人工湿地对海水淡化厂污泥中重金属和COD去除效果的初步研究

石一民，叶继红，王 波，张海春

（1.浙江海洋学院石化与能源工程学院，浙江舟山 316022；2.浙江省海洋开发研究院，浙江舟山 316021）

海水淡化是解决沿海地区淡水短缺的有效途径。但在利用海水的同时，也会对海洋环境和生态造成潜在影响[1]。海水淡化预处理过程中会产生淤泥等固体废弃物。海水淡化厂排弃的污泥不仅容量较大，而且含有有机物、重金属、致病菌和病原菌等，还有预处理中使用的化学药剂残留。如果未加处理直接排放到海里，抑或用作围海造陆的吹填土，都会对近海海洋环境造成很大的污染[2]。应用人工湿地技术来处理海水淡化厂排弃的污泥，充分利用湿地系统中的植物、微生物、填料和阳光等元素的作用，不仅可以有效地对污泥进行脱水减量，而且能降低有机物和重金属含量，去除病原菌，实现污泥的稳定化和无害化，并具有投资少、运行与维护费用低等优点。本研究利用在海水淡化厂内建立的人工湿地污泥处理系统，着重考察湿地系统在去除海水淡化厂污泥中COD和重金属方面的效果。

1 材料与方法

1.1 工艺技术路线选择

污泥人工湿地处理技术是一种将传统干化床与自然湿地相结合的污泥处理技术，集污泥浓缩、脱水和降解于一体，目前在处理城市污水中的BOD、COD、TN、TP以及处理污泥、垃圾渗滤液等方面得到广泛的应用并取得较好的效果[3-4]，该技术的开发应用为解决海水淡化剩余污泥问题提供了一种新的思路。

人工湿地污泥处理系统主要由湿地植物（芦苇）、填料、布泥管、集水管和防渗系统组成。将海水淡化预处理后的排弃污泥通过管道和排水沟输送至污泥缓冲池进行初步沉淀，然后由泥浆泵将其灌输到人工湿地系统中，其中液体部分经污泥层、湿地填料层后，进入湿地底部的集水管排放。污泥通过湿地后，液体中的有机污染物被有效净化，而其固体部分被湿地填料层截留，并借助其自身的消化和湿地生态活动而得到减量和稳定。

人工湿地污泥处理系统工艺路线如图1所示。

1.2 人工湿地系统设计

试验用人工湿地位于舟山市六横水务有限公司海水淡化厂内。建有湿地处理池4个，每个池的规格为5 m×10 m×1.5 m。内部填料总高度46 cm，自上而下依次为：细沙（颗粒直径为0.5～1 mm），厚度为10 cm；小砾石（颗粒直径为10～30 mm），厚度为10 cm；大砾石（颗粒大小为30～50 mm），厚度为20 cm；C20细石砼，厚度6 cm。填料的主要作用是承托、过滤和作为植物生长媒介。底部铺有膨润土布，并采用黄泥垫层及汤渣回填夯实，防止渗滤液下渗，污染地下水。超高部分1.1 m，其作用是为污泥提供积存空间。进泥通过布泥管完成，池底部设有穿孔集水管，池旁建有集水池，用以收集渗滤液和取样[5]。人工湿地结构如图2所示。

1.3 系统运行概况

人工湿地污泥处理系统于2013年3月建成，4月开始移植野生芦苇，植苗取自岱山岛业已废弃的原岱西盐场野生芦苇，种植间距为15 cm×15 cm。植苗后第1个月，每天用厂里绿化淡水浇灌，1个月后，逐步开始进海水浇灌。芦苇开始长势较慢，分析其原因，是因为芦苇种植于填料层中，营养成分有限，而且海水中含盐量较高，对其生长有抑制作用。后来施用尿素和复合肥后，长势较快。至2013年6月，芦苇已长成1.2 m以上，湿地开始进泥。随着进泥量的增加，芦苇能够正常生长，没有出现枯死现象。试验期间，4个池采用进泥与间歇交替进行的间歇式运行方式，每个池布泥负荷为10 m3/4 d，即4 d为一个周期。

1.4 实验方法

由于海水淡化厂将污泥与浓海水一起排放，含泥污水中Cl离子含量较高，故采用碱性高锰酸钾法（HJ/T132-2003[6]、CB17378.4-2007）测定湿地渗滤液和进泥上清液中COD浓度。污泥中的Pb、Cd、Hg、As重金属浓度，应用PE NexION 300X型电感耦合等离子体质谱仪进行测定，检测方法按TC/NIMTE-04-作业文件-18-2012《电感耦合等离子体质谱仪操作规程》所述有关规定。

图1 人工湿地污泥处理系统工艺践线Fig.1 Process route of sludge treatment system of constructed wetland

