我國污水土地處理技術(shù)研究進(jìn)展

高 瓊

(山西省環(huán)境監(jiān)測中心站)

我國是世界上13個貧水國家之一，人均用水量僅為世界平均水平的1/4。目前，全國34個省(區(qū)、市)中，有16個省(區(qū)、市)人均水資源量低于嚴(yán)重缺水線，有 6個省(區(qū)、市)人均水資源量低于500 m3，且呈不斷降低的趨勢。按照國際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，人均水資源量低于1 000 m3為嚴(yán)重缺水，低于500 m3為極度缺水。據(jù)2012年我國水資源公報與環(huán)境狀況公報，目前全國年排放污水量已達(dá)785億m3，地表水總體為輕度污染，部分城市河段污染嚴(yán)重。由于污水處理率低，影響了水資源的有效性，造成有水不能用，使水資源短缺與水污染嚴(yán)重之間的矛盾愈來愈尖銳。污水資源化，是將污水視為一種資源，通過各種處理技術(shù)，使其凈化達(dá)到某種用水標(biāo)準(zhǔn)，從而實現(xiàn)大部分污水的循環(huán)再利用，同時減少污水排放對環(huán)境造成不良影響的過程［1］。實施污水資源化，可以有效地緩解我國水資源短缺的狀況。污水土地處理技術(shù)，正是在這樣的背景下不斷快速發(fā)展的一項新技術(shù)。

1 污水土地處理系統(tǒng)的主要技術(shù)發(fā)展

污水土地處理系統(tǒng)是一種污水處理的生態(tài)工程技術(shù)，指的是污水經(jīng)過一定程度的預(yù)處理，然后有控制地投配到土地上，利用土壤—微生物—植物生態(tài)系統(tǒng)的自我凈化功能和自我調(diào)控機(jī)制，通過一系列的物理、化學(xué)和生物化學(xué)等過程，使污水達(dá)到預(yù)定的處理效果，轉(zhuǎn)化為新的水資源，達(dá)到重新回收利用，并對污水中磷、氮等資源加以利用，使其成為植物自身營養(yǎng)成分的一種處理技術(shù)。污水土地處理技術(shù)的基本類型如下。

1.1 慢速滲濾土地處理系統(tǒng)

慢速滲濾(SR)土地處理系統(tǒng)，是將污水有效地投配到土地或種有植物的土地表面，經(jīng)過土壤表面滲流以及土壤—植物系統(tǒng)內(nèi)部垂直滲濾得到凈化的土地處理工藝，是污水土地處理技術(shù)中水和營養(yǎng)成分利用率最高、經(jīng)濟(jì)效益最大的一種類型。水力負(fù)荷和有機(jī)負(fù)荷是慢速滲濾系統(tǒng)的重要設(shè)計參數(shù)。水力負(fù)荷的選用，除與污水自身的水質(zhì)因素有關(guān)外，主要與土壤質(zhì)地和植物的選擇有關(guān)。主要選用滲水性良好，滿足處理系統(tǒng)污水利于傳導(dǎo)性能強的土壤;植物選擇主要考慮能最大限度地吸收氮、磷及有機(jī)物等營養(yǎng)物質(zhì)，耐水濕，生長期長，易于管理。有機(jī)負(fù)荷通過對單位面積的污染負(fù)荷和通化容量計算，進(jìn)行有控制地投配，使處理系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下連續(xù)運行。慢速滲濾系統(tǒng)包含了土壤膠體的機(jī)械截留、離子交換等物理化學(xué)固定作用以及土壤酶與微生物的降解、轉(zhuǎn)化被植物吸收利用等生物化學(xué)作用，故污水凈化效率高，出水水質(zhì)優(yōu)良。由于其與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)緊密結(jié)合，投入少，而被廣泛采用。

