用于酒厂废水处理厂剩余活性污泥脱水的试点污泥处理芦苇床（Sludge Treatment Reed Bed, STRB）研究

《Ecological Engineering》：A study of pilot Sludge Treatment Reed Beds for the dewatering of surplus activated sludge from a winery wastewater treatment plant

　　

摘要：污泥处理芦苇床（Sludge Treatment Reed Bed, STRB）技术广泛用于市政污泥脱水，但其在工业污泥脱水方面的应用迄今极为有限。本研究首次探讨STRB用于酒厂废水生物处理所产生的剩余活性污泥（Surplus Activated Sludge, SAS）脱水。研究建造并运行两组各四组试点STRB单元，为期19个月，测试低污泥负荷率（Sludge Loading Rate, SLR）与高SLR。结果表明脱水效率显著，所有床体污泥体积缩减率超过99%，最终总固体（Total Solids, TS）含量超过60%。将床体施以高达60 kg TS/m2/yr的高SLR验证表明，启动阶段宜采用较保守的SLR（如20 kg TS/m2/yr）以保证植物定植与系统成熟，待STRB成熟后可提升至40 kg TS/m2/yr。进泥周期为进泥3天、静置（休止期）1–2周，适宜实现充分污泥干化。最终生物固体（biosolids）品质低于国家和欧盟关于农业回用生物固体的限值；金属含量（Cu、Cr、Hg、Ni、Pb、Zn）始终低于250 mg/kg，远低于相应法规限值。本研究整体结果为STRB应用于工业/农工业废水污泥的可行性提供首例依据，并显示该可持续技术在工业领域推广的潜力。

论文解读：

研究背景与意义

传统污水处理厂（WasteWater Treatment Plant, WWTP）产生的剩余活性污泥（Surplus Activated Sludge, SAS）处置成本可占运行费用的50%以上，机械与化学脱水法能耗高且需投加聚合物絮凝剂。污泥处理芦苇床（Sludge Treatment Reed Bed, STRB，又称污泥干化芦苇床）是一种基于自然过程的近零能耗、低维护、具减量与稳定化功能的生态工程（Ecological Engineering）技术，多用于城市污水污泥脱水，但在工业及农工业（如酒厂废水）污泥方面几无应用先例。酒厂WWTP的SAS具特定有机组分，能否被STRB有效脱水尚无实证。为此，研究人员在西班牙Codorniu酒厂开展首例中试STRB对酒厂SAS脱水的可行性、适宜污泥负荷率（Sludge Loading Rate, SLR）及产物农用适宜性研究。本文发表于《Ecological Engineering》。

主要技术方法

研究在西班牙Barcelona省Sant Sadurní d'Anoia的Codorniu酒厂WWTP旁设置8座1 m²表面积、深1 m的IBC材质中试STRB，填装自上而下5 cm砂层（d₆₀=1 mm）、30 cm中砾（d₅₀=12 mm）、20 cm大砾石排水层，预留45 cm超高，混植本地芦苇属（Phragmites spp.）与香蒲属（Typha spp.）。分为低SLR组（STRB1–4，平均≈11 kg TS/m²/yr）与高SLR组（STRB5–8，平均≈22 kg TS/m²/yr），各4重复。SAS取自酒厂曝气池未预浓缩原泥（TS≈0.42%），采用"进泥3天+休止期7–36天（依季节调整）"的间歇进泥模式，运行19个月（2018年11月—2020年6月），末月设最终休止期。定期监测进泥与残泥的总固体（Total Solids, TS）、挥发性固体（Volatile Solids, VS）、总悬浮固体（Total Suspended Solids, TSS）、化学需氧量（Chemical Oxygen Demand, COD）、全氮（Total Nitrogen, TN）、全磷（Total Phosphorus, TP）、钾及重金属（Cd、Cu、Ni、Pb、Zn、Hg、Cr）；量测残泥层深度；收集并分析渗滤液（drained water）之TSS、五日生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand over 5 days, BOD₅）、COD、TN、氨氮（NH₄⁺-N）、硝态氮（NO₃^--N）、TP。

研究结果

3.1. Inlet SAS quality and loading rates

进泥SAS平均TS 0.42%、VS 59.8%（%TS），属典型SAS范围；重金属远低于西班牙R.D. 1310/1990农用限值。LSLR组实际SLR均值11.7±4.8 kg TS/m²/yr（变幅4.3–26.4），HSLR组22.1±13.4 kg TS/m²/yr（变幅4.3–59.5）。19个月累计进泥体积LSLR 5.148 m³/m²、HSLR 9.781 m³/m²，对应总TS负荷分别为22与42 kg TS/m²。

3.2. Dewatering efficiency

两组STRB污泥体积缩减率均>99%（LSLR残泥体积0.040 m³，HSLR 0.078 m³；最终休止期分别降至0.035与0.055 m³），与温暖气候下市政污泥STRB表现相当。表明酒厂SAS可在STRB中被高效脱水，成熟床体具备承受较高SLR潜力。

3.3. Residual sludge characteristics

残泥层最终深度LSLR为3.5 cm、HSLR为5.5 cm，年均累积速率2.1与3.3 cm/yr，低于文献报道市政污泥之10–15 cm/yr。初期对HSLR组施加接近60 kg TS/m²/yr之高SLR致残泥层快速增至约10 cm、表层呈水合状并抑制植物生长，降载后系统恢复。最终休止期结束测定残泥TS达LSLR组69±7%、HSLR组63±24%，超过60%。VS在残泥中有浓缩现象，未如部分文献显示明显降低，可能与酒厂污泥有机质特性及本研究中变动SLR影响好氧矿化进程有关；正常工况下观察到残泥开裂，利于氧扩散。

3.4. Drained Water quality

渗滤液TSS极低（≤0.73 mg/L），表明床体过滤截留效能佳。BOD₅与COD初升后下降，NH₄⁺-N递减同时NO₃^--N递增，指示STRB内发生硝化作用，具好氧氧化能力。TP随运行时间略升，符合介质吸附位点有限特征。渗滤液水量不足进水2–3%，实践中泵回WWTP前端再处理不影响主体工艺。

3.5. Final biosolids quality

最终生物固体重金属含量均远低于西班牙与欧盟农用限值（所有金属<250 mg/kg），含肥效养分（TP升至约2.32–2.80%TS，TN保留）。因脱水致体积缩减与有机物部分矿化，金属呈浓缩效应但仍合规，具备农用土壤改良剂潜力。

讨论与结论翻译（Conclusions and recommendations）

本研究系首次将STRB技术用于酒厂WWTP产生SAS脱水之测试，为该类别应用放大设计提供初步适宜SLR依据。STRB启动（commissioning）期对植株建植及后续脱水效能至关重要，建议启动期（通常1–2年视气候而定）采用不大于成熟系统典型SLR一半之负荷。鉴于中试STRB在首年以≤20 kg TS/m²/yr运行良好，建议酒厂污泥全尺寸STRB设计最大SLR取40 kg TS/m²/yr；夏季可尝试50–60 kg TS/m²/yr。进泥周期建议"进泥3天＋休止1–2周（依季节）"，启动期预期残泥累积速率2–3 cm/yr，成熟系统可达4–6 cm/yr。床数建议≥6–8座以便轮替。渗滤液应回流至WWTP进水口再处理。终产物生物固体符合农用标准可循环利用；常规STRB按残泥达80–100 cm深度约8–12年清掏，若计划频繁农用可缩短至2–3年清掏（残泥深20–30 cm），但需重新考虑启动期并增大占地面积。