污水地下滲濾系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀、存在問題及改進(jìn)措施概述

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（朝陽市生態(tài)環(huán)境局，遼寧朝陽122000）

1 引言

污水地下滲濾系統(tǒng)（Subsurface Wastewater Infiltration Systems，SWIS）是一種集物理、化學(xué)和生物反應(yīng)于一體的污水凈化土地處理系統(tǒng)。19 世紀(jì)末，污水地下滲濾系統(tǒng)首次被應(yīng)用在生活污水的二級處理中?，F(xiàn)階段，污水地下滲濾系統(tǒng)是處理分散式生活污水的主要方式，廣泛應(yīng)用在房屋分散、人口稀少、沒有完善的污水管網(wǎng)系統(tǒng)的農(nóng)村地區(qū)。隨著污水地下滲濾處理技術(shù)的迅速發(fā)展，其研究的內(nèi)容也更加具體化。

2 污水地下滲濾系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)

污水地下滲濾系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)集中在污水地下滲濾系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的選取、土壤基質(zhì)的選擇與配置、土壤基質(zhì)微生物學(xué)特征以及污水地下滲濾系統(tǒng)氮的去除［1-4］。

2.1 運(yùn)行參數(shù)的選取

污水地下滲濾系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)主要包括運(yùn)行方式、運(yùn)行周期、水力負(fù)荷和進(jìn)水濃度等。

干濕交替是污水地下滲濾系統(tǒng)最常見的運(yùn)行方式，目的是為了提高污水地下滲濾系統(tǒng)的氧氣含量和恢復(fù)滲透性能，從而使污水地下滲濾系統(tǒng)內(nèi)部交替形成好氧、厭氧環(huán)境，以利于對污染物的降解和保持穩(wěn)定的處理水量［5］。運(yùn)行周期是指污水地下滲濾系統(tǒng)一次淹水和一次落干組成的循環(huán)時間，通常采用淹水時間和落干時間之比計算濕干比。在污水地下滲濾系統(tǒng)中，淹水時間通常以采用飽和吸附或入滲速率穩(wěn)定需要的時間來確定，落干時間以恢復(fù)吸附所需的時間來確定，以此確定污水地下滲濾系統(tǒng)的濕干比。過大的濕干比會導(dǎo)致局部土壤基質(zhì)過載負(fù)荷，土壤基質(zhì)吸附作用不充分，過小的濕干比會使污水地下滲濾系統(tǒng)占地面積過大，造成浪費(fèi)，并且濕干比還影響污水地下滲濾系統(tǒng)的脫氮效果和啟動周期［6］。水力負(fù)荷是污水地下滲濾系統(tǒng)設(shè)計和運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，是污水地下滲濾系統(tǒng)所需土地面積、布水溝長度等計算的基礎(chǔ)。水力負(fù)荷太小，污水地下滲濾系統(tǒng)的利用率低，而太大的水力負(fù)荷會導(dǎo)致污水在污水地下滲濾系統(tǒng)中停留時間過短而降低處理效果。合理的水力負(fù)荷應(yīng)該滿足以下條件［7］：保證良好的出水水質(zhì)、系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行、不因污染物超負(fù)荷而被堵塞。在保證出水水質(zhì)的前提下，追求較高的水力負(fù)荷是地下滲濾系統(tǒng)的主要目標(biāo)。宋斐等［8］研究發(fā)現(xiàn)，污水地下滲濾系統(tǒng)對于污染物的去除與水力負(fù)荷呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)水力負(fù)荷在0.1～0.3 m3/（m2·d）時，污水地下滲濾系統(tǒng)的處理效果較好，出水均能滿足GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 土壤基質(zhì)的選擇與配置

土壤基質(zhì)不同其所顯示出的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和生物性質(zhì)也有所不同，而且土壤基質(zhì)的結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)、滲透性、土層厚度、微生物群落及氧化還原電位等理化性質(zhì)又對污水地下滲濾系統(tǒng)的處理能力和凈化效果［9］起著決定性的作用。在污水地下滲濾系統(tǒng)選擇土壤基質(zhì)時需達(dá)到以下幾個標(biāo)準(zhǔn)［10］：必須未被重金屬、有毒有機(jī)物污染；具備團(tuán)粒結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)和穩(wěn)定性好，可防止污水地下滲濾系統(tǒng)堵塞；采用的土壤基質(zhì)要含有豐富的有機(jī)質(zhì)，可加快微生物馴化時間，同時為植物生長創(chuàng)造合適的環(huán)境；形成上部透水、通氣，下部缺氧、厭氧的良好環(huán)境，適當(dāng)?shù)目紫堵省B透性和通氣性，為微生物提供良好的生存環(huán)境。

