農(nóng)村生活污水土壤滲濾系統(tǒng)處理技術(shù)研究進(jìn)展

王淞民，張春雪，劉麗媛，曹昊宇，彭皓，魏孝承，鄭向群

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所，天津 300191）

近年來，隨著農(nóng)村經(jīng)濟快速增長，我國農(nóng)村居民生活水平不斷提高，同時農(nóng)村水環(huán)境問題也日益凸顯。我國農(nóng)村污水來源主要包括廁所糞污污水和廚房洗滌污水等，其中洗滌污水占農(nóng)村污水總量的50%[1]，洗滌污水中含有大量的磷和陰離子表面活性劑，如烷基苯磺酸鈉（LAS），這些物質(zhì)進(jìn)入水體后會增加水體中磷負(fù)荷，造成水體污染，其中LAS 進(jìn)入水體后會使水體表面出現(xiàn)持久性泡沫，甚至?xí)?dǎo)致水體發(fā)臭[2]。目前農(nóng)村污染物排放量已占全國污染物排放量的一半，其中化學(xué)需氧量（COD）、總氮（TN）和總磷（TP）是主要的污染物。

農(nóng)村資源較分散，污水集中收集處理的設(shè)施不完善。據(jù)統(tǒng)計2019 年全國對生活污水進(jìn)行處理的鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）為3 156 個，僅占全國鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）總數(shù)的33.30%[3]，此外村民們?nèi)狈Νh(huán)保意識，將未處理的生活污水隨意排放，使得大量氮磷等污染物進(jìn)入水體，造成水體污染，直接影響地表水環(huán)境質(zhì)量[4]。

土壤滲濾系統(tǒng)是一種處理農(nóng)村分散式污水的裝置[5]，其原理簡單、建造速度快、造價低廉且無害化效果好[6]，在我國農(nóng)村地區(qū)被廣泛使用[7]。鑒于此，本文從土壤滲濾系統(tǒng)的概念及其對污染物去除機理、國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀和存在的問題三方面進(jìn)行介紹，最后結(jié)合國外污水治理的成功經(jīng)驗對其進(jìn)行展望。

1 土壤滲濾系統(tǒng)概念及其對污染物去除機理

1.1 土壤滲濾系統(tǒng)概念

土壤滲濾系統(tǒng)是一種處理農(nóng)村分散式生活污水的處理工藝[8]，是以生態(tài)學(xué)為基本原理，將好氧-厭氧相結(jié)合的一種土地處理技術(shù)[9]。一般具體做法是通過人工的方法直接將生活污水或?qū)⒔?jīng)過化糞池等預(yù)處理后的生活污水投配到具有特定結(jié)構(gòu)及滲透性能的地下土壤中，污水通過毛細(xì)管浸潤和土壤的滲濾作用，利用土壤-植物-微生物這一天然的凈化系統(tǒng)，經(jīng)過物理沉淀、截留，化學(xué)吸附和微生物降解等作用[10]使污水得到凈化。土壤滲濾系統(tǒng)屬于原位污水處理系統(tǒng)（Onsite wastewater treatment system，OWTS）[11]，其本質(zhì)是利用填料的吸附和土壤的天然凈化機制來處理污水。土壤滲濾系統(tǒng)與其他農(nóng)村分散式污水處理工藝相比，具有造價低廉、處理效果明顯、不易滋生蚊蠅、運行管理簡單且美化環(huán)境等優(yōu)點[12-14]。近些年在我國一些農(nóng)村地區(qū)，土壤滲濾系統(tǒng)經(jīng)常被用來處理農(nóng)村生活污水[15]。

1.2 土壤滲濾系統(tǒng)對農(nóng)村生活污水中污染物去除機理

農(nóng)村生活污水主要由黑水和灰水組成。黑水指的是廁所糞便污水，由于糞便污水中存在大量有機物、溶解性無機物及氮磷等物質(zhì)，如果村民們將不經(jīng)過任何處理的糞污污水直接就地排放，會導(dǎo)致農(nóng)村水環(huán)境惡化[16]?；宜饕◤N余用水和洗浴、洗滌污水，其中所含的化學(xué)成分和磷元素也是造成農(nóng)村水環(huán)境變差的主要因素。目前農(nóng)村生活污水一般通過地下管道直接進(jìn)入化糞池進(jìn)行預(yù)處理[17]，但預(yù)處理后的尾水中也含有一定的致病菌、糞大腸菌群和蛔蟲卵等致病物質(zhì)，如果直接就地還田利用或者溢流進(jìn)入原地表層土壤[18]，會導(dǎo)致環(huán)境污染，甚至可能引發(fā)疾病傳播。如果將經(jīng)三格化糞池預(yù)處理[18]的農(nóng)村生活污水再利用土壤滲濾系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步處理，就可以將未處理掉的污染物和細(xì)菌去除，達(dá)到無害化效果[6]。

傳統(tǒng)土壤滲濾系統(tǒng)從縱向切面來看共分為三層：配水層（上部）、處理層和出水層（底部）[19]。其中處理層是處理污染物的主要區(qū)域，處理層一般大于600 mm[20]。農(nóng)村生活污水經(jīng)過化糞池預(yù)處理后自流入配水層，經(jīng)土壤毛細(xì)作用進(jìn)入污水滲濾系統(tǒng)處理層，處理層通過土壤滲濾作用能夠處理掉生活污水中大部分有機物以及85%以上的COD、TP 和懸浮性固體（SS）等污染物[21]。

