我国污水土地处理技术研究进展

2014-08-15高琼

山西水土保持科技 2014年4期

高琼

(山西省环境监测中心站)

我国是世界上13个贫水国家之一，人均用水量仅为世界平均水平的1/4。目前，全国34个省(区、市)中，有16个省(区、市)人均水资源量低于严重缺水线，有 6个省(区、市)人均水资源量低于500 m3，且呈不断降低的趋势。按照国际公认的标准，人均水资源量低于1 000 m3为严重缺水，低于500 m3为极度缺水。据2012年我国水资源公报与环境状况公报，目前全国年排放污水量已达785亿m3，地表水总体为轻度污染，部分城市河段污染严重。由于污水处理率低，影响了水资源的有效性，造成有水不能用，使水资源短缺与水污染严重之间的矛盾愈来愈尖锐。污水资源化，是将污水视为一种资源，通过各种处理技术，使其净化达到某种用水标准，从而实现大部分污水的循环再利用，同时减少污水排放对环境造成不良影响的过程［1］。实施污水资源化，可以有效地缓解我国水资源短缺的状况。污水土地处理技术，正是在这样的背景下不断快速发展的一项新技术。

1 污水土地处理系统的主要技术发展

污水土地处理系统是一种污水处理的生态工程技术，指的是污水经过一定程度的预处理，然后有控制地投配到土地上，利用土壤—微生物—植物生态系统的自我净化功能和自我调控机制，通过一系列的物理、化学和生物化学等过程，使污水达到预定的处理效果，转化为新的水资源，达到重新回收利用，并对污水中磷、氮等资源加以利用，使其成为植物自身营养成分的一种处理技术。污水土地处理技术的基本类型如下。

1.1 慢速渗滤土地处理系统

慢速渗滤(SR)土地处理系统，是将污水有效地投配到土地或种有植物的土地表面，经过土壤表面渗流以及土壤—植物系统内部垂直渗滤得到净化的土地处理工艺，是污水土地处理技术中水和营养成分利用率最高、经济效益最大的一种类型。水力负荷和有机负荷是慢速渗滤系统的重要设计参数。水力负荷的选用，除与污水自身的水质因素有关外，主要与土壤质地和植物的选择有关。主要选用渗水性良好，满足处理系统污水利于传导性能强的土壤;植物选择主要考虑能最大限度地吸收氮、磷及有机物等营养物质，耐水湿，生长期长，易于管理。有机负荷通过对单位面积的污染负荷和通化容量计算，进行有控制地投配，使处理系统在最佳状态下连续运行。慢速渗滤系统包含了土壤胶体的机械截留、离子交换等物理化学固定作用以及土壤酶与微生物的降解、转化被植物吸收利用等生物化学作用，故污水净化效率高，出水水质优良。由于其与农业生产紧密结合，投入少，而被广泛采用。

“八五”、“九五”期间，中国科学院沈阳应用生态所在内蒙古霍林河地区建立了处理规模为10 000 m3/d的森林型慢速渗滤污水土地处理工程示范区，灌溉林地面积880 hm2，此系统无再生水产生，实现了污水的无害化和资源化。该工程的基建投资与运行费用分别为常规二级处理的1/2与1/5，灌溉区内林地平均每年净增产值130万元，经济效益、生态效益和社会效益良好［2，3］。美国维蒙特工业公司在内蒙古锡林郭勒盟建立了处理规模为4 000 m3/d的低压喷灌慢速渗滤土地处理系统，处理出水可以达到我国污水的二级排放标准。该项目在运行过程中没有影响地下水和土壤水质，饲草产量提高60%［4］。赵建芬等人对传统的慢速渗滤土地处理系统进行改进试验，结果表明，在大水力负荷情况下，改进的系统对BOD、总氮、磷的去除率能达到96.28%、91.78%和98.83%，除总氮外其他各指标浓度均满足地面水环境Ⅲ类水域水质标准要求［5，6］。项爱枝等采用慢速渗滤土地系统对养猪场废水进行三级深度处理，该处理工艺对COD、BOD5、NH3-N的去除率均达到99%以上［7］。

