陈垃圾反应床 芦苇湿地.doc

陈垃圾反应床芦苇人工湿地处理垃圾渗滤液的效能研究 刘倩1 谢冰1* 胡冲1 顾玉祥2 安永新2（1.上海城市化和生态修复重点实验室，华东师范大学环境科学系，上海 200062 ； 2.上海环境工程技术有限公司，上海 200070）摘要：试验了陈垃圾反应床与芦苇人工湿地串联对垃圾渗滤液中污染物的去除效果, 并探讨了湿地中芦苇生长和对渗滤液中总氮的吸收能力。结果表明: 在进水负荷为0.1 m3/ m2.d的条件下，经过3个月的运行，陈垃圾反应床与芦苇人工湿地对陈年渗滤液中COD、氨氮、总氮及总磷的最大去除率分别达到90.3% 、95.0%、79.3%和99.8%。通过对人工湿地中芦苇的分析表明，芦苇在6至8月份生长迅速，地上部分生物量与其氮含量增加较快，最大值均出现在8月底，植株总含氮量可以达到28.5 g/m2。此时收割芦苇可从湿地中最大限度除氮。如能增加芦苇种植密度，陈垃圾床与芦苇湿地串联处理渗滤液污染物以及深度去氮是可行的。关键词： 陈垃圾反应床，芦苇湿地，渗滤液，总氮，去除效能Study on the removal capacity of landfill leachate by aged refuse bioreactor and reeds wetlandLiu Qian1 , Xie Bing1*, Hu Chong1, Gu Yuxiang2, An Yongxing2(1.KeyLaboratoryofUrbanizationandEcologicalRestorationofShanghai, Department of Environment Science, East China Normal University, Shanghai 200062, China； 2. Shanghai Environmental Engineering Technology Co.Ltd, Shanghai 200070,China)基金项目:国家自然科学基金(20977031 );上海市科委基金项目（09ZR1409000）; 上海市城市化生态过程与生态恢复重点实验室开放基金 作者简介:刘倩（1985），女，环境工程专业硕士研究生，研究方向为水污染控制技术 通讯作者：谢冰；联系电话Abstract: The removal efficiency of pollutants in reeds wetland and aged refuse bioreactor was studied, and the growth and TN absorptivity of the reeds were explored . The results showed that under the hydraulic loading rate of 0.1 m3/ m2.d, the highest removal rates of COD , NH4+-N , TN and TP in aged leachate were 90.3%,94.5%,79.3% and 99.8% respectively after three months running. Through the analysis of reed in wetland, the reeds grew rapidly from June to August, the biomass and total nitrogen (TN) content in aboveground parts of reeds increased rapidly, both the maximum had occurred in later August. The total nitrogen content of plant could reach 28.5 g/m2. It can remove total nitrogen most greatly by harvesting reeds at this time. If increase the reed planting density, it is feasible to treat pollutants of landfill leachate as well as remove nitrogen deeplydeeply by the reeds wetland and aged refuse bioreactor. Keyword: aged refuse bioreactor, reed wetland, landfill leachate, total nitrogen, removal efficiency 陈垃圾是经过若干年填埋降解后，基本达到稳定状态的填埋垃圾1。