城市垃圾滲濾液的生態(tài)治理工程技術(shù)研究——以紅廟嶺城市垃圾滲濾液生態(tài)治理為例

福州市環(huán)境科學研究院 劉用凱

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城市垃圾滲濾液的生態(tài)治理工程技術(shù)研究——以紅廟嶺城市垃圾滲濾液生態(tài)治理為例

福州市環(huán)境科學研究院 劉用凱

通過對垃圾填埋場滲濾液的特點、水質(zhì)影響因素、現(xiàn)有污水處理設(shè)施各單元處理能力的評價，結(jié)合紅廟嶺垃圾場滲濾液處理跟蹤探索和經(jīng)驗總結(jié)，提出擴容改造的工程技術(shù)方案。該方案結(jié)合國內(nèi)外人工濕地處理技術(shù)實現(xiàn)滲濾液處理的成功范例，提出建設(shè)生態(tài)濾床處理設(shè)施實現(xiàn)尾水深度處理的工程技術(shù)方案。方案對探索垃圾場退役封場后滲濾液生態(tài)循環(huán)處理的途徑，以及對滲濾液的污染防治具有參考意義和實際應(yīng)用價值。

城市垃圾 滲濾液 擴容改造 生態(tài)處理

紅廟嶺垃圾衛(wèi)生填埋場1995年10月投入使用，位于福州市北郊的北峰山地，離城區(qū)17km，占地300公頃。一期工程建設(shè)設(shè)計庫容715萬m3，投資1.2億元。截至2008年，紅廟嶺垃圾衛(wèi)生填埋場（一期）已超過設(shè)計庫容，擬進行封場。但垃圾場封場后，垃圾滲濾液仍會繼續(xù)向外排放污染環(huán)境。因此，開展紅廟嶺城市垃圾滲濾液處理技術(shù)研究，進而采用生態(tài)循環(huán)處理的方式來解決垃圾填埋場封場后滲濾液的處理問題，不論對垃圾填埋場本身的污染治理，還是對其周邊生態(tài)環(huán)境的保護，都具有極其重要的意義。

1 垃圾填埋場滲濾液的特點及其水質(zhì)影響因素

垃圾填埋場滲濾液由三部分組成：一是外來水分，包括大氣降水和地表徑流；二是垃圾受到擠壓后部分釋放的初始含水；三是垃圾降解過程中大量的有機物在厭氧及兼氧微生物的作用下轉(zhuǎn)化為后所釋放的內(nèi)源水[1]。

垃圾滲濾液具有有機物濃度高、成份復(fù)雜，含有大量病毒和致病菌等特點，其中可檢測出有機污染物就有幾十種，如單環(huán)芳烴類、多環(huán)芳烴類、雜環(huán)類、烷烴、烯烴類、醇及酚類、酮類、羧酸及酯類及胺類等。滲濾液中污染物種類多、濃度高、濃度變化范圍大；加上水量變化，不同的月份其濃度可相差幾十倍，旱季和雨季其水量更相差數(shù)百倍。因此，垃圾滲濾液具有水質(zhì)、水量大幅度急變的特性。

1.1 垃圾填埋場滲濾液的特點

垃圾滲濾液的性質(zhì)會隨著填埋場使用時間的變化而變化，垃圾填埋場滲濾液的產(chǎn)生量與降雨量、蒸發(fā)量、垃圾性質(zhì)、地表徑流、地下水滲入、地下層結(jié)構(gòu)和下層排水設(shè)施等條件有關(guān)。以紅廟嶺城市垃圾填埋場滲濾液為例，其水質(zhì)特征主要有以下幾個方面。

