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1、资源与环境资源开发与市场 Resource Development & Market 2007 23(3)人工湿地系统在垃圾渗滤液处理中的应用江 韬,赵秀兰（西南大学 资源环境学院环境工程系，重庆 400716）摘要:介绍了人工湿地的组成和类型,人工湿地去除渗滤液中有机物、氮、磷和重金属的机制。分析了影响人工湿地处理渗滤液效率的因子,并且结合人工湿地设计和运行维护提出了相关建议。根据国内外成功的工程实例，分析了人工湿地处理垃圾渗滤液的经济优势、生态优势,展示了该处理技术广泛的应用前景,对以后的研究进行了展望。关键词:人工湿地;渗滤液;湿地系统;卫生填埋中图分类号: X705文献标志码:A文章编
2、号:1005-8141(2007)03-0230-04Application of Constructed Wetland in Landfill Leachate TreatmentJIANG Tao,ZHAO Xiu-lan(Department of Environmental Engineering,College of Resources and Environment,Southwest University,Chongqing 400716, China) Abstract:This paper comprehensively introduced the constitutio
3、n and types of constructed wetland.Mechanisms of removing organicmatter,nitrogen,phosphorus and heavy metals from landfill leachate by constructed wetland and the factors affecting the removal efficiency also were discussed. Some suggestions about design and operation of constructed wetland for land
4、fill leachate were also presented in this paper. Meanwhile, the economic advantages and ecological advantages of constructed wetland in landfill leachate treatments were analyzed by the domestic and foreign successful examples.At last, the prospects of researches in this field were put forward.Key w
5、ords:constructed wetland;landfill leachate;wetland system;sanitary landfills1 前言景看好。本文对利用人工湿地系统进行垃圾渗滤液处垃圾填埋技术作为固体废弃物的重要处置方法,在理的研究与应用现状进行了综述。世界范围内应用得十分广泛。在发展中国家,99以上的垃圾采用填埋方式进行垃圾处置,即使在一些国土面2 人工湿地的构成与分类积较大的发达国家,有很多也是采用填埋的方法。我国人工湿地是一种人工建造和管理控制的与沼泽地90以上的生活垃圾是采用卫生填埋进行处置的1。但类似的复合生态系统。建造人工湿地的目的是建造湿垃圾填埋处置方式
6、也会带来相应的环境再污染问题,其地生物的栖息地、食物与纤维物质生产地及废水处理中填埋场产生的垃圾渗滤液对环境及人体健康的危害设施。人工湿地主要由四部分组成:具有各种透水性大而成为重点关注的问题。的基质,如土壤、砂、砾石等。基质具有支持植物、保持由于垃圾渗滤液污染物的成分复杂、含量高、变异湿地系统中的生命和非生命物质,为微生物生长、固体大、可生化性差等特点,处理十分困难。目前对垃圾渗物的沉积提供了较大的表面积。湿地植物。它们适滤液处理的方法包括渗滤液回灌、生物脱氮+物化处理于在饱和水和厌氧基质中生长,如芦苇、香根草等具有工艺、蒸发焚烧及人工湿地系统等,但是渗滤液回灌供氧,降低水流的速率,协助水的