1.2.1 土壤滲濾系統(tǒng)對氮的去除

相較于其他污染物，土壤滲濾系統(tǒng)對氮的去除效果并不理想[22]。土壤滲濾系統(tǒng)對氮的去除主要通過以下4 種方式：氨氮揮發(fā)、土壤吸附、植物攝取以及微生物的硝化和反硝化作用，其中最主要的方式是微生物的硝化和反硝化作用[23]。

隨著硝化反應(yīng)的進(jìn)行，被土壤膠體顆粒吸附的氨氮逐漸減少，土壤膠體顆粒對氨氮的吸附處于未飽和狀態(tài)，因而土壤膠體顆粒繼續(xù)保持著對氨氮的吸附[25]。由于土壤膠體顆粒無法吸附，所以繼續(xù)向下遷移，一部分被植物根系吸收成為植物所需營養(yǎng)物質(zhì)，另一部分則在微生物反硝化細(xì)菌的作用下發(fā)生反硝化反應(yīng)[12，26]，生成N2或者N2O 進(jìn)而揮發(fā)[27]。其反應(yīng)式如下：

1.2.2 土壤滲濾系統(tǒng)對磷的去除

磷是造成水體富營養(yǎng)化及環(huán)境污染的重要因素。生活污水中的磷一般來自廁所糞污污水和洗滌污水等含有化學(xué)成分的物質(zhì)，磷在生活污水中的含量約為4～7 mg·L-1[28]。

農(nóng)村生活污水中的總磷一般以可溶性磷酸鹽、可溶性有機磷、不溶性有機磷和不溶性磷酸鹽的形式存在。土壤滲濾系統(tǒng)對總磷的去除包括植物根系吸收、土壤的吸附和沉淀以及生物作用等，其中土壤的吸附和沉淀是最主要的去除方式[29]。而農(nóng)村生活污水經(jīng)過化糞池等預(yù)處理之后，污水中的磷則主要以可溶性磷酸的形式存在。而土壤滲濾系統(tǒng)對可溶性磷酸鹽的去除主要以土壤吸附和沉淀為主[30-31]。土壤對可溶性磷酸鹽的吸附與土壤pH 值有關(guān)，當(dāng)土壤呈酸性時，土壤基質(zhì)帶有靜電，所以與持有負(fù)電荷的磷酸鹽發(fā)生反應(yīng)，首先生成微沉淀形態(tài)的Ca2-P，之后Ca2-P進(jìn)一步與土壤顆粒反應(yīng)生成難溶性的Ca8-P，最后Ca8-P 再進(jìn)一步與土壤顆粒發(fā)生反應(yīng)生成沉淀形態(tài)的Ca10-P[30]；當(dāng)土壤呈堿性時，可溶性磷酸鹽與Fe3+和Al3+生成沉淀形態(tài)的Fe-P和Al-P。此外，通過植物根系的吸收和生物的同化作用也可以去除農(nóng)村生活污水中一部分磷[32]，且去除的磷約占總磷的10%[31]。相關(guān)資料表明，通常土壤滲濾系統(tǒng)對磷的去除率高達(dá)90%，幾乎沒有出現(xiàn)磷飽和的情況[22]，但是隨著系統(tǒng)長時間運行，基質(zhì)對磷的吸附達(dá)到飽和狀態(tài)，系統(tǒng)對磷的去除效率開始降低，可能引發(fā)磷滲透的問題，并且目前沒有技術(shù)可以解決此問題[33]。

目前國內(nèi)外對土壤滲濾系統(tǒng)的研究多集中在脫氮方面，而除磷方面的研究卻鮮有報道，有待進(jìn)一步研究。

1.2.3 土壤滲濾系統(tǒng)對COD的去除

COD 用于表征水中受還原性物質(zhì)污染的程度，一般由有機碳組成，常作為有機物含量的指標(biāo)。COD一般可分為可溶性COD 和不可溶性COD。有機物的去除過程包括過濾、吸附和生物氧化等作用。當(dāng)生活污水通過化糞池預(yù)處理后進(jìn)入土壤滲濾系統(tǒng)時，附著在填料上的微生物會吸附可溶性COD，然后將其從大分子物質(zhì)逐漸降解為小分子物質(zhì)，最后以氣體、糖和醛等物質(zhì)的形式排出系統(tǒng)[32]。而不可溶性COD 則通過截留、吸附和沉淀等方法進(jìn)行去除[34]。

1.2.4 土壤滲濾系統(tǒng)對固體懸浮物的去除

生活污水中的固體物質(zhì)（TS）由溶解性固體（DS）和懸浮性固體（SS）組成。SS 是影響土壤滲濾系統(tǒng)去除氮磷等污染物的重要因素之一，其會對土壤滲濾系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)通透性造成影響[35]，直接影響系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)氧效果，從而引起系統(tǒng)內(nèi)部微生物（如硝化反硝化細(xì)菌）數(shù)量及種類的變化，進(jìn)而影響系統(tǒng)脫氮的能力。