与常规土壤相比，其有良好的理化性质、较强的吸附能力、优良的水力渗透性能和数量庞大且种类繁多的微生物，采用陈垃圾构建生物反应床用于渗滤液处理时，不但处理费用低、去除效率高、抗冲击性能强，而且实现了填埋垃圾的资源化，以废治废 2-4。然而陈垃圾反应床对渗滤液特别是陈年渗滤液中总氮去除率尚待提高5。人工湿地是一种新型的基质、植物和微生物生态系统，这种污水处理技术具有建设与运行成本低、处理效果好、生态环境效益显著等特点6-7。植物在人工湿地污水净化过程中起着重要作用，可通过附着、吸收、积累和降解去除污水中的有机物、氮、磷等营养物质8-9。芦苇为多年生挺水植物，植株高大，地下有发达的匍匐根状茎，多生长在池塘、河溪边等多水地区，利用芦苇湿地处理污染河水和污水等已有报道9-11，但对于渗滤液由于其浓度高，毒性大，直接经过湿地处理会对植物造成伤害12。本实验采用陈垃圾反应床对渗滤液进行预处理，处理后的出水进入芦苇湿地，研究陈垃圾反应床与芦苇湿地串联对污染物去除效果，并考察了湿地中芦苇生长对渗滤液总氮的去除能力。1 材料与方法1.1 试验地区概况陈垃圾反应床及芦苇人工湿地中试反应装置位于上海老港垃圾填埋场。渗滤液来自老港填埋场调节池。陈垃圾反应床和芦苇湿地床为两块占地1513米的长方形地块，分别填充有效高度2.5米左右的陈垃圾和工厂废弃炉渣。芦苇于3月移栽到湿地中，湿地中种植芦苇约180棵。从6月开始，陈垃圾床和芦苇湿地进水采取均匀进水的方式，日进水量20 m3/d，进水渗滤液水质参见表1。 表1.垃圾渗滤液进水水质（除pH外，单位均为mg /L）Table 1. Characteristics of landfill leachate CODCr BOD5 NH4+-N TN TPpH范围平均21003200 2700 200320 260 14002000170015002200180010221.2 试验方法1.2.1 采样方法实验开始后，每月1-2次对进水、陈垃圾生物反应床出水、芦苇生物滤池出水水质进行采样分析，主要水质指标为COD、氨氮、总氮和总磷等。6月份开始每月采芦苇样品一次，直到11月份芦苇枯萎。每次随机挖取正常生长的芦苇一棵，带回实验室将地上部分和地下部分分开，分别测其地上部分及地下部分湿重（根需清洗干净），在105烘箱中杀青2小时后，再于80烘至恒重，得到干重。而后取适量烘干的茎叶、根粉碎，测定各部分总氮含量。1.2.2 测定方法水质指标COD、氨氮，总氮和总磷参照文献13；植物中总氮采用过硫酸钾氧化吸光光度法测定141.2.3 计算方法根据进出水水质数值，计算处理系统的去除率。芦苇不同器官氮吸收量的计算：T=WC （1）（1）式中：W为茎叶（或根）的生物量（单位：g/m2）；C为茎叶（或根）的氮含量（g/g）；T为茎叶（根）的氮吸收量（单位：g/m2）。2 结果与讨论2.1 陈垃圾反应床与芦苇湿地对渗滤液污染物的去除2.1.1对COD的去除 图1 陈垃圾反应床与芦苇湿地对渗滤液COD的去除效果Fig. 1The removal efficiency of COD by aged refuse bioreactor and reed wetland 由图1可知，在系统运行初期，进入处理系统的渗滤液COD浓度一直在升高，6至8月份从2000 mg/L左右升高至2700 mg/L，这期间陈垃圾床和芦苇湿地系统的出水变化也较大，陈垃圾床的出水COD在1000 mg/L左右波动，芦苇湿地在500-800 mg/L之间，但运行到9月份后，芦苇滤池出水COD浓度开始逐渐降低，至9月20日降至最低，为250 mg/L，整个系统对COD的去除率达到最大为90.3%，尽管10月份以后陈垃圾床的出水COD有所升高，但是芦苇湿地的出水COD比较稳定，在300 mg/L左右，表明芦苇湿地对于有机污染物的截留、吸附和降解作用是比较稳定的，整个串联系统对于温度和负荷的变化具有一定的耐受能力。 