1.1.1營養(yǎng)元素比例失調(diào)，不利于生化處理

近些年來，紅廟嶺城市垃圾成分發(fā)生了很大的變化。無機物的含量銳減，渣礫組分變化較大，有機物的含量增加；滲濾液中的COD、BOD和NH3-N濃度越來越高，但磷元素含量較低，尤其是受滲濾液Ca2+濃度和總堿度水平的影響，溶解性的磷酸鹽濃度更低。滲濾液中高濃度的NH3-N會降低脫氫酶的活性，抑制微生物的活性，而磷元素的不足也不利于微生物的生長，同時滲濾液中高濃度的NH3-N也使得生物脫氫反硝化過程中的碳源顯得嚴重不足，滲濾液中營養(yǎng)元素比例失調(diào)給滲濾液的處理帶來了一定的困難。

1.1.2金屬含量低

紅廟嶺垃圾滲濾液中含有多種重金屬離子，同時滲濾液帶出的重金屬累計量約占垃圾帶入總量的0.5%~6.5%。垃圾中的微量重金屬有很少一部分進入了滲濾液，其濃度與所填埋垃圾的類型、組分和時間密切相關(guān)，垃圾本身對重金屬有較強的吸附能力。

1.1.3生物的可降解性隨填埋年份的增加而逐漸降低

垃圾滲濾液中含有大量有機污染物，一般來說可以分為三種：低分子量的脂肪酸類、腐殖質(zhì)高分子的碳水化合物和中等分子量的灰黃霉酸類物質(zhì)。在填埋初期，滲濾液中大約90%的可溶性有機碳是短鏈的可揮發(fā)性脂肪酸，其次是帶有較多羥基和芳香族羥基的灰黃霉酸，隨著所填埋的垃圾增多填埋場使用年限的延長，滲濾液的水質(zhì)將發(fā)生變化。紅廟嶺及垃圾填埋場封場后，滲濾液主要來源于降水和地下水，滲濾液水質(zhì)將趨于穩(wěn)定。滲濾液水質(zhì)具有可生化性差、氨氮濃度高、C/N值低、溶解性磷酸鹽濃度低、色度大等特點。

1.2 垃圾填埋場滲濾液的水質(zhì)影響因素

1.2.1垃圾成份對滲濾液水質(zhì)的影響

垃圾滲濾液水質(zhì)受垃圾成份影響很大，滲濾液中COD、BOD5主要是廚余有機物產(chǎn)生的；另外，爐灰、臟土等對滲濾液中有機物有吸附、過濾作用，其含量也會影響滲濾液有機物濃度。居民生活水平越高，垃圾中廚余含量越高。研究表明，當垃圾中爐灰含量相近時，垃圾廚余含量越高，滲濾液中COD、BOD5、NH3-N濃度越高。特別是福州地區(qū)城市居民以食用海產(chǎn)品為主，廚余亦以海產(chǎn)品剩余為主。因而，特別是夏秋兩季氣溫升高后，滲濾液中NH3-N濃度較高，經(jīng)污水庫下泄的滲濾液中NH3-N濃度檢出高達2000 ~2500mg/L。

1.2.2垃圾填埋時間對滲濾液水質(zhì)的影響

垃圾填埋后，隨著時間的變化，填埋場各階段垃圾分解形態(tài)與水質(zhì)變化發(fā)生如下：

調(diào)整期：填埋場初期或垃圾填埋作業(yè)進行中，水分逐漸積累且尚有氧氣存在，厭氧發(fā)酵作用及微生物作用緩慢，此階段滲濾液水量較少。

過渡期：水分達到飽和容量，垃圾及滲濾液中的微生物漸由好氧轉(zhuǎn)變?yōu)榧嫜跣约皡捬跣?，此階段尚無甲烷形成。

酸形成期：由于垃圾及滲濾液的兼氧性和專性厭氧微生物的水解酸化作用，垃圾中的有機物迅速分解為脂肪酸，而含N、P的有機物經(jīng)氨化和磷酸鹽轉(zhuǎn)化為氨氮和磷酸鹽，產(chǎn)生的滲濾液COD極高，可生化性好，屬于初期滲濾液。

