基于芦苇河床的污泥脱水和稳定化外文翻译资料

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基于芦苇河床的污泥脱水和稳定化

马努库玛旁蒂，皮特丹波尔杰森

摘要:在发展中国家，城市和城市周边地区的分散式污水常用化粪池作为污水预处理池。污泥的处理和利用是分散式污水处理系统的一大难题。污泥干化芦苇床是一种应用于污泥脱水和稳定化的健康方法。人工湿地和污泥干化芦苇河床可以综合应用于处理废水和污泥。污泥干化芦苇河床比其他污泥处理方法需要更大的土地面积，但是拥有操作成本低和能耗少的优点。通过选择合适的加载率、污泥应用频率和休止期使污泥干化芦苇河床所需的土地面积得到充分利用。本文提出了一个关于污泥干化芦苇河床使用的观点，以及提供了在加德满都所做的用于比较污泥干化床种植与否的中试规模实验。种植芦苇的河床表现出更高的脱水能力和更少的挥发性固体。短期的小规模实验可以为全面系统的设计和运行提供有价值的方法，并且建议像加德满都这样的亚热带气候地区初始污泥负荷应为100千克总固体/平方米/年，然后逐渐增加到250千克总固体/平方米/年。

关键词：污泥；芦苇；脱水；蒸发

1 前言

发展中国家对分散式废水处理系统中产生的污泥的管理是一个巨大的挑战。加德满都山谷大约有68000座化粪池，每年产生的腐败污泥为75000立方米。由于缺乏污泥处理设施，大部分污泥未得到处理。小部分被用于农业，剩余的部分则被非法倒入河流、排水沟或开放的空间。污泥脱水芦苇河床为社区寻找传统污泥脱水系统的替代品提供了污泥处理选择，并且可以作为污泥处理方法在小型和大型集中式处理厂中使用。当污泥脱水芦苇河床的尺寸设计和建造合理，可以有效的提高污泥的干物质含量，从而减少了污泥体积，同时产生的安全、高品质的最终产品适合用于绿地或耕地。污泥脱水芦苇河床建造合理，则几乎不需要维护也不消耗能源，并且在污泥必须移除前可以装载8～10年。虽然证据局限于种植床优于未种植床，表现在脱水更快和能增强剩余固体的矿化作用，但是有几名学者也指出，在更高承载率下操作芦苇床与芦苇床使用寿命更长都是具有可能性。然而，有几个研究在相似操作条件下对种植床和未种植床进行比较。使用污泥脱水芦苇河床的挑战是:由于芦苇自身条件，装载机制的敏感植物的枯萎和缺乏用于不同污泥类型与气候带的设计标准，导致投产期较长。污泥负荷是污泥干化芦苇河床尺寸的主要设计参数，但水力负荷也可作为设计参数。在文献中，寒冷气候的污泥负荷为17～28千克总固体含量每平方米每天，温暖气候为250千克总固体含量每平方米每年。对于寒冷气候带，来自活性污泥厂的带有铁盐、铝盐混凝剂共沉淀的污泥负荷为50～60kg总干固每平米每年和相应的人均面积要求在0.3～0.6平米的污泥已经被使用，而且效果较好。在挪威和瑞典中部，由于冬季气候寒冷且生长季节短，建议污泥人均0.6平米等价物的最小面积和污泥负荷在17～28千克总干固每平米每年。在寒冷气候自然融冻过程有助于脱水，但是该系统必须被设计为在冬季能容纳积累的冻结污泥。通过寒冷情况下冰晶的形成过程将固体和液体分离开来。夏季冰晶融化，留下的全是脱水过的污泥。在冬季，定量给料时间短和休息时间长被证明具有最好的效果。Koottatep 为热带气候的设计和操作方式提出了初步建议。污泥负荷为250千克总固体含量每平米每年和每周一次的加载负荷产生的剩余固体为总固体含量的30%～60%。等价于人均土地要求为0.03平米，这比寒冷气候时低了一个数量级。在加纳，污泥负荷为100～200千克总固体含量每平米每年已经在未种植芦苇的污泥干化床中被用于处理粪便污泥。这些污泥干化床能100%去除寄生虫卵，可使有机物和固体浓度减少80%以上。在也门，平均25%的干固含量达到污泥负荷为178～283千克总固体含量每平米每年和干燥时间为7～12天。对于无植物的污泥干化床存在好的文件设计标准。污泥芦苇干化床遵循关于河床建设的设计，除了有时在顶层加一层护理植物的更细的微粒层外。尼尔森和库塔提普分别给出了污泥芦苇干化河床在寒冷气候和热带气候下的总体设计和操作标准。像加德满都那样的亚热带气候地区还未建立设计和操作指导方针。污泥干化床的脱水效率取决于污泥类型、污泥特性和当地的气候情况。短期的脱水研究可以帮助提供合理的信息参数，比如：污泥床的加载频率、放置期和平均寿命。本文提供的短期研究的目的是检查种植干化床和未终止干化床处理化粪池污泥的脱水性能。结合本研究文件综述为像加德满都那样的亚热带气候地区的污泥芦苇干化床提供设计和操作参数。

