污水地下渗滤系统在应用中的问题及强化措施研究进展

高蕊 毕岸 潘晶

（沈阳师范大学生命科学学院 辽宁沈阳 110034）

近年来，人们排放的生活污水量日益增加，已经对人们生存的自然环境及经济发展产生不可避免的影响，选择合适的污水净化技术非常重要。污水地下渗滤 系 统（Subsurface Wastewater Infiltration System，SWIS）是一项集物理、生物、化学反应技术于一身，运用由“植物—土壤—微生物”3个部分组合而成的稳定生态系统来处理污水的一项工艺，将自然生态净化技术和人工工艺相结合。SWIS起源于日本，后来相继在欧美地区逐步展开了研究和应用。我国从20 世纪90年代初期开始研究地下渗滤技术。此系统具有运行成本低、出水水质好、节约空间、管理简单等优点。但传统的SWIS 存在基质选择不合理、渗滤层结构、运行参数不合理、脱氮除磷效果不理想和容易堵塞等问题。SWIS的飞速发展使其近几年成为国内外研究的热点，许多研究者对提高其渗滤功能和处理能力进行了大量研究。

1 SWIS存在问题

1.1 系统堵塞

SWIS 堵塞不仅影响进水负荷，也妨碍正常通气，使净化效果不理想，还会减少系统的应用年限。SWIS堵塞过程往往不可逆。微生物的过度生长和细胞外分泌物的堆积及生物膜的剥落都是可以造成土壤堵塞的主要因素。另外，气泡堵塞在某些情形下也很容易出现，土壤中的微生物在好氧、厌氧反应过程中形成气体时，就会因产生过大的内压而导致土壤孔隙堵塞。各种堵塞问题可以通过技术手段缓解，但不能彻底恢复解决。

1.2 除氮效果差

因为SWIS 的氧化还原电位不易控制，所以对氨化、硝化、反硝化细菌的繁殖生存环境条件也不易控制，人们对强化脱氮系统开展了大量的研究。天然土壤有机质的分解造成反硝化菌可使用的碳源不够，且好氧环境条件也不利于反硝化菌的生长发育繁衍，因此产生总氮的消除率也较低。

1.3 磷穿透问题

SWIS 去除污水中磷主要依靠基质的沉降和吸收功能，而长时间工作则会使基质中的磷元素饱和，失去除磷功能并产生二次污染。所以，对磷渗透的控制措施研究十分关键。

1.4 黑箱性问题

SWIS的处理主体位于地面之下，但现阶段研究中对其内部结构的演变过程、微生物结构特征和群落特性还没有系统阐释，所以SWIS 渗滤基质内部仍是黑箱。

2 SWIS强化措施的研究进展

2.1 优化系统运行工况与参数

2.1.1 运行方式强化

不同运行方式对SWIS的净化能力有着重要影响。进水方式具有连续进水与间歇进水两种不同的方式。刘娜经实验后发现各种进水方法系统的TN 去除效率差异很大，说明了采用间歇式进水方法的系统，在同一浸没表面下的整体反硝化与局部反硝化的联合作用下，总氮去除效果最佳［1］。韦玉忠等研究证实，间歇进水排水方式能够有效去除水体中氮、磷。宋铁红等通过将系统间歇式进水与连续式进水对比，发现当系统运用间歇式进水时，系统出水CODCr浓度降低且去除率也有所提高。目前，SWIS大都采取干湿相间的工作方法，此方式能大幅度提高氮的去除效率。李英华等人使用的室内模拟系统证明干湿交替方法能够迅速补充气，NH3-N 和总氮的去除率都达较高值。郝火凡等人采用模拟研究了干湿循环比对基质渗透性的影响，表明在适当的干湿交替比前提下，基质渗入速度能够保持或者增加。干湿交替是SWIS 中最常见的运行方法，既能够稳定地处理出水量，又能够提高系统的补氧能量，使系统内部潜层断面上交替形成厌氧、好氧环境，从而促进有机质的降解作用与去除，大大改善了系统的运行效果。

