热带亚热带人工湿地处理垃圾渗滤液研究综述*

阿 丹 萧嘉欣 杨保怡 邓杨扬 邹梦遥 陶雪琴 杜建军 刘 雯

(仲恺农业工程学院资源与环境学院，广东省普通高校农业产地污染综合防治工程技术研究中心，广东 广州 510225)

填埋是固体废物处置的常用手段，垃圾填埋场的广泛使用导致严重的垃圾渗滤液污染问题。垃圾渗滤液富含高浓度有机物和氮素，现有的垃圾渗滤液处理技术存在价格昂贵、易产生有毒有害副产品等问题[1]365-366。人工湿地是一种常用的污水处理技术，该技术通过湿地基质、植物、微生物的物理、化学、生物多重协同作用使污水得到净化[2-3]，具有经济节能、操作简单、环境友好等优势。由于具有温暖的气候条件和适宜湿地植物和微生物，人工湿地技术被广泛应用于热带亚热带地区，特别是在经济受限的发展中国家[4]。

据报道，马来西亚[5]246-249,[6]87-88,[7]1389-1390、新加坡[8-9]、泰国[10]1303-1305,[11]167、阿根廷[12]、巴基斯坦[13]、埃及[14]、哥伦比亚[15]、印度尼西亚[16]、巴西[17]1000-1002,[18]42等热带亚热带国家均采用人工湿地处理垃圾渗滤液，COD、BOD、TN、TP的去除率分别为39%～92%、47%～91%、34%～96%、29%～100%。然而，上述文献均为个例分析，没有对大区域多尺度污染物去除状况进行整体了解；且研究内容仅为污染物去除，缺少对渗滤液差异的认识及人工湿地设计的优化。据此，本研究在大量文献调研的基础上，对热带亚热带气候下垃圾渗滤液的成分变化规律及其影响因素进行整理，综述了热带亚热带地区中人工湿地处理垃圾渗滤液的关键设计参数及其净化能力。

1 文献调研

本研究使用Science Direct、Google Academic、Microsoft Academic等论文检索平台对热带亚热带地区不同填埋年限和气候条件下垃圾渗滤液的组成成分进行调研；同时整理了关于热带亚热带地区用于垃圾渗滤液处理的人工湿地的构型设计和除污能力研究。

2 垃圾渗滤液的成分

垃圾填埋场的填埋年限及其所在地区的降雨量是影响垃圾渗滤液成分的主要因素[19-20],[21]289-299,[22]1966-1967。对35篇关于热带亚热带地区垃圾渗滤液组成成分的文献进行整理(文献[6]至文献[11]、文献[23]至文献[51])，统计得到热带亚热带地区不同填埋年限、不同降雨量下的垃圾渗滤液的成分，结果分别见表1、表2。

2.1 不同填埋年限下垃圾渗滤液的成分

垃圾填埋场中废弃物的降解过程可分为3个阶段：好氧阶段、酸化阶段、甲烷发酵阶段[22]1966-1967。因为好氧阶段非常短暂(约几天)，所以酸化阶段和甲烷发酵阶段被认为是废弃物降解的主要过程(约几年至几十年)。在酸化阶段，易降解有机物经产乙酸菌降解生成乙酸盐、H2和CO2[21]300，随着挥发性脂肪酸(VFA)大量产生，COD、BOD浓度升高，pH降低；在甲烷发酵阶段，VFA被产甲烷菌转化为CH4和CO2[21]301，随着VFA迅速减少，COD、BOD浓度降低，pH升高。

以COD、BOD、pH为渗滤液成分变化的主要指标，通过聚类分析将渗滤液分为低年限(≤10年)渗滤液和高年限(>10年)渗滤液两大类。由表1可见，低年限渗滤液中有机物含量远高于高年限渗滤液，而pH则刚好相反，低年限渗滤液pH为3.9～8.8、高年限渗滤液pH为6.9～9.4。这一现象与渗滤液在酸化阶段(对应低年限)和甲烷发酵阶段(对应高年限)的成分特征刚好一致[21]305,[22]1972。可见，10年是热带亚热带地区垃圾渗滤液在酸化阶段和甲烷发酵阶段的分水岭。