甲烷形成期：在酸形成期間，如果有機酸未隨滲濾液流出填埋場，則將進入甲烷形成期。有機物經(jīng)甲烷菌分解轉(zhuǎn)化為CH4、CO2，同時也會產(chǎn)生一些氫氣。CO2溶解于水形成HCO3-、CO32-、H2CO3等不同形態(tài)的碳酸化合物，pH值則由于重碳酸鹽的緩沖系統(tǒng)而維持在6~8之間，同時也給甲烷菌提供了較好的生存條件；由于有機酸的急速分解，滲濾液的COD、BOD濃度會急劇降低，BOD/COD也降為0.1~0.01左右，滲濾液的可生化性變差，是后期滲濾液。

成熟期：滲濾液中可利用的有機成份已大量減少，細菌的生物穩(wěn)定作用趨于停止，并停止產(chǎn)生氣體，滲濾液中剩余腐殖質(zhì)易和重金屬離子發(fā)生絡(luò)合作用，水中ORP增加，氧氣及氯化物也隨之增加，自然環(huán)境狀況逐漸恢復(fù)。

表1 垃圾填埋場滲濾液水質(zhì)隨填埋年限的變化

1.2.3區(qū)域降水及氣候狀況對滲濾液水質(zhì)的影響

紅廟嶺垃圾填埋場是一種山谷型垃圾填埋場，滲濾液的產(chǎn)生量高，時變性比較大，滲濾液產(chǎn)生量受降水量的影響。該填埋場雖然匯水面積不大，但紅廟嶺是福州雨量最大的地區(qū)之一，其降水比福州平原地區(qū)大約要高20%左右。據(jù)氣象資料統(tǒng)計，近年來福州市年均降水量可達1500~2400mm，這勢必加大滲濾液的產(chǎn)生量。降水是滲濾液的主要來源，其大小直接影響著滲濾液產(chǎn)生量，降水一部分形成地表徑流，另一部分下滲到垃圾填埋體成為滲濾液，影響地表徑流下滲的主要因素有降雨量、降雨強度、降雨歷時和填埋場覆蓋狀況等。紅廟嶺垃圾場屬早年建設(shè)工程，僅結(jié)合當?shù)氐匦蔚孛蔡攸c，局部開展垂直防滲，無水平防滲。根據(jù)近年統(tǒng)計結(jié)果，垃圾滲濾液平均排放量為1500~1800 m3/d，現(xiàn)已全面完成排洪溝建設(shè)和覆蓋，預(yù)計滲濾液產(chǎn)生量將有所下降。

2 紅廟嶺垃圾場垃圾滲濾液處理現(xiàn)狀分析

2.1 紅廟嶺垃圾場垃圾滲濾液處理工藝

現(xiàn)有的處理工藝是采用物化+生化工藝，其處理流程如下：

滲濾液→污水庫→配水井→UASB反應(yīng)器→中沉池→氨氮吹脫塔（由于運行費用高，未啟用）→氧化溝→絮凝反應(yīng)池→二沉池→一、二、三級生物塘→消毒池→四級生物塘→排放。

2.1.1污水庫單元

紅廟嶺垃圾填埋場污水庫(10萬m3)具有沉淀、厭氧等多種綜合處理效果，調(diào)蓄污水庫垃圾滲濾液流入污水處理廠水量的作用。作為污水處理的一個單元，垃圾滲濾液在污水庫中經(jīng)過長時間的貯存、沉淀、厭氧等作用，使污水中的有機物得到很好的分解、降解，同時，使進入處理設(shè)施的污水有較好的均值。垃圾污水庫滲濾液中CODcr為6300~7000mg/L，污水在污水庫中的CODcr去除率高達57%~67%，污水庫出水管中污水的CODcr為2300~3000mg/L。在污水庫出口處滲濾液中CODcr平均值為2800mg/L；BOD平均值為1750 mg/L，氨氮濃度為708 mg/L，總氮平均濃度達7000 mg/L，平均色度達251度，重金屬含量均不高。

