摘 要

在当前的废弃矿山生态修复工程中，人们逐渐利用无害化、稳定化处理后的基质对废弃矿坑进行填埋，然而填埋之后会产生渗滤液，渗滤液若得不到妥当的处理会对环境产生巨大的污染。针对高COD、高氨氮含量的渗滤液，本文提出采用可控生化制水肥技术对该渗滤液进行处理。分析了该技术对于渗滤液中COD、氨氮的处理效果，以及对于硝态氮的积累效果，并对处理后渗滤液的肥力状况做了初步的评估。

研究结果表明，可控生化制水肥技术处理后的渗滤液的化学需氧量、氨氮、总磷、pH等指标均在我国灌溉水质标准（GB 5084-92）的标准范围内。其中对渗滤液COD的去除率可达95.6%，对氨氮的去除率可达98.7%，最终的硝态氮含量可达125.9 mg/L，通过对泡桐幼苗浇灌该处理后的渗滤液可以发现该渗滤液可促进泡桐幼苗的生长。

关键词：渗滤液；可控生化处理；水肥

Abstract

In the current abandoned mine ecological restoration project, people gradually use harmless and stabilized matrix to landfill abandoned mine pits.However leachate will be produced after the sludge is landfilled. If the leachate is not properly treated, it will cause huge pollution to the environment. For leachate with high COD and high ammonia nitrogen content, this paper proposes to treat the leachate by controlled biochemical fertilization technology. The treatment effect of this technology on COD, ammonia nitrogen and nitrate nitrogen in leachate was analyzed. A preliminary assessment of the fertility status of the treated leachate was made.

Research indicates that, the chemical oxygen demand, ammonia nitrogen, total phosphorus, pH and other indicators of the leachate treated by the controllable biochemical fertilization technology are within the standard range of the farmland irrigation water quality standard (GB 5084-92). Besides, the removal rate of leachate COD can reach 95.6%, the removal rate of ammonia nitrogen can reach 98.7%, and the final nitrate nitrogen content can reach 125.9 mg/L. By pouring the treated leachate into the paulownia seedlings, it can be found that the leachate can promote the growth of the seedlings of the paulownia.

Key Words：leachate；controllable biochemical treatment；fertilizer-containing water

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 渗滤液处理现状及存在问题 2

1.2.1 渗滤液处理达标法 2

1.2.2 渗滤液制水肥法 4

1.2.3 渗滤液处理存在的问题 4

1.3 课题研究目的、意义和研究内容 5

1.3.1 课题研究目的及意义 5

1.3.2 研究内容 6

第2章 实验设计及分析方法 7

2.1 实验设计 7

2.1.1 有无好氧活性污泥系统 10

2.1.2 不同曝气量的好氧污泥处理系统 10

2.1.3 有无硝化细菌处理系统 10

2.1.4 不同碱度的硝化细菌处理系统 11

2.1.5 不同灌溉水质的泡桐幼苗生长系统 11

2.2 分析方法 11

第3章 好氧活性污泥对渗滤液处理的影响 14

3.1 有无好氧活性污泥对渗滤液常规指标去除效果的影响 14

3.1.1 有无好氧活性污泥对渗滤液COD含量的影响 14

3.1.2 有无好氧活性污泥对渗滤液氨氮、硝态氮和总氮含量的影响 15

3.1.3 有无好氧活性污泥对渗滤液总磷含量的影响 16

3.2 曝气量对好氧活性污泥处理渗滤液效果的影响 17

3.3 有无硝化细菌对渗滤液常规指标去除效果的影响 18

3.4 碱度对硝化细菌处理渗滤液效果的影响 19

3.5处理后的渗滤液对泡桐幼苗生长状况的影响 20

第4章 结论与展望 22

4.1 结论 22

4.2 展望 23

参考文献 25

致谢 27

第1章 绪论

1.1 课题背景

随着经济的不断发展，我国的工业生产对矿产资源的需求量不断增加；同时科技的发展使得我国的矿山开采技术也得到了长足的进步，因此近年来，我国矿山开采的规模不断扩大，产能不断提高。据资料显示，目前我国的矿山开发地面积已达到2.2万平方千米，约占国土面积的0.22%。然而一座矿山的矿产资源是有限的，当矿山的矿产资源开采完全之后就会形成所谓的废弃矿山，目前在我国2.2万平方千米的矿山开发地面积中，废弃矿山的面积占了0.98万平方千米，占比约为45%^[1]。如此巨大面积的废弃矿山若得不到及时的治理，则会带来一系列的问题，例如山体滑坡、泥石流、崩塌等矿山地质灾害，另外采矿导致的植被资源的破坏，则会影响当地生态系统的生物多样性。

