解的成分（即通过厌氧消化或堆肥法增加污泥稳定性）。

由于传统的污泥处理系统成本高，农村小型污水处理厂很少进行污泥处理，而转移到大型污水处理厂进行。人工湿地法污泥处理技术［3］的使用可以为这种小型的污水处理厂提供一个治理污泥的机会。

人工湿地污泥处理系统，也被称为污泥干燥芦苇床，是一种新型的人工湿地处理技术［4］，具有能耗低，运营和维护费用低，环境相容性好的优势［5］，因而逐步受到了人们的重视［6］。20世纪80年代末，人工湿地法在世界许多地区已被用于污泥脱水和固定。本文总结了人工湿地法污泥处理的最新研究进展，主要描述了其设计特点，技术操作以及处理效率，并将人工湿地法污泥处理技术的效率与传统处理技术进行了对比。

1 人工湿地的设计特点

1.1 人工湿地的基本构造和设计因素

目前，人工湿地还没有标准的设计图样和结构。通常，人工湿地建成矩形混凝土池槽［7］如图1所示。池槽底部需要有1％的坡度，用防水膜覆盖，防止池槽渗漏，还要在底部放置一些多孔管，这样可以减少浸出液聚积，还能提高砂砾过滤层和污泥层的通气性。进料管可以固定在池槽的一角，也可以沿着池槽的一边，或固定在池槽的中间（垂直上流管）。最有效的床体深度为2.4m（过滤层0.6～0.7m，污泥累积层1.5～1.6m）。实际上，床体的高度应该保证至少1m的污泥残余物的处理容量。当污泥距离床体上壁20cm时通常停止填料。一般过滤层以上的池槽深度不少于1.7～1.8m，这样可以保证积累1.5～1.6m的残留污泥。

图1 人工湿地法处理污泥的示意图Fig.1.Schematic diagram of a sludge treatment wetland

人工湿地最主要的设计因素是污泥填充率，这决定了所需表面积的大小，而影响到系统的尺寸度量。表1列出了很多人工湿地法研究中的床层数目、每个池槽的表面积和最大污泥装填率。床层数目从3［7-8］到18［9］不等，床层表面积也差别较大，小到4.5m2，大至1000多m2［10］。根据污泥和环境条件的不同，填充标准也有所不同。在夏季时填充量可以随植物蒸发蒸腾作用的增强而增加，而在植物生长期，填充率通常比设计的要低，这样有利于加快植物的生长和发育。

系统精确的尺寸度量需要考虑填充时间和休眠时间两个因素，以确定表面积的大小和床层的数目，这两项特征最终决定了每个操作循环的寿命。但是，目前填充模式和休眠期并没有标准化。一些系统的填充时间为7～8d，休眠时间为55～56d；也有的系统填充时间为2～3d，休眠时间为14～21d［10］。

表1 不同人工湿地系统中的床层数目、各池槽表面积和最大污泥装填率Table 1 Number of beds，total surface area and sludge loading rate in different studies on sludge treatment wetlands

1.2 床体填充材料的选择

床体填充材料组成了一个总厚度为30cm到50～60cm的过滤层。过滤层又分为几个自上而下厚度依次增加的层，依次是细砂层，沙砾层和碎石层［11］。对于一个厚度为30～60cm的标准过滤层，通常细沙层厚为10～15cm，沙砾层厚度为20～30cm，碎石厚为15～20cm。过滤层厚度是可变的，对处理的效率影响不是很大。水可以透过过滤层渗出，渗出液用粒状介质底部的排泄管收集。最下层的碎石直径约5cm，可以保护排泄管，上层为直径为2～10mm的沙砾和直径为0.5～1mm的细沙，可以满足基本的过滤要求和植物生长。过滤层上部的细沙层是粒状介质和污泥层的分离界面。首先，细沙层可以截留固体，防止过滤层阻塞而阻碍水的渗透；其次，细沙层可以保持污泥层和过滤层之间的毛细浸出作用，防止水压负差引起的排水不畅。此外，将处理过的污泥除去后，细沙层能保护主要的过滤层，而不需要每次都换新［9］。有研究将用细沙层替换为堆肥［12-13］，并对其进行了评估，结果表明两者的脱水效果近似，堆肥层更有利于植物的生长，但是其过滤容量要比细沙层低。堆肥作为介质还需要进一步的研究。

1.3 植物

植物是人工湿地法处理污泥的关键因素，植物根系提供了放氧表面，利于生物和化学转化，根系放氧和为微生物提供栖息空间是湿地植物的主要功能。植物主要靠蒸发蒸腾作用（ET）来助于污泥脱水，通过根系的生长、死亡和代谢来维持床体较好的水力传导性，腐烂的根叶为反硝化细菌提供了必要的碳源。

