人工濕地對海水淡化廠污泥中重金屬和COD去除效果的初步研究

石一民，葉繼紅，王 波，張海春

（1.浙江海洋學(xué)院石化與能源工程學(xué)院，浙江舟山 316022；2.浙江省海洋開發(fā)研究院，浙江舟山 316021）

海水淡化是解決沿海地區(qū)淡水短缺的有效途徑。但在利用海水的同時，也會對海洋環(huán)境和生態(tài)造成潛在影響[1]。海水淡化預(yù)處理過程中會產(chǎn)生淤泥等固體廢棄物。海水淡化廠排棄的污泥不僅容量較大，而且含有有機(jī)物、重金屬、致病菌和病原菌等，還有預(yù)處理中使用的化學(xué)藥劑殘留。如果未加處理直接排放到海里，抑或用作圍海造陸的吹填土，都會對近海海洋環(huán)境造成很大的污染[2]。應(yīng)用人工濕地技術(shù)來處理海水淡化廠排棄的污泥，充分利用濕地系統(tǒng)中的植物、微生物、填料和陽光等元素的作用，不僅可以有效地對污泥進(jìn)行脫水減量，而且能降低有機(jī)物和重金屬含量，去除病原菌，實(shí)現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化和無害化，并具有投資少、運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。本研究利用在海水淡化廠內(nèi)建立的人工濕地污泥處理系統(tǒng)，著重考察濕地系統(tǒng)在去除海水淡化廠污泥中COD和重金屬方面的效果。

1 材料與方法

1.1 工藝技術(shù)路線選擇

污泥人工濕地處理技術(shù)是一種將傳統(tǒng)干化床與自然濕地相結(jié)合的污泥處理技術(shù)，集污泥濃縮、脫水和降解于一體，目前在處理城市污水中的BOD、COD、TN、TP以及處理污泥、垃圾滲濾液等方面得到廣泛的應(yīng)用并取得較好的效果[3-4]，該技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用為解決海水淡化剩余污泥問題提供了一種新的思路。

人工濕地污泥處理系統(tǒng)主要由濕地植物（蘆葦）、填料、布泥管、集水管和防滲系統(tǒng)組成。將海水淡化預(yù)處理后的排棄污泥通過管道和排水溝輸送至污泥緩沖池進(jìn)行初步沉淀，然后由泥漿泵將其灌輸?shù)饺斯竦叵到y(tǒng)中，其中液體部分經(jīng)污泥層、濕地填料層后，進(jìn)入濕地底部的集水管排放。污泥通過濕地后，液體中的有機(jī)污染物被有效凈化，而其固體部分被濕地填料層截留，并借助其自身的消化和濕地生態(tài)活動而得到減量和穩(wěn)定。

人工濕地污泥處理系統(tǒng)工藝路線如圖1所示。

1.2 人工濕地系統(tǒng)設(shè)計

試驗(yàn)用人工濕地位于舟山市六橫水務(wù)有限公司海水淡化廠內(nèi)。建有濕地處理池4個，每個池的規(guī)格為5 m×10 m×1.5 m。內(nèi)部填料總高度46 cm，自上而下依次為：細(xì)沙（顆粒直徑為0.5～1 mm），厚度為10 cm；小礫石（顆粒直徑為10～30 mm），厚度為10 cm；大礫石（顆粒大小為30～50 mm），厚度為20 cm；C20細(xì)石砼，厚度6 cm。填料的主要作用是承托、過濾和作為植物生長媒介。底部鋪有膨潤土布，并采用黃泥墊層及湯渣回填夯實(shí)，防止?jié)B濾液下滲，污染地下水。超高部分1.1 m，其作用是為污泥提供積存空間。進(jìn)泥通過布泥管完成，池底部設(shè)有穿孔集水管，池旁建有集水池，用以收集滲濾液和取樣[5]。人工濕地結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 系統(tǒng)運(yùn)行概況

人工濕地污泥處理系統(tǒng)于2013年3月建成，4月開始移植野生蘆葦，植苗取自岱山島業(yè)已廢棄的原岱西鹽場野生蘆葦，種植間距為15 cm×15 cm。植苗后第1個月，每天用廠里綠化淡水澆灌，1個月后，逐步開始進(jìn)海水澆灌。蘆葦開始長勢較慢，分析其原因，是因?yàn)樘J葦種植于填料層中，營養(yǎng)成分有限，而且海水中含鹽量較高，對其生長有抑制作用。后來施用尿素和復(fù)合肥后，長勢較快。至2013年6月，蘆葦已長成1.2 m以上，濕地開始進(jìn)泥。隨著進(jìn)泥量的增加，蘆葦能夠正常生長，沒有出現(xiàn)枯死現(xiàn)象。試驗(yàn)期間，4個池采用進(jìn)泥與間歇交替進(jìn)行的間歇式運(yùn)行方式，每個池布泥負(fù)荷為10 m3/4 d，即4 d為一個周期。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