1.2 快速渗滤土地处理系统

快速渗滤(RI)土地处理系统也是污水土地处理系统的基本类型之一，是将污水有控制地投配到具有良好渗滤性的土地表面，污水在向下渗滤过程中经过物理、化学和生物化学等一系列作用而得到净化。快速渗滤系统的影响因素主要为3个方面:运行周期(湿干比)、渗透系数、水力负荷。快速渗滤系统采用周期处理模式，即定期投配污水使渗滤系统淹没和土壤表面干燥氧化交替进行，使渗滤土壤表层好氧条件周期性地再生，从而使截留在浅层土壤的污染物充分有效地分解，对COD、BOD、氮有很好的处理效率。土壤的质地和结构影响着处理系统的渗透系数，水力负荷与渗透系数密切相关［8］。渗透系数小的土壤，其空隙较小，渗透率较低，出水水质较好。该系统的显著优势是可以终年运行，且成本和能耗低，因此具有广阔的应用空间。

人工快速渗滤系统(CRI)，是指将污水有控制地投放于人工构筑的渗滤介质的表面，使其在向下渗透的过程中经历机械过滤与吸附、化学转化、生物氧化与还原、硝化与反硝化等作用，最终达到净化污水的过程。主要是采用天然河砂、陶粒、煤矸石等渗透性能较好的渗滤介质代替天然土层，从而大大提高了水力负荷。张金炳选用河流冲积砂和人工大理石砂、红土作为渗滤介质，构建了人工快速渗滤系统，使茂州河水污染物有较高的处理效率，系统出水COD浓度为13.74 mg/L，BOD浓度为2.88 mg/L，对SS、NH3-N及 LAS的去除率可达95%以上［9］。白芒河水质净化厂对排入白芒河沿岸的污水进行处理，出水水质可以达到城镇污水处理厂污染物排放标准中一级A标准［10］。江津市李市镇污水处理厂采用人工快速渗滤系统处理城镇生活污水，处理规模为3 000 t/s，出水水质可以达到城镇污水处理厂污染物排放标准中一级B标准，且处理与运行成本低，操作管理简单，在城镇生活污水处理方面具有良好的应用前景［11，12］。

1.3 地下渗滤土地处理系统

地下渗滤(SI)土地处理系统是将污水投配在土壤亚表面，通过毛细管浸润、渗滤和重力作用向四周土壤扩散和运动，利用土壤—微生物及土壤—植物生态系统的净化功能，使污水中的污染物在生态系统的物质循环中逐渐降解，从而净化水质的中小规模的自然生态处理系统。地下渗滤系统的影响因素主要有两方面:一是处理土壤的选择与配置。土壤的质地、结构、渗透性能和化学性质对地下渗滤系统的处理能力和净化效果有很大的影响;二是有机负荷和水力负荷的选取。地下渗滤系统适合处理高浓度的有机污染物，合适的水力负荷可以维持土壤中污染物的投配与处理之间良好的平衡，保证系统高效连续运行。地下渗滤系统具有处理出水水质好、运行稳定且费用低、管理操作简单、占地少不破坏景观、没有异味等优点。地下渗滤系统(土壤毛管渗滤系统)的主要类型有:渗滤坑、渗滤管(渗滤腔)、渗滤沟、尼米槽等。

