污水地下滲濾系統(tǒng)在應(yīng)用中的問題及強(qiáng)化措施研究進(jìn)展

高蕊 畢岸 潘晶

（沈陽(yáng)師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 遼寧沈陽(yáng) 110034）

近年來(lái)，人們排放的生活污水量日益增加，已經(jīng)對(duì)人們生存的自然環(huán)境及經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生不可避免的影響，選擇合適的污水凈化技術(shù)非常重要。污水地下滲濾 系 統(tǒng)（Subsurface Wastewater Infiltration System，SWIS）是一項(xiàng)集物理、生物、化學(xué)反應(yīng)技術(shù)于一身，運(yùn)用由“植物—土壤—微生物”3個(gè)部分組合而成的穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)來(lái)處理污水的一項(xiàng)工藝，將自然生態(tài)凈化技術(shù)和人工工藝相結(jié)合。SWIS起源于日本，后來(lái)相繼在歐美地區(qū)逐步展開了研究和應(yīng)用。我國(guó)從20 世紀(jì)90年代初期開始研究地下滲濾技術(shù)。此系統(tǒng)具有運(yùn)行成本低、出水水質(zhì)好、節(jié)約空間、管理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)的SWIS 存在基質(zhì)選擇不合理、滲濾層結(jié)構(gòu)、運(yùn)行參數(shù)不合理、脫氮除磷效果不理想和容易堵塞等問題。SWIS的飛速發(fā)展使其近幾年成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，許多研究者對(duì)提高其滲濾功能和處理能力進(jìn)行了大量研究。

1 SWIS存在問題

1.1 系統(tǒng)堵塞

SWIS 堵塞不僅影響進(jìn)水負(fù)荷，也妨礙正常通氣，使凈化效果不理想，還會(huì)減少系統(tǒng)的應(yīng)用年限。SWIS堵塞過程往往不可逆。微生物的過度生長(zhǎng)和細(xì)胞外分泌物的堆積及生物膜的剝落都是可以造成土壤堵塞的主要因素。另外，氣泡堵塞在某些情形下也很容易出現(xiàn)，土壤中的微生物在好氧、厭氧反應(yīng)過程中形成氣體時(shí)，就會(huì)因產(chǎn)生過大的內(nèi)壓而導(dǎo)致土壤孔隙堵塞。各種堵塞問題可以通過技術(shù)手段緩解，但不能徹底恢復(fù)解決。

1.2 除氮效果差

因?yàn)镾WIS 的氧化還原電位不易控制，所以對(duì)氨化、硝化、反硝化細(xì)菌的繁殖生存環(huán)境條件也不易控制，人們對(duì)強(qiáng)化脫氮系統(tǒng)開展了大量的研究。天然土壤有機(jī)質(zhì)的分解造成反硝化菌可使用的碳源不夠，且好氧環(huán)境條件也不利于反硝化菌的生長(zhǎng)發(fā)育繁衍，因此產(chǎn)生總氮的消除率也較低。

1.3 磷穿透問題

SWIS 去除污水中磷主要依靠基質(zhì)的沉降和吸收功能，而長(zhǎng)時(shí)間工作則會(huì)使基質(zhì)中的磷元素飽和，失去除磷功能并產(chǎn)生二次污染。所以，對(duì)磷滲透的控制措施研究十分關(guān)鍵。

1.4 黑箱性問題

SWIS的處理主體位于地面之下，但現(xiàn)階段研究中對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的演變過程、微生物結(jié)構(gòu)特征和群落特性還沒有系統(tǒng)闡釋，所以SWIS 滲濾基質(zhì)內(nèi)部仍是黑箱。

2 SWIS強(qiáng)化措施的研究進(jìn)展

2.1 優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行工況與參數(shù)

