通过灌溉植物的处理方法去除垃圾渗滤液中的氨氮

摘要

渗滤液是在填埋场中处理液体和固体废物时所导致的一种污染性溶液，在排放之前必须进行处理。垃圾渗滤液植物处理方法在英国已经被用于垃圾填埋场，但是很少得到科学关注。本文对氨氮(NH₃-N)的去除重点介绍了垃圾渗滤液处理方法模型的研究。建造小规模和田间规模的实验处理平面，填充粘土壤土和植被草；垃圾渗滤液以17-217 L / m ² / d的水力负载率施加；使用指数关系来表征NH₃-N去除的模式。在水力加载速率和NH₃-N去除速率常数（R ² = 0.0039）之间没有观察到联系。发现每日特异性NH₃-N质量去除率率与开始处理时的NH₃-N浓度呈线性相关（R ² = 0.35）。 讨论了实验之间NH_3-N去除速率变化的可能原因。简单的无机氮平衡表明去除的NH₃-N和NO₂-N的质量未被NO₃-N生产所占据。讨论了这种氮缺乏现象的解释。

关键词：垃圾填埋；渗滤液；氨；废水处理

引言

填埋是指由诸如砾石或粘土提取等活动所产生的空隙中的废物处置。填埋场的做法导致一些潜在的破坏性的环境影响，垃圾渗滤液的产生只是其中一个。除了固体废物和任何液体废物输入的初始含水量，水可能由于降雨，地表水或地下水的进入而进入垃圾填埋场。这种水和废物之间的接触产生被一系列可溶性有机和无机物质污染的浸出液。通常，最近填补的生活垃圾产生的渗滤液的5天生化需氧量（BOD₅）高达约10000 mg / L，总氨氮（NH3-N）浓度超过1000 mg / L。这是有机物在缺氧条件下的微生物降解的结果^[1-3]。在旧的垃圾填埋场中，通过一系列微生物反应将有助于BOD₅的易生物降解的化合物转化为甲烷和二氧化碳，并可从填充物中提取为填埋气体。由于在填埋场中NH₃-N转化没有明显的机理，所以NH₃-N浓度在老化废物中保持较高水平。填埋作业停止后，填埋废物将持续多年产生被NH₃-N污染的渗滤液^[2]。

未经处理的渗滤液不适合直接排入地表水道，因为高BOD、NH₃-N浓度会对接收水的生态产生严重影响。虽然存在有效的先进的渗滤液处理系统，但由于其高的建设成本和专门的管理要求，一些垃圾填埋场经营者会寻求替代品。陆地处理系统是垃圾填埋场运营商利用现有土地资源的有吸引力的替代方案，被认为是廉价的建设和运营，并不被认为需要复杂的管理。陆基系统通常被视为“暂停”措施，允许推迟对昂贵的高级渗滤液处理系统的投资，直到填补作业停止为止。或者，陆基系统可以与传统的储罐系统一起使用以发挥修正作用^[4,5]。

例如，英国垃圾填埋场采用的广泛的陆基系统的是渗滤液处理平面。处理平面是有植被的，倾斜的土地，通常使用低渗透性土壤，从再循环泻湖施加渗滤液。斜坡带来的渗滤液泛滥，垂直渗流不足，废水利用率高。因此，渗滤液在返回到再循环泻湖时与上层土壤和植被相互作用，所以使用通用术语“地表径流”处理系统。再循环的过程持续进行（可能数周），直到泻湖中的所有渗滤液达到排放所需的质量标准。

已经对地径表流处理系统中NH₃-N去除的机理进行了有限的研究。Kruzic和Schroeder^[6]在对用于处理沉降污水的系统进行研究之后报告了主要工作。在使用单通道，实验室规模处理系统的一系列实验中，他们得出结论：

1. 保留过程（可能是阳离子交换）负责NH₃-N的去除，然后在随后的一天以硝酸盐的形式释放；
2. 硝化是一个重要的过程（处理过的废水中的高硝酸盐浓度为此提供了证据）；
3. 反硝化负责去除由于硝化而产生的一些NO₃-N。

虽然渗滤液处理平面系统在英国已经使用了很多年，但很少知道所涉及的处理机制或影响处理效率的因素。本文报告了实验处理平面研究结果，旨在提高我们对这些实际工程的草地处理系统中氨氮动力学的理解。

研究方法

2.1介绍

操作处理平面的面积可能达到几公顷，所以建议建立一个实际可行的实验系统。因此，在英国贝德福德郡的希尔索建造了10个独立的25m长times;1m宽田间尺度的地块。除了田间尺度地块之外，还可以从使用2m长times;0.4m宽的小型槽进行的实验中获得进一步的数据。