2 材料和方法

2.1中试规模污泥干化床

中试规模污泥干化床如图一所示。三个相同的污泥床长、宽、高分别为1.5米、0.7米和1米。两个污泥床种植当地的芦苇，一个不种。过滤介质的顺序和大小以及排水层采用的都是库塔提普式的，如图一所示。50厘米的超高为污泥积累提供空间。污泥床底部用塑料薄膜密封。排水管在一端与垂直管相连促进底部曝气。从污泥床渗透的水被收集和测定。磅秤放在污泥床上用于测定污泥床中的堆积物。在一开始的24小时和一周的每一个放置期的结尾，在短时段内记录污泥深度的变化。污泥床上部有一个塑料曝气结构，但是可以避免雨水直接降落到污泥床。实际实验前，植物污泥床以两个月一周期种植芦苇（每平米4株）和装载废水为条件。芦苇长高到90厘米才能用于污泥脱水处理。污泥床用250千克总固体每平米每年（种植1）和100千克总固体每平米每年（种植2）加载。污泥取自加德满都一家私人公司的清洗化粪池。在每个负荷周期前对原污泥样品进行分析。被用于脱水的化粪池污泥的总固体浓度在每一个负荷周期是不同的。因此，不同深度的每一个负荷周期要维持恒定的污泥负荷。污泥负荷为100千克总固体/平方米/年，则应用的平均深度为4.2cm；污泥负荷为250千克总固体/平方米/年，应用的平均深度为12cm。按照库塔提普建议的，在应用期间，每隔7天投放一次污泥，6天为休息期。污泥装填和监测的时间为两个月，从十二月管理到一月。在实验期间，平均每天的高低温分别是20摄氏度和8摄氏度。稳定化污泥混合样品是在每个装填周期结束时收集的，混合物样品来自污泥床4个象限的相等部分。使用标准分析方法分析污泥的含水率、总固体、挥发性固体、总凯氏氮和总磷。

变量的描述性统计（标准偏差）检查。置信度为95%的单向方差分析（方差分析）测试用于比较种植和未种植污泥床的性能以及比较不同污泥负荷时的性能。

2.2 干化周期的评估模型

根据流入和流出总水分的质量守恒可用于计算干化时间（图2和公式（1））。干化时间是一个关键的运行参数，因为它给出了在污泥床装填循环期间的时间。可用公式（1）计算达到预期干化固体含量所需的干化时间。

（1）

其中，t=所需干化时间，天；qi=初始污泥含水量，kg/m2；qr=降水得到的水分，kg/m2；qd=停留在干燥污泥里的水分，kg/m2，fi和fr是qi和qr通过重力流失的部分；fe=换算因子解释从污泥表面减少的蒸发率；Ew=来自自由水表面的器皿蒸发率。

3 结果与讨论

3.1 污泥特性

污泥成分取决于处理系统可能会有所不同。当在设计污泥干化芦苇河床时可以认为污泥特性很重要。在表1中，本研究用化粪池污泥的特性同其他研究进行比较。相比于活性污泥处理厂的污泥，化粪池污泥的变化很大，而且化粪池污泥的总固体含量通常更高。化粪污泥的性质受以下几个因素的影响，分别是排空时间间隔、排空技术和化粪池的设计。高浓度的固体颗粒表明污泥在抽出前已经贮存了很长时间。在加德满都，化粪池的排空时间间隔为3～3.5年。进入分散式污泥处理设施中的污泥是截然不同的，建议先在缓冲罐中将污泥混合均匀，只有这样污泥的总固体浓度才会相等。

虽然由于化粪池污泥保留时间较长，也可能会有较高含量的挥发性固体，挥发性固体一般来说会有一点降低，但和活性污泥系统没有显著的不同。然而，由于活性污泥更年轻，活性污泥中容易降解的挥发性固体部分预计将更高，因此在活性污泥厂中，相同数量的总固体负载有机物矿化率预计可能更高。这意味着在相同的气候条件下，活性污泥比化粪池污泥应该要有更高的有机物和水力负荷。

化粪污泥中总凯氏氮比活性污泥中总凯氏氮更高（表1）。这种差异并不容易解释，但可能是因为原废水中高达90%的氮是以氨氮的形式存在，从而随着液相逃逸出去。化粪池污泥中的总固体含量更高，更多的氮以有机氮的形式存在。活性污泥中磷的浓度更高。后者可用活性污泥厂中使用铝铁聚凝剂使磷发生化学共沉淀加以解释（表1）。基于参数总固体、挥发性固体和总凯氏氮，以及当前调查的可用数量的限制很难形成一种加载速率的预测模型与基于污泥特性的气候相对，因此系统的设计和加载机制的选择必须依靠经验数据。

