污泥处理湿地自然稳定期温室气体排放规律研究*

梁俊煜 崔玉波 杨文举 菲尔卡特·甫力冬 洛桑竹玛

(大连民族大学环境与资源学院，辽宁 大连 116600)

污泥处理湿地是利用植物、微生物等对剩余污泥进行脱水与稳定的新型污泥处理技术[1]。污泥处理湿地属于人工湿地的一种，具有运行费用低、不需要添加化学药剂、终产物可以安全处置或农用等优点，得到了广泛研究和应用[2-3]，但污泥处理湿地在稳定污泥过程中释放的CO2、CH4等温室气体对环境产生的负面影响不容忽视[4-6]。已有研究指出CH4增温潜势是CO2的25倍，对全球温室效应贡献率约为23%[7-8]。湿地是地球上重要的碳汇和碳源，据报道，人工湿地的温室气体排放量为自然湿地的2～10倍[9]，这意味着若不能控制好人工湿地温室气体的排放，将会降低其综合环境效益。

CH4是由污水中有机物、基质所含的有机质和植物产生的生物质进行厌氧分解所产生，而CO2则是由这些有机物、有机质、生物质好氧氧化产生[10-11]，产生的CO2和CH4的最终量决定了污泥处理湿地中碳基温室气体的排放效应，即污泥处理湿地是碳汇还是碳源。

目前，对于污泥处理湿地的研究主要致力于污泥稳定和脱水方面，而污泥稳定过程中温室气体的产生与排放报道较少。污泥处理湿地在负荷期会定期布泥，湿地具有充足的底物和湿度，而在自然稳定期污泥处理湿地经历的是单一的污泥土质化过程。由于两个时期条件不同，污泥处理湿地的温室气体排放也会产生差异。本研究对3个污泥处理湿地自然稳定期的温室气体排放规律进行对比，进一步探明污泥处理湿地碳循环机制，为今后温室气体增汇减排研究提供参考。

图1 实验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system

1 材料与方法

1.1 实验装置

实验场地位于辽宁省大连经济技术开发区污水处理厂。实验系统由污泥泵、进料罐、污泥处理湿地和渗滤液排水管等组成。3个污泥处理湿地分别记为STW1、STW2、STW3(STW1为具有通风结构的传统污泥干化床，STW2为具有通风结构的芦苇床，STW3为普通芦苇床)，其尺寸均为3.0 m×1.0 m×1.3 m(长×宽×高)，独立运行。STW1未栽种芦苇，布有通气管；STW2栽种芦苇并布有通气管；STW3栽种芦苇但无通气管。STW1、STW2的通气管与大气相连通，通过床体填料空隙为单元提供氧气。实验系统示意图见图1。由图2可知，污泥处理湿地填料高度为65 cm，由底层至表层依次为炉渣 20 cm、砾石20 cm、粗砂5 cm、细砂20 cm，填料上部用于积存污泥。污泥处理湿地表面单侧布泥，排水管位于底部，排出的渗滤液回流至污水处理厂的生物池进行处理。

图2 污泥处理湿地剖面图Fig.2 Profile of sludge treatment wetland

1.2 样品采集

温室气体的采集采用原位静态箱法。采样箱为直径30 cm、高150 cm的透明有机玻璃圆柱箱，采样箱顶部中心与筒壁中下部各有一插口，供仪器采样和回流。顶部采样口旁另有一插口用于放置温度计。采样箱内部中间位置安置一个风扇，用于混匀箱内气体。仪器采用美国LGR公司UGGA超便携温室气体分析仪，测量时将仪器的进气管与出气管分别插入采样箱顶部与中下部的插口，仪器将自动保存测得的数据。

实验经历了3年的污泥负荷期和1年的自然稳定期。自然稳定期实验期间(4—11月)，温室气体的测量频率为4次/d，实验时间为9:00至16:00。实验前需先将采样箱插入各污泥处理湿地的污泥层中30 min，30 min后开始第1次测定，各单元每次检测时间为5 min，同时记录下采样箱内芦苇的数量。一般情况下，每次测量温室气体时采样箱内一般都是2株长势相似的芦苇。

1.3 CH4与CO2排放通量计算

参考文献[12]的公式计算CH4与CO2排放通量。

2 结果与讨论

2.1 植物对污泥处理湿地CH4和CO2排放通量的影响

在芦苇生长初期的春季(4—5月)，未种植芦苇的STW1和种植芦苇的STW2的CH4排放通量较低，两者差异相对较小(见图3(a))。随着温度的上升，在芦苇生长最为茂盛的夏季(6—8月)，两个单元的CH4排放通量相差最大，STW2的CH4月均排放通量最高上升到2.07 mg/(m2·d)，而STW1相对稳定，最高为0.88 mg/(m2·d)。在进入秋季(9—11月)后，随着气温的降低和植被生长期的结束，STW2的CH4排放通量出现大幅降低，10—11月两个污泥处理湿地的CH4排放通量变化较小，且大致相当，STW1、STW2最低月均排放通量分别为0.10、0.13 mg/(m2·d)。实验期间，STW1和STW2均在排放CH4，其中STW2受季节变化影响较大，而STW1则相对稳定。从图3(b)可以看出，4—6月，STW1和STW2的CO2排放通量整体呈上升趋势，6月达到峰值；6—11月，两个污泥处理湿地的CO2排放通量均呈现下降趋势，其中STW2在6—7月时下降幅度较大，而STW1降幅相对较小。STW1、STW2的CO2最高月均排放通量分别为62 311.40、52 114.03 mg/(m2·d)，最低月均排放通量分别为2 803.05、2 395.58 mg/(m2·d)。

