1、土地湿地处理原理及工艺

土地/湿地处理及工艺一、土地处理技术概述污水土地处理是在污水农田灌溉的基础上发展起来的，污水农田灌溉的目的是利用水肥资源。污水农田灌溉没有专门的设计运行方法和参数，灌溉水的水质、水量是依据作物生长特性、农田灌溉水质标准来确定的。污水灌田所引起的臭气散发，土壤、地下水和植物污染等问题，随着城市迅速发展，人口高度集中，污水大量排放而日益突出。污水直接灌田已不能满足人们对环境卫生的要求,在此基础上发展起来了污水土地处理工艺。土地处理系统是一种处理污水的生态工程技术,它可以简要定义为:污水经过一定程度的预处理,然后有控制地投配到土地上,利用土壤—微生物—植物生态系统的自净功能和自我调控机制,通过一系列物理、化学和生物化学等过程,使污水达到预定处理效果,并对污水中氮、磷等资源加以利用,使其成为植物自身营养成分的一种污水处理技术。土地处理系统是由若干部分组成的整体,完整的土地处理系统由预处理、水量调节与储存、配水与步水、土地处理田间工程、植物、排水及监测等七部分组成。目前，污水土地处理系统不仅可用于市政污水的治理，还用于治理垃圾渗滤液、食品加工业废水、肉类加工废水、食用油厂废水、农灌排水和被污染的地下水等。现代意义上的土地处理技术以污水的处理和利用为前提，注重环境和生态效应。它以下列四个特征从本质上有别于污水灌溉：①要求污水在进入土壤－植物系统之前，必须经过适当的预处理，并严格控制水质和水量；②对投配污水的土地处理场的土壤、地质、水文等场地条件及污水应用方式有相应的要求；③要求污水土地处理系统在生态结构与净化功能之间能有效配合；④要求有相应的缓冲、调控措施及进出水水质监测系统，能对水力负荷进行有效调节控制和管理，有一定的贮存单元或相当措施，保证污水终年处理。土地处理工艺近年来得以迅速发展，原因由于：①世界范围内，大中城市的污水已经得到一定程度的处理和控制，零散分布的小流量集中污水治理问题进入人们的视野；②对居住人数不足10000人的居住区，采用常规处理工艺的基建投资大、操作和维护费用高、能耗也高，而土地处理工艺设备简单，操作管理方便，能耗低，且不存在污泥处置的问题，是处理分散的居民聚居区生活污水的理想技术；③常规污水处理厂可有效去除SS和有机物等，但对N、P等营养物质的去除率较低30%~50%），经处理后的出水排入自然水体可能引起“富营养化”等环境问题，土地处理法是将污水厂出水回用或回灌的经济合理的形式；④常规处理工艺操作复杂，对管理水平要求高，如活性污泥法启动慢，且易出现污泥膨胀等问题，大量采用常规处理技术的小型污水处理厂“建得起，用不起”的现象促使人们重新认识对小规模污水处理的实际需求。二、土地处理技术的类别及工艺特征根据处理目标、处理对象的不同,土地处理系统可分为慢速渗滤(SR、快速渗滤(RI、地表漫流(OF、地下渗滤(UG、湿地系统(WL等5种工艺类型。①慢速渗滤系统SlowRateProcess，简称SR系统）SR系统适用于渗水性能中等或渗水性能稍高的土壤，土层表面种植物，处理过程发生在土壤表面及作物的根部区域，大部分污水被植物根部吸收，剩下的污水一部分进入地下水或通过土壤内的优势流、边壁流等进入就近的地表水体，也可通过设计的暗渠或井采集而回用。SR系统的主要目的：1）处理污水；2）通过利用污水及其中的营养物，收割作物，获得经济上的回报；3）在干旱区，通过灌溉涵养水体，形成饮用水源；4）通过种植形成一定的开敞空间或绿带，以调节环境和气候。②快速渗滤系统RapidInfiltrationProcess，简称RI系统）RI系统是将污水投配到由不透水层围合而成、内填高渗透性土壤的渗池中，土层表面对栽培植物没有要求。采用表面间歇布水方式，污水被均匀投配到土地表面并很快渗滤地下。