表1 热带亚热带地区垃圾填埋场在不同填埋年限下渗滤液的成分

2.2 不同降雨量下垃圾渗滤液的成分

以COD、BOD、TN为渗滤液成分变化的主要指标，通过聚类分析将渗滤液分为低雨量(≤100 mm/min)渗滤液和高雨量(>100 mm/min)渗滤液两类。由表2可见，低雨量渗滤液中有机物和氮素水平远高于高雨量渗滤液，这很可能是因为降水稀释作用导致，尤其在季风气候下，旱季的垃圾渗滤液中有机物和氮素含量均显著高于雨季[23]。

表2 热带亚热带地区垃圾填埋场在不同降雨量下渗滤液的成分

3 人工湿地的设计参数

人工湿地的设计参数包含4个主要部分：布水方式、植物、基质和水力负荷[52]。下面从这4个方面出发对人工湿地设计进行深入讨论。

3.1 布水方式

人工湿地根据布水方式的不同，可分为表面流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地。相较表面流人工湿地，人们更倾向于使用水力负荷高、去污能力强的潜流人工湿地。OGATA等[11]170-171发现，潜流人工湿地对渗滤液中悬浮物、有机物和氨氮的去除率显著高于表面流人工湿地。YALCUK等[53]研究表明，垂直潜流人工湿地对渗滤液中氨氮和Fe的去除效果明显优于水平潜流人工湿地。除了常规的布水方式外，复合型人工湿地也被用于垃圾渗滤液处理，如垂直潜流—水平潜流人工湿地可以同时提供好氧/厌氧反应过程[1]372-373,[54]；表面流—潜流人工湿地被用来应对雨季高水力负荷和旱季缺水浓缩的影响[11]169-170。

3.2 植 物

植物是人工湿地的重要组成部分，可以直接、间接作用于污染物去除[55]。研究表明，有植物湿地系统对渗滤液的处理效果高于无植物系统[5]245-250,[6]90,[56]。一般来说，当地常见的挺水植物是最受欢迎的选择。最常用的湿地植物有香蒲、芦苇和莎草，其次是黄花蔺、香根草和红鸟蕉等。这些植物广泛分布于温带和热带湿地中，对有毒渗滤液具有较强的耐受性。此外，一些植物还具有经济价值，如芦苇是一种生产乙醇的生物原料[57]。

3.3 基 质

以往人工湿地的主要过滤基质为土壤[58]，但土壤水力传导率低，容易造成系统堵塞。现在人工湿地多使用砾石单一基质或砾石砂土混合基质，这得益于砾石的高渗透性、高水力传导能力。基质的另一个重要作用是为微生物提供生长介质和微环境，微生物降解是人工湿地除污的主要途径，异养微生物有助于有机物的好氧降解，如氨和亚硝酸盐氧化菌有助于硝化过程；而厌氧细菌中的反硝化细菌可将硝酸盐还原成氮气，硫酸盐还原菌则能将金属转化为金属硫化物沉淀。

3.4 水力负荷

人工湿地的水力负荷在不同条件下变化较大，水力停留时间一般为0.82～30.00 d。其中，用于处理渗滤液原液的水力停留时间(3.20～30.00 d)长于渗滤液稀释液(0.82～21.00 d)。可见，渗滤液的水质是决定人工湿地水力负荷的关键因素。此外，水力坡度也是影响人工湿地净化性能的因素之一，现有研究中水力坡度的取值范围在0.36%～1.00%。污水回流装置可以延长污水与基质及其生物膜的接触时间，从而提高渗滤液的净化效果[59]；特别是当污染程度较高时，渗滤液需要在湿地系统中停留更长时间，以便获得较好的处理效果[60]。

表3汇总了热带亚热带地区用于垃圾渗滤液处理的人工湿地设计参数。

表3 热带亚热带地区用于垃圾渗滤液处理的人工湿地设计参数

4 人工湿地的处理效果

表4汇总了热带亚热带地区垃圾渗滤液中一般污染物在人工湿地中的去除效果，表5汇总了热带亚热带地区垃圾渗滤液中重金属在人工湿地中的去除效果。

4.1 蒸散量

蒸散量是指通过水和土壤的蒸发作用以及植物的蒸腾作用导致的水分消减量，它被认为是湿地主要的水分消减机制，也是湿地最重要的水文平衡参数。在热带亚热带地区，人工湿地的蒸散量相对较高(≥15%)，有的甚至达到53%。因此，如果计算污染物去除率时不考虑蒸散量的影响，则很容易造成偏差。人工湿地的蒸散量受到植物数量和基质深度的影响，植物越多、基质越浅则蒸散量越大[63]。OGATA等[11]169-170发现晴天的蒸散量大于雨天，表面流人工湿地的蒸散量大于水平潜流人工湿地，可见蒸散量也受到降雨量和水气接触面积的影响。