图2 人工湿地剖面图Fig.2 The profile of constructed wetland

2 结果与分析

2.1 人工湿地对污泥中Pb、Cd、Hg、As的处理效果

系统运行6个月后，对湿地内留存污泥（稳定化污泥）随机取样4个并混合均匀，检测污泥中Pb、Cd、Hg和As重金属浓度，结果见表1。由表1可见，虽然原泥中上述4种重金属浓度均远低于GB4284-1984规定的污泥农用时污染物控制标准限值，但测试结果表明，湿地对污泥中的Pb、Cd、Hg、As有良好的去除作用，4种重金属的去除率均在50%左右。

表1 人工湿地对污泥重金属的处理效率Tab.1 Removal rate of heavy metals in sludge

2.2 人工湿地对渗滤液中COD的处理效果

污泥进入湿地后，污泥中的水分绝大部分在重力作用下向湿地底部渗透，最终通过底部的集水管流出。2013年8-11月，对人工湿地渗滤液中COD浓度进行了检测，每2周检测1次，每次进泥2 h后在人工湿地出水口取样，进水指标取进泥上清液进行测定。每份样品在实验室分别做2份平行测试，得到进出水COD浓度均值，并由此计算出COD去除率，结果见表2。

表2 人工湿地对渗滤液COD的处理效率Tab.2 Removal rate of COD in percolate

3 讨论

人工湿地对重金属的去除主要是依赖植物的作用，其机理包括植物稳定、生物富集、摄取吸收、植物挥发及甲基化等，植物对重金属的吸收富集是污泥中重金属主要去除方式。崔玉波等[7]发现植物种类和重金属不同，其吸收会有很大的差异，人工湿地中的芦苇对Pb、Cd、Hg、As、Cr的富集量较野生芦苇多。PERUZZI等[8]也观察到湿地系统运行一段时间后，芦苇中重金属含量有所上升。上述试验结果表明，种植芦苇的人工湿地对污泥中Pb、Cd、Hg、As有良好的去除作用，各项重金属浓度均有所减少。

COD是污水检测中用于表征污水被有机物污染程度的一项重要指标。湿地对污染物的去除能力，受到微生物、介质、进泥和植物生长状况等多种因素的影响。试验期间，由于海水淡化厂排泥不规律，进出水的COD指标变化幅度较大，而且湿地对COD的去除率也不是很稳定。由表2可见，COD去除率最高为63.51%，最低仅为6.72%。国内外一些文献曾提到人工湿地对城市污泥中COD的去除率能达到80%～90%[9-10]，相比之下，表2中的COD去除率相对偏低。分析其原因，一则可能是受进水COD浓度较低的影响，二则可能是系统运行时间尚短，芦苇生长还未能适应系统环境，系统的调试阶段一般需要1～2 a。此外，COD去除率不高与污泥负荷过大也有很大的关联。湿地试运行期间，每个池间歇周期较短，污泥负荷过大。有研究表明，污泥负荷越大，渗滤液COD去除率越小[11]。总之，影响COD去除率的因素很多，其去除机理也错综复杂，这些尚有待进一步的实验研究。

[1]王 琼,王东衬,叶 林,等.反渗透海水淡化工程对海洋环境的影响与对策[J].海洋开发与管理,2010,27(9):24-25.

[2]马敬环.关于天津尽快制定有关海水淡化废弃物排放规范和标准的建议[J].决策咨询通讯,2008(3):25.

[3]姚淑君,李怀正,叶建锋,等.人工湿地处理污泥技术的应用与发展[J].净水技术,2009,28(6):1-4.

[4]王 平,周少奇.人工湿地研究进展及应用[J].生态科学,2005,24(3):278-281.

[5]叶继红,石一民.人工湿地处理海水淡化剩余污泥关键技术研究[J].工业安全与环保,2013,39(8):32-34.

[6]国家环境保护总局科技标准司.中国环境保护标准汇编2003-2004[S].北京:中国环境科学出版社,2004.

[7]崔玉波,尹 军.剩余污泥人工湿地处理技术[M].北京:化学工业出版社,2012.

[8]PERUZZI E,MACCI C,DONI S,et al.Phragmites australis for sewage sludge stabilization[J].Desalination,2009,246(1/3):110-119.

[9]薛 军,李 俊.人工湿地技术用于污泥的脱水与稳定的研究[J].环境工程学报,2011,5(12):2 806-2 808.

[10]张 纯,汪彩文.基于人工湿地植物床的城市污泥无害化处理技术应用及发展[J].广东化工,2012,39(7):83-84.

[11]崔玉波,郭智倩,刘颖慧,等.剩余污泥生态稳定化研究[J].土木建筑与环境工程,2011,33(4):151-156.