熱帶亞熱帶人工濕地處理垃圾滲濾液研究綜述*

阿 丹 蕭嘉欣 楊保怡 鄧楊揚(yáng) 鄒夢(mèng)遙 陶雪琴 杜建軍 劉 雯

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，廣東省普通高校農(nóng)業(yè)產(chǎn)地污染綜合防治工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510225)

填埋是固體廢物處置的常用手段，垃圾填埋場(chǎng)的廣泛使用導(dǎo)致嚴(yán)重的垃圾滲濾液污染問(wèn)題。垃圾滲濾液富含高濃度有機(jī)物和氮素，現(xiàn)有的垃圾滲濾液處理技術(shù)存在價(jià)格昂貴、易產(chǎn)生有毒有害副產(chǎn)品等問(wèn)題[1]365-366。人工濕地是一種常用的污水處理技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)濕地基質(zhì)、植物、微生物的物理、化學(xué)、生物多重協(xié)同作用使污水得到凈化[2-3]，具有經(jīng)濟(jì)節(jié)能、操作簡(jiǎn)單、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)。由于具有溫暖的氣候條件和適宜濕地植物和微生物，人工濕地技術(shù)被廣泛應(yīng)用于熱帶亞熱帶地區(qū)，特別是在經(jīng)濟(jì)受限的發(fā)展中國(guó)家[4]。

據(jù)報(bào)道，馬來(lái)西亞[5]246-249,[6]87-88,[7]1389-1390、新加坡[8-9]、泰國(guó)[10]1303-1305,[11]167、阿根廷[12]、巴基斯坦[13]、埃及[14]、哥倫比亞[15]、印度尼西亞[16]、巴西[17]1000-1002,[18]42等熱帶亞熱帶國(guó)家均采用人工濕地處理垃圾滲濾液，COD、BOD、TN、TP的去除率分別為39%～92%、47%～91%、34%～96%、29%～100%。然而，上述文獻(xiàn)均為個(gè)例分析，沒(méi)有對(duì)大區(qū)域多尺度污染物去除狀況進(jìn)行整體了解；且研究?jī)?nèi)容僅為污染物去除，缺少對(duì)滲濾液差異的認(rèn)識(shí)及人工濕地設(shè)計(jì)的優(yōu)化。據(jù)此，本研究在大量文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)熱帶亞熱帶氣候下垃圾滲濾液的成分變化規(guī)律及其影響因素進(jìn)行整理，綜述了熱帶亞熱帶地區(qū)中人工濕地處理垃圾滲濾液的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)及其凈化能力。

1 文獻(xiàn)調(diào)研

本研究使用Science Direct、Google Academic、Microsoft Academic等論文檢索平臺(tái)對(duì)熱帶亞熱帶地區(qū)不同填埋年限和氣候條件下垃圾滲濾液的組成成分進(jìn)行調(diào)研；同時(shí)整理了關(guān)于熱帶亞熱帶地區(qū)用于垃圾滲濾液處理的人工濕地的構(gòu)型設(shè)計(jì)和除污能力研究。

2 垃圾滲濾液的成分

垃圾填埋場(chǎng)的填埋年限及其所在地區(qū)的降雨量是影響垃圾滲濾液成分的主要因素[19-20],[21]289-299,[22]1966-1967。對(duì)35篇關(guān)于熱帶亞熱帶地區(qū)垃圾滲濾液組成成分的文獻(xiàn)進(jìn)行整理(文獻(xiàn)[6]至文獻(xiàn)[11]、文獻(xiàn)[23]至文獻(xiàn)[51])，統(tǒng)計(jì)得到熱帶亞熱帶地區(qū)不同填埋年限、不同降雨量下的垃圾滲濾液的成分，結(jié)果分別見(jiàn)表1、表2。

