城市垃圾渗滤液的生态治理工程技术研究

来源:用户上传      作者: 刘用凯

　　[摘要] 通过对垃圾填埋场渗滤液的特点、水质影响因素、现有污水处理设施各单元处理能力的评价，结合红庙岭垃圾场渗滤液处理跟踪探索和经验总结，提出扩容改造的工程技术方案。该方案结合国内外人工湿地处理技术实现渗滤液处理的成功范例，提出建设生态滤床处理设施实现尾水深度处理的工程技术方案。方案对探索垃圾场退役封场后渗滤液生态循环处理的途径，以及对渗滤液的污染防治具有参考意义和实际应用价值。
　　[关键词] 城市垃圾 渗滤液 扩容改造 生态处理
　　
　　红庙岭垃圾卫生填埋场1995年10月投入使用，位于福州市北郊的北峰山地，离城区17km，占地300公顷。一期工程建设设计库容715万m3，投资1.2亿元。截至2008年，红庙岭垃圾卫生填埋场（一期）已超过设计库容，拟进行封场。但垃圾场封场后，垃圾渗滤液仍会继续向外排放污染环境。因此，开展红庙岭城市垃圾渗滤液处理技术研究，进而采用生态循环处理的方式来解决垃圾填埋场封场后渗滤液的处理问题，不论对垃圾填埋场本身的污染治理，还是对其周边生态环境的保护，都具有极其重要的意义。
　　1 垃圾填埋场渗滤液的特点及其水质影响因素
　　垃圾填埋场渗滤液由三部分组成：一是外来水分，包括大气降水和地表径流；二是垃圾受到挤压后部分释放的初始含水；三是垃圾降解过程中大量的有机物在厌氧及兼氧微生物的作用下转化为后所释放的内源水[1]。
　　垃圾渗滤液具有有机物浓度高、成份复杂，含有大量病毒和致病菌等特点，其中可检测出有机污染物就有几十种，如单环芳烃类、多环芳烃类、杂环类、烷烃、烯烃类、醇及酚类、酮类、羧酸及酯类及胺类等。渗滤液中污染物种类多、浓度高、浓度变化范围大；加上水量变化，不同的月份其浓度可相差几十倍，旱季和雨季其水量更相差数百倍。因此，垃圾渗滤液具有水质、水量大幅度急变的特性。
　　1.1 垃圾填埋场渗滤液的特点
　　垃圾渗滤液的性质会随着填埋场使用时间的变化而变化，垃圾填埋场渗滤液的产生量与降雨量、蒸发量、垃圾性质、地表径流、地下水渗入、地下层结构和下层排水设施等条件有关。以红庙岭城市垃圾填埋场渗滤液为例，其水质特征主要有以下几个方面。
　　1.1.1营养元素比例失调，不利于生化处理
　　近些年来，红庙岭城市垃圾成分发生了很大的变化。无机物的含量锐减，渣砾组分变化较大，有机物的含量增加；渗滤液中的COD、BOD和NH3-N浓度越来越高，但磷元素含量较低，尤其是受渗滤液Ca2+浓度和总碱度水平的影响，溶解性的磷酸盐浓度更低。渗滤液中高浓度的NH3-N会降低脱氢酶的活性，抑制微生物的活性，而磷元素的不足也不利于微生物的生长，同时渗滤液中高浓度的NH3-N也使得生物脱氢反硝化过程中的碳源显得严重不足，渗滤液中营养元素比例失调给渗滤液的处理带来了一定的困难。
　　1.1.2金属含量低
　　红庙岭垃圾渗滤液中含有多种重金属离子，同时渗滤液带出的重金属累计量约占垃圾带入总量的0.5%~6.5%。垃圾中的微量重金属有很少一部分进入了渗滤液，其浓度与所填埋垃圾的类型、组分和时间密切相关，垃圾本身对重金属有较强的吸附能力。
　　1.1.3生物的可降解性随填埋年份的增加而逐渐降低
　　垃圾渗滤液中含有大量有机污染物，一般来说可以分为三种：低分子量的脂肪酸类、腐殖质高分子的碳水化合物和中等分子量的灰黄霉酸类物质。在填埋初期，渗滤液中大约90%的可溶性有机碳是短链的可挥发性脂肪酸，其次是带有较多羟基和芳香族羟基的灰黄霉酸，随着所填埋的垃圾增多填埋场使用年限的延长，渗滤液的水质将发生变化。红庙岭及垃圾填埋场封场后，渗滤液主要来源于降水和地下水，渗滤液水质将趋于稳定。渗滤液水质具有可生化性差、氨氮浓度高、C/N值低、溶解性磷酸盐浓度低、色度大等特点。
　　1.2 垃圾填埋场渗滤液的水质影响因素
　　1.2.1垃圾成份对渗滤液水质的影响