4.2 色 度

色度是衡量垃圾渗滤液中腐殖酸等难降解成分的重要指标，但大部分研究并未将其纳入检测范畴。通常，渗滤液在没有混凝、絮凝或氧化处理的情况下很难发生脱色[64]，而人工湿地可以实现其有效脱色。AKINBILE等[7]1389-1390使用水平潜流人工湿地(土壤基质)成功去除了渗滤液中87%的色度；SAWAITTAYOTHIN等[10]1304-1305发现潜流人工湿地(沙砾基质)对色度的去除率为8%～45%；CANO等[18]42研究表明，水平潜流人工湿地(石灰岩质碎石基质)对色度的去除率仅为2%～23%。潜流人工湿地在不同研究中的色度去除效果相差甚远，这可能与其基质类型不同有关。基质的渗透性越差越容易截留高分子腐殖酸，则色度的去除率升高；反之则腐殖酸随出水排出，色度的去除率降低。此外，植物的存在也可以减少渗滤液色度[17]1000-1001，因为腐殖酸可以作为养分被植物利用。

4.3 有机物和氨氮

一般认为潜流人工湿地对污水有机物和氨氮的去除率明显高于表面流人工湿地，这与本研究统计结果总体一致。本研究统计还显示水平潜流人工湿地对渗滤液中有机物和氨氮的去除率总体高于垂直潜流人工湿地(见表4)。这可能是因为虽然垂直潜流人工湿地具有较强的单位面积去污能力，但是水平潜流人工湿地往往占有较大的土地面积，尤其是在土地便宜的发展中国家，因此去污效果更好。从表4还可看出，有植物湿地系统比无植物系统更有利于有机物和氨氮的去除。

表4 热带亚热带地区人工湿地对垃圾渗滤液中一般污染物去除率

4.4 重金属

重金属主要通过土壤吸附、生成可溶性盐沉淀、在生化过程中被吸收转化，以及随悬浮固体沉积等方式去除[65-66]。总体来看，单一型人工湿地对渗滤液中重金属的去除率高于复合型人工湿地(见表5)。有研究表明，植物的存在不能提高人工湿地的重金属去除率[67-68]，但UJANG等[5]246-249发现有植物人工湿地对Ni、Zn的去除率为78%～97%、85%～96%，显著高于无植物的对照人工湿地(Ni、Zn去除率分别为46%、66%)，这要归功于其湿地植物飘拂草对Zn的高耐受性和超富集性。可见，通过选用超累积植物有望改善人工湿地对重金属的去除性能。

表5 热带亚热带地区人工湿地对垃圾渗滤液中重金属的去除率

5 结 论

通过对热带亚热带地区垃圾渗滤液组成成分的文献进行整理，发现低年限渗滤液中有机物含量远高于高年限渗滤液，而低年限渗滤液pH总体低于高年限渗滤液。这与渗滤液在酸化阶段和甲烷发酵阶段的成分特征刚好一致，10年是热带亚热带地区垃圾渗滤液在酸化阶段和甲烷发酵阶段的分水岭。低雨量渗滤液中有机物和氮素水平远高于高雨量渗滤液，这很可能是降水稀释作用导致。从布水方式、植物、基质和水力负荷4个方面整理了热带亚热带地区用于垃圾渗滤液处理的人工湿地设计参数，汇总了人工湿地对垃圾渗滤液中污染物的去除效果。研究结果有助于热带亚热带地区垃圾渗滤液数据库的建立，不同环境条件下渗滤液成分的界定，以及渗滤液的动态模拟和人工合成；还可为人工湿地处理渗滤液的性能评价以及人工湿地实验装置和工程设计提供参考。