Zhang 等［11］發(fā)現(xiàn)當(dāng)污水地下滲濾系統(tǒng)的土壤基質(zhì)深度超過130～150 cm，系統(tǒng)的反硝化作用增強(qiáng)，180～200 cm 的污水地下滲濾系統(tǒng)對TN 的去除效果最佳。污水中約90%的TP 通過污水地下滲濾系統(tǒng)中的土壤吸附而被去除，則存在著TP 沉淀飽和的問題，從而影響污水地下滲濾系統(tǒng)的使用年限。劉娜［12］、Yu 等［13］和梁成龍［14］在污水地下滲濾系統(tǒng)的土壤中添加粉煤灰、陶粒、鋼渣和生物炭等物質(zhì)來提高系統(tǒng)對TP 的去除能力，結(jié)果表明，污水地下滲濾系統(tǒng)不僅除磷能力提高，還增加了對TP 的吸附容量，同時對TN 的去除效果有顯著促進(jìn)作用。碳源和氧化還原條件是制約污水地下滲濾系統(tǒng)中反硝化作用的兩個主要因素。李英華等［15］在土壤中摻加10%～20%的污泥或微生物菌劑，提高了污水地下滲濾系統(tǒng)土壤基質(zhì)的孔隙度、滲透性和有機(jī)質(zhì)含量，加速系統(tǒng)成熟，提高了污水地下滲濾系統(tǒng)NH4＋－N 的去除率和抗沖擊負(fù)荷能力。

2.3 土壤基質(zhì)微生物學(xué)特征

污水地下滲濾系統(tǒng)是一個生態(tài)系統(tǒng)，除了生物脫氮中涉及的脫氮微生物，還存在著各種微生物，它們在土壤基質(zhì)中相互依存、協(xié)同作用，同時相互制約［16］。不同的土壤類型、滲透性能、環(huán)境條件、肥力水平和季節(jié)變化等會產(chǎn)生差異很大的微生物種類、數(shù)量和分布。無植被覆蓋或肥力水平較低的荒漠土壤的微生物數(shù)量較少，在垂直方向上微生物多樣性隨著深度減少的程度小于植被覆蓋或肥力水平較高的土壤。不同地區(qū)或同一地區(qū)的四季氣候均不相同，土壤性質(zhì)也不同，或隨著季節(jié)而改變，微生物的種類和活性也會隨之變化［17］。黏附在土壤基質(zhì)顆粒上的微生物的群落結(jié)構(gòu)直接影響污水地下滲濾系統(tǒng)對污染物的凈化容量和效果。Pan 等［18］通過分流污水補(bǔ)充污水地下滲濾系統(tǒng)的反硝化區(qū)的碳源，提高污水地下滲濾系統(tǒng)的脫氮效果，結(jié)果表明，硝化細(xì)菌的數(shù)量隨著土壤基質(zhì)深度的增加而下降，而反硝化細(xì)菌的數(shù)量則隨著土壤基質(zhì)深度的增加而增加。潘晶［19］在使用爐渣等改良污水地下滲濾系統(tǒng)土壤基質(zhì)時也得到類似的結(jié)論，稍有不同的是經(jīng)過改良的污水地下滲濾系統(tǒng)的反硝化細(xì)菌數(shù)量呈現(xiàn)最高的土壤基質(zhì)深度在80 cm 深度處，而不是100 cm 深度處；在布水口附近區(qū)域細(xì)菌和真菌的數(shù)量最多，而隨著深度的增加放線菌的數(shù)量逐步下降。細(xì)菌和真菌在污水地下滲濾系統(tǒng)中的數(shù)量與COD 和BOD 去除率明顯相關(guān)，但與TP 去除率無關(guān)；硝化細(xì)菌的數(shù)量和NH4＋－N 的去除率呈相關(guān)性；反硝化細(xì)菌的數(shù)量與TN 的去除率明顯有關(guān)。Liu 等［20］在地下污水滲透系統(tǒng)中加入嗜冷菌株強(qiáng)化其對污水的低溫處理性能，16S rRNA 技術(shù)表明，外加菌株降低了土壤基質(zhì)的微生物多樣性，改變了細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，提高了脫氮效果。

