地下滲濾系統(tǒng)存在的問題及解決方法

李曉東　安樂　晁雷　張巍　趙曉光　許靜

摘要：地下滲濾系統(tǒng)為分散式生活污水處理技術(shù)，具有出水水質(zhì)穩(wěn)定、受季節(jié)影響小、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，近年來廣泛用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水處理，但它也存在處理效率低、易堵塞、脫氮效果差等缺點(diǎn)。本文針對地下滲濾系統(tǒng)現(xiàn)存的這些問題，提出了一些合理的建議。

關(guān)鍵詞：地下滲濾系統(tǒng)；分散式；生活污水

中圖分類號： X506文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2014）01-0351-03

收稿日期：2013-06-21

基金項(xiàng)目：國家水體污染控制與治理重大專項(xiàng)（編號：2012ZX07202-003、2012ZX07212-001）。

作者簡介：李曉東（1978—），男，山西太谷人，博士，高級工程師，從事污水生態(tài)治理與修復(fù)工作。E-mail：13889348902@126.com。地下滲濾土地處理系統(tǒng)是一種基于生態(tài)學(xué)原理的分散污水處理技術(shù)，具有出水水質(zhì)穩(wěn)定、受季節(jié)影響小、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)[1]。利用地下滲濾系統(tǒng)處理污水的過程也是污水資源化的過程，污水中的營養(yǎng)物質(zhì)被地表景觀性植物吸收，出水可二次利用[2]。鑒于地下滲濾系統(tǒng)的上述優(yōu)點(diǎn)，其在污水處理特別是在鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理中的應(yīng)用研究受到越來越多的關(guān)注[3]。

雖然地下滲濾系統(tǒng)具有埋于凍土層以下、出水水質(zhì)穩(wěn)定、在北方的冬季也可以正常運(yùn)行、避免了蚊蠅孳生等衛(wèi)生問題的優(yōu)勢，但地下滲濾系統(tǒng)仍有一些問題亟待解決，如處理效率低、總氮去除效果差等，本文綜述了地下滲濾系統(tǒng)運(yùn)行中存在的一些問題，并提出了一些解決對策。

1存在的問題及對策

1.1處理效率低

1.1.1原因地下滲濾系統(tǒng)通過物理截留、吸附、化學(xué)沉淀、生物降解作用去除污染物，生化需氧量（BOD）和氮的去除最終都是利用生物作用。系統(tǒng)中有限的空間、有限的生物量影響了系統(tǒng)處理效率的提高。

1.1.2提高處理效率的對策（1）基質(zhì)改良。在地下滲濾系統(tǒng)去除污染物的過程中，基質(zhì)發(fā)揮了重要的作用。對系統(tǒng)中基質(zhì)的改良，能有效提高基質(zhì)的滲透速率，從而提高水力負(fù)荷。楊健等建立了由土壤與沙子分層裝填的滲濾系統(tǒng)，在水力負(fù)荷達(dá)到20 cm/d時，對各種污染物仍保持了較高的去除效率[4]。聶俊英在地下滲濾系統(tǒng)的基質(zhì)中添加含量為0.8%的聚氨酯泡沫，與未添加該種基質(zhì)的系統(tǒng)相比，基質(zhì)的平均孔隙率由38%提高到58%，平均飽和滲透速率由 019 m/d 提高到1.46 m/d，當(dāng)水力負(fù)荷增加到30 cm/d時，未添加聚氨酯泡沫的系統(tǒng)化學(xué)需氧量（COD）出水濃度接近50 mg/L，而添加聚氨酯泡沫的系統(tǒng)COD出水濃度低于40 mg/L，添加聚氨酯泡沫的系統(tǒng)抗水力負(fù)荷沖擊的能力強(qiáng)，在較大的水力負(fù)荷下，仍能保持較好的處理效果[5]。（2）系統(tǒng)改進(jìn)。張榮等設(shè)計的高負(fù)荷地下滲濾系統(tǒng)，自上而下分別設(shè)置覆蓋層、散水-通風(fēng)層、上防堵層、通風(fēng)層、下防堵層和精濾層，增加了基質(zhì)與污染物的接觸面積，保證了好氧過程的氧氣供應(yīng)，該系統(tǒng)對還原性物質(zhì)、固體懸浮物（SS）、銨態(tài)氮（NH4+-N）、總氮（TN）和總磷（TP）的平均去除率分別為87.7%、925%、876%、52.2%和76.3%的情況下，水力負(fù)荷高達(dá) 56 cm/d[6]。通過對地下滲濾系統(tǒng)進(jìn)行基質(zhì)改良、系統(tǒng)改進(jìn)，從而提高水力負(fù)荷，是解決地下滲濾系統(tǒng)處理效率低的有效方式。