2.1 不同填埋年限下垃圾滲濾液的成分

垃圾填埋場(chǎng)中廢棄物的降解過(guò)程可分為3個(gè)階段：好氧階段、酸化階段、甲烷發(fā)酵階段[22]1966-1967。因?yàn)楹醚蹼A段非常短暫(約幾天)，所以酸化階段和甲烷發(fā)酵階段被認(rèn)為是廢棄物降解的主要過(guò)程(約幾年至幾十年)。在酸化階段，易降解有機(jī)物經(jīng)產(chǎn)乙酸菌降解生成乙酸鹽、H2和CO2[21]300，隨著揮發(fā)性脂肪酸(VFA)大量產(chǎn)生，COD、BOD濃度升高，pH降低；在甲烷發(fā)酵階段，VFA被產(chǎn)甲烷菌轉(zhuǎn)化為CH4和CO2[21]301，隨著VFA迅速減少，COD、BOD濃度降低，pH升高。

以COD、BOD、pH為滲濾液成分變化的主要指標(biāo)，通過(guò)聚類(lèi)分析將滲濾液分為低年限(≤10年)滲濾液和高年限(>10年)滲濾液兩大類(lèi)。由表1可見(jiàn)，低年限滲濾液中有機(jī)物含量遠(yuǎn)高于高年限滲濾液，而pH則剛好相反，低年限滲濾液pH為3.9～8.8、高年限滲濾液pH為6.9～9.4。這一現(xiàn)象與滲濾液在酸化階段(對(duì)應(yīng)低年限)和甲烷發(fā)酵階段(對(duì)應(yīng)高年限)的成分特征剛好一致[21]305,[22]1972。可見(jiàn)，10年是熱帶亞熱帶地區(qū)垃圾滲濾液在酸化階段和甲烷發(fā)酵階段的分水嶺。

表1 熱帶亞熱帶地區(qū)垃圾填埋場(chǎng)在不同填埋年限下滲濾液的成分

2.2 不同降雨量下垃圾滲濾液的成分

以COD、BOD、TN為滲濾液成分變化的主要指標(biāo)，通過(guò)聚類(lèi)分析將滲濾液分為低雨量(≤100 mm/min)滲濾液和高雨量(>100 mm/min)滲濾液兩類(lèi)。由表2可見(jiàn)，低雨量滲濾液中有機(jī)物和氮素水平遠(yuǎn)高于高雨量滲濾液，這很可能是因?yàn)榻邓♂屪饔脤?dǎo)致，尤其在季風(fēng)氣候下，旱季的垃圾滲濾液中有機(jī)物和氮素含量均顯著高于雨季[23]。

表2 熱帶亞熱帶地區(qū)垃圾填埋場(chǎng)在不同降雨量下滲濾液的成分

3 人工濕地的設(shè)計(jì)參數(shù)

人工濕地的設(shè)計(jì)參數(shù)包含4個(gè)主要部分：布水方式、植物、基質(zhì)和水力負(fù)荷[52]。下面從這4個(gè)方面出發(fā)對(duì)人工濕地設(shè)計(jì)進(jìn)行深入討論。

3.1 布水方式

人工濕地根據(jù)布水方式的不同，可分為表面流人工濕地、水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地。相較表面流人工濕地，人們更傾向于使用水力負(fù)荷高、去污能力強(qiáng)的潛流人工濕地。OGATA等[11]170-171發(fā)現(xiàn)，潛流人工濕地對(duì)滲濾液中懸浮物、有機(jī)物和氨氮的去除率顯著高于表面流人工濕地。YALCUK等[53]研究表明，垂直潛流人工濕地對(duì)滲濾液中氨氮和Fe的去除效果明顯優(yōu)于水平潛流人工濕地。除了常規(guī)的布水方式外，復(fù)合型人工濕地也被用于垃圾滲濾液處理，如垂直潛流—水平潛流人工濕地可以同時(shí)提供好氧/厭氧反應(yīng)過(guò)程[1]372-373,[54]；表面流—潛流人工濕地被用來(lái)應(yīng)對(duì)雨季高水力負(fù)荷和旱季缺水濃縮的影響[11]169-170。

3.2 植 物

植物是人工濕地的重要組成部分，可以直接、間接作用于污染物去除[55]。研究表明，有植物濕地系統(tǒng)對(duì)滲濾液的處理效果高于無(wú)植物系統(tǒng)[5]245-250,[6]90,[56]。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)?shù)爻Ｒ?jiàn)的挺水植物是最受歡迎的選擇。最常用的濕地植物有香蒲、蘆葦和莎草，其次是黃花藺、香根草和紅鳥(niǎo)蕉等。這些植物廣泛分布于溫帶和熱帶濕地中，對(duì)有毒滲濾液具有較強(qiáng)的耐受性。此外，一些植物還具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，如蘆葦是一種生產(chǎn)乙醇的生物原料[57]。

