生活污水土壤渗滤就地处理技术研究进展

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]。
2 污水就地土壤渗滤处理系统的工艺参数
2.1 化粪池设计
在化粪池的设计中，其尺寸的设计是一个重要的问题。化粪池的尺寸大小取决于房屋内卧室的大小、人口的数量、房屋的面积和是否使用了节约用水设备。例如：一个有三间卧室的房子，假设有四个人住，无节约用水设备，将需要一个3.8 m3 的化粪池。张弛等研究的无动力化粪池中化粪池的设计参数标准如下[16]：(1)用水量标准：200～250L/ 人·d ，取200L/ 人·d ；(2)污泥使用系数：0.7L/ 人·d；(3)污水量= 户数×每户使用人数×用水量标准；(4)污泥量= 户数×每户使用人数×污泥使用系数×0.12264；(5)总容积= 污水量+ 污泥量；(6)总有效水深= 总容积/ 选用池面积。
具有合适尺寸的化粪池应该有足够的空间来沉淀聚积至少3 年的污泥。抽化粪池中污泥的频率取决于以下几个方面：化粪池的容量；流入池中的污水量；污水中的总固体量。
2.2 土壤渗滤系统的设计参数
2.2.1 土壤因素
土壤类型是影响污染物迁移的主要原因之一，土壤质地通过影响土壤水分运动状况而影响污染物在土壤中的迁移速率，通过影响土壤氧化还原状况和热量状况而影响污染物在土壤中的降解速率[17]。土壤胶体微粒作为分散相分散于微粒间的土壤胶体溶液中，成为土壤胶体系统。土壤胶体具有多种特性，对整个土壤的性质影响极大。由于土壤胶体的粒径非常细小，具有很大的表面能并带有电荷，因此能够对污水中的离子产生吸收、络合和沉淀作用。其净化能力与土壤胶体的种类、数量和性质有关。土壤中所含胶体物质越多，其净化能力越强；含有机胶体越多，其净化能力越强[18]。因此，正确的土壤选配措施是土壤渗滤系统成功的前提。
土壤的质地不同其水力传导性能也不同，一般都在当地土壤适宜的情况下加入一些有机质对土壤的结构进行改造。例如：在土壤中加入鸡粪、草木灰、沙或在土壤中搀和一定比例的泥炭和炉渣，这样都可以为微生物提供良好的生存环境，提高土壤的渗滤效果。
2.2.2 水力负荷
水力负荷，即每平方米沟渠表面污水的流量，是污水土地处理工艺中重要的设计参数之一。污水土地处理虽然具有许多优点，但其本身也存在不少问题，其中水力负荷低是最为突出的一个问题，它直接导致了系统处理能力的偏小[19]。土壤的净化能力受污染负荷的制约，水力负荷太小，土壤渗滤系统的利用率低，而太大又会导致污水在土壤中停留时间过短而达不到处理效果。要控制土地污水处理系统的净化效果，需要调节其进水量。所以合适的水力负荷能维持土壤中污染物的投配和降解之间良好的平衡，保证系统长周期稳定运行效果[20]。当生活污水在槽中充满并处于饱和状态时，可采用达西（ Darcy）公式计算[11,21]。
2.2.3 渗滤沟的布置
渗滤沟的合理布置关系到污水的处理效果，它的布置有多种方式，有以污染物去除能力为限制的污染物负荷设计方法；有以系统透过水量为限制的水力负荷设计方法；还有以绿地利用中植物需水量为主的设计方法。可以在实际设计时相互校核。一般认为毛细管渗滤水力负荷为0.03～00.4m3/ m·d[22]。
3 存在问题及展望
3.1 存在的问题
3.1.1 化粪池问题
化粪池作为污水土壤渗滤系统的预处理装置，为后续土壤渗滤系统提供污染物浓度较低、生化降解性较高的进水，起着降解污染物和消灭有害细菌的作用，使污水中的粪便得到了一定的无害化处理。
传统的化粪池主要由一格(沉淀兼厌氧池)或两格(沉淀池和厌氧池)组成，目前国内多采用砖砌或混凝土浇注，造价高，密封性差，生化效果差，施工不方便。随着人们使用的化学物品的增加，生活污水成分也变得更加复杂，为了提高污水的净化效果，需要设计
具有隔油、调节、水解、好氧功能的化粪池。
3.1.2 土壤渗滤问题
污水从渗滤管流出进入渗滤沟内的土壤中，一部分向地表移动，可到达植物根系，一部分向下渗滤，污水在这两部分移动时到达哪部分的深度更深一些，关系到渗滤管在土壤中埋藏的深度问题，值得深入研究，以便在今后的设计中合理的设置管道，更好的发挥渗滤层的作用，提高出水水质的质量。
3.1.3 温度对系统的影响
一般情况下，当温度低至5℃时，污水处理的生化反应就极其缓慢[23]。由于化粪池土壤渗滤系统中的微生物基本处于天然的环境状态下，随环境温度气候变化而变化，夏季气温高时，微生物活性大；而冬季气温低时，微生物的活性大大降低，系统污水处
理能力也降低。尤其在东北地区，这种情况更加明显，所以在冬季如何使污水就地土壤渗滤处理系统的稳定运行是值得人们深入研究的问题。