由于海水淡化廠將污泥與濃海水一起排放，含泥污水中Cl離子含量較高，故采用堿性高錳酸鉀法（HJ/T132-2003[6]、CB17378.4-2007）測定濕地滲濾液和進(jìn)泥上清液中COD濃度。污泥中的Pb、Cd、Hg、As重金屬濃度，應(yīng)用PE NexION 300X型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀進(jìn)行測定，檢測方法按TC/NIMTE-04-作業(yè)文件-18-2012《電感耦合等離子體質(zhì)譜儀操作規(guī)程》所述有關(guān)規(guī)定。

圖1 人工濕地污泥處理系統(tǒng)工藝踐線Fig.1 Process route of sludge treatment system of constructed wetland

圖2 人工濕地剖面圖Fig.2 The profile of constructed wetland

2 結(jié)果與分析

2.1 人工濕地對污泥中Pb、Cd、Hg、As的處理效果

系統(tǒng)運(yùn)行6個月后，對濕地內(nèi)留存污泥（穩(wěn)定化污泥）隨機(jī)取樣4個并混合均勻，檢測污泥中Pb、Cd、Hg和As重金屬濃度，結(jié)果見表1。由表1可見，雖然原泥中上述4種重金屬濃度均遠(yuǎn)低于GB4284-1984規(guī)定的污泥農(nóng)用時污染物控制標(biāo)準(zhǔn)限值，但測試結(jié)果表明，濕地對污泥中的Pb、Cd、Hg、As有良好的去除作用，4種重金屬的去除率均在50%左右。

表1 人工濕地對污泥重金屬的處理效率Tab.1 Removal rate of heavy metals in sludge

2.2 人工濕地對滲濾液中COD的處理效果

污泥進(jìn)入濕地后，污泥中的水分絕大部分在重力作用下向濕地底部滲透，最終通過底部的集水管流出。2013年8-11月，對人工濕地滲濾液中COD濃度進(jìn)行了檢測，每2周檢測1次，每次進(jìn)泥2 h后在人工濕地出水口取樣，進(jìn)水指標(biāo)取進(jìn)泥上清液進(jìn)行測定。每份樣品在實(shí)驗(yàn)室分別做2份平行測試，得到進(jìn)出水COD濃度均值，并由此計算出COD去除率，結(jié)果見表2。

表2 人工濕地對滲濾液COD的處理效率Tab.2 Removal rate of COD in percolate

3 討論

人工濕地對重金屬的去除主要是依賴植物的作用，其機(jī)理包括植物穩(wěn)定、生物富集、攝取吸收、植物揮發(fā)及甲基化等，植物對重金屬的吸收富集是污泥中重金屬主要去除方式。崔玉波等[7]發(fā)現(xiàn)植物種類和重金屬不同，其吸收會有很大的差異，人工濕地中的蘆葦對Pb、Cd、Hg、As、Cr的富集量較野生蘆葦多。PERUZZI等[8]也觀察到濕地系統(tǒng)運(yùn)行一段時間后，蘆葦中重金屬含量有所上升。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，種植蘆葦?shù)娜斯竦貙ξ勰嘀蠵b、Cd、Hg、As有良好的去除作用，各項(xiàng)重金屬濃度均有所減少。

COD是污水檢測中用于表征污水被有機(jī)物污染程度的一項(xiàng)重要指標(biāo)。濕地對污染物的去除能力，受到微生物、介質(zhì)、進(jìn)泥和植物生長狀況等多種因素的影響。試驗(yàn)期間，由于海水淡化廠排泥不規(guī)律，進(jìn)出水的COD指標(biāo)變化幅度較大，而且濕地對COD的去除率也不是很穩(wěn)定。由表2可見，COD去除率最高為63.51%，最低僅為6.72%。國內(nèi)外一些文獻(xiàn)曾提到人工濕地對城市污泥中COD的去除率能達(dá)到80%～90%[9-10]，相比之下，表2中的COD去除率相對偏低。分析其原因，一則可能是受進(jìn)水COD濃度較低的影響，二則可能是系統(tǒng)運(yùn)行時間尚短，蘆葦生長還未能適應(yīng)系統(tǒng)環(huán)境，系統(tǒng)的調(diào)試階段一般需要1～2 a。此外，COD去除率不高與污泥負(fù)荷過大也有很大的關(guān)聯(lián)。濕地試運(yùn)行期間，每個池間歇周期較短，污泥負(fù)荷過大。有研究表明，污泥負(fù)荷越大，滲濾液COD去除率越小[11]?？傊绊慍OD去除率的因素很多，其去除機(jī)理也錯綜復(fù)雜，這些尚有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。

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