農(nóng)村生活污水經(jīng)過化糞池預(yù)處理時一部分SS 被截留，污染負(fù)荷降低。當(dāng)污水進(jìn)入土壤滲濾系統(tǒng)時，大部分SS 會與系統(tǒng)中的土壤礫石等基質(zhì)發(fā)生物理截留、化學(xué)沉淀等作用，少部分SS 則在植物根系、原生動物等的作用下被去除[36]。當(dāng)系統(tǒng)處于好氧狀態(tài)時，有機性SS會被好氧微生物降解成CO2排出系統(tǒng)；而當(dāng)系統(tǒng)處于厭氧狀態(tài)時，厭氧微生物以有機性SS 為底物進(jìn)行缺氧反應(yīng)從而將其去除。通常，在土壤滲濾系統(tǒng)中有機性SS 去除率較高，但這并不是影響系統(tǒng)處理能力的因素。

1.2.5 土壤滲濾系統(tǒng)對致病微生物的去除

土壤滲濾系統(tǒng)中致病微生物主要為細(xì)菌、病毒和寄生蟲等。若將化糞池處理后的尾水直接還田利用，尾水中所含有的致病微生物等有毒有害物質(zhì)可能導(dǎo)致疾病傳播，甚至造成流行性傳染病[37]，因此土壤滲濾系統(tǒng)中致病微生物的去除問題應(yīng)得到充分重視?；紫x卵死亡率和糞大腸菌群等指標(biāo)往往作為評價土壤滲濾系統(tǒng)衛(wèi)生安全性的重要指標(biāo)。

致病微生物一般來源于人體的消化系統(tǒng)，一旦離開了寄主，它們的存活時間往往只有幾天。當(dāng)生活污水進(jìn)入系統(tǒng)后致病微生物會在太陽紫外線[38]、土壤微生物、植物根系分泌物和土壤膠體顆粒的作用下被去除[39]。

2 土壤滲濾系統(tǒng)在國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀

19 世紀(jì)中葉，英國學(xué)者LETHEBY Henry 偶然發(fā)現(xiàn)了土壤對污水的凈化作用，繼而提出了土壤滲濾系統(tǒng)這一概念。隨著二次工業(yè)革命的推進(jìn)，居民生活水平不斷提高，生活用水的排放也隨之增加，因此造價低廉、去污效果好、運行簡單的土壤滲濾系統(tǒng)受到了世界各國學(xué)者們的廣泛關(guān)注。由于土壤滲濾系統(tǒng)運行效果良好，日本和歐美一些國家對土壤滲濾系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究并取得一定進(jìn)展。20 世紀(jì)60 年代，土壤滲濾系統(tǒng)在日本應(yīng)用，隨后在80 年代研究出尼米（NiiMi）槽式土壤滲濾系統(tǒng)，率先在生活污水處理上取得一些成果[40]。隨后，土壤滲濾系統(tǒng)在世界各地被廣泛應(yīng)用。

在理論研究方面，VAN CUYK 等[41]的研究表明土壤滲濾系統(tǒng)土壤層最佳厚度為0.60～1.20 m。QUANRUD 等[42]研究發(fā)現(xiàn)土壤厚度為1.0 m 的土壤滲濾系統(tǒng)可以有效地去除脊髓灰質(zhì)炎病毒和大腸桿菌噬菌體。在工程實例方面，DREWES 等[43]的研究表明土壤滲濾系統(tǒng)可以用于污水深度處理，同時能有效地去除三級出水中的有機物，并改變廢水中有機物特征。ORON[44]研究發(fā)現(xiàn)土壤的滲濾作用可以有效地去除市政二級出水和污水中病原體等致病微生物，并且可以直接將其還田利用。RICE 等[45]利用土壤滲濾系統(tǒng)處理預(yù)處理后生活污水的研究結(jié)果表明，土壤滲濾系統(tǒng)對氨氮、有機物等污染物具有較高的去除率。LANCE 等[46]的研究發(fā)現(xiàn)在土壤中添加有機碳可以提高系統(tǒng)對氮的去除率。

在美國，土壤滲濾系統(tǒng)主要用于分散式生活污水治理，通常由化糞池和土壤滲濾系統(tǒng)組成。美國國家環(huán)保局（USEPA）2002 年發(fā)布《污水分散處理系統(tǒng)手冊》，用于指導(dǎo)地方管理分散污水處理系統(tǒng)；2005 年發(fā)布《分散式污水處理系統(tǒng)管理手冊》，以引導(dǎo)地方政府和群眾安裝分散式處理系統(tǒng)，并參與管理和維護(hù)。美國國家環(huán)保局推薦8 種土壤滲濾系統(tǒng)，詳見表1 和圖1。澳大利亞運行的分散式污水處理技術(shù)中有75%是土壤滲濾系統(tǒng)[40]，其優(yōu)良的經(jīng)濟和環(huán)境效益使之成為許多發(fā)達(dá)國家處理分散式污水的首選技術(shù)[47]。

圖1 美國國家環(huán)保局推薦的8種分散式農(nóng)村生活污水治理模式示意圖Figure 1 Schematic diagram of 8 decentralized rural sewage treatment modes recommended by USEPA