近年来，人们逐渐意识到生态环境的重要性，并逐渐重视废弃矿山的生态修复，但是废弃矿山的修复速度还是远远低于矿产开采速度。目前已经治理的矿山面积只有8.7万公顷，这只占废弃矿山面积的8.9%，这远远低于国外的矿山修复率（50%-70%），从中也可窥见我国在废弃矿山治理方面的进度是十分滞后的。

目前国际上对于废弃矿山的修复主要是进行生态修复，一些国家如美国、英国等，其政府在废弃矿山生态修复方面不仅会进行财政支持、技术支持，还会提供立法保护 ^[2]，而我国在此方面的建设还不够完善。生态修复作为一项综合性的工程，主要包含对矿坑的填埋、表土复绿以及生态重建等方面。矿坑填埋是整个废弃矿山生态修复进程中最基础，也是极为重要的一步。目前对矿坑的填埋方法有原土填埋和污泥无害化、减量化、稳定化处理后填埋，原土填埋虽然简便，但是这将会消耗大量的原土，从而进一步增加表土的贫瘠程度，不利于后期的表土复绿及生态修复；污泥无害化、减量化、稳定化处理后填埋是污泥处理与矿坑填埋的结合运用，以本实验中所涉及的鸽子山废弃矿坑的填埋为例^[3]，污泥经石灰处理之后降低其含水量，再以一定比例与尾矿砂、尾矿石混合均匀。混合之后的基质满足矿坑填埋的力学特征。总体来看污泥无害化、稳定化、减量化处理之后运用于矿坑填埋不仅可以处理大量的污泥，还可以对废弃矿石进行资源化利用，一举两得。

污泥是污水处理过程中所产生的沉淀物质，主要由有机残片、菌体、无机物质等组成。我国每年的污泥产量极大，据资料显示，2015年生活污泥的产量已经达到3500万吨，并且预估2020年污泥的产量将达到6000万吨。如此大量的污泥产生量对于我国污泥处理工业来说也是一个巨大的挑战。若如此大量的污泥得不到及时的处理，不仅会侵占大量的土地，而且由于污泥中含有原处理污水的约30%的COD、20%的氮、90%的磷以及大量的微生物，所以不及时的处理也会引发一系列的生态环境问题，例如污染地下水等。目前我国在污泥的处理方面以填埋、堆肥和焚烧为主^[4][5]，而运用无害化、稳定化、减量化处理后的污泥填埋矿坑作为一种处理量大，投资较少的处理方式逐渐被重视。

然而，将无害化、稳定化、减量化处理后的污泥运用于填埋废弃矿坑也不是一劳永逸的举措，填埋之后也会产生一些问题，其中最大的问题之一便是会产生渗滤液。渗滤液的产生是由于污泥在填埋前的处理过程中运用了石灰，从而破坏了污泥的胶体结构，使得污泥变得疏松，疏松的污泥在填埋之后会由于压力、雨水、地下水等原因释放出原污泥内的污水，从而产生渗滤液。另外，在矿坑填埋后进行表土复绿的过程中运用的污泥堆肥也会因雨水等原因产生渗滤液。产生的渗滤液有以下几大特征：（1）色泽发黑，气味极臭。（2）所含的污染物浓度高，COD可达上万，氨氮含量高达几千，是国家污染物排放标准的几十倍。（3）有机污染物的成分复杂，含有氯化物、芳香族化合物、酚类等污染物，其中有些污染物甚至是致癌物。（4）渗滤液中的金属离子含量较高，种类繁多。如果产生的渗滤液不加以回收而直接与环境接触，这些渗滤液有极大的可能污染地下水和周围的地表水。B.P. Naveen等人对渗滤液池与周围的水塘的水质研究表明，渗滤液可能会交叉污染附近的地表水或地下水^[6]。一旦渗滤液污染了人们的饮用水源，致癌物质和一些重金属离子就会进入人体，从而对人体产生危害；另外渗滤液污染了废弃矿山周围的地表水后会造成的水体富营养化，从而使水体缺氧、水质恶化，这会进一步地阻碍废弃矿山的生态修复的进程。

