生活污水土壤渗滤就地处理技术研究进展

　　现代传统广泛应用的污水处理系统是污水处理厂，在一个复杂和大量耗能的机械设备内通过物理、化学和生物的过程对污水进行处理。然而，这种处理系统不仅耗资巨大而且在消耗大量化石燃料的同时，还会产生新的固体废物和污泥[1]。若采用污水处理厂处理分散型的污染，还需要修建各种管网，在某种程度上也会造成浪费，在这种情况下污水就地处理系统也就成为需要，污水土壤渗滤处理系统恰好能够解决此类问题，这种生态型的污水就地处理方法既廉价又有效，已经成为一种很有前途的污水处理方法。

　　污水土壤渗滤就地处理系统由前处理化粪池和土壤渗滤两部分耦合而成，在国内这种污水处理系统的研究始于20 世纪80 年代初，主要任务是通过利用自然生态系统的功能，发展低成本、低能耗的生活污水土地处理技术[2]。“ 八五”期间，中国科学院沈阳应用生态研究所孙铁珩等在沈阳工业大学宿舍区主持修建了处理规模为50m3/d 的地下渗滤示范工程； “ 九五” 期间对该项技术工艺进行了改进，并在辽河油田茨榆坨采油厂家属区主持修建了处理规模为300m3/d 的示范工程，其一次性投资相当于二级生化处理工程的1/2，运转费仅为其1/5，出水实现了回用[3]。进入20 世纪90 年代以来，国内该技术得到了迅速的发展。在国外利用土壤渗滤系统处理污水的应用相当普遍，目前，美国、日本、法国、以色列等发达国家都在大力推行土壤渗滤技术。

1 工艺原理与污染物的去除机制

1.1 基本原理

污水土壤渗滤就地处理系统是基于生态原理基础上，揉进现代的厌氧、好氧的污水处理技术，而形成的一种生态工程水处理技术。其基本原理是生活污水在化粪池中经过沉淀、厌氧、处理后，流入各土壤渗滤管中，管中流出的污水均匀地向好氧滤层渗滤，再通过表面张力作用上升，越过好氧滤层出口堰之后，通过虹吸现象连续地向上层好氧滤层渗透。在土壤- 微生物- 植物系统的综合净化功能作用下，使水与污染物分离，水被渗滤并通过集水管道收集，污染物通过物化吸附被截留在土壤中，碳和氮由于厌氧及好氧过程，一部分被分解成为无机碳、氮留在土壤中，一部分变成氮气和二氧化碳逸散在空气中，磷则被土壤物理化学吸附，截留在土壤中，为草坪或者其它植物所利用。

1.2 污染物去除机制

日常生活污水包括两部分：一部分是洗涤水和洗澡水，亦称“ 灰水”，其排量占污水的75%～80%；另外一部分为粪便水，亦称“ 黑水”，属于重污染水，在住宅用水中占20%～25%。此外，还有一部分空调排污水，此部分属优质杂排水。因此生活污水是一些无毒有机物，如糖类、淀粉、纤维素、油脂、蛋白质、尿素等组成；其中含氮、磷、硫较高。另外还伴有各种洗涤剂，这一类污染源，它们对人体有一定危害。而且在生活污水中，还含有相当数量的微生物，其中有一些病原体，如病菌、病毒、寄生虫等，都对人的健康有较大危害。由于生活污水主要由有机物、氮、磷等组成，所以有机物、氮、磷的去除也就成了人们研究的重点。土壤对污水的净化作用是一个十分复杂的综合过程，土壤的净化过程既包括物理、化学和生物的作用；又包括物理化学和生物化学的作用，即有土壤的过滤、截留、渗透、物理吸附、化学吸附、化学分解、中和、挥发、生物氧化以及微生物及植物的摄取等过程。