7、传导、养分的吸收和有并不能完全解决渗滤液的污染问题,常规的“生物脱氮机物的分泌等作用。水。即在基质表面下或上流动+物化处理”工艺费用高而且容易产生大量的副产品,的水。人工湿地水面的高低影响着系统中的生化反应在经济不发达的地区不具有推广应用价值;蒸发焚烧环境,决定着反应的产物,影响着湿地生态系统功能。处理系统具备一定的应用前景,但该系统以填埋气体为活的生物体。湿地中有许多大型和微型的生物体,在湿燃料,要求有完备的填埋气体收集贮存系统2;人工湿地地系统中处理废水起关键作用的是微型生命系统,如细以其处理效果好、建设和运行成本低、易于维护和管菌、真菌、原生动物。目前对人工湿地的分类有两种方理的特点,在
8、渗滤液处理技术中具有独特优势,发展前法:一种是按照水流方式将人工湿地分为表面流湿地(SFW)、水平潜流湿地(SSFW)和垂直流湿地(VFW)3;另收稿日期:2007-01-22；修订日期:2007-02-14一种方法是按大型植物的类型,将人工湿地分为浮水植第一作者简介:江韬(1984-),男,四川省安岳人,西南大学资源环境学院环境工程系学生,研究方向为环境污染控制技术。物型、沉水植物型和挺水植物型湿地。230资源开发与市场 Resource Development & Market 2007 23(3)资源与环境3 人工湿地处理渗滤液的机制3.1 对有机物的去除人工湿地通过微生物吸收、分解、沉
9、积、挥发和基质的吸附作用去除有机物,其中微生物起着十分重要的作用4，因此人工湿地对废水中 COD 或 BOD 的去除效率与湿地系统中的各种微生物数量和种类有显著的关系;又因为氧气在湿地系统内部传输,湿地内部出现了好氧、兼氧和厌氧生物,由不同需氧量的微生物对污染物进行降解,有机物被分解为CO2、CH4、水、无机磷和无机氮等。湿地系统对垃圾渗滤液中有机物的去除效率较高,其中 COD 的去除率达到 94%,BOD 的去除率达到615。3.2 对氮的去除氮在湿地中的存在形式为有机氮、氨氮、硝酸氮、亚硝酸氮7。人工湿地主要通过微生物对有机氮的分解、硝化和反硝化作用、水生植物吸收和氮的挥发等途径去除废水中
10、的氮。一般认为,废水中的有机氮经氨化作用矿化为氨氮,在好氧条件下氨氮经亚硝化、硝化作用分别转变为NO2N和NO3N,它们在缺氧和有机碳源的条件下经反硝化作用被还原为 N2 释放到大气中。在这一过程中,氨氮及硝态氮也被湿地植物和微生物吸收,转变为有机体的一部分,去除部分氮,同时氨氮还可在较高的 pH8 条件下向大气挥发。不同研究者对植物及微生物去除氮的比例各异。Koottatep 和 Polprasert发现,湿地系统中植物的吸收作用是去除氮的主要途径6;Francisco 等的实验表明,植物去除的氮占总氮量的66%100%7;在 Sawaittayothin 等设计的潜流湿地,垃圾渗滤液中氮的
11、去除率达到90%,其中88%的氮通过湿地植物香蒲(Typha angustifolia L.)的吸收而被去除,小部分氮由微生物作用、物理吸附和挥发作用去除。他们利用FISH（Fluorescence in Situ Hybridization）技术鉴定了微生物种群和数量,发现并不存在硝化细菌,因此得出硝化和反硝化细菌的生物作用不是人工湿地除去氮的主要作用机理的结论8。但有研究表明,无机氮的去除主要是通过硝化与反硝化的作用来实现的,湿地系统存在好氧、兼氧和厌氧生物,为微生物的硝化、反硝化作用提供了有利条件,使微生物除氮成为主要机制。Cooke认为,反硝化作用使废水中氮的去除率达到60%70%,而
12、通过植物吸收作用去除的氮仅为 5%10% 9。产生这些差异的原因可能与进水中氮的组成、湿地类型及湿地植物种类的不同有关。3.3 对磷的去除进入湿地系统的含磷化合物,主要包括颗粒磷(particulate phosphorus),可溶解性有机磷(dissolved organic phosphorus)和无机磷酸盐(dissolved inorganic phosphorus)。微生物活动使磷主要以正磷酸盐的形式存在10。湿地系统对磷的主要作用机制是植物吸收、基质吸附沉淀以及微生物的同化作用。湿地系统在处理渗滤液中磷的能力受多种因素的影响,特别是基质的理化性质。基质中含有较多的铁、铝氧化物,有利
13、于生成溶解度很低的磷酸铁或磷酸铝,增加土壤的固磷能力,提高磷的去除率;以砾石为填料的湿地,可促进不溶性磷酸钙的形成而从废水中沉淀到基质中,湿地系统中的产酸微生物可将不溶性磷酸盐转化为可溶性磷酸盐,从而形成钙盐沉淀。当基质吸附饱和后,磷的除去主要靠径流和植物吸收,此时湿地系统对磷的去除效率不如以前11,12。当磷浓度大时,植物的吸收作用不明显;当磷浓度较低时,植物的吸收作用显著13。3.4 对重金属的去除湿地对重金属的去除主要是通过基质对金属离子的吸附、化学沉淀、植物和微生物吸收等作用来实现。人工湿地对重金属的去除率较高,锌的去除率达到9096,铬的去除率为 7014,Fe 浓度由最高的 14m