在我國，1981 年《光明日報》“科學(xué)家論壇”發(fā)表了《實行科學(xué)污灌，發(fā)展土地處理利用系統(tǒng)》的文章，一時引起了廣泛關(guān)注和積極響應(yīng)，隨后我國開始對土壤滲濾系統(tǒng)進(jìn)行初步研究[47]。20 世紀(jì)90 年代我國通過與歐美國家的學(xué)術(shù)交流逐步加深對土壤滲濾系統(tǒng)的研究。1992 年，污水地下毛管滲透處理系統(tǒng)模型在北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院首次建成并投入試運行[48]。1991—1995年期間，中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所利用地下毛管滲透處理系統(tǒng)模型進(jìn)行實地示范研究，并在隨后幾年逐步對其工藝模型進(jìn)行優(yōu)化。2000 年清華大學(xué)等高校聯(lián)合開展的“滇池面源污染控制技術(shù)”課題，利用地下污水滲濾系統(tǒng)對農(nóng)村生活污水進(jìn)行處理并取得良好效果[49]。2000 年12 月，貴州省環(huán)境科學(xué)研究設(shè)計院與日本國立環(huán)境研究所合作，引進(jìn)日本最新一代的土壤滲濾系統(tǒng)凈化技術(shù)，并進(jìn)行實地示范，取得了良好的污水凈化效果[50]。2003年，沈陽師范大學(xué)建立并應(yīng)用土壤滲濾系統(tǒng)處理校園綠化用水和景觀湖用水，實現(xiàn)了灌溉期污水零排放[34]。2010 年，沈陽大學(xué)設(shè)計了處理能力為300 m3·d-1的生物接觸氧化-地下滲濾工藝，經(jīng)過此工藝處理后的污水能達(dá)到可回用的標(biāo)準(zhǔn)[51]。自2010 年起，各高校和科研單位也相繼對土壤滲濾系統(tǒng)污染物去除效果、系統(tǒng)堵塞等方面進(jìn)行研究。王鑫等[52]利用尼米槽式土壤滲濾系統(tǒng)處理校園生活污水，結(jié)果表明該系統(tǒng)對污染物具有良好的去除效果。

3 土壤滲濾系統(tǒng)存在的問題

盡管土壤滲濾系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點，但是隨著土壤滲濾系統(tǒng)研究和實際應(yīng)用的深入，存在的一些問題已逐漸被學(xué)者們發(fā)現(xiàn)[41]。土壤滲濾系統(tǒng)存在的問題主要集中在氮的去除率低[53]、對環(huán)境產(chǎn)生不良影響和系統(tǒng)堵塞[8]三方面。

3.1 氮的去除

在土壤滲濾系統(tǒng)中相較于其他污染物，氮素去除率較低且不穩(wěn)定，再加上對生活污水的預(yù)處理方式不同，導(dǎo)致氮的去除率變化區(qū)間在10%～80%。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對土壤滲濾系統(tǒng)氮素去除問題開展了諸多研究。目前強化土壤滲濾系統(tǒng)脫氮的方法有以下幾種：補充碳源、改善氧化還原條件、改良基質(zhì)和調(diào)整進(jìn)水碳氮比（C/N）等。

3.1.1 補充碳源

在預(yù)處理為好氧條件的土壤滲濾系統(tǒng)中，硝化-反硝化是系統(tǒng)脫氮的主要途徑，其中反硝化過程是在缺氧環(huán)境下，以碳源為電子供體，以硝態(tài)氮為電子受體，通過反硝化細(xì)菌發(fā)生反硝化過程，其過程主要發(fā)生在土壤滲濾系統(tǒng)中下部。但是污水中的大部分有機碳源在系統(tǒng)中上層被分解[54]，且有機物降解效率隨著土層加深而降低，而反硝化反應(yīng)最有效的土層深度為0.7～1.5 m，因此導(dǎo)致系統(tǒng)深層土壤反硝化過程所需供體不足，反硝化過程不完全，這使得氮素成為系統(tǒng)中最難去除的成分。

系統(tǒng)中碳源不足的問題可以通過兩種方式解決：一是優(yōu)化土壤滲濾系統(tǒng)工藝，利用系統(tǒng)內(nèi)部資源來補充碳源，這類碳源被稱為內(nèi)部碳源，它包括污水中自帶的有機碳和從原污水中分離出來的顆粒狀初沉污泥；二是外加碳源，通過添加外部碳源使厭氧區(qū)反硝化細(xì)菌可利用的有機物濃度升高，進(jìn)而提高系統(tǒng)反硝化能力。傳統(tǒng)外加碳源一般有甲醇、乙醇、乙酸和葡萄糖等。嚴(yán)群等[55]通過添加0.5～1.0 g·L-1葡萄糖碳源，提升了進(jìn)水COD 濃度，同時也提高進(jìn)水COD/TN值，TN 的去除率由26.9%提升至55.7%，且隨著COD/TN 值增高，系統(tǒng)TN 去除率也提高。謝希等[56]利用絲瓜絡(luò)作為固體碳源增強系統(tǒng)反硝化過程，結(jié)果表明系統(tǒng)出水TN去除率從26.83%提升至80.77%，出水硝酸鹽濃度也從34.3 mg·L-1降至7.32 mg·L-1，由此證明以絲瓜絡(luò)作為碳源增強系統(tǒng)反硝化過程具有可行性。李海波等[57]的研究表明適當(dāng)添加有機碳源可以促進(jìn)系統(tǒng)反硝化過程，但是添加過量可能降低脫氮菌群活性，進(jìn)而降低系統(tǒng)脫氮能力；同時研究還發(fā)現(xiàn)添加碳源可以降低N2O 的產(chǎn)生量，減少土壤滲濾系統(tǒng)對外界環(huán)境的污染。周子琳等[58]研究發(fā)現(xiàn)在水力負(fù)荷為10 cm·d-1時，與添加乙酸鈉相比，添加葡萄糖作為碳源的系統(tǒng)對COD、TN 和TP 具有更高的去除率。王虹[59]對比了單段和兩段進(jìn)水的工藝后發(fā)現(xiàn)，單段進(jìn)水管#1條件下，系統(tǒng)對TN 去除率僅為37.33%，而在#1#2 或#1#3同時布水且系統(tǒng)最佳布水分配比為2∶1時，系統(tǒng)對TN的去除率分別達(dá)到43.26%和60.42%，對COD、TP、NH3-N 等污染物的去除率均在80%以上，出水各項指標(biāo)均達(dá)到城鎮(zhèn)生活污水處理廠一級B的排放標(biāo)準(zhǔn)。