中国科学院沈阳应用生态所在沈阳师范大学新校区修建了800 m3/d的悬浮填料浮动床/土壤地下渗滤系统示范工程，实践证明，利用该系统进行污水深度处理，出水水质优于所要求的回用水质，对COD、BOD5、SS、NH3-N的处理效率均可达到92%以上［13］。浙江湖州某区以土壤毛管渗滤沟为主，处理能力为1 000 t/d的污水处理系统，对该区的生活污水进行处理，各出水水质指标均达到了国家回用标准［14］。沈阳大学联合校区建立了接触氧化—地下渗滤工艺处理校园生活污水，该渗滤系统采用干化活性污泥作为渗滤介质，出水水质满足城市污水再生利用—景观环境用水水质标准［15］。刘道行等采用地下渗滤系统处理鄱阳湖中心高速服务区的生活污水，对 COD、TN、TP的去除率可达到89.1%、87.5%和95.5%［16］。李斌等在农村建立了人工分土层的地下渗滤池，设计人口为5人，对单独的农户家庭生活用水进行处理，对COD、TN、NH3-N、TP均有良好的处理效率［17］。众多事实说明，地下渗滤系统在生活污水处理方面也具有广阔的前景。

1.4 地表漫流土地处理系统

地表漫流(OF)土地处理系统，是将污水定量地投配到具有较缓坡度、土壤渗透性较低且生长着茂密植被的土地表面上，污水沿地表呈薄层缓慢而均匀地流动，经一段距离后得到净化的一种污水处理工艺。该系统的净化原理是利用“土壤—植物—微生物—水”体系对污染物的巨大容纳、缓冲和降解能力。缓慢的水流提供了良好的好氧条件，为微生物创造了良好的呼吸环境;分布于地表的生物膜对污染物有吸附、降解的作用;植物起到了均匀布水以及吸收污染物的作用;阳光促进污染物的分解。地表漫流系统的影响因素主要为3个方面:土壤的理化性质，土地表面的坡度和平整度，植被的覆盖率和稠密度。该系统采用地表漫流，对地下水的影响小，净化效果好，投资运行费用低，管理方便，可作为绿化景观，具有良好的环境效益。

崔金贵利用中试探索了黄土地区地表漫流系统对废水的去除效果，结果表明处理后废水水质能够达到污水综合排放二级标准［18］。河海大学通过建立4块10 m×60 m的地表漫流系统，对新沂河污水进行处理，对COD的处理效率随进水浓度的增加而增高，对低浓度COD去除率45%-55%，对NH3-N的去除率 75%-89%［19，20］。九江学院建立了坡面面积为3 300 m2的红壤地表漫流系统对校园生活污水进行处理，该系统对COD、TP、TN的去除率为67%、51%和75%以上，出水水质达城市污水处理厂二级排放标准［21，22］。

1.5 污水人工湿地处理系统

污水湿地处理系统是在土壤—植物—微生物复合生态系统中，有控制地投配污水使土壤经常处于饱和状态，污水在生态系统运行过程中，土壤和耐湿植物联合作用，使污水得到充分净化的污水处理工艺。污水湿地处理系统包括天然湿地和人工湿地(CW)处理系统。人工湿地(CW)处理系统的反应机理是由细菌、真菌、放线菌、原生动物组成的湿地微生物群体，利用空气将污水中的有机质、含氮有机物等分解成可供植物利用的无机化合物。湿地植物庞大的根系吸附和富集部分污染物，同时吸收和转化水体中氮、磷等营养物质。人工湿地系统的主要设计因素为:土壤结构、渗透性等理化指标，植被选择、覆盖率等生物指标，水力负荷、投放周期等运行指标。该系统出水水质稳定，水力负荷大，污染负荷高，并形成了生态景观，具有良好的环境效益和经济效益。