3.3 基 質(zhì)

以往人工濕地的主要過(guò)濾基質(zhì)為土壤[58]，但土壤水力傳導(dǎo)率低，容易造成系統(tǒng)堵塞。現(xiàn)在人工濕地多使用礫石單一基質(zhì)或礫石砂土混合基質(zhì)，這得益于礫石的高滲透性、高水力傳導(dǎo)能力。基質(zhì)的另一個(gè)重要作用是為微生物提供生長(zhǎng)介質(zhì)和微環(huán)境，微生物降解是人工濕地除污的主要途徑，異養(yǎng)微生物有助于有機(jī)物的好氧降解，如氨和亞硝酸鹽氧化菌有助于硝化過(guò)程；而厭氧細(xì)菌中的反硝化細(xì)菌可將硝酸鹽還原成氮?dú)猓蛩猁}還原菌則能將金屬轉(zhuǎn)化為金屬硫化物沉淀。

3.4 水力負(fù)荷

人工濕地的水力負(fù)荷在不同條件下變化較大，水力停留時(shí)間一般為0.82～30.00 d。其中，用于處理滲濾液原液的水力停留時(shí)間(3.20～30.00 d)長(zhǎng)于滲濾液稀釋液(0.82～21.00 d)。可見(jiàn)，滲濾液的水質(zhì)是決定人工濕地水力負(fù)荷的關(guān)鍵因素。此外，水力坡度也是影響人工濕地凈化性能的因素之一，現(xiàn)有研究中水力坡度的取值范圍在0.36%～1.00%。污水回流裝置可以延長(zhǎng)污水與基質(zhì)及其生物膜的接觸時(shí)間，從而提高滲濾液的凈化效果[59]；特別是當(dāng)污染程度較高時(shí)，滲濾液需要在濕地系統(tǒng)中停留更長(zhǎng)時(shí)間，以便獲得較好的處理效果[60]。

表3匯總了熱帶亞熱帶地區(qū)用于垃圾滲濾液處理的人工濕地設(shè)計(jì)參數(shù)。

表3 熱帶亞熱帶地區(qū)用于垃圾滲濾液處理的人工濕地設(shè)計(jì)參數(shù)

4 人工濕地的處理效果

表4匯總了熱帶亞熱帶地區(qū)垃圾滲濾液中一般污染物在人工濕地中的去除效果，表5匯總了熱帶亞熱帶地區(qū)垃圾滲濾液中重金屬在人工濕地中的去除效果。

4.1 蒸散量

蒸散量是指通過(guò)水和土壤的蒸發(fā)作用以及植物的蒸騰作用導(dǎo)致的水分消減量，它被認(rèn)為是濕地主要的水分消減機(jī)制，也是濕地最重要的水文平衡參數(shù)。在熱帶亞熱帶地區(qū)，人工濕地的蒸散量相對(duì)較高(≥15%)，有的甚至達(dá)到53%。因此，如果計(jì)算污染物去除率時(shí)不考慮蒸散量的影響，則很容易造成偏差。人工濕地的蒸散量受到植物數(shù)量和基質(zhì)深度的影響，植物越多、基質(zhì)越淺則蒸散量越大[63]。OGATA等[11]169-170發(fā)現(xiàn)晴天的蒸散量大于雨天，表面流人工濕地的蒸散量大于水平潛流人工濕地，可見(jiàn)蒸散量也受到降雨量和水氣接觸面積的影響。