1.2系統(tǒng)堵塞

1.2.1堵塞成因地下滲濾系統(tǒng)在運(yùn)行中易發(fā)生堵塞而影響系統(tǒng)的壽命。引起系統(tǒng)堵塞的因素涉及物理、化學(xué)、生物3方面：（1）懸浮物引起堵塞。地下滲濾系統(tǒng)中的基質(zhì)之間有一定的孔隙，在運(yùn)行過程中，若進(jìn)水中含有較多的懸浮物，進(jìn)入系統(tǒng)后，短時間內(nèi)不能被降解去除，必然會引起系統(tǒng)的堵塞。懸浮物產(chǎn)生的堵塞發(fā)生迅速，堵塞不可逆，在運(yùn)行中應(yīng)該著重避免[7-8]。（2）微生物及胞外聚合物的積累引起堵塞。微生物的快速生長及生長過程中產(chǎn)生的大量胞外聚合物，會引起系統(tǒng)的堵塞。何江濤等認(rèn)為，由微生物引起的堵塞主要發(fā)生在系統(tǒng)的淺表層，隨深度增加，堵塞狀況會大大減輕，該種堵塞與原水組成和微生物活性密切相關(guān)[9]。（3）有機(jī)物分解產(chǎn)生的氣體引起堵塞。地下滲濾系統(tǒng)中的異氧微生物在進(jìn)行好氧呼吸時，有機(jī)物最終被分解成CO2、氨和水等無機(jī)物，厭氧微生物則把有機(jī)物最終轉(zhuǎn)化為CH4、CO2、氨、水和H2S等無機(jī)物，生物脫氮的過程中也會產(chǎn)生N2O和N2[10]，這些氣體若不能及時排出，可能會造成系統(tǒng)的堵塞。

1.2.2防止堵塞的對策（1）加強(qiáng)預(yù)處理。通過加強(qiáng)預(yù)處理，降低進(jìn)水懸浮物含量，可以有效避免懸浮物引起的堵塞。常見的預(yù)處理設(shè)施有隔柵、篩網(wǎng)、厭氧處理、預(yù)曝氣等。（2）控制進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷。聶俊英認(rèn)為，微生物堵塞關(guān)鍵在于系統(tǒng)偏大的有機(jī)負(fù)荷使土壤中微生物過多增長，微生物體以及胞外聚合物使土壤孔隙率降低，基質(zhì)的有效含水量降低，土壤的飽和滲透速率減小[5]。何江濤等也認(rèn)為，堵塞與原水組成和微生物活性密切相關(guān)[9]。因此，通過室內(nèi)模擬土柱試驗(yàn)對系統(tǒng)的進(jìn)水水力負(fù)荷和有機(jī)負(fù)荷進(jìn)行有效的預(yù)測，可以預(yù)防堵塞的發(fā)生。（3）基質(zhì)改良。基質(zhì)是影響系統(tǒng)堵塞的重要因素，選擇滲透速率較高的基質(zhì)可減少堵塞的發(fā)生。楊健等構(gòu)建了由純土壤和土壤與沙子分層裝填的2套地下滲濾系統(tǒng)，在20 cm/d的水力負(fù)荷下，純土壤裝填的系統(tǒng)發(fā)生堵塞無法運(yùn)行，而土壤與沙子分層裝填的系統(tǒng)仍可以獲得較好的出水效果[4]。聶俊英在地下滲濾系統(tǒng)的基質(zhì)中添加含量為0.8%的聚氨酯泡沫，提高了基質(zhì)的平均孔隙率和飽和滲透率，在相同水力負(fù)荷下，未添加聚氨酯泡沫的系統(tǒng)堵塞的頻率更高[5]。（4）干濕交替運(yùn)行。de Veries的研究表明，干濕交替運(yùn)行可以使系統(tǒng)保持好氧狀態(tài)，對有機(jī)物的降解更加充分，可以減少堵塞[11]。付貴萍等在對濕地的研究中采用干濕交替運(yùn)行的方式，每次進(jìn)水時間為6～10 min，系統(tǒng)5年內(nèi)未發(fā)生堵塞[12]。通過干濕交替的運(yùn)行方式，也可有效防止微生物新陳代謝產(chǎn)生的氣體對基質(zhì)孔隙造成的堵塞[13]。（5）系統(tǒng)改進(jìn)?？梢酝ㄟ^系統(tǒng)的改進(jìn)來防止懸浮物和微生物引起的堵塞。呂錫武等在地下滲濾系統(tǒng)的進(jìn)水管處設(shè)置預(yù)留通風(fēng)裝置，經(jīng)過一段時間運(yùn)行后進(jìn)行通風(fēng)，在好氧條件下促進(jìn)胞外聚合物降解，可有效地減少堵塞的發(fā)生[14]。張榮等設(shè)計的高負(fù)荷地下滲濾系統(tǒng)，自上而下設(shè)置多層過濾結(jié)構(gòu)，以高達(dá)56 cm/d的水力負(fù)荷，仍不發(fā)生堵塞[6]。endprint