系统主要的水力途径是通过非饱合带的渗流进入收水暗渠及集水井，或直接补给地下水。RI系统的主要目的是污水处理，当然系统的运行也能达到其它目的，如：1）回灌地下水或补充就近的地表水体；2）干旱地区用于污水的再生或回用；3）将污水季节性地存放于快渗池下部，以利干旱季节的农灌。③地表漫流系统OverlandFlowProcess，简称OF系统）OF系统适用于透水性较差的粘土和亚粘土，污水借喷灌或浸灌等方式有控制地投配在土地表面，使之形成薄层漫流通过地表，流入下游集水渠直至就近的水体。地面上种植耐水植物供微生物栖息并防止土壤流失，净化机理类似滴滤池等生物膜附着生长的系统。地表漫流系统兼有处理污水与生长植物的双重功能。实际上，天然或人工湿地就是OF系统的一种特殊形式。不同工艺类型污水土地处理系统的技术指标比较见表1。表1污水土地处理系统不同工艺类型的技术指标技术指标污水土地处理系统的不同工艺类型慢速渗滤快速渗滤地表漫流渗滤介质天然土壤或耕地，渗滤性中等或稍高渗透性良好的天然砂土层粘土或亚粘土，透水性差，地面坡度2%~8%年水力负荷0.6~6m6~120m3~21m布水方式表面布水或喷灌表面布水喷灌或浸灌每万m3/d水处理要求土地，ha60~6002~6015~120每周配水深度1~10cm10~24cm5~40cm预处理水平一般一般格栅或浮渣粉碎地下水深度地表以下0.6~0.9m地表以下3.0m无严格要求对植物的要求必不可少无要求必不可少适宜气候较温暖，冬季需贮存无要求较温暖，冬季需贮存设计及管理良好的土地处理系统对城镇污水中的COD、SS、NH3-N、TN、TP及大肠菌群等污染物有很好的处理效果，能达到国家一级排放标准，表2为不同土地处理方式运行效果的比较。表2不同类型污水土地处理技术的处理效果污染物指标慢速渗滤快速渗滤地表漫流平均最高平均最高平均最高BOD5(mg/L255101015SS(mg/L15251020TN(mg/L381020510NH3-N(mg/L0.520.5248TP(mg/L0.10.31546大肠菌群(个/L01001002000200020000④地下渗滤(UG地下渗滤处理系统是将污水投配到距地面约0.5m深，有良好渗透性的地层中，藉毛管浸润和土壤渗透作用，使污水向四周扩散，通过过滤、沉淀、吸附和生物降解作用等过程使污水得到净化.地下渗滤系统适用于无法接人城市排水管网的小水量污水处理，如分散的居民点住宅、度假村、疗养院等。污水进入处理系统前需经化粪池或酸化(水解池预处理。⑤湿地系统(WL湿地处理系统是一种利用低洼湿地和沼泽地处理污水的方法。污水有控制地投配到种有芦苇、香蒲等耐水性、沼泽性植物的湿地上，废水在沿一定方向流行过程中，在耐水性植物和土壤共同作用下得以净化湿地处理可用于直接处理污水或深度处理。污水进入系统前需预处理，方法有化粪池、格栅、筛网、初沉池、酸化(水解池和稳定塘等。目前发达国家常将污水进行一定程度的预处理后，在污水厂就近选址，通过测定所选污水处理或处置地的土壤性质、地面坡度和布局、农作物生长需求、地下水位情况、可用面积大小、当地水源要求等因素，确定采用不同的土地处理技术。三、土地处理工艺的机理污水流经土壤得以净化的过程极为复杂，其净化机理是多种作用、多种过程的综合过程。1）土壤的物理作用a）过滤：污水流经土壤，其中的污染物质及悬浮颗粒被土壤团聚颗粒间的孔隙所截滤，污水得到净化。影响土壤物理过滤效果的因素有：团聚颗粒的大小、颗粒间孔隙的形状和大小、孔隙的分布以及污水中悬浮颗粒的性质、多少与大小等。b）沉淀：污水中的杂质在土壤团聚颗粒表面上沉淀去除，土层本身相当于一个有巨大比表面积的沉淀池。