人工湿地上种植的植物必须能够在多水、泥泞、缺氧的条件下生长，同时还要能够承受水的震荡、高盐度和pH值的大幅变化［9］。在人工湿地法中应用最广的是芦苇［14］，研究表明芦苇对污水处理产生的污泥有很高的适应能力，其芽的密度比在自然界常见的两倍还要多。由于蒲菜具有很高的生长率，在人工湿地法中也被广泛应用。为植物生长提供合适的条件是很重要的。栽种密度在24～10颗根茎/m为宜。

1.4 滤出液

典型的次级污泥中的水分可分为孔隙水（66.7％），毛细管水（25％）和结合水（8.3％）。在每次进样之后，滤过作用使水分迅速流失，这部分水主要是孔隙水的流失［7］。滤出的水分用排泄管收集并返回进样槽。由于滤出液再循环到进样槽，将会影响WWTP的性能，因此必须很好的控制和计算循环量。

2 污泥处理流程

人工湿地法可以处理不同来源的污泥，包括厌氧沼气池［9］，好氧沼气池，传统的活化污泥系统［9］，延时曝气系统［8］，化粪池等。通常，经过化学处理或热处理的污泥是不需要进行人工湿地法处理的。

污泥可以直接从曝气槽排到池槽，或者在缓冲槽进行预先均质后再用半连续法注入人工湿地的某个床体中。

在人工湿地系统中，污泥干燥是分批处理的。每次加料的时间可持续1～2d（甚至1～2周）。加料之后，系统进入休眠期，污泥开始脱水。休眠期可能持续几天或几个星期，这主要取决于处理容量，天气条件，系统的年龄，干物质的含量和污泥的厚度等因素［9］。在接下来的循环中，在进样期将污泥料液加到残渣层上，然后进入休眠期进行脱水。水透过残渣层和粒状介质而滤出，而固体物仍停留在表面并且进行降解。残余的水分可通过植物蒸发蒸腾作用进一步除去。通过增加床体的数量可以建立更长的循环，并以此延长休眠期从而加快污泥残渣的干燥。

人工湿地中污泥层的高度以特定的速度增加，当接近最大高度时，在最后一个休眠期之后停止进料，目的是促进最后污泥的干燥和矿化，然后可以用电力铲等将终产物取出，注意不要取出含有植物根的下层污泥残渣，这些污泥可以再生植物。

3 处理效率

3.1 污泥脱水

人工湿地法处理污泥的主要目的是脱水，将液体转化为固体废物（或副产物），得到所谓的污泥饼。污泥中固体物含量越高，污泥的体积越小，处理费用越低。一些人工湿地法污泥处理系统的脱水效率，按污泥中总固体物（TS）密度自小而大列于表2。一般而言，经过人工湿地处理法处理后的污泥中总固体物的密度1％～4％增加到20％～30％。人工湿地法处理污泥的脱水效率与传统处理法（如离心、真空过滤和带式压榨）相比较，脱水效率最高的方法是离心和压滤，能使总固体物密度高达35％，但这种处理方法耗能高、操作和维持费用高。

表2 人工湿地法污泥处理系统的脱水效率Table 2 Total solids（TS）and volatile solids（VS）concentration observed in several sludge treatment wetlands

3.2 污泥稳定

在人工湿地法污泥处理中，挥发性固体（VS）可以减少25％～30％，得到最终挥发性固体的密度为40％～50％。挥发性固体的去除率与被处理污泥中挥发性固体的浓度有关。例如，延时曝气活化系统中得到的污泥比其他的处理方法（比如标准活化污泥法）得到的污泥中挥发性固体含量更少。因此，当处理这种污泥时，人工湿地法中挥发性固体的去除变少。结果，人工湿地法去除挥发性固体的效率比需氧降解（40％～55％）或无氧降解（35％～50％）稍低［1］。然而，传统处理系统中最终的挥发性固体的浓度接近无氧降解。非固定污泥脱水处理结果与前处理有关，例如，当离心的污泥未被提前固定化，最终的挥发性固体含量将高达70％。污泥的稳定性可用来定义易生物降解有机物的降解程度。

3.3 重金属含量

污泥处理的目的是将污泥转化成副产物，如有机肥料或土壤改良剂，使之适合农作物生长或土地改良［15］。但是，污泥中的有机和无机污染物的积累可能造成环境和卫生公害，因此，在对这些已处理污泥进行土地应用之前，需对这些潜在污染物进行鉴定。只有能避免污泥对土壤、农产品、人类健康和环境的有害影响时，才能将污泥应用于农业。

污泥中重金属的浓度与污水的组成紧密相关，人工湿地法处理的污泥中的重金属的浓度差异很大。然而，绝大多数情况下重金属的含量都在法定范围以内［8］。所以，经人工湿地法处理的污泥能在农业或土地改良中回收利用。