2.1.1 運(yùn)行方式強(qiáng)化

不同運(yùn)行方式對(duì)SWIS的凈化能力有著重要影響。進(jìn)水方式具有連續(xù)進(jìn)水與間歇進(jìn)水兩種不同的方式。劉娜經(jīng)實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)各種進(jìn)水方法系統(tǒng)的TN 去除效率差異很大，說(shuō)明了采用間歇式進(jìn)水方法的系統(tǒng)，在同一浸沒表面下的整體反硝化與局部反硝化的聯(lián)合作用下，總氮去除效果最佳［1］。韋玉忠等研究證實(shí)，間歇進(jìn)水排水方式能夠有效去除水體中氮、磷。宋鐵紅等通過將系統(tǒng)間歇式進(jìn)水與連續(xù)式進(jìn)水對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)用間歇式進(jìn)水時(shí)，系統(tǒng)出水CODCr濃度降低且去除率也有所提高。目前，SWIS大都采取干濕相間的工作方法，此方式能大幅度提高氮的去除效率。李英華等人使用的室內(nèi)模擬系統(tǒng)證明干濕交替方法能夠迅速補(bǔ)充氣，NH3-N 和總氮的去除率都達(dá)較高值。郝火凡等人采用模擬研究了干濕循環(huán)比對(duì)基質(zhì)滲透性的影響，表明在適當(dāng)?shù)母蓾窠惶姹惹疤嵯?，基質(zhì)滲入速度能夠保持或者增加。干濕交替是SWIS 中最常見的運(yùn)行方法，既能夠穩(wěn)定地處理出水量，又能夠提高系統(tǒng)的補(bǔ)氧能量，使系統(tǒng)內(nèi)部潛層斷面上交替形成厭氧、好氧環(huán)境，從而促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的降解作用與去除，大大改善了系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

2.1.2 水力負(fù)荷

水力負(fù)荷是指單位容積濾料選擇量或單位容積內(nèi)每日可處置的污水總量。水力負(fù)荷過高，長(zhǎng)期的淹水使整個(gè)體系上部分生物基本都處在完全厭氧或兼性厭氧狀況，不利于硝化反應(yīng)。而水力負(fù)荷過低，雖然脫氮效應(yīng)加強(qiáng)，但是脫氮效率與效果形成反比。李英華研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水力負(fù)荷的適宜范圍為0.065～0.081m3/（m2·d）時(shí)，此范圍內(nèi)適合硝化—反硝化反應(yīng)進(jìn)行且脫氮效果最好［2］。

2.1.3 溫度

溫度直接影響微生物代謝和生長(zhǎng)繁殖，硝化過程和反硝化過程都受到了溫度的直接影響。安樂經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)低溫度降低了NH3-N 的去除效果，當(dāng)溫度為21℃時(shí)，去除率較高；TN 去除率隨著溫度降低呈現(xiàn)出逐漸增大再減小的趨勢(shì)，20℃時(shí)去除率最大，達(dá)到27.12%，隨后出現(xiàn)小幅度的下降。CODCr的去除效率在某一溫度區(qū)間內(nèi)隨著溫度下降呈現(xiàn)突然下降又緩慢上升的趨勢(shì)。聶俊英經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，環(huán)境溫度在13℃以上時(shí)，生活污水中CODCr具有較好的去除效果。由于相對(duì)較低的溫度會(huì)抑制病菌的活力，所以在低溫下處理污水的效果并不好。在自然氣溫較低和緯度較高海拔差較大的區(qū)域，對(duì)地下水滲濾液系統(tǒng)必須加大埋設(shè)深度和進(jìn)行必要的保溫措施，來(lái)提高土壤細(xì)菌的生長(zhǎng)活力及解決生活污染物的效果。

2.1.4 氧化還原電位

氧化還原電位（ORP）是SWIS的重要參數(shù)之一，系統(tǒng)內(nèi)微生物氧化還原效率受其影響，同時(shí)，其也影響系統(tǒng)的脫氮效應(yīng)。馬吉福研究發(fā)現(xiàn)ORP 值在200～400mV 時(shí)，有利于硝化和反硝化的過程［3］。為了提高生物處理工藝體系中氮的消除效率，則要求保障體系內(nèi)的ORP處于微生物適應(yīng)區(qū)域內(nèi)，并采用創(chuàng)造缺氧狀態(tài)和厭氧條件的方法，來(lái)提高體系氮的去除率。

