成都周边农村渗滤液污染与处理研究

冯 可，陈世林，尤 佳，潘嘉敏，黄 霞，兰元宵，张爱平

(四川师范大学化学与材料科学学院，成都 610068)

城市周边农村垃圾渗滤液是一类成分复杂而污染负荷低的废水。我国西部农村地区普遍存在垃圾简易堆放和随意丢弃的现象，混合垃圾腐烂及雨水淋滤产生的垃圾渗滤液会污染水体和土壤，这些渗滤液已成了农村环境的“污染源”，有碍新农村建设和发展。随着城市化进程的推进，城市周边农村经济不断发展，我国农村环境安全将面临极大挑战。

成都市是我国西部地区典型的特大型城市，位于都江堰灌区，有岷江、沱江等12条干流及几十条支流纵横交错，水环境十分敏感。四川省是农业大省，作为省会的成都市，周边农村环境对城市经济发展尤为重要。而2014年四川省农村生活垃圾无害化处理率仅53.6%，且在偏远山村地区，垃圾无害化处理率更低，与城市地区目前的生活垃圾处理率、生活污水管网覆盖率相比，农村往往由于村落布局分散、村民居住分散以及经济发展水平较低，是水环境治理的薄弱区。《全国农业可持续发展规划(2015～2030年)》在肯定我国农业经济发展成就显著的基础上，总结了“农村垃圾、污水处理严重不足，农业农村环境污染加重的态势，直接影响了农产品质量安全”的现状[1]。另外，根据对三峡库区农村生活垃圾面源污染的调查，农村垃圾不仅会影响村容村貌，而且其产生的垃圾渗滤液会污染地表及地下水，使得地下水COD、BOD及氨氮含量增加[2]。因此，农村生活垃圾及其产生的渗滤液已成为重要的农村面源之一[3]。

鉴于此，笔者以成都市天府广场为起点，向成都市周边范围辐射80km，兼顾农户类型、地理方位等因素，选取了成都周边8个行政村进行调研，研究城市背景下农村渗滤液的水质特征与污染状况，并尝试用臭氧氧化联合活性炭吸附的工艺处理农村渗滤液。通过实地调研，摸清了成都市周边农村垃圾渗滤液的污染特性，并提出了一套简便、可行的物化处理方法，以期为控制当地农村渗滤液的污染、保护城市周边环境提供理论支撑和技术指导。

1 研究过程与方法

1.1 调研点位

调研范围为以成都市天府广场为中心方圆80km的地域范围，结合推断统计学[4]，考虑地理方位、农户类型、年龄构成、经济水平等因素，选取了成都市周边8个行政村进行实地调研，成都市周边农村调研点位及其分布见图1。

图1 成都市周边农村调研点位及其分布Fig.1 Distribution of the investigation villages nearby Chengdu

1.2 调研方法

农村概况调研：按照当地农村劳动力从业情况和农业收入情况，确定调查区农户类型，并入户调查、统计农村居民的年龄结构和人均年收入。按照农业收入占家庭生产性总收入的比例，农户类型有以下4类：

(1)纯农户：以农业经营为主，农业收入占95%以上；

(2)农业兼业户：从事农业，兼非农经营，农业收入占50%～95%；

(3)非农兼业户：从事非农，兼农业经营，农业收入占5%～50%；

(4)非农户：从事少量农业，农业收入占5%以下[5]。

垃圾渗滤液产量调研：考虑行政村的地理位置和聚居程度等因素，选择30户居民，并分发垃圾袋，收集每户48～72h产生的生活垃圾，收集过程中剔除产量和组分异常的样本，计算人均垃圾日产量，并考虑当地村民总人数，以村为单位计算垃圾日产量，根据成都长安填埋场中垃圾渗滤液的产率，类比估算成都周边调查区各个行政村垃圾渗滤液的产量。

垃圾渗滤液水样采集：对于有垃圾中转站或有垃圾集中堆放点的农村，在垃圾渗滤液的汇集池内采集垃圾渗滤液样品；而对于没有集中堆放点或收集设施的农村，在长期堆点旁边汇流处或冲沟下游采集垃圾渗滤液，取样1.0～2.0L，备用。

1.3 测试方法

依据《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB 16889-2008)[6]，确定农村垃圾渗滤液的测试指标与方法，如表1所示。

表1 农村渗滤液测试指标与方法Tab.1 Text index and methods for rural leachate

1.4 处理小试方案

针对仁寿县某镇中转站收集的农村渗滤液，以空气为发生源，通过臭氧发生器(KT-OZ-5G，上海康特环保科技有限公司)产生臭氧，对该农村垃圾渗滤液进行处理，其处理装置示意，见图2。最后将臭氧处理尾水进行活性炭吸附，以色度、COD、氨氮为评价指标，考察2者处理效果。