因此在运用污泥填埋废弃矿山的时候要进行抗渗处理，并将产生的渗滤液集中收集，收集的渗滤液必须要得到及时有效的处理，否则随着时间的推移，渗滤液的水质会发生巨大的变化，这将进一步加大其处理的难度。

1.2 渗滤液处理现状及存在问题

目前对渗滤液的处理方法大致可分为两种。第一种是利用生物、物化法等将渗滤液中的有机物、总氮、总磷几乎完全除去，处理之后的渗滤液达到排放标准后进行排放。另一种渗滤液处理方法是运用渗滤液制水肥，该方法主要是为了保留渗滤液中大量的氮磷等元素，而除去大部分有机物。处理之后的渗滤液因含有大量的氮磷元素可用作植物浇灌的水肥。

1.2.1 渗滤液处理达标法

对渗滤液进行达标处理是目前渗滤液处理方面最为普遍的处理方式，其处理方法包括：物化法、生物法以及生物法联合物化法等。其中物化法主要包括氨吹脱法、絮凝沉淀法、高级氧化法以及膜过滤法等；生物法包括厌氧生物法和好氧生物法；生物联合物化法如Fenton联合SMBR法等^[7]。在这些处理方法中，处理效果最可靠、稳定的是生物联合物化法。对于以上提到的渗滤液处理方法的优缺点见表1.1。

表1.1 渗滤液各处理方法对比

氨吹脱法的原理是利用pH值增加游离氨的浓度，再借助搅拌、曝气等方法使游离氨逸出。将渗滤液的pH调节至11以上时，渗滤液中的游离氨比例达到90%以上^[8]，此时便可借助曝气等方法去除渗滤液中的氨氮。尽管氨吹脱法的氨氮的去除率高，但是也存在一些缺点。首先，氨吹脱法需要调节pH，这会消耗大量的碱，吹脱完后又需要回调pH，这又会消耗大量的酸，提高工艺的成本。另外，氨吹脱法产生的氨气不能直接排放，否则会造成二次污染，因此产生的氨气还需要进一步的处理，这将进一步增加氨吹脱法的成本。

絮凝沉淀法的原理是渗滤液中的一般有机物表面带负电荷，在向渗滤液中加入铝盐、铁盐、PAM等絮凝剂之后，可以中和有机物表面的负电荷，从而形成沉淀。A.A.Tatsi等研究^[9]表明,在渗滤液的pH为10，加入的含铁絮凝剂中铁含量达到2 g/L时，渗滤液的COD去除率可达80%。总体上来说，絮凝沉淀法对于渗滤液的COD去除效果较高，但絮凝沉淀法在处理的过程中会产生大量的沉淀，同时絮凝剂的运用可能会增加渗滤液中一些离子的浓度，从而会对环境产生其他不利的影响。

高级氧化法如Fenton氧化。Fenton氧化法的原理主要在两个方面，第一是羟基自由基的高级氧化，第二是Fenton反应中产生的铁离子、亚铁离子的混凝作用。龚林华等研究^[10]了Fenton氧化对渗滤液中COD、总氮的去除效果。研究结果表明，在过氧化氢的用量为6 mg/L，硫酸亚铁的用量为2.5 g/L时，pH值为4的条件下反应30分钟，渗滤液中的COD的去除率可达69%，总氮的去除率达22%。虽然Fenton氧化法在去除渗滤液中的大分子有机物方面效果显著，但该处理方法的缺点在于会产生大量的污泥，需要进一步的处理。

生物法是目前渗滤液处理的主要方法，因为生物法的操作简单，成本较低，二次污染小，且产物基本无毒无害可直接排放。但单纯的厌氧或好氧生物法处理无法达到理想的效果。郑理慎等^[11]研究了ABR处理法对垃圾渗滤液的处理。研究结果表明，ABR处理法对渗滤液中COD的去除率只有31%，对氨氮的去除率也只有25%，但是渗滤液的BOD₅/COD从0.1提高到0.3，有利于之后的生化处理。因此我们可以看出ABR处理法的主要作用为提高渗滤液的可生化性，对于COD和氨氮的去除效果一般。实际生产运用中主要将好氧与厌氧相结合，关国强等^[12]研究了厌氧/好氧反应池对渗滤液的处理效果。研究结果表明，厌氧/好氧反应池处理渗滤液之后，渗滤液的COD去除率为76%，氨氮的去除率达90%，总氮的去除率达76%。吴健等^[13]研究表明，经A/O-MBR工艺处理之后，高COD、高氨氮含量的渗滤液中COD的去除率达到95.4%，氨氮的去除率可达99.8%。因此不难看出，当厌氧与好氧生物法相结合后将极大地提高渗滤液中COD、氨氮以及总氮的去除率。

