地下土壤渗滤法净化生活污水研究进展

土壤(Soils),2005,37(3):251~257地下土壤渗滤法净化生活污水研究进展①孔刚许昭怡*李华伟王勇陈泽智罗兴章郑正（污染控制与资源化研究国家重点实验室南京大学环境工程系南京210093）摘要水资源供需的矛盾和分散型生活污水造成的环境污染均迫切需求开发高效、低耗、简便并能有效脱N除P的原位污水处理技术。地下土壤渗滤法就是该类技术中的一种。本文对地下土壤渗滤系统的工艺类型及其应用进展作了综述，分析了其净化机理及影响工艺性能的因素，讨论了存在的问题，最后对其应用前景作了展望。关键词地下土壤渗滤系统；原位处理；生活污水中图分类号X703.1长期以来，由于经济、环境意识等方面的原因，生活污水的治理主要集中在城市人口密集且污水收集管网能够收集的地区。但在人口不太密集的旅游点、疗养院、别墅、较独立的社区、某些乡镇企业及农村等有着分散的独立生活污水源的地区，其处理通常只是简单的、临时性的，有的甚至根本不处理就直接排入水体，这对环境造成了严重的污染，影响了人体的健康与经济的发展。因此，开发低成本、有效的小规模原位污水处理技术一直是各国环保界关注的热点。目前开发的小规模污水原位处理技术十分广泛，从简单的化粪池到复杂的生物脱N工艺，从自然水塘到钢筋混凝土结构等等[1]。地下土壤渗滤法就是其中的一种。地下土壤渗滤法是一种集自然生态净化与人工工艺于一体的小规模原位污水净化技术。它源自古老的污灌，继承并发展了污灌技术简便、可资源化的优点，对其存在的不足（如处理能力和处理效率低、易堵塞、对周围环境造成危害[2,3]等）则通过工程技术手段加以改进。该技术具有简便、基建投资低（为传统二级处理系统的1/3~1/2）、能耗少（一般不需运行费用或费用低）、净化效率高、去除N、P有效和再生水可回用等特点。作为解决水污染和污水回用问题的一种有效的手段，它尤其适用于农村和城市独立社区的生活污水的处理。1地下土壤渗滤法介绍1.1定义地下土壤渗滤法就是将污水投配到土壤亚表面具有一定构造的渗滤沟中，污水在渗滤沟内通过毛细浸润作用经具有良好扩散性能的特殊土壤缓慢地向周围土壤浸润、渗透和扩散，污染物则通过土壤、微生物及植物组成的稳定生态系统的良好净化作用得以降解。地下土壤渗滤处理法是一种浅型的土地处理技术[4]。1.2工艺类型地下土壤渗滤工艺类型多种多样，主要可分为3种基本的类型。1.2.1标准的地下土壤渗滤沟工艺该工艺采用标准构造的土壤渗滤沟（图1），有单管和多管之分，一般间歇运行，美国和俄罗斯多采用此种工艺。该工艺中，布水管距地表以下30cm左右，四周铺满砾石，砾石层底部宽常为50~70cm，其下铺有覆土砾石有孔管砂图1标准构造的土壤渗滤沟Fig.1Typicalstructureofsoilinfiltrationtrench①国家863重大专项子课题《农村生活污水处理技术及其工程示范》(TK-2-2)资助。*通讯作者DOI:10.13758/j.cnki.tr.2005.03.005252土壤第37卷20cm的砂层。污水经预处理去处悬浮物后流入布水管，缓慢通过布水管周围的砾石和砂层，在土壤毛管作用下向附近土层扩散，污水中的污染物被过滤、吸附和降解。标准地下土壤渗滤沟工艺的处理过程与慢速渗滤处理工艺非常类似。水力负荷是保证地下土壤渗滤沟正常运行的重要因素，常通过土柱试验测得土壤渗滤速率与水力负荷的相关关系，以此确定适宜的渗滤沟水力负荷。1.2.2地下土壤毛管渗滤沟工艺在该工艺中采用的渗滤沟为毛管浸润型，是由日本学者新见正开发的，分普通型（图2）和强化型（图3）两种。该工艺与标准地下土壤渗滤沟工艺所不同的是布水管下方有一由防水材料（如聚乙烯薄膜或合成树脂膜）制成的不透水槽，其作用是防止污水直接下渗入土壤，避免污染地下水。强化型毛管渗滤沟的构造在普通型的基础上另增有毛管强化垫层，它高出进水管向两侧铺展外垂，由于这种设计，污水在沟中的毛管浸润作用面积要比普通型的毛管浸润作用面积大为扩大，布水也更均匀，因而净化效果更好。