2.1.2 水力负荷

水力负荷是指单位容积滤料选择量或单位容积内每日可处置的污水总量。水力负荷过高，长期的淹水使整个体系上部分生物基本都处在完全厌氧或兼性厌氧状况，不利于硝化反应。而水力负荷过低，虽然脱氮效应加强，但是脱氮效率与效果形成反比。李英华研究发现，当水力负荷的适宜范围为0.065～0.081m3/（m2·d）时，此范围内适合硝化—反硝化反应进行且脱氮效果最好［2］。

2.1.3 温度

温度直接影响微生物代谢和生长繁殖，硝化过程和反硝化过程都受到了温度的直接影响。安乐经研究发现，调低温度降低了NH3-N 的去除效果，当温度为21℃时，去除率较高；TN 去除率随着温度降低呈现出逐渐增大再减小的趋势，20℃时去除率最大，达到27.12%，随后出现小幅度的下降。CODCr的去除效率在某一温度区间内随着温度下降呈现突然下降又缓慢上升的趋势。聂俊英经实验发现，在一定条件下，环境温度在13℃以上时，生活污水中CODCr具有较好的去除效果。由于相对较低的温度会抑制病菌的活力，所以在低温下处理污水的效果并不好。在自然气温较低和纬度较高海拔差较大的区域，对地下水渗滤液系统必须加大埋设深度和进行必要的保温措施，来提高土壤细菌的生长活力及解决生活污染物的效果。

2.1.4 氧化还原电位

氧化还原电位（ORP）是SWIS的重要参数之一，系统内微生物氧化还原效率受其影响，同时，其也影响系统的脱氮效应。马吉福研究发现ORP 值在200～400mV 时，有利于硝化和反硝化的过程［3］。为了提高生物处理工艺体系中氮的消除效率，则要求保障体系内的ORP处于微生物适应区域内，并采用创造缺氧状态和厌氧条件的方法，来提高体系氮的去除率。

2.2 基质改良

渗滤层基质是影响SWIS净化效果的关键因素，也是植物生长的载体和营养库。科学合理地选用基质滤料是地下水处理工艺控制系统得以有效运转的重要前提条件。许多研究者对SWIS 基质改良进行了深入的研究。

2.2.1 基质滤料的筛选

戴强等人探究了河沙、粉煤灰、煤渣、钢渣对污水中磷的吸附性能，结果显示，河沙不仅廉价易得，而且去除效果很好。潘晶等人利用炉渣、蛙石及砂子等材料对草甸棕壤进行研究改良，加强了草甸棕壤渗透性能，系统脱氮除磷效率水平得到显著提高。刘娜研究了沸石、活性炭、砂、粉煤灰陶粒、粘土陶粒对氮、磷的吸附性能，结果显示，沸石吸附氨氮作用效果最好，粉煤灰陶粒吸附磷效果最好，粘土陶粒和活性炭对氮、磷均有较好的吸附效果。为了构建地下渗滤体系的渗滤层，选用沸石、活性炭、粉煤灰陶粒和粘土陶粒4 种过滤介质作为有效的净化基质［1］。杨健等研究表明通过用河沙替代一部分泥土进行分层装填，极大增强了消除污染的功效［4］。张建等研究发现向处理工艺体系基质中掺入约10%的草灰后，改善了土壤氧化环境条件的同时，也增加了氨氮和总氮的平均去除率［5］。严群等研究采用了土壤、草炭和矿渣粉进行搭配，并采取了全混合装填方法，经采用后，有效地增加了地下处理工艺体系的进水水力负荷，从而明显提高了土壤COD、氨氮和总氮的均匀去除率［6］。周子琳等发现通过向生物基质中加入干化污泥来补充碳源，来增强反硝化作用以更高效地脱氮［7］，选择合适的渗滤基质是保证SWIS高效运行的前提条件。