“八五”、“九五”期間，中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)所在內(nèi)蒙古霍林河地區(qū)建立了處理規(guī)模為10 000 m3/d的森林型慢速滲濾污水土地處理工程示范區(qū)，灌溉林地面積880 hm2，此系統(tǒng)無再生水產(chǎn)生，實現(xiàn)了污水的無害化和資源化。該工程的基建投資與運行費用分別為常規(guī)二級處理的1/2與1/5，灌溉區(qū)內(nèi)林地平均每年凈增產(chǎn)值130萬元，經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會效益良好［2，3］。美國維蒙特工業(yè)公司在內(nèi)蒙古錫林郭勒盟建立了處理規(guī)模為4 000 m3/d的低壓噴灌慢速滲濾土地處理系統(tǒng)，處理出水可以達(dá)到我國污水的二級排放標(biāo)準(zhǔn)。該項目在運行過程中沒有影響地下水和土壤水質(zhì)，飼草產(chǎn)量提高60%［4］。趙建芬等人對傳統(tǒng)的慢速滲濾土地處理系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)試驗，結(jié)果表明，在大水力負(fù)荷情況下，改進(jìn)的系統(tǒng)對BOD、總氮、磷的去除率能達(dá)到96.28%、91.78%和98.83%，除總氮外其他各指標(biāo)濃度均滿足地面水環(huán)境Ⅲ類水域水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求［5，6］。項愛枝等采用慢速滲濾土地系統(tǒng)對養(yǎng)豬場廢水進(jìn)行三級深度處理，該處理工藝對COD、BOD5、NH3-N的去除率均達(dá)到99%以上［7］。

1.2 快速滲濾土地處理系統(tǒng)

快速滲濾(RI)土地處理系統(tǒng)也是污水土地處理系統(tǒng)的基本類型之一，是將污水有控制地投配到具有良好滲濾性的土地表面，污水在向下滲濾過程中經(jīng)過物理、化學(xué)和生物化學(xué)等一系列作用而得到凈化?？焖贊B濾系統(tǒng)的影響因素主要為3個方面:運行周期(濕干比)、滲透系數(shù)、水力負(fù)荷?？焖贊B濾系統(tǒng)采用周期處理模式，即定期投配污水使?jié)B濾系統(tǒng)淹沒和土壤表面干燥氧化交替進(jìn)行，使?jié)B濾土壤表層好氧條件周期性地再生，從而使截留在淺層土壤的污染物充分有效地分解，對COD、BOD、氮有很好的處理效率。土壤的質(zhì)地和結(jié)構(gòu)影響著處理系統(tǒng)的滲透系數(shù)，水力負(fù)荷與滲透系數(shù)密切相關(guān)［8］。滲透系數(shù)小的土壤，其空隙較小，滲透率較低，出水水質(zhì)較好。該系統(tǒng)的顯著優(yōu)勢是可以終年運行，且成本和能耗低，因此具有廣闊的應(yīng)用空間。

人工快速滲濾系統(tǒng)(CRI)，是指將污水有控制地投放于人工構(gòu)筑的滲濾介質(zhì)的表面，使其在向下滲透的過程中經(jīng)歷機(jī)械過濾與吸附、化學(xué)轉(zhuǎn)化、生物氧化與還原、硝化與反硝化等作用，最終達(dá)到凈化污水的過程。主要是采用天然河砂、陶粒、煤矸石等滲透性能較好的滲濾介質(zhì)代替天然土層，從而大大提高了水力負(fù)荷。張金炳選用河流沖積砂和人工大理石砂、紅土作為滲濾介質(zhì)，構(gòu)建了人工快速滲濾系統(tǒng)，使茂州河水污染物有較高的處理效率，系統(tǒng)出水COD濃度為13.74 mg/L，BOD濃度為2.88 mg/L，對SS、NH3-N及 LAS的去除率可達(dá)95%以上［9］。白芒河水質(zhì)凈化廠對排入白芒河沿岸的污水進(jìn)行處理，出水水質(zhì)可以達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中一級A標(biāo)準(zhǔn)［10］。江津市李市鎮(zhèn)污水處理廠采用人工快速滲濾系統(tǒng)處理城鎮(zhèn)生活污水，處理規(guī)模為3 000 t/s，出水水質(zhì)可以達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中一級B標(biāo)準(zhǔn)，且處理與運行成本低，操作管理簡單，在城鎮(zhèn)生活污水處理方面具有良好的應(yīng)用前景［11，12］。