2.2 基質(zhì)改良

滲濾層基質(zhì)是影響SWIS凈化效果的關(guān)鍵因素，也是植物生長(zhǎng)的載體和營(yíng)養(yǎng)庫(kù)?？茖W(xué)合理地選用基質(zhì)濾料是地下水處理工藝控制系統(tǒng)得以有效運(yùn)轉(zhuǎn)的重要前提條件。許多研究者對(duì)SWIS 基質(zhì)改良進(jìn)行了深入的研究。

2.2.1 基質(zhì)濾料的篩選

戴強(qiáng)等人探究了河沙、粉煤灰、煤渣、鋼渣對(duì)污水中磷的吸附性能，結(jié)果顯示，河沙不僅廉價(jià)易得，而且去除效果很好。潘晶等人利用爐渣、蛙石及砂子等材料對(duì)草甸棕壤進(jìn)行研究改良，加強(qiáng)了草甸棕壤滲透性能，系統(tǒng)脫氮除磷效率水平得到顯著提高。劉娜研究了沸石、活性炭、砂、粉煤灰陶粒、粘土陶粒對(duì)氮、磷的吸附性能，結(jié)果顯示，沸石吸附氨氮作用效果最好，粉煤灰陶粒吸附磷效果最好，粘土陶粒和活性炭對(duì)氮、磷均有較好的吸附效果。為了構(gòu)建地下滲濾體系的滲濾層，選用沸石、活性炭、粉煤灰陶粒和粘土陶粒4 種過濾介質(zhì)作為有效的凈化基質(zhì)［1］。楊健等研究表明通過用河沙替代一部分泥土進(jìn)行分層裝填，極大增強(qiáng)了消除污染的功效［4］。張建等研究發(fā)現(xiàn)向處理工藝體系基質(zhì)中摻入約10%的草灰后，改善了土壤氧化環(huán)境條件的同時(shí)，也增加了氨氮和總氮的平均去除率［5］。嚴(yán)群等研究采用了土壤、草炭和礦渣粉進(jìn)行搭配，并采取了全混合裝填方法，經(jīng)采用后，有效地增加了地下處理工藝體系的進(jìn)水水力負(fù)荷，從而明顯提高了土壤COD、氨氮和總氮的均勻去除率［6］。周子琳等發(fā)現(xiàn)通過向生物基質(zhì)中加入干化污泥來(lái)補(bǔ)充碳源，來(lái)增強(qiáng)反硝化作用以更高效地脫氮［7］，選擇合適的滲濾基質(zhì)是保證SWIS高效運(yùn)行的前提條件。

2.2.2 基質(zhì)配比優(yōu)化

選用恰當(dāng)?shù)幕|(zhì)配比，可以改善污水處理性能。劉娜研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)活性炭、粉煤灰陶粒、沸石和粘土陶粒的比例為2∶3∶3∶2并分層填充時(shí)，SWIS 的脫氮除磷效果最好，更適合農(nóng)村地區(qū)的生活污水處理［1］。劉晉研究表明，將生物基質(zhì)以砂土、草炭土、焊渣，與傳統(tǒng)的活性污泥法按14∶3∶2∶1的容積比例混合，可以有效凈化污水。汪宏等人通過將土壤、礦渣粉與生態(tài)基質(zhì)分層填裝，研究結(jié)果表明，加入了生態(tài)基質(zhì)，可以提高土壤系統(tǒng)中對(duì)TN 的脫除能力。楊錚錚等人通過將腐熟牛糞和粉煤灰的綜合利用連續(xù)混配填入處理工藝系統(tǒng)模擬凈化農(nóng)村生活污泥，從而得到了系統(tǒng)的脫硫除磷能力。

2.3 改善氧化還原環(huán)境

2.3.1 通風(fēng)