2.4 污水地下滲濾系統(tǒng)氮的去除

污水地下滲濾系統(tǒng)脫氮效果差的原因主要有兩個：不理想的好氧環(huán)境下硝化作用不足及污水地下滲濾系統(tǒng)底部缺乏有機(jī)碳為反硝化反應(yīng)提供電子供體［21］。針對氧氣供應(yīng)不足，一般通過通風(fēng)、改良土壤基質(zhì)、植物輸氧和調(diào)整濕干比來改善污水地下滲濾系統(tǒng)中的氧化還原環(huán)境。Pan 等［22］通過間歇曝氣的方式使污水地下滲濾系統(tǒng)形成硝化－反硝化反應(yīng)所需的好氧、缺氧或厭氧條件，增強(qiáng)了微生物的呼吸功能，增加了硝酸鹽還原酶和亞硝酸鹽還原酶的活性，提高了污水中COD 和TN 的去除率。植物可以通過根部的氣體導(dǎo)管將枝葉吸收的氧氣傳送到土壤基質(zhì)中，營造出親和的微生態(tài)環(huán)境［23］。針對反硝化區(qū)域缺乏碳源，一般通過調(diào)整進(jìn)水C/N、分流配水和改良底部土壤基質(zhì)等方法進(jìn)行改善。

3 污水地下滲濾系統(tǒng)存在的問題

3.1 脫氮問題

通常情況下，污水地下滲濾系統(tǒng)對COD，BOD5，SS，TP 的去除率超過80%，然而由于污水地下滲濾系統(tǒng)規(guī)模和土壤基質(zhì)、進(jìn)水成分、環(huán)境和運(yùn)行條件等的不同，TN 的去除率差異范圍在10%～90%［24］。對于脫氮的潛在原因，如微生物的群落結(jié)構(gòu)和特征等尚缺乏深入的討論，目前還未見研究確定系統(tǒng)內(nèi)部微生物特性與處理過程之間的關(guān)系［25］。

3.2 有限的使用年限

由于污水地下滲濾系統(tǒng)運(yùn)行時間的延長，土壤滲透的速率將逐步降低，導(dǎo)致土壤堵塞，降低土壤基質(zhì)的水力傳導(dǎo)性及凈化效果，還會縮短污水地下滲濾系統(tǒng)的使用年限［26］。污水地下滲濾系統(tǒng)對TP 的去除主要是形成難溶的含磷化合物截留在土壤基質(zhì)中，但由于土壤基質(zhì)的最大磷吸附量是一定的，隨著運(yùn)行時間的延長，土壤基質(zhì)對TP 飽和吸附后會出現(xiàn)磷穿透現(xiàn)象，這同樣也會大大縮短污水地下滲濾系統(tǒng)的使用年限。如何在提高污水地下滲濾系統(tǒng)對污染物去除效果的同時延長系統(tǒng)的使用年限，是目前污水地下滲濾系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)。

4 污水地下滲濾系統(tǒng)的改進(jìn)措施

4.1 運(yùn)行方式和參數(shù)的改進(jìn)

為了解決污水地下滲濾系統(tǒng)脫氮效率相對較低的問題，不同的運(yùn)行方式和參數(shù)被應(yīng)用在污水地下滲濾系統(tǒng)中。常見的提高脫氮的運(yùn)行方式是干濕交替運(yùn)行、分流進(jìn)水、曝氣（可以在進(jìn)水中微曝氣，也可以在污水地下滲濾系統(tǒng)中添加曝氣裝置）。常見的提高污水地下滲濾系統(tǒng)脫氮效果的運(yùn)行參數(shù)是選擇合適的運(yùn)行周期、水力負(fù)荷、進(jìn)水C/N、表層植物。

4.2 滲濾基質(zhì)的改良

為了改善污水地下滲濾系統(tǒng)對污染物的整體去除性能和延長其使用年限，可選擇性添加一些沸石、廢渣、泡沫、生物炭等功能性物質(zhì)，提高土壤基質(zhì)的滲透系數(shù)和吸附能力。如零價鐵被廣泛應(yīng)用于反硝化反應(yīng)器中，依賴于其化學(xué)還原和物理吸附特性可去除污水中的NO3－N［27］。多孔黏土材料可作為吸附劑吸附污水中的污染物，或作為固相載體固定化微生物，促進(jìn)微生物對污水的處理效果［28］。

4.3 微生物功能強(qiáng)化

在污水地下滲濾系統(tǒng)中微生物對污染物的去除發(fā)揮著重要作用，因此生物強(qiáng)化不僅可提高污水地下滲濾系統(tǒng)的污染物去除能力和使用年限，還可提高污水地下滲濾系統(tǒng)的脫氮能力。不同土壤基質(zhì)的微生物對環(huán)境具有不同的適應(yīng)性，因此最好的接種微生物的方式是在同樣的污染環(huán)境和工藝的土壤中篩選需求的功能微生物，再重新接種到類似的污染環(huán)境和工藝當(dāng)中［29］。