2.1.2厭氧處理單元

污水處理廠采用上流式厭氧污泥反應(yīng)器（UASB）作為污水厭氧處理工藝的主要處理單元。其在工藝上選用UASB時，控制適宜的污水溫度是保證厭氧消化高效進行的條件，在冬季實際運行中，進厭氧器的污水水溫不會超過17℃。UASB在處理負荷為設(shè)計能力的47.6%時（20m3/h），實際容積負荷為2.04 kgCODcr/m3.d。

2.1.3好氧處理單元

奧貝爾氧化溝利用外溝、中溝、內(nèi)溝控制不同體積和不同溶氧量，達到生物硝化與反硝化的作用。其中第一溝（外溝）溶解氧控制在0~0.5mg/L；第二溝（中溝）溶解氧控制在0.5~1.5 mg/L；第三溝（內(nèi)溝）溶解氧控制在1.5~2.5 mg/L；既在第一溝中對污水中的有機物水解酸化，又能利用污水中的BOD為碳源對回流自第三溝中的硝酸鹽進行反硝化，總氮量可去除80%左右。

2.1.4生物氧化塘處理單元

利用紅廟嶺溪的自然落差，建了4個生物氧化塘，利用水生生物水葫蘆以及池中的微生物對污水進一步處理。氧化塘的構(gòu)造和設(shè)施比較簡單，運行和維修管理的技術(shù)要求不高，進入污水水質(zhì)的波動變化也不會引起出水水質(zhì)大的波動，耐沖擊負荷的能力比較強。同時，氧化塘對污水中的細菌有一定去除作用。對于垃圾滲濾液這種含有較多難以生物降解的有機物的污水有一定的去除能力。紅廟嶺的四級氧化塘在設(shè)計時分別按厭氧→兼氧→好氧流程來設(shè)計，但在實際運行中沒有按設(shè)計運行，特別是第四級氧化塘原來的定位為“好氧塘”，實際變成了“厭氧塘”，其二、三級原設(shè)計為兼氧塘，實際都成了“厭氧塘”，因此影響了其處理效果，特別是降低了對氨氮的處理效果。經(jīng)四級氧化塘的處理后，出水口污水水質(zhì)為：CODcr163mg/L，BOD559 mg/L，NH3—N 88 mg/L，SS 210mg/L。

2.2 紅廟嶺垃圾處理場污水處理現(xiàn)狀評價

紅廟嶺垃圾滲濾液處理設(shè)施由沉淀、厭氧、好氧等處理單元構(gòu)成，污水廠尾水進入生物氧化塘深度處理后排放。污水處理廠現(xiàn)有設(shè)施存在的最大問題是其設(shè)計處理能力僅為1000噸/日，而實際滲濾液產(chǎn)生量為1600噸/日，這是未能達標的關(guān)鍵所在。紅廟嶺垃圾場現(xiàn)有配套氧化塘處理單元，利用紅廟溪的自然落差，按兼氧—好氧設(shè)計建設(shè)4個4.2萬m3的生物氧化塘，利用微生物對污水深度處理，大大提高了系統(tǒng)的抗沖擊負荷能力。因此，前端處理設(shè)施由于設(shè)計能力太小，非正常運行時，尾水進入生物氧化塘后，基本上能達到接近《污水綜合排放標準》二級排放標準。

2.3 滲濾液處理系統(tǒng)擴容改造技術(shù)分析

根據(jù)2008年頒布的《生活垃圾填埋場污染控制標準》規(guī)定[2]，滲濾液未經(jīng)處理達標不得排放，因此，必須對現(xiàn)有滲濾液處理系統(tǒng)進行技改擴容。