1. 臭氧发生器 2. 空气管3. 臭氧氧化装置 4. 气体扩散器5. 活性炭吸附装置 6. 活性炭7. 饱和活性炭出口 8. 砂石 9. 出水口 10.臭氧浓度监测器 11.碘化钾溶液吸收瓶图2 农村渗滤液处理装置示意Fig.2 Experimental setup of rural leachate treatment device

2 调研结果与分析

2.1 调查区农村概况

城市周边农村的农户类型、年龄结构和人均年收入等基本情况相互影响，又存在一定的关联，这些基本情况又或多或少地影响周边农村垃圾渗滤液的产量和水质，成都周边调查农村概况，如表2所示。

按照农业收入占家庭生产性总收入的百分比高低，农户类型依次有纯农户、农业兼业户、非农兼业户、非农户4类。从表2可以看出，成都周边的农户类型具备四川省这一农业大省的基本特点，以农业兼业户为主，占调查区农户类型的50.0%；但同时呈现多样化，还有纯农户、非农兼业户、非农户3类，分别占调查区农户类型的25.0%，12.5%和12.5%；农业收入主要来自种植业和养殖业；从农村居民的年龄结构来看，调查区农村主要年龄段与四川省大部分农村以中、老年人为主不同，呈现两级分化，有就业机会的城市周边农村，以青壮年为主，而就业机会不多的农村，以留守的儿童、老年人为主；从农村人均年收入来看，调查区人均年收入在7 000～14 204元/年之间，在四川省农村经济的总体水平线上下浮动，在经济上存在地域性差异。

表2 成都周边调查农村概况Tab.2 Survey of rural situation nearby Chengdu

考虑成都周边农村的农户类型、年龄结构和人均年收入等基本情况存在地域性差异，且与四川省大部分农村存在不同之处，因此不能用传统的垃圾渗滤液处理模式套用城市周边农村的，且应考虑城市周边各个农村的地域性差异与垃圾收运模式，在分析污染特性的基础上，选用灵活、适用、经济的垃圾渗滤液处理方法。

2.2 调查区农村渗滤液污染分析

2.2.1 调查区农村生活垃圾处理现状

垃圾渗滤液是生活垃圾的二次污染物，分析调查区农村渗滤液的污染，首先应摸清调查区农村生活垃圾的污染现状。为此，对调查区现有的农村生活垃圾收集设施、处置设施、主要去向进行实地调查，据此分析成都周边农村生活垃圾的污染状况。成都周边农村生活垃圾的处理现状见表3。

国务院办公厅2014印发的《关于改善农村人居环境的指导意见》，对于农村生活垃圾的收集与处置设施，提出“一村一点、一镇一站、一县一场(厂)”的要求。从表3可以看出，调查区每个村至少有一个生活垃圾收集点，每个县倒不乏有一个处理与处置设施，但是仅一个镇设有中转站。虽然成都辖区行政村有“禁止随意乱扔，自行焚烧生活垃圾”的明文规定，但调查区各个农村在房屋背后、竹林、河边和田间等区域，仍存在农村生活垃圾丢弃、简易堆放或自行焚烧的现象，极个别还通过挖坑掩埋生活垃圾，究其原因：一、聚居区虽有较便利的收集设施，距离在200m以内，但因每村垃圾产量仅约166.92～1 482.38 kg/d，且有一半的农村离处置设施的运距在18km以上，相较于微型垃圾收集车的规模(一般在1t/辆以上)和运距要求(一般在15km以内)，调查区生活垃圾产量不大、分布不均，故往往存在收集不及时的情况，收集点附近生活垃圾的污染严重；二、散居区离收集点较远，距离在500～1 000m左右或以上，甚或有的无收集设施，居民往往丢弃、简易堆放产生的生活垃圾，积累到一定的量后再自行焚烧。

表3 成都周边农村生活垃圾处理现状Tab.3 Current status of rural life waste treatment nearby Chengdu

由于调查区农村生活垃圾的处理与处置现状不容乐观，由此产生的垃圾渗滤液存在二次污染，特别是简易堆放在毗邻河沟或农田的生活垃圾，产生的垃圾渗滤液会随地表径流污染农田和河流。

2.2.2 调查区农村垃圾渗滤液污染状况

农村渗滤液主要来自大气降水、垃圾降解。进入收运系统的农村生活垃圾，产生的垃圾渗滤液集中在收集点、填埋场或焚烧厂周围，呈现多点污染；未进入收运系统的农村生活垃圾，以丢弃、简易堆放和自行焚烧为主，产生的垃圾渗滤液以蒸发、随地表径流、渗入地下等方式消纳，呈现面源污染[7]。经走访调查与分析，成都周边农村垃圾渗滤液污染状况，列于表4中。

