大型水生植物、曝气与季节对污泥处理湿地脱水机制的影响：印度湿润亚热带气候下的首次研究

《Bioresource Technology Reports》：Influence of macrophytes, aeration, and seasons on dewatering mechanisms in sludge treatment wetlands: A first study in humid subtropical climate of India

　　

摘要

本研究评估了五个实验室规模污泥处理湿地（STW）反应器在运行407天期间的有效性。接种期、运行期和休眠期分别持续91天、238天和78天。污泥施加速度为127.6 kg TS/m²/年，共13个循环，每个循环包含7天的投料期和7天的运行休眠期。在五个STW反应器中，一个未种植植物（R1），四个分别种植了不同植物：香蒲（*Typha angustifolia*）（有/无通气）、美人蕉（*Canna indica*，R3）和凤眼莲（*Pontederia crassipes*）。除凤眼莲在冬季枯萎外，所有大型水生植物均保持健康状态。所有反应器中污泥质量均有所改善：总固体从9%增至48–90%，挥发性固体从31% TS降至18–23% TS。所有种植反应器实现了超过98%的水损失（WL），而未种植反应器（R1）为94%。在水损失机制中，种植反应器以蒸散发（8–13 mm/d）为主，R1则以渗滤液排放（11 mm/d）为主。总体而言，所有种植反应器均优于R1，其中R3效果最佳。被动通气反应器仅在夏季表现优于非通气反应器。冬季挥发性固体减少速度较夏季有所减缓，但水损失未受影响。多元线性回归分析表明，饱和水汽压差和叶片数量对水损失有正向影响，而风速无显著影响。分类回归树模型将R3中超过98%的水损失与温度>15.4°C、风速>0.4 m/s和相对湿度<86.5%相关联。总体而言，本研究证明了优于既往报道气候条件下的污泥脱水效果。

引言

污水处理厂（WWTPs）在城市卫生中发挥着至关重要的作用，但其产生的污泥量巨大，通常占进水量1%至10%（Gholipour等，2022年）。快速的城市化和人口增长加剧了污泥的产生。2022年，全球共产生5300万吨（Mt）干固体，预计到2030年将增至1.03亿吨，2050年达到1.25亿吨，其中仅印度每年就产生436万吨干固体，人均产率为3 kg/年（Feng等，2023年；Sude等，2024年）。污泥处理与管理是污水处理厂最具挑战性和最昂贵的环节，仅污泥处理就占运营总成本的60%（Uggetti等，2010年）。管理如此大量的污泥仍然是当前污水处理厂面临的一大挑战。

传统污泥处理（CST）包括一系列污泥浓缩（浮选、重力浓缩和带式浓缩）、稳定化（好氧/厌氧消化和堆肥）、调理（化学和热处理）和脱水（离心机、过滤机和干化床）的单元操作和工艺（Metcalf和Eddy，2003年）。这些系统快速有效（Andrade等，2017年）；然而，它们能耗高，资本成本和维护成本高，限制了其在许多地区的应用（Hu等，2021年；Kengne等，2014年）。尽管离心机、带式压滤机和厢式压滤机等机械脱水设备被广泛应用（Gholipour等，2024年），但它们存在诸多缺陷，包括高昂的资本和运营成本、高能源需求、依赖熟练劳动力以及处理后污泥的农业质量低（Gholipour等，2022年）。相比之下，自然处理系统如污泥处理湿地（STWs）成本低廉（Jain等，2022年）、能效高且不需要熟练劳动力（Meng等，2020年；Uggetti等，2010年）。在CST中，需要一系列复杂的单元来完成整个处理过程（脱水和稳定化），而STWs本身即可在同一系统中同时完成这两种功能，无需前后处理单元。这使得最终污泥可直接作为土壤改良剂施用于农田；因此，丹麦和法国等国将STWs产生的生物固体直接施用于农田（Ko?ecka和Obarska-Pempkowiak，2013年；Uggetti等，2010年）。