紅廟嶺垃圾場滲濾液處理系統(tǒng)生化處理設(shè)施維護方面，應(yīng)注重總結(jié)現(xiàn)有系統(tǒng)單元設(shè)置和運行方面經(jīng)驗，包括：增加鐵碳電化學處理單元，氧化溝兩段曝氣提高脫氮效果，增強沉淀單元優(yōu)化出水水質(zhì)?，F(xiàn)有生化處理設(shè)施維護，包括適當?shù)那謇砗透鲉卧木S修和保養(yǎng)，預(yù)計投資300萬元。重點內(nèi)容包括設(shè)施維護調(diào)試達到設(shè)計要求，在垃圾封場前期和中期內(nèi)應(yīng)保持正常運行，中后期排放垃圾滲濾液濃度達到相關(guān)要求后停止使用，滲濾液由污水庫收集后，進入氧化塘和生態(tài)濾床處理系統(tǒng)處理和回用[3]。

現(xiàn)有10萬m3污水庫和4.2萬m3氧化塘的清淤，改造成為好氧塘，引進水生植物、特效微生物提高氧化塘凈化能力。此部分污泥約有10萬m3，將清理出的污泥進行脫水、干化、堆肥處理后，作為花肥加以綜合利用。清淤工程設(shè)計經(jīng)費預(yù)算1000萬元，污泥干化堆肥處理工程經(jīng)費預(yù)算2000萬元，氧化塘改造為好氧塘工程投資預(yù)算100萬元[3]。

3 滲濾液生態(tài)處理技術(shù)

3.1 人工濕地的組成與分類

人工濕地是一種人工建造和管理控制的與沼澤地類似的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。建造人工濕地的目的是建造濕地生物的棲息地、食物與纖維物質(zhì)生產(chǎn)地及廢水處理設(shè)施。人工濕地主要由四部分組成：①具有各種透水性的基質(zhì)，如土壤、砂、礫石等?；|(zhì)具有支持植物、保持濕地系統(tǒng)中的生命和非生命物質(zhì)，為微生物生長、同體物的沉積提供較大的表面積。②濕地植物。它們適于在飽和水和厭氧基質(zhì)中生長，如蘆葦、香根草等具有供氧、降低水流的速率、協(xié)助水的傳導、養(yǎng)分的吸收和有機物的分泌等作用。③水。即在基質(zhì)表面下或上流動的水。人工濕地水面的高低影響著系統(tǒng)中的生化反應(yīng)環(huán)境，決定著反應(yīng)的產(chǎn)物，影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)功能。④活的生物體。濕地中有許多大型和微型的生物體，在濕地系統(tǒng)中處理廢水起關(guān)鍵作用的是微型生命系統(tǒng)，如細菌、真菌、原生動物。

目前對人工濕地的分類有兩種方法：一種是按照水流方式將人工濕地分為表面流濕地、水平潛流濕地和垂直流濕地；另一種方法是按大型植物的類型，將人工濕地分為浮水植物型、沉水植物型和挺水植物型濕地。

3.2 人工濕地處理垃圾滲濾液的應(yīng)用現(xiàn)狀

自1953年德國科學家發(fā)現(xiàn)可利用適當?shù)乃参锝档蛢?nèi)陸水的肥力、污染物以來，一些政府及私人研究機構(gòu)對利用自然或人工濕地系統(tǒng)處理廢水進行了不少努力，隨著利用人工濕地進行廢水處理的研究不斷深入，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大。目前，該技術(shù)已可處理生活污水、城市徑流、工業(yè)及農(nóng)業(yè)廢水、垃圾滲濾和酸性礦排水等。美國利用人工濕地處理垃圾滲濾液較廣泛，如阿拉巴馬州的垃圾填埋場將一般污水和滲濾液混合進水后，采用表面流人工濕地，經(jīng)過沉淀池沉淀后達到排放標準，其COD去除率達90%、TSS去除率達97%、重金屬Cu去除率達52%、Pb去除率達到94%；美國紐約市采用表面流濕地和潛流濕地對封場后的滲濾液進行處理，其COD去除率達68%、BOD去除率達46%、Fe去除率達80%；美國愛荷華州地區(qū)采用人工濕地直接處理垃圾填埋場的滲濾液，效果顯著。在實際運用中，人工濕地多與其它處理工藝相結(jié)合來穩(wěn)定處理后的水質(zhì)。如我國上海的老港垃圾填埋場采用“厭氧塘+兼氧塘+曝氣塘+蘆葦濕地”的處理工藝處理滲濾液； 挪威的垃圾填埋場則采用“氧化塘+人工濕地系統(tǒng)”的處理模式，均獲得了較好的處理效果。