1.3 地下滲濾土地處理系統(tǒng)

地下滲濾(SI)土地處理系統(tǒng)是將污水投配在土壤亞表面，通過毛細(xì)管浸潤、滲濾和重力作用向四周土壤擴(kuò)散和運動，利用土壤—微生物及土壤—植物生態(tài)系統(tǒng)的凈化功能，使污水中的污染物在生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)中逐漸降解，從而凈化水質(zhì)的中小規(guī)模的自然生態(tài)處理系統(tǒng)。地下滲濾系統(tǒng)的影響因素主要有兩方面:一是處理土壤的選擇與配置。土壤的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、滲透性能和化學(xué)性質(zhì)對地下滲濾系統(tǒng)的處理能力和凈化效果有很大的影響;二是有機(jī)負(fù)荷和水力負(fù)荷的選取。地下滲濾系統(tǒng)適合處理高濃度的有機(jī)污染物，合適的水力負(fù)荷可以維持土壤中污染物的投配與處理之間良好的平衡，保證系統(tǒng)高效連續(xù)運行。地下滲濾系統(tǒng)具有處理出水水質(zhì)好、運行穩(wěn)定且費用低、管理操作簡單、占地少不破壞景觀、沒有異味等優(yōu)點。地下滲濾系統(tǒng)(土壤毛管滲濾系統(tǒng))的主要類型有:滲濾坑、滲濾管(滲濾腔)、滲濾溝、尼米槽等。

中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)所在沈陽師范大學(xué)新校區(qū)修建了800 m3/d的懸浮填料浮動床/土壤地下滲濾系統(tǒng)示范工程，實踐證明，利用該系統(tǒng)進(jìn)行污水深度處理，出水水質(zhì)優(yōu)于所要求的回用水質(zhì)，對COD、BOD5、SS、NH3-N的處理效率均可達(dá)到92%以上［13］。浙江湖州某區(qū)以土壤毛管滲濾溝為主，處理能力為1 000 t/d的污水處理系統(tǒng)，對該區(qū)的生活污水進(jìn)行處理，各出水水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到了國家回用標(biāo)準(zhǔn)［14］。沈陽大學(xué)聯(lián)合校區(qū)建立了接觸氧化—地下滲濾工藝處理校園生活污水，該滲濾系統(tǒng)采用干化活性污泥作為滲濾介質(zhì)，出水水質(zhì)滿足城市污水再生利用—景觀環(huán)境用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)［15］。劉道行等采用地下滲濾系統(tǒng)處理鄱陽湖中心高速服務(wù)區(qū)的生活污水，對 COD、TN、TP的去除率可達(dá)到89.1%、87.5%和95.5%［16］。李斌等在農(nóng)村建立了人工分土層的地下滲濾池，設(shè)計人口為5人，對單獨的農(nóng)戶家庭生活用水進(jìn)行處理，對COD、TN、NH3-N、TP均有良好的處理效率［17］。眾多事實說明，地下滲濾系統(tǒng)在生活污水處理方面也具有廣闊的前景。

1.4 地表漫流土地處理系統(tǒng)

地表漫流(OF)土地處理系統(tǒng)，是將污水定量地投配到具有較緩坡度、土壤滲透性較低且生長著茂密植被的土地表面上，污水沿地表呈薄層緩慢而均勻地流動，經(jīng)一段距離后得到凈化的一種污水處理工藝。該系統(tǒng)的凈化原理是利用“土壤—植物—微生物—水”體系對污染物的巨大容納、緩沖和降解能力。緩慢的水流提供了良好的好氧條件，為微生物創(chuàng)造了良好的呼吸環(huán)境;分布于地表的生物膜對污染物有吸附、降解的作用;植物起到了均勻布水以及吸收污染物的作用;陽光促進(jìn)污染物的分解。地表漫流系統(tǒng)的影響因素主要為3個方面:土壤的理化性質(zhì)，土地表面的坡度和平整度，植被的覆蓋率和稠密度。該系統(tǒng)采用地表漫流，對地下水的影響小，凈化效果好，投資運行費用低，管理方便，可作為綠化景觀，具有良好的環(huán)境效益。