宋思雨[60]通過構(gòu)建一套模擬土壤滲濾系統(tǒng)來探究最適合土壤滲濾系統(tǒng)運行的關(guān)鍵參數(shù)，結(jié)果表明最適合土壤滲濾系統(tǒng)的C/N為3∶1，此時系統(tǒng)硝化-反硝化作用最為明顯，同時系統(tǒng)內(nèi)各指標(biāo)去除率最高，若C/N 小于3∶1，此時系統(tǒng)反硝化細(xì)菌受到抑制而不利于系統(tǒng)對氮的脫除。而我國南方一些地區(qū)生活污水COD 濃度普遍偏低，此時則需要通過添加外部碳源來強化系統(tǒng)的脫氮效果。

3.1.2 改善氧化還原條件

在預(yù)處理為好氧條件的土壤滲濾系統(tǒng)中，脫氮主要通過植物吸收、氨氮揮發(fā)、土壤吸附和微生物硝化-反硝化作用來實現(xiàn)，其中微生物的硝化-反硝化作用是土壤滲濾系統(tǒng)脫氮的主要途徑，但是土壤滲濾系統(tǒng)中氧化還原電位（ORP）是影響土壤滲濾系統(tǒng)硝化-反硝化作用的主要因素。良好的氧化還原條件有利于基質(zhì)中微生物處于微生物合成和內(nèi)源代謝交替的活躍狀態(tài)，有利于提高基質(zhì)中微生物表面吸附有機質(zhì)的降解效率，有利于提高土壤滲濾系統(tǒng)對污染物的去除效率[61]。目前改善氧化還原環(huán)境的措施主要包括基質(zhì)改良、干濕交替、植物根系輸氧和通風(fēng)等。

（1）基質(zhì)改良

基質(zhì)是影響土壤滲濾系統(tǒng)應(yīng)用的重要因素，是土壤滲濾系統(tǒng)中污染物去除的主要單元，能為微生物生長提供必需的生長環(huán)境，也能夠直接決定土壤滲濾系統(tǒng)去除污染物的效率和效果?；|(zhì)改良可以改善土壤滲濾系統(tǒng)氧化還原環(huán)境，增強系統(tǒng)水力負(fù)荷，提高土壤滲濾系統(tǒng)對氮的去除；也可以通過改良原有基質(zhì)組成結(jié)構(gòu)，使基質(zhì)組分結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、吸附容量大、透氣性強、滲透率高，提高土壤滲濾系統(tǒng)內(nèi)部溶解氧，以此來改善土壤滲濾系統(tǒng)內(nèi)部氧化還原條件。

楊錚錚等[62]將腐熟牛糞、粉煤灰與土壤混配，通過設(shè)置分層裝填與混合裝填兩種模擬土壤滲濾系統(tǒng)對農(nóng)村生活污水進(jìn)行凈化，結(jié)果表明兩種不同裝填方式都能提高土壤滲濾系統(tǒng)脫氮除磷能力，兩種模型對出水TN去除率分別達(dá)到75.1%和71.3%，其中分層填裝凈化能力強于混合填裝。李英華等[15]將草甸棕壤、煤渣和活性污泥等生物基質(zhì)按13∶6∶1 比例混合使用，研究在不同水力負(fù)荷和污染負(fù)荷下土壤滲濾系統(tǒng)的脫氮效果，結(jié)果表明當(dāng)進(jìn)水BOD5負(fù)荷為12.0 g·m-2·d-1時，隨著水力負(fù)荷的增加系統(tǒng)基質(zhì)層ORP 降低，系統(tǒng)脫氮效率也降低。當(dāng)水力負(fù)荷為0.08 m-3·m-2·d-1時，基質(zhì)層ORP 隨著進(jìn)水BOD5負(fù)荷增高而降低，系統(tǒng)脫氮效率也隨之下降。綜合考慮后認(rèn)為，水力負(fù)荷0.065 m-3·m-2·d-1、BOD5污染負(fù)荷12.0 g·m-2·d-1為土壤滲濾系統(tǒng)最佳運行條件。