3.3 應(yīng)用生物濾床處理設(shè)施處理滲濾液

首先，基于對紅廟嶺垃圾場封場后排放的滲濾液水質(zhì)水量預(yù)測分析的基礎(chǔ)上，提出對現(xiàn)有污水處理設(shè)施的改造和修復(fù)方案。其次，充分利用紅廟嶺垃圾衛(wèi)生填埋場封場后的場地，建成水生植物園、生態(tài)濾床處理系統(tǒng)，采取人工濕地技術(shù)，形成由多條食物鏈構(gòu)成的人工生態(tài)系統(tǒng)?？傮w思路是，封場初期排放的垃圾滲濾液，先經(jīng)過現(xiàn)有的垃圾污水處理設(shè)施和氧化塘處理系統(tǒng)后，尾水提升150米高程輸送入生態(tài)濾床處理系統(tǒng)，力爭出水水質(zhì)達到地表水Ⅴ類標準。出水用于周邊林地的噴灌和其他項目的綜合利用。

新建生態(tài)濾床處理設(shè)施，設(shè)計污水處理規(guī)模為5000 m3/d，需配套濾床占地40000 m2；包括泵站建設(shè)（取氧化塘之后的尾水，設(shè)計量按污水+地表水徑流）、過濾池建設(shè)和配水布水系統(tǒng)建設(shè)。利用紅廟嶺垃圾衛(wèi)生填埋場一期工程封場后的場地地面建成生態(tài)濾床和水生植物生產(chǎn)基地，也可作為溫室水培種植基地，可將氧化塘出水的主要污染物指標處理達到地表水Ⅴ類標準。尾水可結(jié)合紅廟嶺生態(tài)園區(qū)建設(shè)項目統(tǒng)籌結(jié)合利用。泵站和輸水管線建設(shè)工程投資預(yù)算30萬元，生態(tài)濾床工程投資預(yù)算2000萬元[3]。

4 結(jié)論

隨著城市化進程的加快，城市生活垃圾的處理問題已日趨凸顯；垃圾滲濾液處理是城市垃圾填埋中的重要一環(huán)，滲濾液的環(huán)境污染問題已引起人們的高度關(guān)注。特別是福州市現(xiàn)有城市垃圾處理主要由焚燒場來完成，封場后滲濾液將持續(xù)10~15年對水環(huán)境造成污染影響。筆者認為應(yīng)當在現(xiàn)有污水處理系統(tǒng)擴容改造基礎(chǔ)上，應(yīng)用人工濕地技術(shù)，建成生態(tài)濾床處理系統(tǒng)，實現(xiàn)尾水的深度處理，從而有效解決垃圾滲濾液污染問題，生態(tài)治理工程投資預(yù)算總計5430萬元。同時方案提出建設(shè)有觀賞價值的水生植物生態(tài)基地，用于城市的綠化和美化，可以達到和諧雙贏的目標。

[1] 王寶貞,王琳.城市固體廢物滲濾液的處理與處置.北京:化學工業(yè)出版社,2005.

[2] 國家環(huán)境保護總局GB 16889~2008.生活垃圾填埋場污染控制標準.北京:中國環(huán)境科學出版社,2008.

[3] 劉用凱,等.福州市城市生活垃圾處理研究和應(yīng)用課題研究.福州:福州市環(huán)境科學研究所,2006.