　　垃圾渗滤液水质受垃圾成份影响很大，渗滤液中COD、BOD5主要是厨余有机物产生的；另外，炉灰、脏土等对渗滤液中有机物有吸附、过滤作用，其含量也会影响渗滤液有机物浓度。居民生活水平越高，垃圾中厨余含量越高。研究表明，当垃圾中炉灰含量相近时，垃圾厨余含量越高，渗滤液中COD、BOD5、NH3-N浓度越高。特别是福州地区城市居民以食用海产品为主，厨余亦以海产品剩余为主。因而，特别是夏秋两季气温升高后，渗滤液中NH3-N浓度较高，经污水库下泄的渗滤液中NH3-N浓度检出高达2000 ~2500mg/L。
　　1.2.2垃圾填埋时间对渗滤液水质的影响
　　垃圾填埋后，随着时间的变化，填埋场各阶段垃圾分解形态与水质变化发生如下：
　　调整期：填埋场初期或垃圾填埋作业进行中，水分逐渐积累且尚有氧气存在，厌氧发酵作用及微生物作用缓慢，此阶段渗滤液水量较少。
　　过渡期：水分达到饱和容量，垃圾及渗滤液中的微生物渐由好氧转变为兼氧性及厌氧性，此阶段尚无甲烷形成。
　　酸形成期：由于垃圾及渗滤液的兼氧性和专性厌氧微生物的水解酸化作用，垃圾中的有机物迅速分解为脂肪酸，而含N、P的有机物经氨化和磷酸盐转化为氨氮和磷酸盐，产生的渗滤液COD极高，可生化性好，属于初期渗滤液。
　　甲烷形成期：在酸形成期间，如果有机酸未随渗滤液流出填埋场，则将进入甲烷形成期。有机物经甲烷菌分解转化为CH4、CO2，同时也会产生一些氢气。CO2溶解于水形成HCO3-、CO32-、H2CO3等不同形态的碳酸化合物，pH值则由于重碳酸盐的缓冲系统而维持在6~8之间，同时也给甲烷菌提供了较好的生存条件；由于有机酸的急速分解，渗滤液的COD、BOD浓度会急剧降低，BOD/COD也降为0.1~0.01左右，渗滤液的可生化性变差，是后期渗滤液。
　　成熟期：渗滤液中可利用的有机成份已大量减少，细菌的生物稳定作用趋于停止，并停止产生气体，渗滤液中剩余腐殖质易和重金属离子发生络合作用，水中ORP增加，氧气及氯化物也随之增加，自然环境状况逐渐恢复。
　　
　　1.2.3区域降水及气候状况对渗滤液水质的影响
　　红庙岭垃圾填埋场是一种山谷型垃圾填埋场，渗滤液的产生量高，时变性比较大，渗滤液产生量受降水量的影响。该填埋场虽然汇水面积不大，但红庙岭是福州雨量最大的地区之一，其降水比福州平原地区大约要高20%左右。据气象资料统计，近年来福州市年均降水量可达1500~2400mm，这势必加大渗滤液的产生量。降水是渗滤液的主要来源，其大小直接影响着渗滤液产生量，降水一部分形成地表径流，另一部分下渗到垃圾填埋体成为渗滤液，影响地表径流下渗的主要因素有降雨量、降雨强度、降雨历时和填埋场覆盖状况等。红庙岭垃圾场属早年建设工程，仅结合当地地形地貌特点，局部开展垂直防渗，无水平防渗。根据近年统计结果，垃圾渗滤液平均排放量为1500~1800 m3/d，现已全面完成排洪沟建设和覆盖，预计渗滤液产生量将有所下降。
　　2 红庙岭垃圾场垃圾渗滤液处理现状分析
　　2.1 红庙岭垃圾场垃圾渗滤液处理工艺
　　现有的处理工艺是采用物化+生化工艺，其处理流程如下：
　　渗滤液→污水库→配水井→UASB反应器→中沉池→氨氮吹脱塔（由于运行费用高，未启用）→氧化沟→絮凝反应池→二沉池→一、二、三级生物塘→消毒池→四级生物塘→排放。
　　2.1.1污水库单元
　　红庙岭垃圾填埋场污水库(10万m3)具有沉淀、厌氧等多种综合处理效果，调蓄污水库垃圾渗滤液流入污水处理厂水量的作用。作为污水处理的一个单元，垃圾渗滤液在污水库中经过长时间的贮存、沉淀、厌氧等作用，使污水中的有机物得到很好的分解、降解，同时，使进入处理设施的污水有较好的均值。垃圾污水库渗滤液中CODcr为6300~7000mg/L，污水在污水库中的CODcr去除率高达57%~67%，污水库出水管中污水的CODcr为2300~3000mg/L。在污水库出口处渗滤液中CODcr平均值为2800mg/L；BOD平均值为1750 mg/L，氨氮浓度为708 mg/L，总氮平均浓度达7000 mg/L，平均色度达251度，重金属含量均不高。

　　2.1.2厌氧处理单元