1.2.3堵塞后的恢復(fù)對策（1）更換基質(zhì)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生堵塞時，可先判斷系統(tǒng)堵塞發(fā)生的位置，懸浮物引起的堵塞主要發(fā)生在表層及進(jìn)水管處，可只對表層的基質(zhì)進(jìn)行更換，而微生物過快生長及胞外聚合物積累引起的堵塞發(fā)生在較深的位置，需要對深層的基質(zhì)進(jìn)行更換。（2）自然恢復(fù)。使系統(tǒng)停止運(yùn)行，空氣通過擴(kuò)散進(jìn)入系統(tǒng)，微生物的活性進(jìn)一步增強(qiáng)，加速胞外聚合物的消耗，不補(bǔ)充微生物生長所需的營養(yǎng)，使微生物進(jìn)入內(nèi)源呼吸，逐漸老化死亡[15]。陳華清等對人工快速滲濾系統(tǒng)進(jìn)行了堵塞-恢復(fù)試驗(yàn)，表明系統(tǒng)可以自然恢復(fù)其活性，以混沙為基質(zhì)的系統(tǒng)堵塞后在12 d內(nèi)即可恢復(fù)運(yùn)行[16]。莫鳳鸞等在對人工濕地的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)因有機(jī)物積累而堵塞時，停止對系統(tǒng)供水約 15 d，系統(tǒng)的滲透性能得到極大的改善，系統(tǒng)的堵塞問題得到緩解[17]。上述方法，在地下滲濾系統(tǒng)中也可以借鑒。

1.3脫氮效果差

1.3.1原因生活污水中的氮素主要以有機(jī)氮和銨態(tài)氮的形式存在。氮的去除主要是生物作用，通過氨化、硝化、反硝化過程，最終將氮素轉(zhuǎn)化為N2O和N2。地下滲濾系統(tǒng)埋于地下，系統(tǒng)的氧化還原電位不易控制，氨化、硝化、反硝化細(xì)菌的生長環(huán)境不易調(diào)控，使氮成為最難去除的污染物[18]。