14、gL-1 下降到 0.1mgL-1,去除率达 80%5。4 人工湿地处理垃圾渗滤液的应用现状自 1953 年德国科学家 Seidel 发现可利用适当的水生植物降低内陆水的肥力、污染物以来,一些政府及私人研究机构对利用自然或人工湿地系统处理废水进行了不少努力,利用人工湿地进行废水处理的研究不断深入,应用领域不断扩大。目前,利用人工湿地可处理生活污水、城市径流、工业及农业废水、垃圾渗滤和酸性矿山排水。美国利用人工湿地处理垃圾渗滤液较广泛,如 Alabama 州 Mobile 市的 Chunchula 填埋场将一般污水和渗滤液混合进水内,采用表面流人工湿地,经过沉淀池沉淀后达到排放标准15,其 CO
15、D 去除率达 90%、TSS 去除率达 97%、重金属 Cu 去除率达 52%、Pb 去除率达到94%;美国纽约 Monroe 市采用表面流湿地和潜流湿地对Northeast-quadrant Solid Waste Facility 封场后的渗滤液进行处理,其 COD 去除率达 68%、BOD 去除率达 46%、 Fe 的去除率达 8016;美国爱荷华州 Des Moines 地区采用人工湿地直接处理垃圾填埋场的渗滤液,效果显著17。在实际运用中,人工湿地多与其它处理工艺相结合,能稳定处理后的水质。如我国上海的老港垃圾填埋场采用“厌氧塘兼氧塘曝气塘芦苇湿地”的处理工艺处理渗滤液18；挪威的
16、Esval 填埋场则采用“氧化塘人工湿地系统”的处理模式19,获得较好的处理效果。5 影响人工湿地处理渗滤液效率的因素5.1 进水水质231资源与环境资源开发与市场 Resource Development & Market 2007 23(3)进水中污染物浓度过高,超过了湿地系统的处理能力时,就会对系统产生不良的影响。进水中有机物浓度过高,有机质分解过程中就会消耗水中的大量氧气,产生厌氧环境,影响污染物的去除效果;营养物过高,导致水体富营养化,藻类繁殖,影响污染物的去除,水及沉积物中的有毒物质积累,藻类死亡分解,使水的BOD5提高;沉积物过多,降低生物分解过程;有毒物浓度过高,杀死或毒害生物
17、体,对生物分解、生物积累和生物放大起不良作用20。过高的污染物浓度很易使基质达到饱和,降低湿地系统的处理效率,缩短其使用寿命。因此,在实际设计中应根据各地的条件调整进水水质,如芬兰 Perdido 填埋场的人工湿地有机负荷为 COD 0.09kgm-321;美国 Chunchula 填埋场的人工湿地有机负荷为COD 0.117 kgm -3,Isanti-chisago 卫生填埋场的人工湿地挥发性有机物负荷为 COD 0.2kgm-322。我国垃圾渗滤液中污染物的浓度很高,必须进行预处理后再进行人工湿地处理。5.2 场龄填埋场场龄的大小也对处理效率产生影响。随着填埋场场龄的增加,垃圾渗滤液的水
18、质特征也随之发生变化。总体上,其水质 pH 值趋于中性,重金属含量下降12,而氨氮含量不断上升23,所以在设计中应根据实际情况酌情处理。5.3 湿地类型与湿地植物不同湿地类型处理渗滤液的效率不同。潜流型湿地比表面流湿地抗冲击负荷能力强,对 BOD、COD、悬浮物以及重金属等污染物的去除效果好,适用于大流量的渗滤液处理;垂直流湿地的硝化能力高于其它两种湿地类型,可用于处理氮氨含量较高的渗滤液24。由于渗滤液的水质不同于一般的污水,所以必须慎重选择净化渗滤液的植物。通常情况下,人工湿地植物应具有去污能力好、抗逆性较强、适宜本地生长,并具有一定的经济价值和美学价值等特征。资料显示,香根草(Vetiv
19、eria zizanioides)对高浓度的渗滤液净化能力好,对磷有较强的净化能力,净化率高达 70;水花生(Alternanthera philoxeroides)对低浓度的渗滤液具有较强的净化能力;而水葫芦(Eichhornia crassipes)对渗滤液几乎无净化效果 25。因此,为了使湿地系统净化能力实现最大化,增强处理系统的美学价值和环境景观效果,在选择湿地植物时一般采用混和搭配的原则,即选择几种净化效果不同的植物作为湿地植物,通过相互协同的作用来实现最优处理效果。5.4 气象条件气象条件,主要是温度和降水对湿地处理效果有一定影响,但影响程度不及前 3 个因素。人工湿地系统对温度的