3.4 处理效率的比较

在西班牙地区分别用人工湿地法［7］、堆肥和离心的方法处理污泥，表3列出了污泥经脱水和矿化之后的平均组成。人工湿地法的数据是处理过程中的数据而不是处理完成后的数据。比较TS％看出，人工湿地法得到的干燥程度（19％）与离心法（18％）相似，都远远低于标准堆肥法（83％）。然而，值得注意的是，在人工湿地法的最后休眠期污泥干燥可能增加到30％。有机物的含量在42％～73％之间。最低值42％是人工湿地法中得到的，由此证明了处理过程中的污泥矿化。堆肥过程中的污泥固定化和矿化的结果使得污泥中复杂有机物的增加，导致堆肥法得到的较大值62％。离心只进行污泥脱水，因此最终得到的是最大值（73％），与起始加入的污泥相近。

关于营养物氮和磷的含量都是固定的，分别是2.5％～6.4％TKN/TS和1.1％～2.3％Ptotal/TS［16］，因此终产物有作为有机肥的潜在用途。堆肥法的重金属含量在一定程度上要高于离心法和人工湿地法。正如以上所述，人工湿地法中重金属的浓度低于污泥的土地应用限制浓度。

表3 人工湿地法、离心、堆肥法处理后的污泥组成Table 3 Sludge composition after treatment in treatment wetlands，centrifugation and composting

4 人工湿地污泥处理系统的展望

随着人工湿地系统的应用和发展，人工湿地技术从单池走向多池，从植物床处理走向植物床处理和氧化塘及多种类型单元处理相组合，以及在水和动、植物资源化利用方面都取得了较大的进展［6］。作为一种低耗、高效且与自然相和谐的污水处理工艺，人工湿地在各国都受到极大关注。目前，国内的城市污水处理厂主要采用传统的二级活性污泥处理工艺，存在着工程投资高、能耗高、运转管理要求高以及处理效果受进水水质及水量波动影响大等问题。而人工湿地系统由于它具有高效率、低投资、低运转费、低维护技术、低能耗、处理效果好等优点，非常适合中国国情，尤其是适合广大农村地区、中小城镇地区的污泥处理。人工湿地系统是一种新兴的污泥处理技术，随着时间的推移，对其研究的深入和技术的进步，必将具有广阔的应用前景［3］。

［1］von Sperling，M，Goncalves，R F.Sludge characteristics and production［M］.Sludge Treatment and Disposal，IWA Publishing，London，UK，2007.

［2］王守仁，王增长，宋秀兰，等.污泥处理技术发展［J］.水资源保护，2010，26（1）：80-83

［3］贾滨洋，刘宜，等.人工湿地处理污水的机理与其应用前景［J］.四川环境，2008（1）：81-86

［4］Caselles-Osorio A，Pu igagut J，Segu E，et al.Solids accumulation in five full-scale subsurface flow constructed wetlands［J］.Water Research，2007，41（6）：1388-1398.

［5］钱汪洋，许静，孙勤芳，等.浅析人工湿地系统污水处理技术［J］.科技资讯，2009，17（6）：150.

［6］张健美，等.人工湿地污水处理技术［J］.污染防治技术，2010（5）：68-71.

［7］Uggetti E，Llorens E，Pedescoll A，et al.Sludge drying reed beds：a case study［J］.Residuals Science and Technology，2009，6（1）：57-59.

［8］Uggetti E，Llorens E，Pedescoll A，et al.Sludge dewatering and stabilization in drying reed beds：characterization of three fullscale systems in Catalonia，Spain［J］.Bioresource Technology，2009，100（17）：3882-3890.

［9］Nielsen S.Sludge treatment in wetland systems［M］.Proceedings of the Conference on the Use of Aquatic Macrophytes for Wastewater Treatment in Constructed Wetlands，Dias V，Vymazal J（Eds.），Lisbon，Portugal，2003.

［10］Nielsen，S.Helsinge sludge reed beds systems：reduction of pathogenic microorganisms［J］.Water Science and Technology，2007，56（3）：175-182.

［11］刘恩玲，谢拾冰，等.人工湿地污水处理技术应用研究［J］.河北农业科学，2008，12（1）：106-108.

［12］Troesch S，Lienard A，Molle P，er al.Treatment of septage in sludge drying reed beds：a case study on pilot-scale beds［M］.Proceedings of the 11th International Conference on Wetland Systems for Water Pollution Control，Billore，S.，Dass P，Vymazal J（Eds.），Indore，India，2008a.

［13］Troesch S，Lienard，A，Molle P，et al.Sludge drying reed beds：a full and pilot-scales study for activated sludge treatment［M］.Proceedings of the 11th International Conference on Wetland Systems for Water Pollution Control，Billore，S.，Dass，P.，Vymazal，J.（Eds.），Indore，India，2008b.

［14］Puigagut J，Villasenor J，Salas，et al.Subsurface-flow constructed wetlands in Spain for the sanitation of small communities：a comparative study［J］.Ecological Engineering，2007，30（4）：312-319.

［15］李盈，等.污泥农用现状及其前景［J］.现代农业，2010（10）：84-86.

［16］韩耀霞，张格红，等.浅析生态塘系统在污水处理中的应用［J］.环境保护科学，2008，34（3）：54-59.