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 鄒夢遙 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，垃圾填埋場的廣泛使用導(dǎo)致嚴(yán)重的垃圾滲濾液污染問題。垃圾滲濾液富含高濃度有機物和氮素，現(xiàn)有的垃圾滲濾液處理技術(shù)存在價格昂貴、易產(chǎn)生有毒有害副產(chǎn)品等問題[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)濟節(jié)能、操作簡單、環(huán)境友好等優(yōu)勢。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)濟受限的發(fā)展中國家[4]。

據(jù)報道，馬來西亞[5]246-249,[6]87-88,[7]1389-1390、新加坡[8-9]、泰國[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，上述文獻均為個例分析，沒有對大區(qū)域多尺度污染物去除狀況進行整體了解；且研究內(nèi)容僅為污染物去除，缺少對滲濾液差異的認(rèn)識及人工濕地設(shè)計的優(yōu)化。據(jù)此，本研究在大量文獻調(diào)研的基礎(chǔ)上，對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)計參數(shù)及其凈化能力。

1 文獻調(diào)研

本研究使用Science Direct、Google Academic、Microsoft Academic等論文檢索平臺對熱帶亞熱帶地區(qū)不同填埋年限和氣候條件下垃圾滲濾液的組成成分進行調(diào)研；同時整理了關(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)計和除污能力研究。

2 垃圾滲濾液的成分

垃圾填埋場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進行整理(文獻[6]至文獻[11]、文獻[23]至文獻[51])，統(tǒng)計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

垃圾填埋場中廢棄物的降解過程可分為3個階段：好氧階段、酸化階段、甲烷發(fā)酵階段[22]1966-1967。因為好氧階段非常短暫(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程(約幾年至幾十年)。在酸化階段，易降解有機物經(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)，通過聚類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。由表1可見，低年限滲濾液中有機物含量遠高于高年限滲濾液，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(對應(yīng)低年限)和甲烷發(fā)酵階段(對應(yīng)高年限)的成分特征剛好一致[21]305,[22]1972?？梢?，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)，通過聚類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。由表2可見，低雨量滲濾液中有機物和氮素水平遠高于高雨量滲濾液，這很可能是因為降水稀釋作用導(dǎo)致，尤其在季風(fēng)氣候下，旱季的垃圾滲濾液中有機物和氮素含量均顯著高于雨季[23]。

表2 熱帶亞熱帶地區(qū)垃圾填埋場在不同降雨量下滲濾液的成分

3 人工濕地的設(shè)計參數(shù)

人工濕地的設(shè)計參數(shù)包含4個主要部分：布水方式、植物、基質(zhì)和水力負(fù)荷[52]。下面從這4個方面出發(fā)對人工濕地設(shè)計進行深入討論。

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、去污能力強的潛流人工濕地。OGATA等[11]170-171發(fā)現(xiàn)，潛流人工濕地對滲濾液中懸浮物、有機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提供好氧/厭氧反應(yīng)過程[1]372-373,[54]；表面流—潛流人工濕地被用來應(yīng)對雨季高水力負(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)對滲濾液的處理效果高于無植物系統(tǒng)[5]245-250,[6]90,[56]。一般來說，當(dāng)?shù)爻Ｒ姷耐λ参锸亲钍軞g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、香根草和紅鳥蕉等。這些植物廣泛分布于溫帶和熱帶濕地中，對有毒滲濾液具有較強的耐受性。此外，一些植物還具有經(jīng)濟價值，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?，F(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?；|(zhì)的另一個重要作用是為微生物提供生長介質(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)微生物有助于有機物的好氧降解，如氨和亞硝酸鹽氧化菌有助于硝化過程；而厭氧細(xì)菌中的反硝化細(xì)菌可將硝酸鹽還原成氮氣，硫酸鹽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間(3.20～30.00 d)長于滲濾液稀釋液(0.82～21.00 d)?？梢姡瑵B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污水與基質(zhì)及其生物膜的接觸時間，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，滲濾液需要在濕地系統(tǒng)中停留更長時間，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較高(≥15%)，有的甚至達到53%。因此，如果計算污染物去除率時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范疇。通常，滲濾液在沒有混凝、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，這可能與其基質(zhì)類型不同有關(guān)?；|(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，因為腐殖酸可以作為養(yǎng)分被植物利用。

4.3 有機物和氨氮

一般認(rèn)為潛流人工濕地對污水有機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)計結(jié)果總體一致。本研究統(tǒng)計還顯示水平潛流人工濕地對滲濾液中有機物和氨氮的去除率總體高于垂直潛流人工濕地(見表4)。這可能是因為雖然垂直潛流人工濕地具有較強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)比無植物系統(tǒng)更有利于有機物和氨氮的去除。

表4 熱帶亞熱帶地區(qū)人工濕地對垃圾滲濾液中一般污染物去除率

4.4 重金屬

重金屬主要通過土壤吸附、生成可溶性鹽沉淀、在生化過程中被吸收轉(zhuǎn)化，以及隨懸浮固體沉積等方式去除[65-66]?？傮w來看，單一型人工濕地對滲濾液中重金屬的去除率高于復(fù)合型人工濕地(見表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Ni、Zn的去除率為78%～97%、85%～96%，顯著高于無植物的對照人工濕地(Ni、Zn去除率分別為46%、66%)，這要歸功于其濕地植物飄拂草對Zn的高耐受性和超富集性。可見，通過選用超累積植物有望改善人工濕地對重金屬的去除性能。

表5 熱帶亞熱帶地區(qū)人工濕地對垃圾滲濾液中重金屬的去除率

5 結(jié) 論

通過對熱帶亞熱帶地區(qū)垃圾滲濾液組成成分的文獻進行整理，發(fā)現(xiàn)低年限滲濾液中有機物含量遠高于高年限滲濾液，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物和氮素水平遠高于高雨量滲濾液，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)計參數(shù)，匯總了人工濕地對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價以及人工濕地實驗裝置和工程設(shè)計提供參考。