3.2 脱水率和干化周期

为了运行好污泥芦苇干化床，必须确定最佳的投量和干化周期，因为这可能极大地长期影响污泥床的容量。污泥的初始含水量部分已经在我们预备试验中渗出和蒸发掉，如表2所示。在所有污泥床中，在污泥加载后10～20分钟期间开始渗透，在应用的污泥中大约50%的含水量在前5个小时从过滤器中排出。超过97%的渗滤部分在两个第一天出现。在种植和未种植污泥床之间，通过重力（fi）排出的那部分水没有显著的差异（P=0.017）（表2）。

液体质量平衡的实验显示，25%～33%的污泥含水率是通过蒸发或蒸散流失的，58%～63%是通过重力排水流失的。这与一年的长期污泥干化芦苇床质量平衡研究报告结果相似，在这一年中，蒸发的水量大约占35%，重力排出的水量大约占65%。另一个短期研究发现，60%～70%的含水率是典型的通过重力排出的自由水。在污泥负荷同为100千克总固体/平方米/年的情况下，比较种植和未种植污泥床整体的脱水效率是种植污泥床的更高（表3），原因是种植污泥床的水分蒸发部分更高。因为在这个研究期间污泥床还很年轻，随着植物根部的完全发育可以预见将会产生大量的水分蒸发。在有成熟植物的污泥干化芦苇床中，报道了芦苇站中水分蒸发率达到64%。在寒冷的气候下，植物要花几年的时间才能成熟，污泥负荷在第一年逐渐提高。

种植污泥床干化时间要达到最终总固体含量的40%已经在表2中预计使用“fi”和加德满都月度气候数据来评价。湿地土壤水分蒸发蒸腾损失总量大约为蒸发皿蒸发量的0.7～0.85倍。原化粪池污泥初始总固体含量假定为4%（表3）。典型的评价系数fr=0.43和fe=0.78已经被采用用于评价厌氧消化污泥。估计每月的干化时间如图3所示。

在实验中，污泥床是被覆盖的，但模型（方程（1））可以用于预测污泥床中未覆盖（开放）的反应和接受降水。对于开放的污泥床，估计污泥干化芦苇床要求达到30%总固体含量所需的干化时间是：当污泥负荷为250千克总固体/平方米/年时，为13到37天不等；当污泥负荷为100千克总固体/平方米/年时，为6到9天不等。从6月到9月，当降水很多且超过了蒸发时需延长干化时间。如果污泥床有遮盖，则从6月到9月的干化时间可大大缩减。

一年中的其他月份因为蒸发量大于降水量，所以可以缩短干化时间。污泥干化芦苇床中有成熟植物，植物的运动可以帮助在剩余污泥层表面制造裂缝，为降雨通过污泥床提供通道。这也将帮助氧气扩散进入剩余污泥，促进污泥好氧矿化作用。延长干化周期将提高污泥总固体浓度，减小剩余污泥体积的积累，提高污泥床的平均寿命，因此，减少污泥床的修复成本。然而，在温暖气候，更长的放置期可能导致植物遭受干旱，最终结果是枯萎。当干化时间长需要额外的污泥床处理相同数量的污泥时，这将因此增加所需污泥床的表面积。因此选择适当的干化周期对优化系统的性能和尺寸很重要。在污泥干化芦苇床中，理论上最终可获得40%～50%的总固体含量。基于当地气候条件的正确装填和休息方法将最大化干化最终剩余污泥。在寒冷气候，蒸发和土壤水分蒸发蒸腾损失总量较低，建议在几天内迅速加载污泥床，然后允许休息30到50天。

3.3 干化床去除总固体、总磷和总凯氏氮的性能

8次投加和休息周期后，来自实验污泥床脱水污泥的总固体、挥发性固体、总凯氏氮和总磷的含量在表3中呈现。在污泥负荷为100千克总固体/平方米/年时，比较种植和未种植污泥床发现，种植污泥床比未种植污泥床产生的污泥中总固体浓度更高。装填污泥负荷为250千克总固体/平方米/年的种植床总固体仅仅比装填污泥负荷为100千克总固体/平方米/年的未种植床少一点。两种种植床都表明了更高的挥发性固体的减少，显示了在种植床中有更好的有机物降解条件和更高的矿化率。

经过两个月的运行污泥中的总凯氏氮含量有轻微的减少。在种植床和未种植床中氮的矿化率没有显著性的差异，但是加载了100千克总固体/平方米/年的种植床总凯氏氮含量最低和加载了250千克总固体/平方米/年的种植床比未种植床的总凯氏氮稍微高了一点。这说明在种植床中氮的矿化效率更高。氨挥发、植物吸收和硝化作用导致污泥中的总凯氏氮减少，种植床也显示了更高的体积减少，这表明了种植床有更高的矿化效率和更好的脱水性能。

污泥的深度在第一个24小时内迅速减少。经过八周的应用，种植床1（250千克总固体/平方米/年）、种植床2（100千克总固体/平方米/年）和未种植床3（100千克总固体/平方米/年）的深度记录分别是0.9cm、0.3cm和0.4cm。如果在每次加载期间

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