从表4可以看出，调查区农村有100%存在垃圾渗滤液排放于农田的现象，有75%存在垃圾渗滤液随地表径流直接排放于河流的情况，因这部分农村的周边水系较发达、临近河流的原因。

表4 成都周边农村垃圾渗滤液污染状况Tab.4 Pollution status of rural leachate nearby Chengdu

在调查的8个农村，有7个农村采用户集、村收、县处理模式，尚未发现有专门的垃圾渗滤液收集和处理设施；仅一个农村采用户集、村收、镇转运、县处理模式，镇上设有一个中转站，中转站有渗滤液收集管和收集池，但处理方式却是直接排放、自然下渗或自然蒸发。由于垃圾渗滤液组分复杂，污染性强，有必要调查并分析垃圾渗滤液的产量和水质，在此基础上提出适宜的垃圾渗滤液处理方法。

2.3 调查区农村垃圾渗滤液产量估算

根据调查区农村的人均垃圾日产量和常住人口，估算每个行政村的生活垃圾日产量，与成都市长安卫生填埋场日均垃圾处理量与日均垃圾渗滤液产量类比，估算每个行政村的垃圾渗滤液日产量。按照下式估算，成都周边农村垃圾渗滤液产量见表5。

其中：Q为成都市周边农村垃圾渗滤液日产量，t/d;

Q1为成都市长安卫生填埋场日均垃圾渗滤液产量，取1 411.62t/d[8];

L1为成都市长安卫生填埋场日均垃圾处理量，取3.50×106kg/d[9];

L为成都市周边农村生活垃圾日产量，kg/d。

从表5可以看出，成都周边农村人均垃圾日产量为0.128 4～0.406 8 kg/(人·d)，平均人均垃圾日产量为0.259 6 kg/(人·d)，与四川省平均人均垃圾日产量0.227 kg/(人·d)相当[10]，低于全国平均水平0.864kg/(人·d)[11]。另一方面，根据每村垃圾日产量约166.92～1 482.38 kg/d，估算可知每村垃圾渗滤液产量在0.07～0.60t/d的范围内波动，调查区垃圾渗滤液的平均产量仅0.24t/d，具有产量较小且分布不均的特征，这是由当地居民消费水平、生活习惯、家庭能源结构、气候季节和当地经济水平等的因素的差异所致。

2.4 调查区农村垃圾渗滤液水质分析

虽然调查区垃圾渗滤液的平均产量较小，仅0.24t/d，但是垃圾渗滤液的局部污染不容小觑，积少成多，还可能影响城市周边的水环境，也与新农村建设要求的生态文明初衷不符。在此，对农村垃圾渗滤液的pH、色度、COD、BOD5、NH3-N、TP等指标进行测试分析。除pH指标参考《污水综合排放标准》(GB8978-1996)中一切排污单位的排放要求，其他水质指标的排放要求执行《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)的排放质量浓度限值。成都周边农村垃圾渗滤液水质及排放要求，见表6。

表6 成都周边农村垃圾渗滤液水质及排放要求Tab.6 Water quality and emission requirements of rural leachate nearby Chengdu

由于农村垃圾渗滤液主要通过排放、下渗、蒸发的方式快速消纳，因此本调查能收集并采集到的渗滤液以早期的新鲜垃圾渗滤液为主，而渗滤液早期呈酸性[12]。表6显示有一半农村垃圾渗滤液的pH值低于6，未到排放要求，其他农村渗滤液呈弱酸性至中性，恰介于6之上。

调查采样过程中发现，农村渗滤液均有明显的臭味，表观呈黄黑色，从表6可以看出，虽然各个行政村垃圾渗滤液的水质有一定差异，但是调查区农村垃圾渗滤液的色度、COD、BOD5、NH3-N四项指标均超标，呈现有机和氮素的复合污染，不能直接排放。色度、COD、BOD5、NH3-N分别在160～1 735倍、611.24～25 396.25 mg/L、124.13～5 241.44 mg/L、26.341～1 751.950 mg/L之间波动。在调查区8个农村中，仅2个农村的垃圾渗滤液的TP超标，且超标不足4倍。以BOD5/TP衡量碳磷比，调查区农村渗滤液的碳磷比在221～449之间；以NH3-N/TP估算氮磷比，调查区农村渗滤液的氮磷比在36～174之间，不管与好氧微生物所需的碳氮磷比100∶5∶1还是与厌氧微生物所需的碳氮磷比200∶5∶1相比，均相差甚远[13]。

总而言之，农村垃圾渗滤液的污染特性主要表现在色度超标、有机和氮素的复合污染、碳氮磷比例严重失调三方面[14]，且农村渗滤液还具有地域差异、产量小而较分散的特点，不适用于生物法处理。