（2）干濕交替運行

土壤滲濾系統(tǒng)運行方式可以分為連續(xù)和間歇兩種形式。連續(xù)運行指的是系統(tǒng)長時間不間斷進(jìn)水，間歇運行也就是干濕交替運行，是指進(jìn)水-落干-進(jìn)水-落干交替進(jìn)行。如果連續(xù)進(jìn)水時間較長，會導(dǎo)致系統(tǒng)中氧氣不足，降低好氧微生物活性；而干濕交替運行則會改善這一狀況，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)水時，系統(tǒng)中缺少氧氣，當(dāng)系統(tǒng)落干時，氧氣再次進(jìn)入系統(tǒng)，補充有機物消耗的溶解氧，以此調(diào)節(jié)系統(tǒng)ORP，使系統(tǒng)又恢復(fù)原有的功能和好氧環(huán)境，以確保硝化反應(yīng)順利進(jìn)行。另外干濕交替運行也可以緩解土壤孔隙因懸浮物沉積、有機物生長而造成的系統(tǒng)堵塞，可以有效地保持系統(tǒng)土壤滲透性[63]。梁成龍[64]的研究表明系統(tǒng)ORP 會隨著土壤干化期的延長而增加，而干濕交替可以影響系統(tǒng)ORP，進(jìn)而改善系統(tǒng)好氧-厭氧環(huán)境。此外，與連續(xù)進(jìn)水相比，干濕交替運行能通過對干濕比的控制使土壤滲濾系統(tǒng)對污染物的去除達(dá)到理想效果。李英華等[65]研究了室內(nèi)模擬土壤滲濾系統(tǒng)在干濕比為1∶2、1∶1、2∶1、3∶1 和4∶1 時對污染物的去除效果，結(jié)果表明在干濕比為1∶1 時效果最佳，此時系統(tǒng)對銨態(tài)氮和TN 的去除率分別為86.9%和79.1%，出水水質(zhì)滿足景觀環(huán)境用水標(biāo)準(zhǔn)。LI等[66]的研究表明，干濕交替運行可以改變系統(tǒng)ORP，進(jìn)而影響系統(tǒng)對TN 和氨氮的去除。

（3）通風(fēng)

在土壤滲濾系統(tǒng)中通風(fēng)會改善系統(tǒng)ORP，可以明顯提高系統(tǒng)脫氮效率。通風(fēng)是一種增加土壤滲濾系統(tǒng)內(nèi)部溶解氧的途徑，具體是指在系統(tǒng)外增加通風(fēng)管，但是通風(fēng)管在土壤滲濾系統(tǒng)內(nèi)所發(fā)揮的作用有限，所以學(xué)者們使土壤滲濾系統(tǒng)在干濕交替條件下運行，當(dāng)系統(tǒng)落干時，滲濾基質(zhì)處于飽水狀態(tài)，孔隙水在重力作用下排干，土壤滲濾系統(tǒng)內(nèi)壓強減小，在內(nèi)外壓強不一致時，外界空氣進(jìn)入系統(tǒng)，為硝化反應(yīng)提供好氧環(huán)境，同時也可以改善系統(tǒng)ORP，進(jìn)而提高系統(tǒng)脫氮效率。SCHUDEL 等[67]的研究表明設(shè)置通風(fēng)管后系統(tǒng)不會產(chǎn)生氣體傳輸問題，即使在微生物最活躍的上層土壤，氧分壓也很大。

目前，也有很多研究把人工曝氣應(yīng)用到土壤滲濾系統(tǒng)中。人工曝氣分為連續(xù)曝氣和間歇曝氣，這兩種曝氣方式都會提高系統(tǒng)內(nèi)溶解氧含量進(jìn)而推進(jìn)土壤滲濾系統(tǒng)硝化反應(yīng)的進(jìn)行。PAN 等[68]的研究表明，在進(jìn)水C/N 為12 時，間歇曝氣的脫氮效率略高于連續(xù)曝氣；潘晶等[69]研究發(fā)現(xiàn)，間歇曝氣為土壤滲濾系統(tǒng)基質(zhì)50 cm 深度創(chuàng)造了好氧環(huán)境，同時也促進(jìn)了土壤滲濾系統(tǒng)硝化與反硝化反應(yīng)。PAN 等[70]研究了4 種土壤滲濾系統(tǒng)：系統(tǒng)A（無分流分配廢水）、系統(tǒng)B（間歇曝氣）、系統(tǒng)C（間歇分配廢水）和系統(tǒng)D（間歇曝氣和分流分配廢水）對有機物和氮的去除效果，結(jié)果表明土壤滲濾系統(tǒng)D 對有機物和氮的去除效果最好。另有研究[71-72]表明，間歇曝氣不僅可以為硝化-反硝化反應(yīng)同時進(jìn)行創(chuàng)造條件，而且可以促進(jìn)土壤滲濾系統(tǒng)中細(xì)菌、真菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的生長[73]。

（4）植物輸氧

土壤滲濾系統(tǒng)是一種污水生態(tài)處理技術(shù)，在土壤滲濾系統(tǒng)表面種植植物可以形成一種微生態(tài)效應(yīng)系統(tǒng)。植物通過從大氣中吸收氧氣，再將氧氣輸送到根部氣體導(dǎo)管，從而使根莖接觸的土壤呈好氧狀態(tài)，離植物根系較遠(yuǎn)的地方則呈厭氧狀態(tài)，這兩個區(qū)域分別有利于硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的生長，進(jìn)而有利于系統(tǒng)脫氮。在土壤滲濾系統(tǒng)表面種植蔬菜不僅可以促進(jìn)系統(tǒng)脫氮，還可以利用蔬菜根系吸收系統(tǒng)中N、P等營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)植物生長，同時降低土壤滲濾系統(tǒng)處理壓力。

3.2 對環(huán)境的影響

土壤滲濾系統(tǒng)對周邊環(huán)境的影響也是一個值得關(guān)注的問題。近些年土壤滲濾系統(tǒng)對周邊環(huán)境的影響主要集中在污水滲出、溫室氣體排放和硝態(tài)氮淋濾等。