4.2 色 度

色度是衡量垃圾滲濾液中腐殖酸等難降解成分的重要指標(biāo)，但大部分研究并未將其納入檢測(cè)范疇。通常，滲濾液在沒(méi)有混凝、絮凝或氧化處理的情況下很難發(fā)生脫色[64]，而人工濕地可以實(shí)現(xiàn)其有效脫色。AKINBILE等[7]1389-1390使用水平潛流人工濕地(土壤基質(zhì))成功去除了滲濾液中87%的色度；SAWAITTAYOTHIN等[10]1304-1305發(fā)現(xiàn)潛流人工濕地(沙礫基質(zhì))對(duì)色度的去除率為8%～45%；CANO等[18]42研究表明，水平潛流人工濕地(石灰?guī)r質(zhì)碎石基質(zhì))對(duì)色度的去除率僅為2%～23%。潛流人工濕地在不同研究中的色度去除效果相差甚遠(yuǎn)，這可能與其基質(zhì)類(lèi)型不同有關(guān)。基質(zhì)的滲透性越差越容易截留高分子腐殖酸，則色度的去除率升高；反之則腐殖酸隨出水排出，色度的去除率降低。此外，植物的存在也可以減少滲濾液色度[17]1000-1001，因?yàn)楦乘峥梢宰鳛轲B(yǎng)分被植物利用。

4.3 有機(jī)物和氨氮

一般認(rèn)為潛流人工濕地對(duì)污水有機(jī)物和氨氮的去除率明顯高于表面流人工濕地，這與本研究統(tǒng)計(jì)結(jié)果總體一致。本研究統(tǒng)計(jì)還顯示水平潛流人工濕地對(duì)滲濾液中有機(jī)物和氨氮的去除率總體高于垂直潛流人工濕地(見(jiàn)表4)。這可能是因?yàn)殡m然垂直潛流人工濕地具有較強(qiáng)的單位面積去污能力，但是水平潛流人工濕地往往占有較大的土地面積，尤其是在土地便宜的發(fā)展中國(guó)家，因此去污效果更好。從表4還可看出，有植物濕地系統(tǒng)比無(wú)植物系統(tǒng)更有利于有機(jī)物和氨氮的去除。

表4 熱帶亞熱帶地區(qū)人工濕地對(duì)垃圾滲濾液中一般污染物去除率

4.4 重金屬

重金屬主要通過(guò)土壤吸附、生成可溶性鹽沉淀、在生化過(guò)程中被吸收轉(zhuǎn)化，以及隨懸浮固體沉積等方式去除[65-66]。總體來(lái)看，單一型人工濕地對(duì)滲濾液中重金屬的去除率高于復(fù)合型人工濕地(見(jiàn)表5)。有研究表明，植物的存在不能提高人工濕地的重金屬去除率[67-68]，但UJANG等[5]246-249發(fā)現(xiàn)有植物人工濕地對(duì)Ni、Zn的去除率為78%～97%、85%～96%，顯著高于無(wú)植物的對(duì)照人工濕地(Ni、Zn去除率分別為46%、66%)，這要?dú)w功于其濕地植物飄拂草對(duì)Zn的高耐受性和超富集性。可見(jiàn)，通過(guò)選用超累積植物有望改善人工濕地對(duì)重金屬的去除性能。

表5 熱帶亞熱帶地區(qū)人工濕地對(duì)垃圾滲濾液中重金屬的去除率

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)熱帶亞熱帶地區(qū)垃圾滲濾液組成成分的文獻(xiàn)進(jìn)行整理，發(fā)現(xiàn)低年限滲濾液中有機(jī)物含量遠(yuǎn)高于高年限滲濾液，而低年限滲濾液pH總體低于高年限滲濾液。這與滲濾液在酸化階段和甲烷發(fā)酵階段的成分特征剛好一致，10年是熱帶亞熱帶地區(qū)垃圾滲濾液在酸化階段和甲烷發(fā)酵階段的分水嶺。低雨量滲濾液中有機(jī)物和氮素水平遠(yuǎn)高于高雨量滲濾液，這很可能是降水稀釋作用導(dǎo)致。從布水方式、植物、基質(zhì)和水力負(fù)荷4個(gè)方面整理了熱帶亞熱帶地區(qū)用于垃圾滲濾液處理的人工濕地設(shè)計(jì)參數(shù)，匯總了人工濕地對(duì)垃圾滲濾液中污染物的去除效果。研究結(jié)果有助于熱帶亞熱帶地區(qū)垃圾滲濾液數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，不同環(huán)境條件下滲濾液成分的界定，以及滲濾液的動(dòng)態(tài)模擬和人工合成；還可為人工濕地處理滲濾液的性能評(píng)價(jià)以及人工濕地實(shí)驗(yàn)裝置和工程設(shè)計(jì)提供參考。