目前对渗滤液的处理主要是将好氧与厌氧相结合，并联合物化法预处理，这样的联合处理法处理渗滤液可达到理想的效果。利用物化法预处理之后不仅可初步降低COD、减轻氨氮负荷，而且可以提高渗滤液的可生化性，利于之后的生物处理法的进行。Antonio Lopez等人的研究^[14]表明，运用Fenton氧化法进行预处理之后，可去除60%的COD，并将BOD₅/COD从0.2提升至0.5，有利于后期的生化处理。但相对于物化法和生物处理法，联合处理法的工艺流程较为复杂，影响因素也更多。

1.2.2 渗滤液制水肥法

由于渗滤液的氮元素含量较高，同时又含有一定量的磷元素、钾元素等，而植物生长又需要这些元素。所以人们尝试着将渗滤液运用于植物灌溉，然而渗滤液又含有高浓度的COD，这些高浓度的有机物绝大部分无法被植物吸收利用，若此高COD的渗滤液直接运用于植物灌溉，不仅会对植物产生危害，而且绝大部分无法利用的有机物会污染地下水。因此渗滤液在灌溉前需进行一定的处理，即降低渗滤液的COD含量至植物的可承受范围，同时又尽量不损失渗滤液的氮磷含量。万立国等研究^[15]表明，运用高负荷生物絮凝-膜反应器可以去除渗滤液90%的COD，同时保留了95%的总氮、80%的总磷。这种“有机物含量低，氮磷含量高”的渗滤液出水可以考虑用作灌溉水。高畅等研究^[16]研究表明，运用AAFEB（厌氧附着膜污泥膨胀床）处理之后的水质基本保留了原污水大部分的氮磷元素，将其用于浇灌小白菜后可明显提高小白菜种子的发芽率、促进幼苗的生长。

1.2.3 渗滤液处理存在的问题

虽然目前国内外对于渗滤液的处理越来越重视，特别是在渗滤液处理达标排放方面的研究愈来愈深入，但渗滤液达标处理方面仍存在一系列的问题。例如渗滤液的高氨氮问题，目前对于高氨氮的处理像氨吹脱法和生物法等都存在缺陷，氨吹脱法产生的氨气要考虑回收或者进一步处理以防污染环境。高氨氮引起的碳氮比失衡对于生化法有一定的限制^[17]。另外，目前对于渗滤液缺乏深度处理^[18]，渗滤液中的一些有机物无法通过生物法得到有效的降解，因此在处理渗滤液的时候要与一些物化法相结合，然而联合物化法之后又会大幅度地增大渗滤液处理的成本，这使得渗滤液的深度处理受到极大的限制。

随着废物资源化利用的理念逐渐普及，越来越多的研究者尝试对渗滤液中的氮磷元素进行资源化利用^[19]，将其制成水肥。这样既可降低渗滤液的处理难度，又可以用处理之后的渗滤液灌溉植物促进其生长。然而目前对于渗滤液制水肥的研究仅仅处于初步阶段，具有一定的局限性^[20][21][22]。例如当前一些渗滤液制水肥的研究中运用了膜反应器，而膜反应器的成本高、寿命较短，这可能会限制该技术的大范围运用。另外目前渗滤液制水肥所处理的渗滤液的COD、总氮等含量都不高，对于高浓度COD、氨氮的渗滤液的生化处理制水肥技术的研究不足。

1.3 课题研究目的、意义和研究内容

1.3.1 课题研究的目的及意义

废弃矿山生态修复的过程中，渗滤液的处理是一大重点。渗滤液处理的适当与否将影响废弃矿山生态修复的整体进程。只有渗滤液成功处理，才能表明废弃矿山生态修复的过程中不会对环境造成二次危害。然而废弃矿山生态修复过程中产生的渗滤液进行达标处理的难度较大，这主要是由于填埋的废弃矿坑一般都远离市区，若要将该渗滤液集中输送到污水处理厂则会产生极高的管网铺设费用；若要在废弃矿坑附近建立污水处理厂，虽然渗滤液会得到高效且高质量的处理，但运行、管理的成本极高。

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