1.3.2強(qiáng)化脫氮的對策（1）強(qiáng)化補(bǔ)氧。在設(shè)計地下滲濾系統(tǒng)時選擇優(yōu)質(zhì)基質(zhì)，設(shè)置通風(fēng)管，以適宜的干濕比運(yùn)行可以提供有效的好氧環(huán)境，從而增加銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化率。張建等通過在基質(zhì)中添加10%的草炭，使系統(tǒng)的銨態(tài)氮去除率由原來的83%提高到95%，同時，總氮的去除率也有所提高[19]。（2）抬高出水水位。嚴(yán)格的厭氧環(huán)境是反硝化順利進(jìn)行的必備條件。一般認(rèn)為，系統(tǒng)中溶解氧保持在0.15 mg/L以下時，反硝化才能正常進(jìn)行[20]。通過抬高出水水位可以保證厭氧環(huán)境的形成，促進(jìn)總氮的去除。嚴(yán)群等構(gòu)建的復(fù)合填料地下滲濾系統(tǒng)，在抬高出水水位運(yùn)行的條件下，總氮去除率由201%提高到26.9%[21]。（3）補(bǔ)充碳源。碳源是影響地下滲濾系統(tǒng)生物反硝化的主要因素，若投配污水的五日生化需氧量（BOD5）/TN>3～5，無需投加碳源；反之，則碳源不足，反硝化細(xì)菌的活性將受到抑制，從而不利于氮的去除[22]?？梢酝ㄟ^污水中間分流補(bǔ)充碳源強(qiáng)化反硝化細(xì)菌的活性。張建等以黏性紅壤土為基質(zhì)構(gòu)建地下滲濾系統(tǒng)，結(jié)果表明中間分流能夠明顯提高系統(tǒng)對總氮的去除效果，可使總氮的去除率由55%提高到65%，并且未對COD和總磷的去除效果產(chǎn)生明顯影響[23]。潘晶等采用中間分流措施，當(dāng)分流比為1 ∶1時，系統(tǒng)的總氮去除率由59.37%提高到68.41%，并且COD和總磷的去除率沒有受到影響[24]。另外，添加緩釋碳源補(bǔ)充碳源的措施也引起了人們的關(guān)注。趙福祥在其構(gòu)建的生態(tài)人工快速滲濾系統(tǒng)中，在反硝化階段添加碎樹枝作為緩釋碳源，出水總氮去除率達(dá)到80.0%以上，明顯高于未添加時的689%[25]。李森等采用非水溶性可生物降解多聚物 PBS 為固相碳源，研究改良多介質(zhì)土壤層系統(tǒng)對污染河水的脫氮效果，結(jié)果表明，PBS顆粒碳源促進(jìn)反硝化的效果良好，對 TN 的去除率達(dá) 64.3%[26]。（4）厭氧氨氧化細(xì)菌脫氮。厭氧氨氧化細(xì)菌在厭氧或者缺氧條件下，能夠?qū)?NH+4-N、亞硝態(tài)氮（NO-2-N）轉(zhuǎn)變成 N2，該過程稱為厭氧氨氧化[27]。姜昕等在人工快速滲濾系統(tǒng)埋深50 cm處發(fā)現(xiàn)了厭氧氨氧化細(xì)菌[28]。Tang等認(rèn)為，硝態(tài)氮（NO-3-N）的還原并非反硝化過程的限速步驟，NO-2-N的還原才是反硝化的限速步驟。因此，通過合理的設(shè)計，利用反硝化細(xì)菌和厭氧氨氧化細(xì)菌同時對 NO-2-N 進(jìn)行轉(zhuǎn)化，是一種新型的脫氮方法[29]。但這種方法的實(shí)際應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究。

1.4磷穿透問題

1.4.1原因地下滲濾系統(tǒng)去除污水中的磷主要靠基質(zhì)的沉淀、吸附作用[30]。基質(zhì)中通常含有較多鈣、鐵、鋁等陽離子，具有較好的除磷作用，但是長期運(yùn)行會使基質(zhì)中磷元素出現(xiàn)飽和狀態(tài)，喪失除磷功能[31]。

1.4.2防止磷穿透的對策在設(shè)計具有高效除磷效果的地下滲濾系統(tǒng)時，往往對基質(zhì)進(jìn)行改良，在基質(zhì)中添加一些磷吸附量大的物質(zhì)。郭振遠(yuǎn)等在人工快速滲濾系統(tǒng)的飽水帶填充礦物質(zhì)豐富的蛭石，使出水中TP的去除率穩(wěn)定在 91%以上[32]?？祼郾虻仍谌斯た焖贊B濾系統(tǒng)的中試基質(zhì)中加入15%海綿鐵，TP的進(jìn)水濃度為 6.43 mg/L時，出水平均濃度為 008 mg/L，去除率高達(dá) 98.7%[33]。聶俊英在土壤滲濾柱中添加3%鐵礦石，使出水中TP的含量低于1 mg/L，并且利用除磷的數(shù)學(xué)模型對系統(tǒng)的使用年限進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果顯示，如果不添加鐵礦石，地下滲濾系統(tǒng)有效除磷的時間僅為4年；而添加3%鐵礦石的示范工程的有效除磷時間為44年[5]。通過高效除磷基質(zhì)的添加強(qiáng)化對磷的去除，從而延長了地下滲濾系統(tǒng)的壽命。

2結(jié)語

通過對基質(zhì)的改良、系統(tǒng)的改進(jìn)和高效除磷基質(zhì)的添加，不僅能改善地下滲濾系統(tǒng)內(nèi)部的好氧環(huán)境，提高污染物的去除效果，還能夠提高水力負(fù)荷，提高處理效率，同時，能防止堵塞的發(fā)生，延長地下滲濾系統(tǒng)的使用壽命。另外，能夠強(qiáng)化銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，為反硝化做準(zhǔn)備。抬高出水水位優(yōu)化了反硝化細(xì)菌生長的厭氧環(huán)境，中間分流等補(bǔ)充碳源的措施能夠提高反硝化細(xì)菌的活性，從而提高系統(tǒng)的總氮去除效果，而系統(tǒng)中厭氧氨氧化細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)，為地下滲濾系統(tǒng)脫氮提供了新的思路。

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