　　污水处理厂采用上流式厌氧污泥反应器（UASB）作为污水厌氧处理工艺的主要处理单元。其在工艺上选用UASB时，控制适宜的污水温度是保证厌氧消化高效进行的条件，在冬季实际运行中，进厌氧器的污水水温不会超过17℃。UASB在处理负荷为设计能力的47.6%时（20m3/h），实际容积负荷为2.04 kgCODcr/m3.d。
　　2.1.3好氧处理单元
　　奥贝尔氧化沟利用外沟、中沟、内沟控制不同体积和不同溶氧量，达到生物硝化与反硝化的作用。其中第一沟（外沟）溶解氧控制在0~0.5mg/L；第二沟（中沟）溶解氧控制在0.5~1.5 mg/L；第三沟（内沟）溶解氧控制在1.5~2.5 mg/L；既在第一沟中对污水中的有机物水解酸化，又能利用污水中的BOD为碳源对回流自第三沟中的硝酸盐进行反硝化，总氮量可去除80%左右。
　　2.1.4生物氧化塘处理单元
　　利用红庙岭溪的自然落差，建了4个生物氧化塘，利用水生生物水葫芦以及池中的微生物对污水进一步处理。氧化塘的构造和设施比较简单，运行和维修管理的技术要求不高，进入污水水质的波动变化也不会引起出水水质大的波动，耐冲击负荷的能力比较强。同时，氧化塘对污水中的细菌有一定去除作用。对于垃圾渗滤液这种含有较多难以生物降解的有机物的污水有一定的去除能力。红庙岭的四级氧化塘在设计时分别按厌氧→兼氧→好氧流程来设计，但在实际运行中没有按设计运行，特别是第四级氧化塘原来的定位为“好氧塘”，实际变成了“厌氧塘”，其二、三级原设计为兼氧塘，实际都成了“厌氧塘”，因此影响了其处理效果，特别是降低了对氨氮的处理效果。经四级氧化塘的处理后，出水口污水水质为：CODcr 163mg/L，BOD5 59 mg/L，NH3―N 88 mg/L，SS 210mg/L。
　　2.2 红庙岭垃圾处理场污水处理现状评价
　　红庙岭垃圾渗滤液处理设施由沉淀、厌氧、好氧等处理单元构成，污水厂尾水进入生物氧化塘深度处理后排放。污水处理厂现有设施存在的最大问题是其设计处理能力仅为1000吨/日，而实际渗滤液产生量为1600吨/日，这是未能达标的关键所在。红庙岭垃圾场现有配套氧化塘处理单元，利用红庙溪的自然落差，按兼氧―好氧设计建设4个4.2万m3的生物氧化塘，利用微生物对污水深度处理，大大提高了系统的抗冲击负荷能力。因此，前端处理设施由于设计能力太小，非正常运行时，尾水进入生物氧化塘后，基本上能达到接近《污水综合排放标准》二级排放标准。
　　2.3渗滤液处理系统扩容改造技术分析
　　根据2008年颁布的《生活垃圾填埋场污染控制标准》规定[2]，渗滤液未经处理达标不得排放，因此，必须对现有渗滤液处理系统进行技改扩容。
　　红庙岭垃圾场渗滤液处理系统生化处理设施维护方面，应注重总结现有系统单元设置和运行方面经验，包括：增加铁碳电化学处理单元，氧化沟两段曝气提高脱氮效果，增强沉淀单元优化出水水质。现有生化处理设施维护，包括适当的清理和各单元的维修和保养，预计投资300万元。重点内容包括设施维护调试达到设计要求，在垃圾封场前期和中期内应保持正常运行，中后期排放垃圾渗滤液浓度达到相关要求后停止使用，渗滤液由污水库收集后，进入氧化塘和生态滤床处理系统处理和回用[3]。
　　现有10万m3污水库和4.2万m3氧化塘的清淤，改造成为好氧塘，引进水生植物、特效微生物提高氧化塘净化能力。此部分污泥约有10万m3，将清理出的污泥进行脱水、干化、堆肥处理后，作为花肥加以综合利用。清淤工程设计经费预算1000万元，污泥干化堆肥处理工程经费预算2000万元，氧化塘改造为好氧塘工程投资预算100万元[3]。
　　3 渗滤液生态处理技术
　　3.1 人工湿地的组成与分类
　　人工湿地是一种人工建造和管理控制的与沼泽地类似的复合生态系统。建造人工湿地的目的是建造湿地生物的栖息地、食物与纤维物质生产地及废水处理设施。人工湿地主要由四部分组成：①具有各种透水性的基质，如土壤、砂、砾石等。基质具有支持植物、保持湿地系统中的生命和非生命物质，为微生物生长、同体物的沉积提供较大的表面积。②湿地植物。它们适于在饱和水和厌氧基质中生长，如芦苇、香根草等具有供氧、降低水流的速率、协助水的传导、养分的吸收和有机物的分泌等作用。③水。即在基质表面下或上流动的水。人工湿地水面的高低影响着系统中的生化反应环境，决定着反应的产物，影响着湿地生态系统功能。④活的生物体。湿地中有许多大型和微型的生物体，在湿地系统中处理废水起关键作用的是微型生命系统，如细菌、真菌、原生动物。