3.1.4 降水对系统的影响
在进行系统排水设计时也必须考虑降水量的影响，以保证及时地将进入系统的降水排出，减少其对水力负荷的影响。在Walter H 和Zachritz Ⅱ 的研究中，由于降水影响改变了污水在系统中的流速，降低了水力停留时间，从而使出水水质变差[24]。
3.1.5 地下渗滤系统存在的堵塞问题
土壤的堵塞问题会降低土壤的水力传导性能，妨碍土壤的通气传氧作用，严重影响地下渗滤系统的净化效果[25-29]。土壤堵塞产生的主要原因有以下几种。
3.1.5.1 悬浮物堵塞土壤孔隙
悬浮物产生的堵塞过程是一个比较迅速的过程,而且这种堵塞通常无法恢复，因此，这种堵塞过程应该在地下渗滤系统中着重避免。另外，悬浮物的组成不同,其对土壤的堵塞问题的影响也会不同。
3.1.5.2 微生物作用堵塞土壤孔隙
微生物及其胞外分泌物的积累可能会堵塞土壤的孔隙。研究表明，微生物细胞的积累不是土壤堵塞的直接原因，而微生物降解污染物过程中产生的中间产物(胞外多糖) 是土壤孔隙堵塞的重要原因,降低进水中的C/N 比可以有效防止由胞外多糖造成的土壤堵塞。另外，土壤中腐殖质的积累也会导致地下渗滤系统的堵塞。通过减小系统的水力负荷、降低进水有机质浓度和强化土壤的通气充氧作用等手段可以防止土壤中腐殖质的积累。
3.1.5.3 生化反应产生的气体对土壤孔隙的堵塞土壤中微生物好氧反应过程中会产生CO2 ，厌氧反应过程中会产生CH4 、SO2 、N2 、N2O 等气体，这些气体如果不能从土层中及时排出的话，也会造成土壤孔隙的堵塞。通过干湿交替、间歇投配的操作方式，可以有效地防止微生物新陈代谢产生的气体对土壤孔隙的堵塞过程。
3.2 系统性能强化措施
3.2.1 间歇渗滤、干湿交替运行
采用这种方式，可以恢复土壤的天然净化能力。同时土壤渗滤系统不同于传统的污水灌溉，它有严格的水质筛选和高效的预处理系统, 达不到标准的污水是不能进入土壤渗滤系统的[30]。
3.2.2 曝气充氧
由于厌氧状态是导致土壤中胞外聚合物积累的重要原因，因此对污水进行曝气充氧可以起到一定的预防土壤堵塞作用。一般情况下，在土壤中渗透扩散的污水的DO 值约为0～1.0mg/L 这明显偏低，而低DO 值污水的长时间渗透会使好氧微生物的分解活性受到影响。污水中的溶解氧浓度和土壤整体Eh （土壤氧化还原电位）值呈正相关关系，即污水中溶解氧的浓度高时局部土壤的Eh 值也会高，土壤微生物新陈代谢活性就高，由此有机质中间代谢产物产生的量就低，土壤的堵塞情况可以得到一定程度的缓解。对污水进行曝气可以提高DO 值，但是在渗透过程中其DO 值会迅速降低。而在散水管周围供给空气则可以有效提高污水中的DO 值, 维持土壤中的好氧状态，使微生物的分解作用得以维持，同样可以防止土壤中胞外聚合物的蓄积，日本已有这方面的研究和应用。
3.2.3 使用微生物抑制剂或溶菌剂
使用微生物抑制剂或溶菌剂可以抑制微生物的生长活动、将微生物杀死，进而防止土壤堵塞。如Magesan 采用快速渗滤系统处理具有高碳氮比(C/N值为66)的废水时，土壤过水能力会迅速降低80%，而在进水中添加硝化抑制剂和多糖降解酶则可以将土壤的渗透系数提高到堵塞时的2.8 倍。Shaw 等也发现，在进水中添加5%的次氯酸钠以杀死细菌并溶解胞外多糖，可以完全恢复土壤的水力传导能力。土地处理工艺主要依靠微生物的新陈代谢活动去除污染物质，宜采用不损害土壤微生物生存环境的措施来恢复土壤的水力传导能力，因此，这种抑制微生物或杀死微生物的土壤堵塞防治措施的实际应用价值不大[31]。
3.3 发展展望
国外许多国家污水土壤渗滤就地处理已经进入了设备化、商业化的运作，化粪池由最初的混凝土构筑改为玻璃纤维、聚乙烯塑料制造，可以设计成不同的大小和形状，且质量轻，运输方便。渗滤管道也被制成了预制构件，组装方便，为施工管理和维修等各
方面提供了有利条件，也为该系统在全国范围内推广奠定了基础，美国约有36%的农村及零星分散建造的家庭住宅采用该设备对生活污水进行就地处理。所以在国内生活污水就地土壤渗滤处理的设备化研究已是必然趋势。
生活污水就地土壤渗滤处理生态处理系统是一种适用于处理分散排放污水的实用技术。它充分利用了土壤- 植物- 微生物系统的净化能力，具有不影响地面景观，运行操作管理简单、建设费低、出水水质好等优点。使污水处理从单纯的“ 处理型”向处理与利
用相结合的“ 利用型”转移，经污水生态处理后的水，还可以重复利用，可浇灌绿地，也可冲洗车辆、街道和厕所。污水就地土壤渗滤处理的发展趋势愈加明显已逐渐成为一种需要，必将具有广阔的发展前景。