1.2.1 生化作用

1.2.1.1 土壤微生物的生物降解、转化及固定作用土壤为细菌、放线菌、真菌、藻类及原生动物等提供了适宜的生活环境，它们不断的进行各种代谢活动，维持土壤环境内以及土壤与其它环境介质之间的物质循环。土壤中的有机质及土壤水可以作为微生物所需的碳源和水分来源。而在一定水力负荷率条件下，土壤可以保持好氧环境，为好氧微生物生存提供了氧气来源。在土地处理系统中，废水中的有机污染物进入环境后，无疑可增大土壤的有机碳来源，导致土壤微生物加速繁殖，使有机质降解同化作用大大加快，废水中的大部分有机污染物在几天之内可被去除。在土壤环境中，微生物不仅通过其异养化过程降解污染物，还可分泌胞外酶等进入周边环境，这些胞外酶可以作为催化剂诱导生化反应的发生。当然，废水中的有毒有害物质超过一定浓度时会对土壤微生物产生不良的毒理反应，导致微生物死亡。因此，在土地处理系统设计过程中必须控制污染物负荷率，保证任何一种单一污染物浓度不超过对微生物引起毒害作用的阀值。在某些情况下，污染物会引起土壤微生物种类和数量的下降，一些对污染物毒性敏感的种类将会被淘汰。但那些适合这些污染物的种类将加速生长和繁殖，形成系统中的优势种类。其它一些种类则可经一个时期的适应过程或通过污染物诱导基因组成的变化适应新的环境。这是一个微生物生态系统在人为胁迫作用下的“ 自然选择” 过程。经过这个适应过程后微生物降解将达到很高的速率，并对突然的大量污染物质负荷的冲击具有较强的缓冲能力。

1.2.1.2 植物的吸收、转化、降解与合成

在植物生长季节，土壤中植物根系活动非常活跃。一方面，植物通过根系吸收土壤及废水中的水分和N、P 等营养元素，作为构造植物体所需物质，一些非植物生长必需物质如金属离子和部分有机物也可以随植物体蒸腾拉力被植物吸收并积累。通过这一过程可以去除废水中大量的营养型污染物和部分有机物。另一方面，根际土壤由于土质疏松及植物根系的传导作用，具有充分的氧气，同时根系所分泌的酶、氨基酸等为微生物的生存提供了必要的养分，因此为污染物的降解提供了有利条件。根系分泌物中的酶还可以为废水中污染物的转化与固定提供催化机制，加速其降解及固定速率。

1.2.2 物理化学作用

1.2.2.1 土壤的离子交换作用

　　土壤胶体与腐殖质表面具有负电性吸附位点，可以以不同能级水平的吸引力吸附不同价态的阳离子。这种吸附是一个动态的可逆过程，根据周边环境中离子浓度的变化可以不断进行离子交换。在正常中性土壤中，主要吸附离子为Ca2+、Mg2+ 、K+ 和Na+；在酸性土壤中，H+ 和Al3+ 占据大量吸附位点，而在碱性土壤中，Na+ 为主要吸附离子。通常状况下，吸附离子与游离态离子数量保持动态平衡。但废水中离子进入土壤后，这种动态平衡将被破坏，一些吸附能力较弱的离子将被取代，产生离子的净转移。

1.2.2.2 土壤的机械阻留及物化阻留作用土壤颗粒间的孔隙具有截留、滤除水中悬浮颗粒的性能。污水流经土壤，悬浮物被截留，污水得到净化。影响土壤物理过滤净化效果的因素有土壤颗粒的大小、颗粒间孔隙的形状和大小、孔隙的分布及污水中悬浮颗粒的性质、多少、大小等。在非极性分子之间的范德华力的作用下，土壤中粘土矿物颗粒能够吸附土壤中的中性分子。污水中的部分重金属离子在土壤胶体表面，因阳离子交换作用而被置换吸附并生成难溶性的物质被固定在矿物的晶体中。金属离子与土壤中的无机胶体和有机胶体颗粒，由于螯合作用而形成螯合化合物；有机物与无机物的复合化合而生成复合物；重金属离子与土壤颗粒之间进行阳离子交换而被置换吸附；某些有机物与土壤中重金属生成可吸性螯合物而固定在土壤矿物的晶体中。