2.2.2 基质配比优化

选用恰当的基质配比，可以改善污水处理性能。刘娜研究发现，当活性炭、粉煤灰陶粒、沸石和粘土陶粒的比例为2∶3∶3∶2并分层填充时，SWIS 的脱氮除磷效果最好，更适合农村地区的生活污水处理［1］。刘晋研究表明，将生物基质以砂土、草炭土、焊渣，与传统的活性污泥法按14∶3∶2∶1的容积比例混合，可以有效净化污水。汪宏等人通过将土壤、矿渣粉与生态基质分层填装，研究结果表明，加入了生态基质，可以提高土壤系统中对TN 的脱除能力。杨铮铮等人通过将腐熟牛粪和粉煤灰的综合利用连续混配填入处理工艺系统模拟净化农村生活污泥，从而得到了系统的脱硫除磷能力。

2.3 改善氧化还原环境

2.3.1 通风

系统内设通风管是一个能够合理地进行提高地下处理工艺床身内溶解氧浓度的方式，可以利用布管道和通风管，进行向自然环境通风或将通风设备接入管线，并利用空气动力强制地向系统内控制通风量，在提高系统氨氮废气的效率和维持系统渗透性方面都有效益。Luanmanee 等研究通过变化系统通风大小，发现随着通气量的递增，系统TN 的去除率也随之增多［8］；而吕锡武等人研究则发现系统通风的结构变化有效地提高了系统的氧化还原环境研究，并表明系统通风量和通气时间延长对TN 的消除有很大的影响。采用通风方式，提高了SWIS处理效果。

2.3.2 曝气

人工曝气能够提高SWIS氧的供应，从而提高系统净化效果。潘晶等研究发现间歇曝气和进水分流二者相结合的SWIS去除污染物效果良好，为新型系统的设计、构造和实现提供了借鉴［9］。袁方研究发现间歇曝气提高了SWIS基质脱氮微生物数量和脱氮酶活性，有利于总氮的去除［10］。汪思琪研究发现曝气增加了地下渗滤系统对NH3-N、COD 的去除率且会在短时间内提高去除污染物的整体效果［11］。许菲等人研究发现曝气随着滤速和气水比的增加，COD 的去除呈现先增大后降低的明显趋势，氨氮的去除效率保持相对较高的状态，说明高滤速和气水比对氨氮的去除更为有利。

2.4 微生物功能强化

微生物在SWIS中对污染物的去除起着重要作用，因此，生物强化不仅可以提高系统对污染物的去除能力，还可以延长使用寿命。不同土壤基质中的微生物对环境的适应性不同，因此，接种微生物的最佳方法是在相同污染环境和污染过程的土壤中选择所需的功能微生物，再将其重新接种到相似的污染环境和污染过程中［12］。邹轶通过加入微生物菌剂，使地下渗滤液系统在消除氨氮和总磷的能力大幅提升，并显著减少了系统的启动工作时间。代莹等往土壤中添加自行研制的微生物菌剂后，显著提高了系统的抗冲击负荷和氨氮的去除率。

3 研究展望

SWIS属于实用工艺，其流程简单、运行可靠、处理要求低、无异味，在处理分散生活污水方面具有明显的优势，在我国具有良好的发展潜力。该技术虽然已有很长历史，但尚未成熟，也从侧面体现出该技术的复杂性。为了使该技术能广泛地应用于污水处理，还有很多研究要做。影响SWIS去除污染物的因素众多，仅强化单因素已经不能满足要求，未来，应将多种强化手段相结合来解决SWIS的一些问题。现阶段，水资源危机是我国面临的一个严重问题，水资源短缺和水质恶化问题越来越严重，废水循环利用的观念也逐渐被人们认识接受。研究表明，SWIS在我国大部分地区有着良好的适应性和可行性，因此，该技术在我国将有很好的发展前景。