20、变化适应能力强。Wittgren 等在对北美以及斯堪232纳维亚半岛人工湿地的调查中发现,在较冷的气候条件下 ,人工湿地处理后的出水仍能达到相关的环境标准26。由于湿地内的溶解氧和物理净化过程,人工湿地在夏天和冬天的运行处理效果基本一致27。可见,人工湿地系统具有较大的适应范围,在一些温差变化较大的地区具有很好的应用价值。降雨量的变化主要影响渗滤液进水水质情况。根据Tjasa Bulc对斯洛文尼亚的一垃圾填埋场长达7年的跟踪观测发现,湿地系统对 BOD、COD、N、P 以及重金属 Fe 的去除率都与该地区的降雨量有关12:当降雨增大时,渗滤液中污染物浓度因稀释作用而降低,改善了人工湿地的出水水
21、质,污染物的去除率不断增加,如当降雨量由 125Lm-2 增大到 350 Lm-2 时,Fe 的去除率由 70%提高到 85%。6 人工湿地处理渗滤液的优势6.1 经济优势与传统的处理工艺相比,利用人工湿地处理垃圾渗滤液可以显著减少工程建设投资及运行费用,经济优势十分明显28。我国采用传统处理工艺对渗滤液进行处理达到国家排放一级标准,处理费用在 50100 元t-1以上1，而利用人工湿地对渗滤液进行处理,其工程投资比普通污水处理系统节省 40%50%。由于耗能低,运行费用仅为后者的 10%30%30,比活性污泥法、AB法、氧化沟法的运行费用低 500600 万元a-129。此外,利用人工湿地处
22、理废水还可将人工湿地的设计与周围的环境相结合,在垃圾填埋场封场之后将此地作为公园利用,既节约了后续处理费用,又提高了人工湿地的利用效率,其经济优势更加突出31。在经济不发达、工业污染不严重、土地资源较丰富的地区,采用人工湿地能达到“三效益”并举的目的。6.2 生态优势人工湿地作为完整的生态系统,具有自稳性和整体性。作为一个整体系统,人工湿地具有自我调节的能力,能对自身微环境的变化进行调节,在一定程度上抵抗外界环境的变化,对进水负荷的变化也具有一定的适应能力。与其它处理工艺相比,适应范围较为广泛,这种“绿色处理工艺”具有更强的抗逆性和稳定性。随着对人工湿地研究的不断深入,很多国家开始将人工湿地处
23、理技术与园林设计、景观设计、城市规划相结合起来,将美学概念引入到环境工程中来,如在垃圾填埋场运行期间或封场后与生态公园的建设相结合起来。这种作法不仅成功达到了治污的目的,还实现了美化环境的作用,使治污和美化城市人居环境融为一体,取得了不错的社会效益和环境效益。美国、日本、加拿大等国都有环境资源开发与市场 Resource Development & Market 2007 23(3)资源与环境工程与园林设计相结合的成功范例。所以,对人工湿地进行合理的规划和设计,使其与城市园林紧密结合起来,不但丰富了城市景观,改善了环境条件,而且极大地发挥了人工湿地的生态优势。同时,将人工湿地与生态农业的建设相
24、结合,可提高人工湿地在渗滤液处理中的经济效益。7 展望利用人工湿地进行垃圾渗滤液处理是新兴的处理工艺。国外的人工湿地处理垃圾渗滤液已经达到一定的规模和水平,而在我国才刚刚起步,因此具有较大的发展空间。与传统渗滤液处理工艺相比,其优势十分明显。我国国土面积大、地形复杂多样,垃圾填埋场大多根据地形而建,因此人工湿地可以充分利用不同地区的地形优势就地处理垃圾渗滤液。此外,该工艺具有去除污染物能力强、运行稳定、建设和运行成本低、构造简单等优点,在我国资金技术有限、土地不紧缺的中小城镇具有广泛的应用前景。但是人工湿地方法并不完美,在处理渗滤液时也存不少缺点,如占地面积大;湿地基质容易产生饱和、淤积和堵塞
25、;我国垃圾渗滤液水质特殊,用人工湿地进行直接处理效果不佳;在设计中基质搭配、植物种类选择存在许多困难。此外,选择湿地类型以获得最大的处理效率等也有待解决,在今后的研究中应多下功夫,使利用人工湿地处理垃圾渗滤液得到广泛推广,以解决日益困扰填埋场的垃圾渗滤液污染环境问题。参考文献:1赵由才,牛冬杰,柴晓利,等.固体废物处理与资源化M.北京:化学工业出版社,2006.2赵宗升,刘鸿亮,李炳伟,等.垃圾填埋场渗滤液污染的控制技术J.中国给水排水,2000,16(6)20-24.3沈耀良.新型废水处理技术人工湿地J.污染防治技术,1996,9(1,2)1-8.4李科德,胡正嘉.人工模拟芦苇床系统处理污水
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