不同生态床对剩余污泥脱水和稳定化的影响

第28卷第4期2015年4月环境科学研究ResearchofEnvironmentalSciences侯霜，李子富，张扬.不同生态床对剩余污泥脱水和稳定化的影响[1].环境科学研究，2015，28(4):589-595Vol.28,No.4Apr.,2015HOUShuang,LIZifu,ZHANGYang.Dewateringandstabilityofthickenedmunicipalsludgetreatedindifferentecologicalwetlandbeds[J].ResearchofEnvironmentalSciences,2015,28(4):589-595.不同生态床对剩余污泥脱水和稳定化的影晌侯霜l，李子富13\张扬11.北京科技大学士木与环境工程学院环境工程专业，北京1000832.北京市工业典型污染物资源化处理重点实验室，北京100083摘要:对比分析传统干化床、芦苇生态床及芦苇-蜓蚓复合生态床3种处理方式对城镇污水处理厂剩余污泥的处理效果.结果表明:传统干化床处理简单易行、成本低，但脱水效率低，处理15d后污泥含水率仍在79.8%左右芦苇生态床较传统干化床具有明显优势，其处置后污泥含水率可降至67.8%，但其对有机质、TN、TP的去除效果不明显，芦苇-蜓蚓复合生态床对污泥脱水效果最佳:①污泥含水率由原来的95.1%降至44.4%，体积明显减少，达到了污泥减量化的目标;②扫描电镜试验显示，处理后污泥具有孔隙及片状结构，有利于水分散失;③污泥中w(有机质)、w(TN)、叫TP)分别降低了14.5%、20.3%和13.2%左右.热重分析发现，污泥中不稳定化合物含量有所降低.经芦苇-蜓蚓复合生态床处理后，Cu、Ni、Zn、Cr残渣态所占比例分别由原污泥的3.2%、23.7%、15.2%、55.8%增至73.3%、43.1%、78.3%和78.6%，大幅降低了重金属的迁移风险，并且污泥红外图谱显示一COOH和酌胶明显增多，有利于重金属的稳定.综上，复合生态床可有效实现污泥减量，并且降低了二次污染的风险.关键词:芦苇，蜓蚓复合生态床:污泥脱水;污泥稳定化中图分类号:X705文献标志码:A文章编号:1001-6929(2015)04-0589-07DOI:10.13198/j.issn.1001-6929.2015.04.14DewateringandStabilityofThickenedMunicipalSludgeTreatedinDifferentEcologicalWetlandBedsHOUShuang1,LIZifu1，υ，ZHANGYang11.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China2.BeijingKeyLaboratoryonResource-OrientedTreatmentoflndustrialPollutants,Beijing100083,ChinaAbstract:Theeffectsofsludgeecologicaltreatmentwereinvestigated,andthetreatmentefficienciesofthetraditionaldryingbed,reedbedandreedandearthwormintegratedwetlandsystemwerecompared.Theresultsshowedthatthetraditionaldryingbedwaseasytooperateandrelativelyinexpensive,butitssludgedewateringefficiencywaslow.Themoisturecontentofsludgewas79.8%after15daysThereedbedwassuperiortothetraditionaldryingbed.Themoisturecontentofthesludgeinthereedbeddecreasedto67.8%,buttheremovalratesoforganicmatter,totalnitrogenandphosphoruswereinsignificant.Thereedandearthwormintegratedwetlandsystemhadobviouseffectsonsludgedewatering.Themoisturecontentofsludgedecreasedfrom95.1%to44.4%,andthevolumeapparentlydecreased.Electronmicroscopydemonstratedthatthesludgetreatedbytheintegratedwetlandsystemhadinterspacesandlamellarstructures,benefittingairandmoistureloss.Thus,thereductiontargetswereachieved.Theorganicmatter,totalnitrogenandphosphoruswerereducedby14.5%,20.3%and13.2%,respectively.Thermogravimetricanalysisshowedthatthevolatilecompoundcontentinthesludgebeddecreased.TheresidueratiosofCu,Ni,ZnandCrinthesludgeincreasedfrom3.2%,23.7%,15.2%and55.8%to73.3%,43.1%,78.3%and78.6%,respectively;thustheheavymetalcontentsinsludgewerestabilized.Infraredspectroscopyshowedthatthesludgetreatedbytheintegratedwetlandsystemhadmore-COOHandamide,whichcatalyzedthestabilizationofheavymetals.Therefore,thereedandearthwormintegratedwetlandsystemeffectivelyenhancedsludgestabilizationandreducedsecondary收稿日期:2014-06-29修订日期:2014-10-12基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金(FRF-1C-1l-001);昆明市科技计划项目(2012-01-1O-A-G-01-0001)作者简介:侯霜(1990-)，女，河南鹤壁人，[e-mail]*责任作者，李子富(1964-)，男，安徽蚌埠人，教授，博导，主要从事生态卫生、人士湿地研究，[e-mail]:reedandearthwormintegratedwetlandsystem;sludgedewatering;sludgestability城市污水处理厂污泥产生量大、含水率高，即使经脱水处理后含水率一般也在80%左右，不宜填埋590环境科学研究第28卷处理[1]，而其他处置方式如堆肥、厌氧消化、焚烧等也具有成本高、能耗高、易产生二次污染等缺点[叫.污泥中含有大量的有毒有害物质(如病原体、有机污染物及重金属等)[4]，不合理的处置或运输过程会对生态环境造成极大危害.据统计[町，截至2012年，全国年污泥产量已达到3275x104t(按含水率80%计算)，并呈不断递增趋势;此外，我国城镇污水处理厂中很大一部分为规模小于5X104t/d的小型污水处理厂，而传统处理方法对小型污水处理厂并不经济实用间，因此，探讨适宜用于中小型污水处理厂的污泥处理处置方式具有重要意义.污泥生态床处理法具有成本低、运行操作简单等优点[2J:X1J峙山荣等[7]模拟了人工湿地芦苇床对城市污泥脱水和稳定化的试验，结果表明，人工温地芦苇床脱水效果良好，同时污泥中有机质、TN、TP的含量可明显降低.Stefanakis等[8J采用中试规模的芦苇床对剩余活性污泥进行处理，可取得很高的脱水效率，并且能够实现有机物的分解和高度矿化.吴敏等[9J利用蜓蚓和微生物共同组成的人工生态系统对剩余污泥进行脱水和稳定化研究，其结果表明，旺蚓生态系统集浓缩、调理、脱水、稳定、处置和综合利用等多种功能于一身，是一种经济、有效的生态利用新途径.虽然人工湿地巳初步应用于污泥处理，但探索更为高效、经济的处理方式一直是行业关注的重点[川]但鲜见将芦苇床与蜓蚓生物滤池结合起来对城市污泥进行脱水和稳定化处理的相关研究.鉴于此，该研究以污水处理厂剩余污泥为对象，采用传统干化床、芦苇生态床与芦苇-旺蚓复合生态床(以下简称复合生态床)对污泥进行稳定化处理，研究了在植物或植物动物协同作用于污泥稳定化过程中污泥含水率、营养物质(有机质、N、P)、重金属(Cu、Ní、Zn、Cr)以及污泥形态的变化规律和相关机理，以期为剩余污泥生态处理方法奠定基础.1材料与方法1.1材料以北京某污水处理厂二沉池剩余污泥为研究对象，原污泥初始含水率为95.1%:t1.9%，w(有机质)为65.7%:t0.3%，pH为7.5，即(TN)为(51.4土0.5)mg徊，w(TP)为(15.1:t0.1)mg/g.试验用芦苇(P.commw山Trin.)取自北京奥林匹克公园龙形水系，试验选用的距蚓品种为太平二号.1.2试验装置采用传统污泥干化床、芦苇生态床、复合生态床3种处理方式进行对比试验，每种生态床外形尺寸均为直径20cm，均采用有机玻璃制作，以便于观测生态床内部结构、植物生长情况及动物活动情况等.内部填料高50cm，由下到上依次为粗砾石(粒径为20mm)20cm高、细砾石(粒径为8-10mm)20cm高、细砂(粒径为2-4mm)10cm高.每个生态床中可进泥25cm.超高部分为30cm.排水管位于底部，管径为20mm.1.3试验方法对比的3种污泥干化床处置:传统干化床是直接进泥;芦苇生态床是种植芦苇后进泥;复合生态床也是种植芦苇后进泥，在污泥含固率达到20%后再将事先驯化好的蜓蚓投加入污泥中.3种干化床都要先经过30-40d的连续进泥期，在此期间芦苇可以充分适应环境，之后进入稳定期，使污泥达到脱水与稳定的目标.参照CJ/T221-2005{中华人民共和国城镇建设行业标准城市污水处理厂污泥检验方法}[II]检验污泥泥质各项指标，其中污泥含水率采用重量法(105C)测定;ρ(TN)采用过硫酸押氧化-紫外分光光度法测定;ρ(TP)采用过硫酸饵消解-锢锦抗分光光度法测定.热重试验采用德国耐驰(NETZSCH)公司生产的STA409型热重分析仪，使用高纯氮气作为载气和保护气;红外谱图采用Nexus670FTIR红外光谱仪测定;污泥微观结构采用扫描电镜(SEM，EVO18,ZEISS)观察.污泥中重金属总量采用微波消解(CEM-MARS)-原子吸收法进行测定.污泥中重金属形态分析采用欧共体参考物质署(CommunityBureauofReference)提出的三步连续分级提取法(简称BCR法)[12J进行.1.4污泥样品采集和预处理原污泥鲜样取自北京市某污水处理厂二沉地剩余污泥，处理后污泥样品是指分别经3种生态床处理4个周期(15d/周期)后的样品‘测试用污泥于样是将采集来的污泥鲜样?昆合均匀，置于阴凉通风处晾干，平铺于硬质白纸板上，用玻璃棒等压散，用研钵研磨至样品全部通过100目(150μm)尼龙筛，装瓶，混匀，备用.2结果与讨论2.13种生态床污泥脱水效果的比较试验监测了4个稳定期(15d/周期)内污泥的脱水效果，每个周期中平均含水率随时间的变化