YANG 等[74]的研究表明，水力負(fù)荷是影響土壤滲濾系統(tǒng)出水效果的重要因素，污染物的去除效率隨著水力負(fù)荷的增加而降低，水力負(fù)荷與污水水力停留時間（HRT）成反比。當(dāng)污水水力負(fù)荷較小時，污水流速也小，污水在土壤滲濾系統(tǒng)中停留時間則會較長，污水與土壤滲濾系統(tǒng)中填料基質(zhì)接觸時間越久，對污染物的去除效果越好。當(dāng)水力負(fù)荷較大時，若系統(tǒng)出水中污染物去除效果不理想，其原因可能是土壤滲濾系統(tǒng)進(jìn)水水量較大，污水在基質(zhì)中停留時間較短，污水未能與系統(tǒng)中基質(zhì)、微生物充分接觸，導(dǎo)致污水直接滲入地下，污染地下水。除此之外，也有可能因出水污染物濃度過大、水量過多而導(dǎo)致系統(tǒng)堵塞。因此，在實際土壤滲濾系統(tǒng)工程中，尋找適合土壤滲濾系統(tǒng)的水力負(fù)荷，是近年來學(xué)者們關(guān)注的一個問題。李海波等[75]的研究表明，水力負(fù)荷對BOD5和TN 的去除效果有明顯影響，水力負(fù)荷越大，系統(tǒng)BOD5和TN 去除率越低。COD 和SS 受水力負(fù)荷影響較小，而TP 和銨態(tài)氮則基本不受水力負(fù)荷影響。

土壤滲濾系統(tǒng)對氮素的去除過程會產(chǎn)生NH3、N2、N2O[76]、CO2、CH4和SO2等氣體，這些氣體會產(chǎn)生溫室效應(yīng)，其中N2O 的單分子增溫潛勢是CO2的298倍，此外其分解產(chǎn)物也是NO 的主要來源，而NO 是破壞臭氧層的鏈?zhǔn)交瘜W(xué)反應(yīng)中的關(guān)鍵物質(zhì)[77]。李海波等[57]研究發(fā)現(xiàn)，N2O 的產(chǎn)生是土壤滲濾系統(tǒng)硝化與反硝化反應(yīng)共同作用產(chǎn)生的重要副產(chǎn)物[77]，其產(chǎn)量隨著時間的延長而降低。李英華等[78]的研究表明隨著進(jìn)水N 負(fù)荷的增加，N2O 的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)化率呈先升高再降低的趨勢，當(dāng)進(jìn)水N 負(fù)荷為2.4 g·m-2·d-1時，N2O 的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)化率最高。SUN 等[79]的研究表明，間歇曝氣與生物炭和污泥相結(jié)合是減少N2O 排放的一種方法。許多研究表明工藝類型、植物類型及種植方式、基質(zhì)性質(zhì)、溫度和外源氮素輸入都是土壤滲濾系統(tǒng)N2O 釋放的影響因子，但是關(guān)于影響因子交互作用的研究卻鮮有報道。此外關(guān)于主導(dǎo)因子對N2O 釋放通量的影響機制的研究有待進(jìn)一步加強，明確N2O 釋放驅(qū)動機制以及建立基于理論框架的N2O 釋放調(diào)控方法也將是未來研究重點。

土壤滲濾系統(tǒng)中另一個對環(huán)境造成危害的隱患是硝態(tài)氮、致病菌等對地下水的污染。硝態(tài)氮滲濾是由于系統(tǒng)缺少反硝化反應(yīng)所需的碳源而造成大量硝態(tài)氮聚集，最終流入地下水。硝酸鹽含有毒有害成分，過量攝取可能會導(dǎo)致人體缺氧、呼吸急促，甚至可能導(dǎo)致胃癌等消化系統(tǒng)疾病[80]。致病細(xì)菌進(jìn)入地下水則可能導(dǎo)致人類感染多種疾病。STEVIK 等[81]的研究表明土壤會吸附污水中約90%的致病菌，并且致病菌數(shù)量會隨著土壤深度的增加而降低，滲濾層30 cm 下幾乎檢測不到致病菌。但是從安全角度考慮，在施工時應(yīng)盡量保護(hù)原土層，或用高密度聚乙烯樹脂薄膜塑料作為防滲裝置。

目前，對于土壤滲濾系統(tǒng)對周圍環(huán)境影響的研究多集中在溫室氣體排放、硝態(tài)氮淋濾等，而關(guān)于其對土壤環(huán)境影響的報道卻鮮見。蒯偉等[82]的研究表明TP、總有機碳等物質(zhì)與三格化糞池周圍橫向、縱向土壤致病微生物存在相關(guān)性，因此從土壤環(huán)境效應(yīng)的角度來評估土壤滲濾系統(tǒng)的適用性將是今后研究的重點方向之一。

3.3 系統(tǒng)堵塞

土壤滲濾系統(tǒng)堵塞是由系統(tǒng)內(nèi)部懸浮物截留、吸附和微生物生長所導(dǎo)致，它不僅會影響系統(tǒng)水力負(fù)荷，還會影響系統(tǒng)壽命。據(jù)報道，美國將近七成的土壤滲濾系統(tǒng)由于系統(tǒng)堵塞而不得不重新挖土和更換填料，澳大利亞也有70%的土壤滲濾系統(tǒng)因堵塞而癱瘓。土壤滲濾系統(tǒng)堵塞一般分為物理堵塞、生物堵塞和氣體堵塞。