2.2田间尺度地块：设计，施工和运行

建设的第一阶段是挖一个深坑（约长16m，宽2.5m，深2m），以容纳从地块收集渗滤液径流的1.2m³接收罐。将一个钢筋混凝土基底铺设在坑底，并绑在加固的中空挡土墙上。处理平面准备工作从坑完成开始。使用挖掘机将0.4m的表土从位于坑附近的25mtimes;16m的区域中取出并储存以备后用。然后，挖掘机用于对场地进行分级，给出2％的下坡坡度和0％的横坡坡度，斜坡的下端与凹坑挡土墙的边缘交汇。

10个地块被标记为五对，每对被供使用的1m宽的道路分开（图1）。在每个地块上

图1现场规模实验处理平面布局

架设木框架，为防止地块渗出，将聚乙烯板放置在木制框架上方，覆盖每一对地块，如图2 所示。堆积的表层土块被打破，形成更小、更易于管理的聚合物，配有动力耙，并在聚乙烯衬里的地块内仔细更换。然后将土壤用淡水灌溉8小时，并使其固定一周。通过耙使高低地区平坦，并在每间隔1m的下坡检测水平，以确保达到均匀的2%梯度。

图2一对地块的横截面图

根据供应商的推荐速率（50g/m²），在建成的地块上播种匍茎剪股颖种子。选择匍茎剪股颖是因为它是两个当地处理平面上草地群落的主要成员。在这两个地方，草地似乎能忍受渗滤液的周期性淹没，没有明显的不良影响。在盆栽试验中，当用原始渗滤液灌溉时，匍茎剪股颖优于^[7-9]其他耐盐性和耐涝性的草种（如异源多倍体植物和海滨碱茅），并且可以含有高浓度氯化物的水中存活数周。

在每个地块的上端，在堤坝上放置一个1.2m³的输送罐。 垃圾填埋场渗滤液的实验来自英国白金汉郡的Shanks Ltd.rsquo;s Calvert垃圾填埋场。Calvert于1980年开放，被Robinson^[3]列为相对干燥的大型垃圾填埋场，废物投入率高。在这些实验中使用的渗滤液来自一部分垃圾填埋场，其特征是产甲烷、BOD低（通常小于200 mg / l）。实验期间原始Calvert渗滤液的水质总结见表1。布置简单的堰，将输送罐的渗滤液应用于地块顶部。 斜坡底部的两个连接的1.2m³接收池中收集了地块的径流量。

表1 研究期间Calvert垃圾填埋场的原始渗滤液质量

地块在24小时的周期内运行。渗滤液施用从上午10点开始并持续5小时。然后允许土壤排干并干燥19小时，直至次日开始下一个施用期。 Smith和Schroeder^[10]在与地面径流系统处理生活污水的工作中证明，连续（24 h / d）的施用对处理过程是有害的。干燥期允许大气中的氧气扩散到土壤中，从而允许有机物和NH₃-N氧化的过程进行。渗滤液每天早晨被抽回到输送罐中，在此点进行化学分析。

2.3小型槽：设计，施工和运行

通过Pawson 先前使用的设计，由软钢板构造长2m，宽0.4m，深0.2m的小型槽^[11]（图3）。用在Silsoe的实验地点发现的粘土壤土（Evesham系列），将槽部分填充至约0.1m的深度。 然后用取自英国白金汉郡的Calvert的Shanks营运的操作处理平面覆盖土壤。主要的草类物种是Agrostis stolonifera（匍茎剪股颖）。放置槽使得它们具有2％的下坡坡度和0％的交叉坡度梯度。将渗滤液从自己的220L储存器（聚丙烯桶）中施加到每个槽中，该储存器通过控制阀将其内容物排出到位于槽的上端的横向分配管。在槽的下端，将渗滤液径流收集到相同的220L聚丙烯桶中。槽的操作方式与现场尺寸图相同。

图3槽实验布局示意图

2.4地块和槽实验方案

正在研究的主要实验变量是水力负荷率。水力负荷率有可能以多种方式影响系统的功能。在低水力负荷率下，渗滤液分步可能不是很好，导致与处理平面的可用表面积的不良接触。在较高的水力负荷率下，流量深度将增加。这反而会导致更高的速度和较低的停留时间。在17-217 L / m² / d（17-217 mm / d）范围内测试水力负荷率（表2和3）。相比之下，由Shanks Ltd.经营的处理平面上的水力负荷率估计为52 - 72 L/ m² / d（52-72 mm / d）。

表2 槽实验方案总结^a

^a注意：水力负荷率是指在施用渗滤液的日常循环中的5小时内每平方米处理平面表面积施用的浸出液体积。

一项启动性试验旨在提请注意与大规模实验相关的实际问题。据发现，由于蒸散失水，输送罐的1.2m³容量不足以在25平方米地块下维持长于2周的实验运行。例如，在炎热的天气期间，蒸散量可能为3mm/d，相当于每天每25米地块75升。这个问题在两个方面被克服了。首先，通过将分布器移动到地块上，使地块的长度（面积）减少。因此，使用10或20米的地块长度来提高水力负荷率。其次，通过将两个地块的输送罐连接在一起来提供每个地块的输送罐体积，以供给单个地块。

表3地块实验方案总结