图3 植物对污泥处理湿地CH4与CO2排放通量的影响Fig.3 Effects of plants on CH4 and CO2 emission fluxes from sludge treatment wetland

芦苇对污泥处理湿地CH4和CO2排放通量有一定的影响。图3中种植芦苇的STW2在自然稳定期内的CH4排放通量高于未种植芦苇的STW1，这是由于芦苇的存在为污泥处理湿地中CH4的释放提供了新的途径，与水扩散相比，植物扩散能让污泥层中的CH4更快地释放到大气。据相关研究报道，土壤中超过50%的CH4由植物扩散排放到大气[13]。自然稳定期的两个单元在相同自然条件下，STW2的CO2排放通量几乎都低于STW1，这可能是由于气体采样所用静态箱均由透明的有机玻璃制成，能使阳光通过，芦苇可以在静态箱中进行光合作用，从而减少了STW2的CO2净排放，综合来看，STW2的CO2排放通量比STW1大约低15%。

2.2 通风结构对污泥处理湿地CH4和CO2排放通量的影响

由图4可知，有通风结构的STW2和无通风结构的STW3在芦苇生长初期(4—5月)的CH4、CO2排放通量差异较小，但随着芦苇的生长和温度的升高，两个污泥处理湿地的CH4、CO2排放通量整体都呈上升趋势，并且其排放通量的差异也逐渐明显。6月STW2、STW3的CO2排放通量达到峰值，而CH4排放通量峰值分别出现在8、7月。9月后，气温逐渐降低，随着芦苇生长期的结束，STW2和STW3的CH4、CO2排放通量也逐渐降低。STW2和STW3在实验期间均在排放CH4。STW3的CH4最高月均排放通量为1.40 mg/(m2·d)，最低月均排放通量为0.16 mg/(m2·d)，CO2最高月均排放通量为52 725.64 mg/(m2·d)，最低月均排放通量为2 635.47 mg/(m2·d)。

图4 通风结构对污泥处理湿地CH4与CO2排放通量的影响Fig.4 Effects of ventilation structure on CH4 and CO2 emission fluxes from sludge treatment wetland

表1 自然稳定期月平均温度

STW2的CH4排放通量大体高于STW3，而STW2的CO2排放通量低于STW3，说明STW2中的芦苇光合作用吸收CO2的量高于STW3中的芦苇，在观察芦苇长势后发现，STW2中的芦苇生长情况优于STW3，这表明在相同条件下具有通风结构的污泥处理湿地更适合芦苇的生长。

对3个污泥处理湿地的CH4排放通量与月平均气温(见表1)进行相关性分析发现，污泥处理湿地的CH4排放通量与月平均温度显著正相关(P<0.05)，这说明温度对污泥处理湿地CH4的排放影响较大。

2.3 碳基温室气体排放量

本研究将CH4的排放量按照温室气体增温潜势转化为CO2当量，分别估算了3个污泥处理湿地在自然稳定期的碳基温室气体排放量，结果见表2。

表2 自然稳定期污泥处理湿地碳基温室气体排放量

污泥处理湿地在自然稳定期表现出较低的CH4排放量。自然稳定期全年不进泥，污泥中的水分和微生物所需的底物得不到补充，所以在自然稳定过程中污泥会龟裂产生大量的裂缝，这增加了污泥层与空气接触的面积，使得污泥层的好氧环境增加，从而抑制了产甲烷菌的活性，减少了CH4的产生，这是3个污泥处理湿地在自然稳定期的碳基温室气体排放量较低的重要原因。STW2的碳基温室气体排放量低于STW1、STW3，说明芦苇的种植和通风结构的设置为污泥处理湿地温室气体减排提供了新的途径。

3 结 语

3个污泥处理湿地在自然稳定期的碳基温室气体排放量相对较低，种植芦苇的STW2和STW3的CO2排放量低于未种植芦苇的STW1，而CH4的排放量高于STW1。CH4排放通量表现为STW2>STW3>STW1。芦苇的存在减少了CO2的排放，CO2排放通量表现为STW1>STW3>STW2。总体来讲，STW1的碳基温室气体排放量最高，其次是STW3，STW2最低，说明植物和通风结构的存在有利于污泥处理湿地温室气体减排。