3 处理小试结果与分析

调查区垃圾渗滤液的平均产量约0.24t/d，按一个镇下辖10～50个行政村估算，如若镇设有中转站，产生并收集的垃圾渗滤液约2.4～12.0 t/d。此时，如考虑铺设污水管网或采用罐车将农村渗滤液运送到附近的污水处理厂，成本太高而不现实。

由于臭氧氧化、活性炭吸附具有运行稳定、易于控制且运行装置小巧的诸多优点，故在此尝试用臭氧反应装置对农村渗滤液进行预氧化，再用活性炭填料装置进行深度处理。经臭氧预处理，除农村渗滤液中NH3-N、TP指标外，色度、COD、BOD5均达到了《生活垃圾填埋污染控制标准》(GB16889-2008)中水污染物的特别排放限值。在常温约25℃、臭氧投量1.3g/h、初始pH约8的条件下，仁寿县某村垃圾渗滤液臭氧处理效果分析，详见图3。尾水经活性炭吸附后，NH3-N、TP也达到了特别排放限值，而活性炭则可以通过煅烧直接再生，简便易行。

图3 仁寿县某村垃圾渗滤液臭氧预处理效果分析Fig.3 Ozone pretreatment effect of leachate in a rural village in Renshou County

臭氧特殊的结构使得它可以与腐殖酸的官能团发生偶极环加成反应、亲电反应和亲核反应。同时，生成的羟基自由基可以无选择性地氧化腐殖酸类大分子有机污染物。从图3可以看出，色度、COD的去除率均随反应时间的延长而有所提高，而BOD5的去除率有所波动。在反应的前20min，色度、COD的去除率增大的趋势明显，之后趋于平缓，这是由于反应前期垃圾渗滤液中腐殖酸类物质浓度较高，而腐殖酸类物质与臭氧发生反应的活化能也较低(Ea=1.30×104J mol-1)[15]，说明臭氧氧化法能与较高浓度的腐殖酸废水比较容易进行。一方面，随着反应的持续进行，由于腐殖酸的不断分解与臭氧惰性产物的生成导致了臭氧的利用率下降，且由于有机物的降解逐渐生成臭氧化惰性产物与矿化为碳酸根离子，由此导致了反应后期有机物的去除速率有所降低且趋于平缓。另一方面，经臭氧处理后的农村垃圾渗滤液中小分子化合物的数量逐渐增多，故废水的可生化性应有所改善。而BOD5呈现先增后降，总体下降的态势，这可能是因为生成的中间产物可生化性较好，随反应的延长，有机物及其中间产物最终又被完全矿化所致。

在臭氧反应50min后，其水质pH为6.81，色度为15倍，COD仅52.52mg/L，BOD5为18.89mg/L，去除率分别达到了91.57%、91.40%和84.78%。再经活性炭吸附处理后，NH3-N、TP的去除率分别达到了72.00%、88.79%，出水NH3-N、TP为7.375 mg/L、0.050mg/L，最终出水达到GB16889-2008中水污染物的特别排放限值，结果表明采用臭氧氧化联合活性炭吸附法处理农村垃圾渗滤液绿色、高效，具有技术可行性。

4 结 论

4.1 调查区中，纳入收运系统的农村生活垃圾产生的渗滤液，集中在填埋场或焚烧厂周围，呈现多点污染；未纳入收运系统的农村生活垃圾产生的渗滤液，以蒸发、随地表径流、渗入地下等方式消纳，呈现面源污染。

4.2 农村渗滤液具有产量不大、分布不均、污染性强的特点，每村产量在0.07～0.60t/d；pH与青年渗滤液水质相似呈酸性，色度、COD、BOD5、NH3-N四项指标分别为160～1 735倍、611.24～25 396.25 mg/L、124.13～5 241.44 mg/L、26.341～1 751.950 mg/L，其碳氮磷比严重失调，BOD5/TP比值高达221～449，NH3-N/TP比值高达36～174。

4.3 用臭氧氧化法联合活性炭吸附处理某农村渗滤液，pH、色度、COD、BOD5、NH3-N、TP指标均达到GB16889-2008中水污染物的特别排放限值，在25℃、臭氧投量5g/h、初始pH为8的条件下，反应50min后出水pH为6.81，色度为15倍，COD为52.52mg/L，BOD5为18.89mg/L；再经活性炭填料吸附后，出水NH3-N、TP仅7.375 mg/L、0.050mg/L。

4.4 建议城市周边农村的生活垃圾采用户集、村收、镇转运、县处理的模式，加强各个环节基础设施的建设，将聚居区和分散区的生活垃圾纳入环卫系统，或集中填埋。推荐采用臭氧氧化联合活性炭吸附进行处理，方法灵活、稳定，但建设和运行的经济性还有待进一步研究。

致谢：感谢四川师范大学本科2011级～2015级，研究生2015级环境工程专业共300余名同学连续两年来参与到本研究的现场访问式调查、入户垃圾采样与数据统计工作。

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