1.3 污染物的去除途径

1.3.1 BOD 的去除

BOD 的去除机理包括土壤吸附和生物氧化作用。在慢速、快速和漫流系统中，BOD 的去除基本上都在土壤表层进行的，微生物的生长和表层中形成的生物膜对污水中有机物的去除起主要作用，其主要反应为氧化反应。Amy[4]认为，在土壤渗滤过程中，有机物在渗流区内的去除机理主要是生物降解，吸附只是小部分。同时室内土壤渗滤模拟试验结果也表明，以参数DOC 表明的有机物通过降解作用可以减少50%～60%；Quanrud[5]的研究还表明对于二级和三级进水(美国标准，相当于我国二、三级出水标准)而言，经过土壤渗滤处理系统的有机物出水浓度基本上是一致的，说明稳定的出水浓度并不依靠进水的浓度，土壤渗滤系统有很大的缓冲能力。Gary Amy 和Wilson 等研究了在美国野外实验条件下，运用土壤渗滤系统去除二级和三级污水的可能性。结果表明，DOC 和TOX(总有机卤化物)的平均去除率分别为90%和80%[6]。

1.3.2 N 的去除

生活污水中的氮以多种形式存在，主要由有机氮、铵态氮、硝酸态和亚硝酸态氮等。对于一般生活污水而言，通过土地处理和植物吸收，污水中硝态氮几乎可被全部去除[7]。硝态氮在随渗水向下迁移时,可通过反硝化作用最终而变为氮气。反硝化作用、挥发和植物吸收是土地处理去除氮的主要途径[8]。土壤渗滤对有机物和氨氮的去除可以不断地进行下去，土壤含水层相当于一个由好氧、缺氧、厌氧组合的生物反应器[9]。Kopchynski 认为氮在各种情况下都能够被有效的消化，但是即使为土壤渗滤系统提供反硝化后的进水，反硝化也不能自动进行，因此土壤渗滤适合处理反硝化出水，这样其出水总氮低于8mg/L，有机碳浓度低于6mg/L[10]。虽然植物生长也需要一定的氮，但是由于植物吸收形成的总氮去除率一般不会超过20%。靠提高植物吸收的氮总量以提高系统的除氮能力其上升空间不大，为系统提供良好的硝化、反硝化条件才是提高地下渗滤系统除氮能力的根本出路[11]。

1.3.3 P 的去除

土地处理系统中磷的去除主要通过土壤吸附固定与植物吸收实现，在土地处理系统中，土壤作为一个磷的储存库，对磷具有极大的吸附固定能力，污水中99%的磷可吸附而贮存于土壤中。土壤对磷的吸附容量与土壤所含的黏土成分与铝、铁、钙等金属离子数量以及土壤pH 值有关。一般说来，含有矿物质多并具有团粒结构的土壤对磷具有更大的吸附固定能力。地沟式污水土地处理系统除磷过程中BOD5/TP 和COD/TP 值都是有一定范围的，其中最佳范围分别为15～30 和20～40[12]。地沟式土地处理系统除磷工艺主要是在缺氧及厌氧过程条件下运行的，因此缺氧及厌氧过程中土壤微生物对基质的利用率是该工艺在低碳源情况下正常运行的主要因素，控制进水的BOD5/TP 和COD/TP 以及污水在土壤中的停留时间，是提高除磷的关键[13]。

1.3.4 痕量有机物的去除

近年来，人们对痕量有机物在环境中的生态行为、归宿以及对人体健康的短期、长期影响尤为关注。美国EPA 所列的优先污染物有88%是痕量有机物，我国也很重视该类物质的研究与监测工作。痕量有机物在土地处理系统中的去除主要是由于挥发、光解和生物降解。一般说来，各种类似的土地处理系统对痕量有机物均有很高而且稳定的净化效果。但此类物质在土壤- 植物系统中的累积和长期生态效应一直是人们所关注的焦点问题之一。通过点源控制和预处理措施，尽量避免此类物质进入土地处理系统，仍然是土地处理系统长期安全运行的保证条件。

1.3.5 土地处理系统对病原体的去除

土壤渗滤就地处理系统作为一种生态处理系统，除了对以上污染物的去除外，对某些微量元素和病原微生物也有一定的去除效果[14]，病原体的去除通过土壤- 植物系统的吸附、干燥、辐射、过滤、生物性吞噬等作用实现，其中慢速渗滤和地下渗滤对病原体的去除最为有效。19 世纪中期，科学家和医生们就发现，采用河水作饮用水源的城市比用地下水作水源的城市霍乱等传染病的发病率高很多[15]。