系統(tǒng)內(nèi)設(shè)通風(fēng)管是一個(gè)能夠合理地進(jìn)行提高地下處理工藝床身內(nèi)溶解氧濃度的方式，可以利用布管道和通風(fēng)管，進(jìn)行向自然環(huán)境通風(fēng)或?qū)⑼L(fēng)設(shè)備接入管線，并利用空氣動(dòng)力強(qiáng)制地向系統(tǒng)內(nèi)控制通風(fēng)量，在提高系統(tǒng)氨氮廢氣的效率和維持系統(tǒng)滲透性方面都有效益。Luanmanee 等研究通過變化系統(tǒng)通風(fēng)大小，發(fā)現(xiàn)隨著通氣量的遞增，系統(tǒng)TN 的去除率也隨之增多［8］；而呂錫武等人研究則發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)通風(fēng)的結(jié)構(gòu)變化有效地提高了系統(tǒng)的氧化還原環(huán)境研究，并表明系統(tǒng)通風(fēng)量和通氣時(shí)間延長(zhǎng)對(duì)TN 的消除有很大的影響。采用通風(fēng)方式，提高了SWIS處理效果。

2.3.2 曝氣

人工曝氣能夠提高SWIS氧的供應(yīng)，從而提高系統(tǒng)凈化效果。潘晶等研究發(fā)現(xiàn)間歇曝氣和進(jìn)水分流二者相結(jié)合的SWIS去除污染物效果良好，為新型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、構(gòu)造和實(shí)現(xiàn)提供了借鑒［9］。袁方研究發(fā)現(xiàn)間歇曝氣提高了SWIS基質(zhì)脫氮微生物數(shù)量和脫氮酶活性，有利于總氮的去除［10］。汪思琪研究發(fā)現(xiàn)曝氣增加了地下滲濾系統(tǒng)對(duì)NH3-N、COD 的去除率且會(huì)在短時(shí)間內(nèi)提高去除污染物的整體效果［11］。許菲等人研究發(fā)現(xiàn)曝氣隨著濾速和氣水比的增加，COD 的去除呈現(xiàn)先增大后降低的明顯趨勢(shì)，氨氮的去除效率保持相對(duì)較高的狀態(tài)，說(shuō)明高濾速和氣水比對(duì)氨氮的去除更為有利。

2.4 微生物功能強(qiáng)化

微生物在SWIS中對(duì)污染物的去除起著重要作用，因此，生物強(qiáng)化不僅可以提高系統(tǒng)對(duì)污染物的去除能力，還可以延長(zhǎng)使用壽命。不同土壤基質(zhì)中的微生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性不同，因此，接種微生物的最佳方法是在相同污染環(huán)境和污染過程的土壤中選擇所需的功能微生物，再將其重新接種到相似的污染環(huán)境和污染過程中［12］。鄒軼通過加入微生物菌劑，使地下滲濾液系統(tǒng)在消除氨氮和總磷的能力大幅提升，并顯著減少了系統(tǒng)的啟動(dòng)工作時(shí)間。代瑩等往土壤中添加自行研制的微生物菌劑后，顯著提高了系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷和氨氮的去除率。

3 研究展望

SWIS屬于實(shí)用工藝，其流程簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、處理要求低、無(wú)異味，在處理分散生活污水方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)具有良好的發(fā)展?jié)摿?。該技術(shù)雖然已有很長(zhǎng)歷史，但尚未成熟，也從側(cè)面體現(xiàn)出該技術(shù)的復(fù)雜性。為了使該技術(shù)能廣泛地應(yīng)用于污水處理，還有很多研究要做。影響SWIS去除污染物的因素眾多，僅強(qiáng)化單因素已經(jīng)不能滿足要求，未來(lái)，應(yīng)將多種強(qiáng)化手段相結(jié)合來(lái)解決SWIS的一些問題。現(xiàn)階段，水資源危機(jī)是我國(guó)面臨的一個(gè)嚴(yán)重問題，水資源短缺和水質(zhì)惡化問題越來(lái)越嚴(yán)重，廢水循環(huán)利用的觀念也逐漸被人們認(rèn)識(shí)接受。研究表明，SWIS在我國(guó)大部分地區(qū)有著良好的適應(yīng)性和可行性，因此，該技術(shù)在我國(guó)將有很好的發(fā)展前景。