人工湿地系统以其独特的优势被广泛应用到生活污水、工业废水、农村废水和石油废水等处理过程中。洋湖再生水厂建立了人工湿地污水生态处理工艺，处理量为40 000 m3/d，是长沙市大河西先导区“两型”社会建设示范工程［23］。经人工湿地深度净化处理的污水，可达到城镇污水处理厂污染排放标准一级A标准，实现了污水零排放和污水再生利用。曹明利等设计了人工快渗/复合人工湿地组合工艺，对某工业园区的混合化工污水、尾水进行处理，出水水质达到Ⅴ类地表水环境质量标准［24］。莫德清等采用复合型潜流人工湿地对漓江流域的农村生活污水进行处理，COD、NH3-N、TN和TP的去除率分别大于70%、70%、90%和85%，出水水质可达到城镇污水处理厂污染排放标准一级B标准［25］。吉林油田新大采油厂与吉林省环境科学研究院合作采用气浮/生化与人工湿地联合工艺，对采油废水进行了处理，在污水进水水质波动大、生化性较差的情况下，该处理工艺对COD、石油类化合物的去除率达到了86.8%和83.8%，出水水质达到排放标准［26］。

2 污水土地处理系统存在的问题

2.1 土壤堵塞

土壤作为污水土地处理系统组成的基质，对污染物起着物理截留、化学沉淀、吸附、氧化还原等净化作用。随着污水处理的不断运行，污水中的悬浮物不断截留沉积，微生物不断繁殖，土壤的吸附能力逐渐趋于饱和，很容易引起土壤孔隙的堵塞，进而影响系统的水力负荷、稳定性以及净化效果，甚至使系统停止运行。

2.2 受低温影响较大

由于污水土地处理系统是小型的“土壤—植物—微生物”生态系统，其中植物和微生物对温度尤为敏感。在较低温度条件下，微生物活性会降低，生化反应会明显受到抑制，从而使系统的处理效率会明显下降。

2.3 占地面积较大

污水土地处理系统的机制与特点决定了其需要占用较多的土地，尤其是慢速渗滤和地表漫流这类水力负荷小的处理系统，需要占用更多的土地，这是阻碍土地处理系统发展的主要因素。我国土地资源十分紧张，要解决占地面积大的问题，主要方法是提高水力负荷。但随着水力负荷的提高，污水通过处理系统的速度就会加快，减少了与其接触反应的时间，影响出水水质，同时也加大了土壤的堵塞。

2.4 二次污染问题

一般来说，污水土地处理系统对周围环境不会造成不良影响，但是在污水处理过程中容易出现重金属富集、温室气体释放和病原体的增加，特别是重金属污染是制约土地处理系统发展的主要问题之一。重金属的积累会对土壤理化性质、植物的生长、土壤微生物的生物活性和植物群落结构造成影响，有时甚至穿透土壤污染地下水;由于土地处理系统内部环境长期处于厌氧状态，导致微生物厌氧呼吸而产生CH4和N2O两种温室气体;病原体可通过污染的植被和地表径流，附着在气溶胶微粒上进行传播，也可能沥滤进入地下水，从而造成二次污染。

3 污水土地处理系统展望

污水土地处理系统作为一项投资经济合理、管理运行方便、技术稳定、处理效果良好、实现污水资源化的生态处理技术，具有显著的环境效益、社会效益和经济效益，在当今具有广阔的发展潜力，适合我国目前的经济发展水平与污水处理技术发展现状。土地处理系统作为污水处理技术，不但效果好，而且可以减少氮、磷的排放量，减缓我国水体富营养化的发展态势，既可替代常规的二级处理，又可作为常规处理的深度处理，已成为我国污水处理革新/替代技术的重要组成部分。在农村和中小城镇，可以利用其拥有较多土地资源的优势，建造小型土地处理系统，不仅可以净化污水，而且可以与农业灌溉相结合，提高土壤肥力和农作物产量，在保护农村生态系统的同时保证粮食安全。在大城市，根据其污水水量大、成分复杂的特点，可以因地制宜地选用各种类型的土地处理系统并与其他成熟的污水处理技术相结合，不仅能达到良好的污水处理效果，还可以改善城市的生态环境质量。加强土地处理系统的理论研究和技术工艺研发，加大力度推行并实施污水土地处理技术，将是解决我国水污染严重和水资源短缺的有效途径。

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