在STW研究领域，已在全球各种气候条件下开展了66项以上的研究（Gholipour等，2022年；Zhang等，2026年）。研究最为频繁的气候类型是欧洲的温带海洋性气候（Cfb）（Ko?ecka和Obarska-Pempkowiak，2013年；Kowal等，2021年；Uggetti等，2012a年）以及中国和加拿大等国的温带大陆性湿润气候（Dwa、Dfb）（Ma等，2020年；Wang等，2020年；Gagnon等，2013年）。在地中海气候（Csa）地区也进行了研究，主要分布在希腊（Melidis等，2010年；Stefanakis和Tsihrintzis，2011年）、葡萄牙（Gholipour等，2024年）和意大利（Ko?ecka和Obarska-Pempkowiak，2013年；Uggetti等，2012a年）。在阿曼（Talib Al-Rashdi等，2024年）和孟加拉国（Saeed等，2023年）等国的热带沙漠气候（BWh）和热带草原气候（Aw）中，相关研究较少。在亚热带湿润气候（Cwa、Cfa）中的研究也较为稀少，仅有来自巴西（Magri等，2016年）和阿根廷（Mari?elarena等，2021年）的少量研究。来自Cwa地区的这些研究主要集中在污泥稳定化上，缺乏对脱水的深入讨论。即使在Csa气候中，仅有少数研究（Gholipour等，2024年；Stefanakis和Tsihrintzis，2011年）详细关注了脱水问题；然而，这些研究未能探讨不同高蒸腾潜力大型水生植物物种的影响，并且依赖于描述性讨论而非高级统计分析来深入了解运行变量与季节驱动因素之间的关系。此外，虽然许多研究采用了被动通气，但只有少数研究设置了适当的对照单元来量化其对脱水效率的影响（Gagnon等，2013年；Magri等，2016年；Stefanakis和Tsihrintzis，2011年；Uggetti等，2012a年）。

针对这些研究空白，本研究旨在评估印度Cwa气候条件下STWs的脱水性能，重点关注被动通气、不同大型水生植物（美人蕉、香蒲和凤眼莲）以及季节的作用。本研究还旨在通过对分类回归树（CART）、多元线性回归（MLR）、主成分分析（PCA）和皮尔逊相关分析等综合统计方法的支持，建立对系统绩效结果（因变量）与独立运行和环境因素（天气和大型水生植物生长）对水损失（WL）影响之间关系的更严格理解。

各章节片段

实验装置

五台相似的实验室规模STW反应器（编号R1至R5）被建造并在印度理工学院（IIT）古瓦哈提环境工程实验室楼顶的户外环境中运行，该地区属于Cwa气候。每台实验室规模反应器代表一个具有独特处理配置（R1–R5）的实验单元。所有STW反应器均罩在透明塑料棚下，以允许阳光穿透，同时防止可能的雨水稀释

气象分析

在运行期间，气象参数随季节变化（图2）。环境温度在13.21°C至30.51°C之间波动（平均值为21.84°C），相对湿度在61.30%至96.15%之间（平均值为81.05%）。夏季比冬季潮湿8.5%。风速较低（0.18–0.79 m/s），平均值为0.46 m/s，冬季风速比夏季高21%。大气压基本保持恒定（95.06–97.35 kPa）。在太阳辐射方面，短波辐射范围为

结论

五台实验室规模STW反应器采用不同的大型水生植物和通气配置，运行了407天。所有种植反应器实现了超过98%的水损失（WL），而未种植单元为94%。在种植反应器中，美人蕉反应器表现优于香蒲和凤眼莲反应器，这可能是由于其更高的蒸腾潜力和较快的生长速率。被动通气反应器仅在夏季表现优于非通气反应器。相对较低的污泥施加速度、减少的

CRediT作者贡献声明

Jaydip Jadav：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、正式分析、数据整理、概念构思。 Saswati Chakraborty：撰写——审阅与编辑、验证、监督、方法论、概念构思。

伦理声明

作者声明本研究不涉及人类或动物受试者。

资金来源

本研究未获得公共、商业或非营利部门资助机构的专项拨款。

利益冲突声明

作者声明他们不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

术语表

ANOVA

方差分析

Aw

热带草原气候

BWh

热带沙漠气候

CART

分类回归树

Cfa、Cwa

亚热带湿润气候

Cfb

温带海洋性气候

Csa

地中海气候

CST

传统污泥处理

Dwa、Dfb

温带大陆性湿润气候

ET

蒸散发

HSD

极显著性差异

IIT

印度理工学院

MLR

多元线性回归

Mt

百万吨

PCA

主成分分析

SLR

污泥施加速度

STP

污水处理设施

STW

污泥处理湿地

SW

污泥持水

TS

总固体

VPD

饱和水汽压差

Jaydip Jadav|Saswati Chakraborty

印度理工学院（IIT）古瓦哈提分校土木工程学院，印度古瓦哈提