2.1.2对氨氮的去除 图2陈垃圾反应床与芦苇湿地对渗滤液氨氮的去除效果Fig. 2The removal efficiency of ammonia nitrogen by aged refuse bioreactor and reed wetland 从图2可看出，进水氨氮浓度在1500-2500 mg/L之间变化，呈现升高趋势。陈垃圾床的出水氨氮，在6月-10月份，基本稳定在550 mg/L左右，而芦苇湿地出水氨氮在7月中以前升高，之后呈现下降趋势，在9月20日出水氨氮接近100 mg/L，整个系统达到最大去除率为95.0%；之后，尽管渗滤液进水氨氮浓度有所升高，陈垃圾反应床对氨氮去除的贡献逐渐降低，但是芦苇湿地氨氮出水浓度保持在200 mg/L以内，整个系统的去除率保持在85.6%-92.7%。氨氮的去除主要是是湿地中的微生物的好氧硝化作用，将氨氮转化成为硝酸盐氮，另一方面则是湿地植物的吸收利用。一般夏季温度较高，微生物的活动和植物的生长都处于旺盛时期，对氨氮的利用速度较快，进入秋冬季节，温度降低，好氧微生物的活性降低，氨氮的去除率下降15，但是芦苇湿地对氨氮保持有较高的转化率，说明芦苇湿地系统对氮可能仍有较好地利用。2.1.3对总氮的去除图3陈垃圾反应床与芦苇湿地对渗滤液总氮的去除效果Fig. 3The remove efficiency of TN by aged refuse bioreactor and reed wetland 由图3可看出，进水渗滤液的总氮在1500-2200 mg/L之间波动，呈现升高趋势，经过陈垃圾反应床后出水低于1000 mg/L，去除率在50%左右，经过芦苇湿地后，整个系统的去除率从初期的低于60%逐步提高到9月份的70%以上，9月20日达到最高为79.3%。出水的总氮基本在500 mg/L左右。从图中可知，大部分的氮是在第一级的陈垃圾床被去除的，这主要因为在老龄渗滤液中，B/C比值底，氨氮在渗滤液总氮中所占比例非常高，可利用的碳源浓度低16（本研究的渗滤液B/C比值只有0.1左右，COD/NH4-N比值接近1），通过第一级的陈垃圾床后，大部分氮通过硝化反硝化去除 3，到了芦苇湿地中可利用的碳源基本没有，此时硝化反硝化脱氮作用非常微弱，芦苇湿地对总氮的去除可能是其他作用，为了弄清芦苇湿地中的芦苇对脱氮的贡献，本文深入研究了芦苇生长对氮的利用情况。 2.1.4对总磷的去除 图4陈垃圾反应床与芦苇湿地对渗滤液总磷的去除效果Fig. 4The remove efficiency of TP by aged refuse bioreactor and reed wetland 由图4可看出，渗滤液中总磷在10-15 mg/L之间变化，经陈垃圾床后绝大部分被去除，在系统运行的前三个月，出水总磷低于2 mg/L，整个过程陈垃圾床对总磷的吸收量基本稳定，剩余总磷再通过芦苇湿地，经过基质的物理化学作用、微生物及芦苇吸收被除去9,15，出水总磷浓度在0.04-0.7 mg/L之间。9月底前，芦苇湿地对总磷的吸收量基本维持在200-400mg/d，之后随湿地进水总磷浓度的升高，磷吸收量也逐渐增加到1100-2600 mg/d，此时芦苇湿地对总磷的去除率在84.0%-98.6%之间。整个系统对总磷的去除率可达到93.5%-99.8%，出水总磷低于填埋场渗滤液处理排放国家一级标准（GB 16889-2008）。在相同水里负荷条件下实验室小试表明陈垃圾反应器运行两年后出水总磷仍可低于2 mg/L，其他研究也表明，陈垃圾具有磷吸附容量大和吸附态磷解吸率低的特点，在除磷方面有独特的优越性1,3。此外，系统长时间运行后，可考虑对出水进行化学除磷，以满足排放标准。2.2 芦苇湿地对渗滤液总氮吸收能力研究2.2.1 湿地芦苇生物量月变化动态芦苇地上部分包括茎叶和穗，茎叶生物量是地上部分生物量的集中体现。芦苇的地下部分主要是根部，包括须根和茎状根。通过测定湿地芦苇不同时期地上和地下部分的生物量，得到不同部位生物量月变化，如图5所示。图5 芦苇不同部位生物量月变化Fig. 