土壤的毛管浸润作用是地下土壤毛管渗滤沟的主要特征。经常保持土壤的毛管浸润状态，使土壤颗粒间保持一定的空隙，防止堵塞，并维持其通气状态，这是地下土壤毛管渗滤沟正常运行的必要条件。该工艺的水力负荷通常为30~40L/(m•d)。玻璃网丝不透水膜无纺布穿孔管特殊树脂制成的网状底垫通气性土壤美国、俄罗斯、日本、澳大利亚、以色列和西欧等国长期以来一直十分重视地下土壤渗滤系统的研究和应用[5~8]，许多技术及工程问题已得到解决。美国农村及零星分散建造的家庭住宅有36%采用了地下土壤渗滤沟系统。俄罗斯近20年来集中科研力量对地下土壤渗滤沟工艺进行科技攻关，已在工艺流程、净化方法、构筑设施等方面做到了定型化和系列化，并编制了相应的技术规范。日本对地下土壤渗滤系统的研究应用十分独到，开发出地下土壤毛管渗滤沟工艺，该工艺利用土壤-植物生态系统的综合功能净化污水，能取得优于二级处理甚至达到三级处理的效果。瑞典、芬兰、挪威和丹麦等国，约有150多万散居住户应用了地下土壤渗滤法处置生活污水[7]。澳大利亚、以色列两国在充分利用地下土壤渗滤法有效处理生活污水的同时还极力强调污水的资源化[8]。近年来，地下土壤渗滤法在我国已日益受到重视。中科院沈阳应用生态所“八五”、“九五”期间论证了在我国北方寒冷地区利用地下土壤渗滤法处理生活污水是可行的，并研究了其出水作为中水回用的可行性[9]。1992年北京市环境保护科学研究院应用地下土壤毛管渗滤法处理某试验场的生活污水，对污水净化效果和绿地利用作了研究[10]。清华大学在2000年国家科技部重大专项中，首先在农村地区1.透气性土壤；2.穿孔管；3.砾石；4.不透水膜图2普通型毛管浸润土壤渗滤沟Fig.2Typicalprofileofsubsurfacecapillaryinfiltrationtrench12431.2.3复合工艺单纯的地下土壤渗滤沟存在水力负荷偏低，占地较大，总N去除率不高等不足。为克服这些缺点，各国相继开发了多种复合工艺，如土壤式沉淀池、厌氧消化-沉淀-土壤渗滤一元化构筑物、接触曝气-毛管渗滤土壤净化复合式处理系统、土壤式污泥浓缩池等。这类复合工艺的特点是在保留渗滤沟天然净化功能的基础上，将人工净化和天然净化巧妙地揉和在一起。复合工艺中不同的工艺形式之间互补不足，从而提高了净化效率，又不占地。目前最常见的复合工艺型式是接触曝气-毛管渗滤土壤净化复合处理工艺，该工艺维护管理简便，费用低廉，BOD5和SS的去除率可达85%~98%，总P去除率达90%，总N去除率约40%[4]。1.3研究进展图3强化型毛管浸润土壤渗滤沟Fig.3Profileofsubsurfacereinforcedcapillaryinfiltrationtrench第3期孔刚等：地下土壤渗滤法净化生活污水研究进展253推广应用地下土壤渗滤系统，取得了良好效果[11]。2地下土壤渗滤处理法的净化机理在地下土壤渗滤处理系统中，大多数污染物的去除主要发生在地表下30~50cm处具有良好结构的土层中，该层土壤由于处于非饱和带，土壤颗粒间保持有一定的空隙，通气性良好，其内生长着大量的细菌、真菌、霉菌、酵母、原生动物、后生动物甚至蚯蚓及植物等[4,12]。污水中的污染物被土壤吸附，在土壤微生物的作用下被降解，土壤中的原生动物及后生动物又以微生物为食，植物的根系则吸收污水矿化而产生的N、P以供其生长所需的营养，植物的根系能为土壤微生物提供养分，土壤微生物反过来也促进了植物根系的发育，从而促进了植物的生长[13]。因此土壤渗滤沟实质上是一个土壤-微生物-植物生态系统，污染物就是在该生态系统复杂而又相互联系和制约的作用下被去除的。其净化过程十分复杂，综合了物理、化学和生物等多种机理。地下土壤渗滤系统去除悬浮物十分有效，主要去除机理为过滤。地下土壤渗滤系统去除有机污染物（BOD5）极为有效，其净化机制包括过滤、吸附及生物降解。通过交替进行灌水和休灌，保持表层土壤好氧状态，有利于有机污染物的去除。