物理堵塞是指系統(tǒng)進(jìn)水中懸浮物濃度過高、滲濾基質(zhì)孔徑和填料孔隙率過小所導(dǎo)致的可恢復(fù)性堵塞，一般解決這種堵塞的辦法是將系統(tǒng)進(jìn)水進(jìn)行預(yù)處理[83]，降低進(jìn)水中懸浮物含量。在農(nóng)村，預(yù)處理設(shè)施一般指化糞池等。生物堵塞是指隨著系統(tǒng)運行時間變長，系統(tǒng)內(nèi)細(xì)胞體、胞外聚合物等不斷增多，使得土壤非毛細(xì)孔隙率不斷減少，最后導(dǎo)致生物堵塞[84]。針對微生物堵塞，一般做法是通過人工曝氣、干濕交替進(jìn)水[83]等方式來緩解，除此之外還可添加一些微生物抑制劑和融菌劑來減緩。氣體堵塞是指土壤滲濾系統(tǒng)中微生物的硝化、反硝化等化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的CO2、N2、N2O 等氣體過多，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)土壤間隙堵塞，最終抑制系統(tǒng)對污染物的去除。對于氣體堵塞，可以采用干濕交替的進(jìn)水方式來解決。LI 等[85]對比了長期運行（7 年）和短期運行（1 年）的土壤滲濾系統(tǒng)對污染物的去除率，結(jié)果顯示長期運行的土壤滲濾系統(tǒng)對各污染物的去除率均低于短期運行，這表明長期運行會影響土壤滲濾系統(tǒng)土壤滲透性、孔隙度及氣體累積情況，進(jìn)而影響系統(tǒng)對污染物的去除率。

綜上所述，對進(jìn)水進(jìn)行預(yù)處理以及采用干濕交替的進(jìn)水方式可以解決農(nóng)村土壤滲濾系統(tǒng)堵塞的問題，除此之外，控制進(jìn)水污染物負(fù)荷也可以在一定程度上緩解系統(tǒng)堵塞。

4 結(jié)論與展望

本文簡要介紹了土壤滲濾系統(tǒng)的概念及污染物去除機理，并針對土壤滲濾系統(tǒng)脫氮效果差、對環(huán)境產(chǎn)生影響和系統(tǒng)堵塞等問題進(jìn)行歸納總結(jié)。基于此，根據(jù)國外農(nóng)村污水治理的成功經(jīng)驗，結(jié)合我國農(nóng)村污水治理現(xiàn)狀，提出關(guān)于我國未來對土壤滲濾系統(tǒng)應(yīng)用的一些展望。

（1）干濕交替運行方式是目前我國土壤滲濾系統(tǒng)主要運行方式，它不僅可以提高系統(tǒng)脫氮效率，也可以緩解系統(tǒng)堵塞問題。脫氮效果差仍是土壤滲濾系統(tǒng)面臨的主要問題之一，改善氧化還原條件和補充碳源是提升系統(tǒng)脫氮能力的主要手段。利用新型復(fù)合填料強化系統(tǒng)脫氮成為土壤滲濾系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢，同時應(yīng)探尋最佳填料配比以達(dá)到最佳脫氮效率。另外在土壤滲濾系統(tǒng)與好氧預(yù)處理裝置聯(lián)用的情況下適當(dāng)添加外部碳源，不僅能有效提高系統(tǒng)脫氮效率，而且可以減輕因系統(tǒng)缺少碳源而造成的地下水污染。

（2）農(nóng)村地區(qū)應(yīng)因地制宜、分區(qū)分片確定治理模式和方法，根據(jù)每個村的地勢地貌建設(shè)不同技術(shù)模式的土壤滲濾系統(tǒng)。同時，構(gòu)建生產(chǎn)生活一體化模式，建立就地循環(huán)利用機制，以農(nóng)村改廁、污水收集為源頭控制措施；打通村內(nèi)水系，實施雨污分離、黑灰水分離，發(fā)揮村內(nèi)溝渠、坑塘的凈水功能，發(fā)揮農(nóng)戶房前屋后、村內(nèi)閑置土地的蓄水和污染吸收功能，開展農(nóng)村水環(huán)境的過程治理；以建設(shè)生態(tài)庭院和美麗田園為末端利用方式，實現(xiàn)農(nóng)村污水治理、垃圾處置與生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展、農(nóng)村生態(tài)文明建設(shè)有機銜接。此外，我國應(yīng)該學(xué)習(xí)國外農(nóng)村污水治理的成功經(jīng)驗，以村或鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位，定期對長時間使用的土壤滲濾系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)與填料更換，形成有效的后期管護(hù)機制。

（3）地廣人稀的農(nóng)村地區(qū)應(yīng)充分利用自然凈化能力強的特點，盡可能將生活污水資源化利用，將工程措施和生態(tài)措施相結(jié)合，推廣符合當(dāng)?shù)貙嶋H情況的低成本、低能耗、高效率、免（少）管護(hù)的技術(shù)模式。例如，村民們可以利用土壤滲濾系統(tǒng)處理化糞池出水，同時在系統(tǒng)上種植蔬菜或適宜的作物，蔬菜和作物可以通過其根系吸收污水中N、P等營養(yǎng)物質(zhì)，實現(xiàn)資源化利用，但這種做法的合理性、安全性以及對環(huán)境的影響仍需進(jìn)行科學(xué)驗證。