5 Monthly variation of bimoss in different parts of reeds从图中可见，芦苇地下地上部分的生物量随季节波动较大，芦苇总生物量趋势表现为先升后降，其最大值573.6 g/m2出现在8月底。6至8月份是芦苇快速生长时期，其地上生物量迅速增加，最大值出现在8月底，为337.6 g/m2，此数值较文献明显偏低17，这主要因为湿地中芦苇密度较低。芦苇的地下部分生物量变化与地上部分有所不同，8月份以后，其生物量没有像地上部分那样减少，而是以较小的幅度增加，原因是秋季以后，芦苇进入枯萎期，叶片枯黄凋落，地上部分生物量逐渐下降。而地下部分的生物量基本保持不变，甚至还有微弱生长，地下部分的须根和茎状根总生物量在10月中旬达最大，值为253.4 g/m2。在整个生长周期内，芦苇地上部分生物量明显大于地下部分，这说明芦苇的生物量主要集中在地上部分，对于地上部分收割可以去除湿地大部分的生物量。2.2.2 芦苇不同部位的氮吸收量分析芦苇不同部位的氮吸收量见表2。芦苇不同部位总氮吸收量6至8月份增长迅速，地上部分氮吸收量在8月份达到最大值为19.8 g/m2 ，之后开始下降，直至11月份降至12.0 g/m2。而地下部分的氮吸收量随着季节呈现增加的趋势，至11月份达最大值，最高可达到9.5 g/m2。Table 2. Monthly variation of TN absorption capacity in different parts of reeds 表2 芦苇不同部位的氮吸收量月变化月份6月7月8月9月10月11月地下部分吸收N量g/m地上部分吸收N量g/m23.28.919.815.512.312.0植株总吸收N量g/m23.810.228.523.921.621.5比较图5和表2，芦苇地上部分氮吸收量与其生物量有很好的相关性，即芦苇地上部分生物量增加时，总氮吸收量也明显增加，且均在同一时期达到最大值，之后生物量下降，总氮吸收能力也随之下降。考虑到芦苇生物量及总含氮量均在8月底达到最大值，因此，8月底收割芦苇能最大限度去除总氮，植株总含氮吸收量可以达到28.5 g/m2，此时收割芦苇可从湿地中去除5.6 kg的氮，相当于芦苇湿地中一天去除的总氮量。由于本研究种植密度较低，湿地中芦苇对氮的去除贡献有限，湿地中其他脱氮机理还有待进一步探讨。 2.2.3 芦苇不同部位氮含量月变化芦苇不同部位的含氮量月变化如图6所示。芦苇地上器官氮含量大于地下器官，地上部分氮含量最高值出现在6月份，为6.3%，最低值出现在10月份为4.7%，低于最高值25.8%，随月份逐渐降低。根部含氮量最低值出现在9月份为3.6%，最高值出现在11月份为3.9%，高于最高值10.4%，变化相对平缓，秋季还有升高趋势。地上部分氮含量下降可能是因为茎叶部分在抽穗时将氮转移到穗中，从而使得茎杆和叶总含氮量降低。而地下部分的变化可能是由于根部在生长期要往上部输送养分，而到了秋冬季节要储存养分所致 18。 图6 芦苇不同部位的含氮量月变化Fig. 6 Monthly variation of content of TN in different parts of reeds3. 结论（1）在进水负荷为0.1 m3/ m2.d的条件下，经过3个月运行，陈垃圾反应床与芦苇人工湿地对陈年渗滤液中COD、氨氮、总氮及总磷的最大去除率分别达到90.3%、95.0%、79.3%和99.8%。出水COD，氨氮，总氮和总磷分别为250mg/L，200 mg/L，500 mg/L和小于1 mg/L。（2）芦苇人工湿地可用于经过陈垃圾床预处理后的渗滤液的处理。湿地中芦苇6至8份生长迅速，芦苇的地上生物量在8月底达到最大值337.6 g/m2，地下生物量在10月达最大值253.4 g/m2。芦苇地上部分氮吸收量与其生物量有正相关性，二者都在8月底达到最高，因此，8月底收割芦苇能够最大限度去除系统的总氮。若增加芦苇的种植密度，可以有效提高该陈垃圾反应床与芦苇湿地串联系统对于陈年渗滤液总氮的去除。 参考文献:1 Zhao Y.C , Song L.Y, Huang R.H., et al. 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