華南亞熱帶土壤-植被處理穩(wěn)定滲瀝液的現(xiàn)場試驗*

張 靜，姚其生，吳 鐸，邵立明，何品晶

（1．海南省環(huán)境科學(xué)研究院，海南 ?？?570102；2．同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所，上海 200092）

華南亞熱帶土壤-植被處理穩(wěn)定滲瀝液的現(xiàn)場試驗*

張 靜1，姚其生2，吳 鐸2，邵立明2，何品晶2

（1．海南省環(huán)境科學(xué)研究院，海南 ?？?570102；2．同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所，上海 200092）

本研究采用不透水襯墊的土壤-植被層，在我國華南氣候與土質(zhì)條件下，驗證土壤-植被灌溉工藝處理穩(wěn)定滲瀝液的效果，同時與同區(qū)域填埋場的膜處理工藝進(jìn)行比較。在海南海口市某填埋場現(xiàn)場，進(jìn)行了覆蓋全年氣候期的滲瀝液生物處理出水灌溉試驗及同場納濾工序的取樣測試。結(jié)果表明：比較高羊茅草、高羊茅+夾竹桃和空白3種植被，高羊茅+夾竹桃植被土壤層灌溉的水分減量率最高，以總水分（灌溉量+降雨量）和灌溉量計的減量率分別為53．2%和38．7%，而且同樣具有最佳的灌溉污染物去除效率；計入灌溉水分減量貢獻(xiàn)的COD、總氮和氨氮去除率分別為85．3%、83．0%和93．9%。該場納濾工藝處理同一水源的穩(wěn)定滲瀝液，其COD、總氮和氨氮去除率分別為90．9%、87．8%和84．0%。雖然表觀去除率略優(yōu)于灌溉，但從污染物總量削減的角度考慮，灌溉處理更具有實質(zhì)性的環(huán)境效益。

穩(wěn)定滲瀝液；土壤-植被灌溉；亞熱帶氣候；填埋；污染物去除率

經(jīng)生物處理后的滲瀝液可稱為穩(wěn)定滲瀝液［1］，主要含類腐殖質(zhì)有機(jī)物和含氮化合物，腐殖質(zhì)有機(jī)物和含氮化合物（植物養(yǎng)分）均與土壤-植被生態(tài)具有相容性，而填埋場可營造植被的空間較大（填埋場啟用初期的邊坡、中后期的最終覆蓋面等）。因此，采用土壤-植被灌溉方法處理穩(wěn)定滲瀝液有一定的可行條件。

王如意等［2-3］采用盆栽灌溉方法分析了滲瀝液對植物生長的影響，發(fā)現(xiàn)不同植物對滲瀝液的耐受性不同，據(jù)此篩選了滲瀝液灌溉處理的植物種類；同時，也對盆栽篩選植物的滲瀝液COD、氨氮等去除容量進(jìn)行了實驗研究。張斌等［4］報道了利用填埋場覆蓋層，進(jìn)行長填齡（填埋后期）滲瀝液土壤-植被灌溉現(xiàn)場試驗的結(jié)果，表明在一定的水力負(fù)荷條件下，長填齡滲瀝液經(jīng)灌溉處理后的COD和氨氮去除率均可達(dá)到95%以上。D．L．Jones等［5］綜述了英國等地進(jìn)行滲瀝液灌溉處理的實踐情況，國外的滲瀝液灌溉大多在開放土壤環(huán)境中進(jìn)行（土層下不設(shè)防滲層），因此主要適合于低水力負(fù)荷下低濃度滲瀝液的灌溉，COD和氨氮濃度一般小于500 mg/L和200 mg/L，水力負(fù)荷在1 mm/d左右，難以滿足大量滲瀝液處理的需要。

我國華南亞熱帶地區(qū)植物可全年生長，滲瀝液土壤-植被灌溉處理的應(yīng)用潛力大。本研究采用不透水襯墊上的土壤-植被層，對填埋場經(jīng)生物處理后的穩(wěn)定滲瀝液進(jìn)行了現(xiàn)場灌溉試驗，旨在驗證此工藝在華南氣候與土質(zhì)條件下的處理效果；同時，還比較了現(xiàn)場試驗的處理效果與同區(qū)域填埋場滲瀝液的膜處理效果，以期為技術(shù)選擇提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗場地