崔金貴利用中試探索了黃土地區(qū)地表漫流系統(tǒng)對廢水的去除效果，結(jié)果表明處理后廢水水質(zhì)能夠達(dá)到污水綜合排放二級標(biāo)準(zhǔn)［18］。河海大學(xué)通過建立4塊10 m×60 m的地表漫流系統(tǒng)，對新沂河污水進(jìn)行處理，對COD的處理效率隨進(jìn)水濃度的增加而增高，對低濃度COD去除率45%-55%，對NH3-N的去除率 75%-89%［19，20］。九江學(xué)院建立了坡面面積為3 300 m2的紅壤地表漫流系統(tǒng)對校園生活污水進(jìn)行處理，該系統(tǒng)對COD、TP、TN的去除率為67%、51%和75%以上，出水水質(zhì)達(dá)城市污水處理廠二級排放標(biāo)準(zhǔn)［21，22］。

1.5 污水人工濕地處理系統(tǒng)

污水濕地處理系統(tǒng)是在土壤—植物—微生物復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中，有控制地投配污水使土壤經(jīng)常處于飽和狀態(tài)，污水在生態(tài)系統(tǒng)運行過程中，土壤和耐濕植物聯(lián)合作用，使污水得到充分凈化的污水處理工藝。污水濕地處理系統(tǒng)包括天然濕地和人工濕地(CW)處理系統(tǒng)。人工濕地(CW)處理系統(tǒng)的反應(yīng)機(jī)理是由細(xì)菌、真菌、放線菌、原生動物組成的濕地微生物群體，利用空氣將污水中的有機(jī)質(zhì)、含氮有機(jī)物等分解成可供植物利用的無機(jī)化合物。濕地植物龐大的根系吸附和富集部分污染物，同時吸收和轉(zhuǎn)化水體中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)。人工濕地系統(tǒng)的主要設(shè)計因素為:土壤結(jié)構(gòu)、滲透性等理化指標(biāo)，植被選擇、覆蓋率等生物指標(biāo)，水力負(fù)荷、投放周期等運行指標(biāo)。該系統(tǒng)出水水質(zhì)穩(wěn)定，水力負(fù)荷大，污染負(fù)荷高，并形成了生態(tài)景觀，具有良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

人工濕地系統(tǒng)以其獨特的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用到生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)村廢水和石油廢水等處理過程中。洋湖再生水廠建立了人工濕地污水生態(tài)處理工藝，處理量為40 000 m3/d，是長沙市大河西先導(dǎo)區(qū)“兩型”社會建設(shè)示范工程［23］。經(jīng)人工濕地深度凈化處理的污水，可達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污染排放標(biāo)準(zhǔn)一級A標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了污水零排放和污水再生利用。曹明利等設(shè)計了人工快滲/復(fù)合人工濕地組合工藝，對某工業(yè)園區(qū)的混合化工污水、尾水進(jìn)行處理，出水水質(zhì)達(dá)到Ⅴ類地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［24］。莫德清等采用復(fù)合型潛流人工濕地對漓江流域的農(nóng)村生活污水進(jìn)行處理，COD、NH3-N、TN和TP的去除率分別大于70%、70%、90%和85%，出水水質(zhì)可達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污染排放標(biāo)準(zhǔn)一級B標(biāo)準(zhǔn)［25］。吉林油田新大采油廠與吉林省環(huán)境科學(xué)研究院合作采用氣浮/生化與人工濕地聯(lián)合工藝，對采油廢水進(jìn)行了處理，在污水進(jìn)水水質(zhì)波動大、生化性較差的情況下，該處理工藝對COD、石油類化合物的去除率達(dá)到了86.8%和83.8%，出水水質(zhì)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)［26］。

