芦苇床稳定污泥过程中的碳循环机制与温室气体排放规律研究

Sludge drying reed beds (SDRB) have been used successfully in surplus sludge treatment in Europe and North America, which plays a key role in progressing wastewater treatment and avoiding secondary pollution resulting from unsuitable sludge treatment methods. While in the correlative researches about SDRB, the obvious insufficiencies are the researches on carbon transformation and circulation in the sludge, especially unknown greenhouse gas discharge during sludge stabilization in the SDRB. Based on our initial researches about SDRB, it finds that the organic matter contents of stabilized sludge decreases with stabilization time, the plant biomass in SDRB is obviously higher than natural ones, and the sludge in SDRB with ventilation structure contains a mass of nitrifier. Accordingly, we advance that methane oxidizing bacteria in the sludge can be stimulated by using ventilation structure in SDRB and control methane production, as a result, the yield of unstable greenhouse gas methane can be decreased sufficiently. We plan to take the methods of subarea and correlation among conventional sludge drying bed and reed beds with and without ventilation structure, probe into carbon circulation and transformation passes, verify greenhouse gas discharge laws and relative influencing factors, and build the model of greenhouse gas discharge. These are important and significant to clarify the mechanisms of carbon circulation and transformation and the laws of greenhouse gas discharge during sludge stabilization in SDRB. The research will establish the scientific base on improving the efficiency and effect of reed bed technology and giving play to maximum environmental benefit.

芦苇床技术在欧美国家的污泥处理中得到广泛应用，该技术在推进污水处理、避免因污泥处理不当而产生的二次污染中起到关键作用。但在污泥干化芦苇床的相关研究中，针对污泥中碳的转化和循环研究不足，尤其是污泥稳定过程中温室气体的排放情况不明。我们前期研究发现，污泥中的有机质含量随着稳定化时间的延长而逐步下降，芦苇床中的植物量较原生芦苇大幅度提高，具有通风结构的芦苇床中的污泥含有大量硝化菌。据此提出利用通风结构促进污泥中甲烷氧化菌的生长，抑制甲烷产量，从而有效减少不稳定的温室气体甲烷的产生。我们拟采用分区对比的方法，对传统污泥干化床、有无通风结构的芦苇床进行比较，探索芦苇床稳定污泥过程中的碳循环和转化途径，探明其中的温室气体排放情况和影响因素，建立温室气体排放模型，对阐明芦苇床稳定污泥中的碳循环和转化机制，揭示温室气体排放规律具有重要意义，为提高芦苇床技术的效率和效果、发挥其最大的环境效益奠定科学基础。

污水处理产生剩余污泥的处理与处置成为业内急待解决的问题。本项目开展芦苇床生态稳定污泥技术机理研究，主要研究污泥稳定化进程中温室气体排放的环境行为，污泥干化芦苇床系统中碳的迁移转化，通风结构对污泥稳定的影响等。试验分三个单元，Ⅰ单元作为对照床，未种植植物；Ⅱ和Ⅲ单元种植芦苇。Ⅰ和Ⅱ单元通过穿孔管与大气相连通。研究结果表明，污泥干化芦苇床去除污泥渗滤液COD较传统干化床更有效；三个床体中都发生了脱氮作用。芦苇床对污泥中有机质、TN和TP的去除效果优于传统干化床，通气有利于污泥中有机质和氮素的转化和去除。应用原位静态箱法分析了污泥干化芦苇床中甲烷和二氧化碳排放通量规律，探讨了温度、污泥、植物等环境因子对甲烷和二氧化碳排放通量变化的影响。试验表明，污泥干化床及污泥干化芦苇床的甲烷排放总量分别为1.64 - 37.01mgCH4m-2h-1, 1.21-52.46mg CH4m-2h-1，1.98-39.19mgCH4m-2h-1；二氧化碳排放排放总量分别为342.14-1202.95mgCO2m-2h-1，342.82-1132.28mgCO2m-2h-1，376.99-1021.24mgCO2m-2h-1。纵观全年，污泥干化床三个单元的甲烷排放通量表现出明显的季节特征，从春-夏-秋呈现出先上升再下降的趋势。三个单元的二氧化碳排放通量表现出明显的季节特征。夏季三个单元的二氧化碳排放通量表现为1单元>3单元>2单元，二氧化碳排放通量与植物生长状况有很大关系。温度、污泥、植物对甲烷和二氧化碳排放通量有一定的影响。其中甲烷排放通量与温度表现出明显的相关性。而二氧化碳排放通量和吸收量与植物的生长表现出明显的相关性。试验表明，甲烷和二氧化碳排放通量并不是由某一单一因素决定，还受到其他别的重要的环境因子的影响，如光强、植物生长状况、微生物活性以及污泥成分等多重因素的综合作用。本文建立了芦苇床人工湿地碳循环模型，并针对本研究的特定环境情况修正了该模型的相关环境因子参数。利用PCR-DGGE技术分析不同时期、不同干化床污泥中菌群群落变化。利用测序后得到的序列进行亲缘性比对, 并结合优势种属的变化分析污泥样品菌群群落的演替。结果表明，同一时期不同干化床污泥中菌群群落相似度较高；而同一干化床、不同时期污泥中的菌群群落有一定的差异。有通气结构的芦苇床更能有效氧化甲烷，有利于减少甲烷的排放。