本試驗場地位于?？谑心成罾盥駡鰸B瀝液氧化塘旁的坡地，其平面和剖面示意見圖1。其土源均取自場內(nèi)空地表土層，壓實層土填入后夯實至孔隙度小于5%，種植層土松散填入整平。試驗場地劃分為3個分區(qū)，每個分區(qū)面積30 m2，分別種植高羊茅、高羊茅與夾竹桃混合植被和無種植植被，并依次編為1～3號。

圖1 試驗場地示意

1.2 灌溉操作

灌溉水源取自該填埋場的滲瀝液氧化塘，依據(jù)其處理流程，見圖2。氧化塘進(jìn)水為滲瀝液生化處理出水，符合穩(wěn)定滲瀝液的水質(zhì)特征。植物種植后，先以5 mm/d水力負(fù)荷的清水灌溉至出芽（高羊茅）和萌發(fā)新葉，再以固定10 mm/d水力負(fù)荷（根據(jù)在上海老港等地的現(xiàn)場試驗［6］結(jié)果確定該負(fù)荷）的穩(wěn)定滲瀝液灌溉，該滲瀝液以氧化塘出水和膜處理出水混配，COD濃度從約150 mg/L逐步增至950 mg/L。

圖2 填埋場的滲瀝液處理工藝

1.3 分析測試

每2周1次，分別從灌溉進(jìn)水和3個分區(qū)的滲出水及徑流水的貯罐中取樣作常規(guī)分析。分析指標(biāo)為：鹽度、COD、氨氮和總氮。

為了對比灌溉處理與膜處理的污染物凈化特征，本研究還對試驗所在填埋場滲瀝液膜處理工序和灌溉進(jìn)出水水質(zhì)等指標(biāo)進(jìn)行了對比測試，測試指標(biāo)除上述常規(guī)分析外，還包括重金屬（As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn、Hg）、溶解性有機(jī)物（DOM）的親水性分類（FA富里酸、HA胡敏酸和HyI親水性組分）及分子質(zhì)量分級、以及小麥種子發(fā)芽試驗和揮發(fā)性有機(jī)酸（VFA）組成。

上述水質(zhì)的常規(guī)分析指標(biāo)和重金屬測試均采用國家環(huán)境保護(hù)部推薦方法［7］；DOM分子質(zhì)量分級采用加壓過濾方法，DOM親水性分類采用大孔徑樹脂方法［8］；小麥種子發(fā)芽試驗采用水樣梯度稀釋浸種方法［9］。

2 結(jié)果與討論

2.1 灌溉試驗

2.1.1 水分減量

灌溉試驗在植物播種并萌發(fā)生長后啟動，自2011年1月至8月共運行230 d，期間氣溫跨度為6～36℃（8：00～8：30現(xiàn)場實測），基本覆蓋了海口市代表的我國華南亞熱帶區(qū)域全年溫度變化范圍。

期間，場內(nèi)雨量計記錄的累計降雨量為680 mm，累計灌溉量為2 190 mm（期間有11 d因大雨后土壤處于飽和狀態(tài)而未進(jìn)行灌溉操作），合計輸入水量2 870 mm；各雨水收集罐累計水量為46～75 L，按各灌溉區(qū) 30 m2折合為 1．5～2．5 mm，各滲出水收集罐累計出水量25 240～27 386 L，折合為1 341．3～1 412．9 mm。蒸發(fā)蒸騰量（降雨量+灌溉量-（雨水收集量+滲出水量）） 為1 454．6～1 527．2 mm；其中，蒸發(fā)蒸騰量最大的為2號分區(qū)（種植高羊茅+夾竹桃），最小的為未種植植物的3號分區(qū)。各分區(qū)按總水分計的減量率（（滲出水量+雨水收集量） /（降雨量+灌溉量）） 和灌溉水量計的水分減量率（滲出水量/灌溉量）見表1。

表1 灌溉試驗水分減量率 %

2.1.2 污染物去除

灌溉試驗期間，滲瀝液灌溉進(jìn)水和各分區(qū)滲流水的水質(zhì)變化見圖3。

由圖3可見，各種污染物去除效果呈現(xiàn)一定波動，但總體去除率相對穩(wěn)定。各個分區(qū)的COD、總氮和氨氮去除率平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差見表2。