地下土壤渗滤系统中，P的去除机理包括作物吸收、土壤微生物的生物同化和土壤化学固P。渗滤沟中，P绝大部分是通过土壤化学固P作用而被去除的。土壤固P与土壤所含的Al、Fe和Ca等物质的数量以及土壤的pH值和氧化还原状态（Eh）等有关。土壤中Al、Fe和Ca等矿物质含量多，在还原条件和较高的pH情况下有利于土壤固P[14]。地下土壤渗滤系统中，N的脱除机理包括作物吸收和微生物脱N。微生物脱N分为3个相互关联的过程。①氨化过程，即在微生物作用下将污水中的有机N转化为NH4+-N；②硝化过程，即将氨化过程产生的氨转化为NO3-N；③反硝化过程，即将NO3--N转化为氮气（N2）或氧化亚氮（N2O）。植物同化吸收利用N是地下土壤渗滤系统脱N的一个很重要途径。NO3--N是植物吸收利用土壤中N的主要形式，不同植物、同一植物不同器官吸收利用NO3--N的量均有不同[15]。污水中的病原体（包括细菌和病毒）在地下土壤渗滤系统中主要通过吸附、过滤、干燥、太阳辐射和生物吞噬等作用而被去除。随着地下土壤渗滤系统日益受到各国的重视，对地下土壤渗滤处理系统净化过程中涉及的污染物迁移转化途径、降解动力学、营养元素的有效利用等方面的研究显得日益重要。另外通过研究土壤微生物与植物的协同促进作用[13]，研究利用植物修复技术[16]来强化渗滤沟的净化效果也十分有意义。目前已有许多学者正从事其中某些领域的研究。Kool等[17]研究了地下非饱和流状态下污染物的迁移转化模型。在细菌在土壤中的运移方面，李桂花等[18]在室内条件下研究了大肠杆菌在饱和砂土中的运移和吸附过程，通过对其穿透曲线进行模拟分析，确定了大肠杆菌的运移、吸附、滞留参数，为进一步研究细菌在土壤中运移提供了依据和方法上的指导。在污染物降解动力学方面，Li等[19]研究了水稻土中有机N矿化的模型，认为有机N在土壤中矿化遵照一级降解模式。3影响地下土壤渗滤法工艺性能的重要因素影响地下土壤渗滤法工艺性能的因素较多，有土壤介质、工艺类型、废水特性、运行方式等。废水中污染物的组成对渗滤沟总N的去除影响较大，C/N高则总N去除好；悬浮物和有机物含量高会造成渗滤沟的堵塞。一般而言，渗滤沟间歇运行要比连续运行的净化效果要好，不同的间歇运行方式其效果也大不相同，因此要取得一个较满意的净化效果，须对地下土壤渗滤系统的运行方式进行优化。3.1土壤介质土壤是决定地下土壤渗滤沟净化效果好坏的关键因素。不同的土壤其物理、化学和生物性质各不相同，而土壤的结构、渗透性、酸碱度、氧化还原电位、有机质、微生物种群和土层厚度等直接决定着地下土壤渗滤系统的净化效果。良好的土壤结构、适当的土壤孔隙率、渗透性和通气性，以及维持较高的土壤有机质含量能为微生物及植物提供适宜的生长环境，这些都对净化效果有利。关于土壤理化性能与渗滤沟净化效果方面的研究有许多。张建等[20]研究了土壤Eh对地下土壤渗滤系统总N去除率的影响。VanCuyk等[21]研究发现，土壤不同深度其土壤含水量、Eh、颗粒的表面积等均不同，保持一定厚度的土壤层对地下土壤渗滤系统的净化效果是非常必要的。不同的土壤其固P能力是不同的[22]，通过改良土壤可增加其对P的吸附254土壤第37卷能力。Johansson等[23]研究表明在原土中适当掺和富含Fe、Al的物质不仅可以增强除P的效果，还能增加系统吸附P的容量。Stevil等[24]研究认为土壤粒径、土粒比表面积等对病菌的去除效率影响较大，而土壤的pH、离子交换能力等对其去除影响则不大。在土壤有机质方面，Adelman等[25]研究发现高C/N的土壤有利于提高总N的去除率。3.2工艺类型工艺类型对地下土壤渗滤系统性能的影响很大，主要因为渗滤沟中的微生物种类和数量取决于系统的工艺形式。一个典型的地下土壤渗滤沟工艺包括预处理系统、收集输送系统、土壤渗滤沟、监测系统4个主要组成部分（图4）。常规的预处理系统是化粪池、简易沉淀池，主要是为去除污水中的悬浮物，以防渗滤沟被堵塞，此