　　目前对人工湿地的分类有两种方法：一种是按照水流方式将人工湿地分为表面流湿地、水平潜流湿地和垂直流湿地；另一种方法是按大型植物的类型，将人工湿地分为浮水植物型、沉水植物型和挺水植物型湿地。
　　3.2人工湿地处理垃圾渗滤液的应用现状
　　自1953年德国科学家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，随着利用人工湿地进行废水处理的研究不断深入，应用领域也不断扩大。目前，该技术已可处理生活污水、城市径流、工业及农业废水、垃圾渗滤和酸性矿排水等。美国利用人工湿地处理垃圾渗滤液较广泛，如阿拉巴马州的垃圾填埋场将一般污水和渗滤液混合进水后，采用表面流人工湿地，经过沉淀池沉淀后达到排放标准，其COD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%；美国纽约市采用表面流湿地和潜流湿地对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去除率达80%；美国爱荷华州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。在实际运用中，人工湿地多与其它处理工艺相结合来稳定处理后的水质。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；挪威的垃圾填埋场则采用“氧化塘+人工湿地系统”的处理模式，均获得了较好的处理效果。
　　3.3应用生物滤床处理设施处理渗滤液
　　首先，基于对红庙岭垃圾场封场后排放的渗滤液水质水量预测分析的基础上，提出对现有污水处理设施的改造和修复方案。其次，充分利用红庙岭垃圾卫生填埋场封场后的场地，建成水生植物园、生态滤床处理系统，采取人工湿地技术，形成由多条食物链构成的人工生态系统。总体思路是，封场初期排放的垃圾渗滤液，先经过现有的垃圾污水处理设施和氧化塘处理系统后，尾水提升150米高程输送入生态滤床处理系统，力争出水水质达到地表水Ⅴ类标准。出水用于周边林地的喷灌和其他项目的综合利用。
　　新建生态滤床处理设施，设计污水处理规模为5000 m3/d，需配套滤床占地40000 m2；包括泵站建设（取氧化塘之后的尾水，设计量按污水+地表水径流）、过滤池建设和配水布水系统建设。利用红庙岭垃圾卫生填埋场一期工程封场后的场地地面建成生态滤床和水生植物生产基地，也可作为温室水培种植基地，可将氧化塘出水的主要污染物指标处理达到地表水Ⅴ类标准。尾水可结合红庙岭生态园区建设项目统筹结合利用。泵站和输水管线建设工程投资预算30万元，生态滤床工程投资预算2000万元[3]。
　　4 结论
　　随着城市化进程的加快，城市生活垃圾的处理问题已日趋凸显；垃圾渗滤液处理是城市垃圾填埋中的重要一环，渗滤液的环境污染问题已引起人们的高度关注。特别是福州市现有城市垃圾处理主要由焚烧场来完成，封场后渗滤液将持续10~15年对水环境造成污染影响。笔者认为应当在现有污水处理系统扩容改造基础上，应用人工湿地技术，建成生态滤床处理系统，实现尾水的深度处理，从而有效解决垃圾渗滤液污染问题，生态治理工程投资预算总计5430万元。同时方案提出建设有观赏价值的水生植物生态基地，用于城市的绿化和美化，可以达到和谐双赢的目标。
　　
　　参考文献：
　　[1] 王宝贞,王琳.城市固体废物渗滤液的处理与处置.北京:化学工业出版社,2005.
　　[2] 国家环境保护总局GB 16889~2008.生活垃圾填埋场污染控制标准.北京:中国环境科学出版社,2008.
　　[3] 刘用凯,等.福州市城市生活垃圾处理研究和应用课题研究.福州:福州市环境科学研究所,2006.
　　

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