圖3 灌溉試驗期間各分區(qū)進(jìn)出水水質(zhì)

表2 灌溉試驗污染物去除率 %

由表2可見，在種植了植物的分區(qū)（1和2號），污染物去除率和穩(wěn)定性均高于無植物的分區(qū)（3號），這是植物根系豐富的微生物代謝及植物根系對植物養(yǎng)分吸收作用的體現(xiàn)。

2.2 灌溉與膜處理的污染物去除特征比較

灌溉試驗與該場滲瀝液納濾工序的進(jìn)出水水質(zhì)比較結(jié)果見表3～5。其中，試驗水樣取樣時，灌溉處于滿負(fù)荷運行狀態(tài)（COD≈950 mg/L），出水取自運行最為穩(wěn)定的2號分區(qū)。

從滲瀝液污染物的分類去除率結(jié)果看，除了氨氮等個別指標(biāo)外，納濾對滲瀝液中主要污染物的去除率均高于灌溉處理。具體比較結(jié)果如下：

1） 溶解性有機(jī)物（DOM）。納濾對DOM總體（以COD計）的去除率比灌溉處理高8%左右（表3）；從DOM分類（表5） 看，灌溉處理對分子質(zhì)量大于50 ku和高度腐殖性的HA類有機(jī)物的去除效果相當(dāng)于或優(yōu)于納濾，但對5 ku～50 ku分子質(zhì)量DOM的去除率小于納濾的1/2，但兩者對于1 ku～5 ku分子質(zhì)量DOM的去除率又比較接近。其主要原因是，灌溉處理通過土壤吸附和生物代謝途徑去除有機(jī)物，對極憎水性大分子和簡單結(jié)構(gòu)有機(jī)物有效；而基于“攔截”機(jī)理的納濾過程對各種類別DOM的去除效果沒有明顯的區(qū)別。

表3 灌溉與納濾處理結(jié)果比較（常規(guī)指標(biāo)）

表4 灌溉與納濾處理結(jié)果比較（重金屬）

表5 灌溉與納濾處理結(jié)果比較（DOM（TOC） 分類）

2）氮化合物。灌溉處理是基于生物硝化和反硝化及植物根系吸收去除氮化合物的，在本研究的高負(fù)荷（10 mm/d，總氮大于200 mg/L） 灌溉條件下，按植物生物量計的根系氮吸收量僅占灌溉負(fù)荷的5%左右，所采用的滲流灌溉方法也限制了氨的揮發(fā)量，氮化合物主要通過生物硝化和反硝化過程轉(zhuǎn)化。其中，氨氧化進(jìn)行徹底、去除率高，而反硝化受到滲瀝液BOD5/總氮僅約1．5和土壤貧營養(yǎng)（紅土）條件的限制無法高效完成，限制了總氮和硝酸鹽氮的去除效率。

3）重金屬。納濾對滲瀝液重金屬去除的總體效果同樣略優(yōu)于灌溉處理，但穩(wěn)定滲瀝液的重金屬濃度均符合GB 16889—2008的排放要求，此去除率差異的應(yīng)用意義較為有限。

從達(dá)標(biāo)排放的角度出發(fā)，納濾效果確實優(yōu)于灌溉；而如果從污染物總量控制方面考慮，納濾處理會產(chǎn)生10%～20%的濃縮液需要處置，處理過程本身的降解率幾乎為零，而灌溉處理則實質(zhì)性地降解了污染負(fù)荷，再考慮到30%～40%的水量削減效應(yīng)，即使表觀的污染物去除率也大于納濾。同時，灌溉處理所需建設(shè)投入為植被層構(gòu)建，運行也僅有進(jìn)水的泵送費用。所以，灌溉處理應(yīng)用于穩(wěn)定滲瀝液處理的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益均優(yōu)于納濾。

3 結(jié)論

1） 在高羊茅草、高羊茅+夾竹桃和空白3種植被條件下，高羊茅+夾竹桃植被土壤層灌溉的水分減量率最高，以總水分（灌溉+降雨量）和灌溉量計的減量率分別為53．2%和38．7%。

2） 高羊茅+夾竹桃植被土壤層同樣具有最佳的灌溉污染物去除效率，不計水量削減的COD、總氮和氨氮去除率分別為76．0%、72．2%和90．0%；計入灌溉水分減量貢獻(xiàn)的COD、總氮和氨氮去除率則為85．3%、83．0%和93．9%。