2 污水土地處理系統(tǒng)存在的問題

2.1 土壤堵塞

土壤作為污水土地處理系統(tǒng)組成的基質(zhì)，對污染物起著物理截留、化學(xué)沉淀、吸附、氧化還原等凈化作用。隨著污水處理的不斷運行，污水中的懸浮物不斷截留沉積，微生物不斷繁殖，土壤的吸附能力逐漸趨于飽和，很容易引起土壤孔隙的堵塞，進(jìn)而影響系統(tǒng)的水力負(fù)荷、穩(wěn)定性以及凈化效果，甚至使系統(tǒng)停止運行。

2.2 受低溫影響較大

由于污水土地處理系統(tǒng)是小型的“土壤—植物—微生物”生態(tài)系統(tǒng)，其中植物和微生物對溫度尤為敏感。在較低溫度條件下，微生物活性會降低，生化反應(yīng)會明顯受到抑制，從而使系統(tǒng)的處理效率會明顯下降。

2.3 占地面積較大

污水土地處理系統(tǒng)的機(jī)制與特點決定了其需要占用較多的土地，尤其是慢速滲濾和地表漫流這類水力負(fù)荷小的處理系統(tǒng)，需要占用更多的土地，這是阻礙土地處理系統(tǒng)發(fā)展的主要因素。我國土地資源十分緊張，要解決占地面積大的問題，主要方法是提高水力負(fù)荷。但隨著水力負(fù)荷的提高，污水通過處理系統(tǒng)的速度就會加快，減少了與其接觸反應(yīng)的時間，影響出水水質(zhì)，同時也加大了土壤的堵塞。

2.4 二次污染問題

一般來說，污水土地處理系統(tǒng)對周圍環(huán)境不會造成不良影響，但是在污水處理過程中容易出現(xiàn)重金屬富集、溫室氣體釋放和病原體的增加，特別是重金屬污染是制約土地處理系統(tǒng)發(fā)展的主要問題之一。重金屬的積累會對土壤理化性質(zhì)、植物的生長、土壤微生物的生物活性和植物群落結(jié)構(gòu)造成影響，有時甚至穿透土壤污染地下水;由于土地處理系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境長期處于厭氧狀態(tài)，導(dǎo)致微生物厭氧呼吸而產(chǎn)生CH4和N2O兩種溫室氣體;病原體可通過污染的植被和地表徑流，附著在氣溶膠微粒上進(jìn)行傳播，也可能瀝濾進(jìn)入地下水，從而造成二次污染。

3 污水土地處理系統(tǒng)展望

污水土地處理系統(tǒng)作為一項投資經(jīng)濟(jì)合理、管理運行方便、技術(shù)穩(wěn)定、處理效果良好、實現(xiàn)污水資源化的生態(tài)處理技術(shù)，具有顯著的環(huán)境效益、社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，在當(dāng)今具有廣闊的發(fā)展?jié)摿?，適合我國目前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與污水處理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。土地處理系統(tǒng)作為污水處理技術(shù)，不但效果好，而且可以減少氮、磷的排放量，減緩我國水體富營養(yǎng)化的發(fā)展態(tài)勢，既可替代常規(guī)的二級處理，又可作為常規(guī)處理的深度處理，已成為我國污水處理革新/替代技術(shù)的重要組成部分。在農(nóng)村和中小城鎮(zhèn)，可以利用其擁有較多土地資源的優(yōu)勢，建造小型土地處理系統(tǒng)，不僅可以凈化污水，而且可以與農(nóng)業(yè)灌溉相結(jié)合，提高土壤肥力和農(nóng)作物產(chǎn)量，在保護(hù)農(nóng)村生態(tài)系統(tǒng)的同時保證糧食安全。在大城市，根據(jù)其污水水量大、成分復(fù)雜的特點，可以因地制宜地選用各種類型的土地處理系統(tǒng)并與其他成熟的污水處理技術(shù)相結(jié)合，不僅能達(dá)到良好的污水處理效果，還可以改善城市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。加強土地處理系統(tǒng)的理論研究和技術(shù)工藝研發(fā)，加大力度推行并實施污水土地處理技術(shù)，將是解決我國水污染嚴(yán)重和水資源短缺的有效途徑。

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