3）海口填埋場采用納濾工藝處理同一水源的穩(wěn)定滲瀝液，其COD、總氮和氨氮去除率分別為90．9%、87．8%和84．0%，表觀去除率略優(yōu)于灌溉處理，但從污染物總量削減的角度考慮，灌溉處理更具有實質(zhì)性的環(huán)境效益。

［1］ He P J，Shao L M，Qu X，et al．Effects of Feed Solutions on Refuse Hydrolysis and Landfill Leachate Characteristics［J］．Chemosphere，2005，59（6）：837-844．

［2］王如意，何品晶，邵立明，等．4種禾草用于覆蓋層灌溉垃圾滲濾液的比較［J］．應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報，2005，11（5）：554-558．

［3］王如意，何品晶，邵立明，等．不同水力負(fù)荷滲濾液對植物土壤系統(tǒng)的影響［J］．環(huán)境科學(xué)，2006，27（5）：950-955．

［4］張斌，何品晶，邵立明，等．垃圾填埋場覆蓋層灌溉處理滲濾液的試驗研究［J］．長江流域資源與環(huán)境，2005，14（4）：516-521．

［5］ JonesDL，WilliamsonKL，OwenAG．PhytoremediationofLandfillLeachate［J］．Waste Manage，2006，26 （8）：825-837．

［6］王如意，何品晶，邵立明，等．滲濾液覆蓋層灌溉處理對夾竹桃的生理生態(tài)效應(yīng)［J］．生態(tài)學(xué)報，2006，26（12）：4281-4286．

［7］國家環(huán)境保護(hù)總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會．水和廢水監(jiān)測分析方法［M］．4版．北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002．

［8］ He P J，Xue J F，Shao L M，et al．Dissolved Organic Matter（DOM） in Recycled Leachate of Bioreactor Landfill［J］．Water Res，2006，40（7）：1465-1473．

［9］何品晶，王如意，邵立明，等．滲濾液場內(nèi)處理的有機(jī)物去除特征和植物毒性評價［J］．環(huán)境科學(xué)，2007，28（1）：215-219．

On-site Experiment of Stable Leachate Treatment by Soil-vegetation Irrigation in Sub-tropical Southern China

Zhang Jing1,Yao Qisheng2,Wu Duo2,Shao Liming2,He Pinjing2
（1．Environmental Science Academy of Hainan Province,Haikou Hainan 570102;2．Institute of Waste Treatment and Reclamation,Tongji University,Shanghai 200092）

Through a soil-vegetation layer above the waterproof liner,under the climate and soil condition in southern China,the treatment effect of stable leachate by soil-vegetation irrigation was verified to compare with membrane treatment technology．In one waste landfill site of Haikou,Hainan,a irrigation experiment of leachate effluent after bio-treatment was carried out．The irrigation last for the whole climate year,during which the influent and effluent of leachate irrigation were analyzed,as well as the leachate effluent samples from nano-filtration．The soil-vegetation layer was divided into 3 areas,including tall fescue,mixture of tall fescue and oleander,and blank control area．The results showed that mixing vegetation-soil layer of tall fescue and oleander contributed the highest water removal rate,in which reduced 53．2%of total water(including irrigation and rainfall)and 38．7%of irrigation water．Also,the best removal rate of pollutants occurred in the mixing vegetation-soil layer．Calculating the water reduction of irrigation,the removal rates of COD,total nitrogen and ammonia nitrogen were 85．3%,83．0%and 93．9%,respectively．The stable leachate in this landfill site was treated by nano-filtration,by which the removal rates of COD,total nitrogen and ammonia nitrogen were 90．9%,87．8%and 84．0%,respectively．Although the apparent removal efficiency of nano-filtration was higher than that of irrigation,the higher substantial environmental effects were obtained in the irrigation treatment,considering the total pollution reduction．

stable leachate；soil-vegetation irrigation；sub-tropical climate；landfill；removal rate of pollutant

X703．1

A

1005-8206（2012）05-0030-04

國家973重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃課題（2012 CB719801）

2012-05-02

張靜（1972—），高級工程師，主要從事廢物管理和環(huán)境影響評價方面的研究。

E-mail：hnsnow@163．com。

（責(zé)任編輯：張藝）