c）吸附：在非极性分子间范德华力的作用下，土壤中粘粒能够吸附土壤溶液中的中性分子；污水中的部分重金属离子可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晶格中；土壤中的粘粒、腐殖质和矿物质具有强烈的吸附活性，能吸附污水中多种溶解性污染物。2）土壤的化学作用土壤层是一个能容纳各种物质和催化剂的化学反应器，并始终保持动态平衡。当污水进入土壤层，污染物导致土层中的平衡体系被破坏，则土层内必相应发生一系列的氧化还原、吸附、离子交换、络合等反应，使进入的污染物质或被氧化、还原，或被吸附、吸收，或变为难溶性的沉淀等，以重新建立新的平衡，在这一过程中，污水得以净化。例如金属离子可与土壤中的无机和有机胶体颗粒生成螯合化合物；有机物与无机物的复合化而生成复合物；调整、改变土壤的氧化还原电位，能够生成难溶性硫化物；改变pH值，能够生成金属氢氧化物；某些化学反应还能够生成金属磷酸盐等物质，从而沉积于土壤中。3）土壤的物理化学作用土壤中的粘土、腐殖质构成了复杂的胶体颗粒体系，而各种污染物大多也以胶体状态稳定存在于污水中。当污水进入土层，原来两种各自独立的体系便构成新的胶体体系。由于电解质平衡体系的破坏和土壤层中腐殖质等高分子物质的不饱和特性，导致在新的体系中发生一系列的胶体颗粒的脱稳、凝聚、絮凝和相互吸附等物理化学过程，从而使污水得以净化。4）土壤的生物作用在土壤环境中生长着大量的细菌、真菌、酵母菌、原生动物、后生动物、腔肠动物、各种昆虫等，并存在一个丰富的土壤微生物酶系。污水中的有机质及氮和磷等营养素在这个生态系统中，通过微生物的降解和吸收，部分营养物质转化为有机质贮存在生物体内，从而与水分离。主要污染物的去除途径如下：1）BOD的去除BOD大部分是在土壤表层土中去除的。土壤中含有大量的种类繁多的异养型微生物，它们能对被过滤、截留在土壤颗粒空隙间的悬浮有机物和溶解有机物进行生物降解，并合成微生物新细胞。当处理水的BOD负荷超过土壤微生物分解BOD的生物氧化能力时，会引起厌氧状态或土壤堵塞。2）磷和氮的去除在土地处理中，磷主要是通过植物吸收，化学反应和沉淀(与土壤中的钙、铝、铁等离子形成难溶的磷酸盐，物理吸附和沉积(土壤中的黏土矿物对磷酸盐的吸附和沉积，物理化学吸附(离子交换、络合吸附等方式被去除。其去除效果受土壤结构、阳离子交换容量、铁铝氧化物和植物对磷的吸收等因素影响。氮主要是通过植物吸收，微生物脱氮(氨化、硝化、反硝化，挥发、渗出(氨在碱性条件下逸出、硝酸盐的渗出等方式被去除。其去除率受作物的类型、生长期、对氮的吸收能力，以及土地处理系统的工艺等因素影响。3）悬浮物质的去除污水中的悬浮物质是依靠作物和土壤颗粒间的孔隙截留、过滤去除的。土壤颗粒的大小、颗粒间孔隙的形状、大小、分布和水流通道，以及悬浮物的性质、大小和浓度等都影响对悬浮物的截留过滤效果。若悬浮物浓度太高、颗粒太大会引起土壤堵塞。4）病原体的去除污水经土壤过滤后，水中大部分的病菌和病毒可被去除，去除率可达92％～97％。其去除率与选用的土地处理系统工艺有关，其中地表漫流的去除率略低，但若有较长的漫流距离和停留时间，也可达到较高的去除效率。5）重金属的去除重金属的去除主要是通过物理化学吸附，化学反应与沉淀等途径被去除的。重金属离子在土壤胶体表面进行阳离子交换而被置换、吸附，并生成难溶性化合物被固定于矿物晶格中；重金属与某些有机物生成可吸性螯合物被固定于矿物晶格中；重金属离子与土壤的某些组分进行化学反应，生成金属磷酸盐和有机重金属等沉积于土壤中。四、人工湿地1、发展和简介目前，我国绝大部分城市的污水处理厂采用传统的活性污泥二级生化处理工艺，该工艺工程基建投资大能耗高，运行维护费用大，对管理技术要求高，难以在中小城市推广。因此，在我国大力开发具有高效，简易，低耗的生物污水处理技术具有很大意义。人工湿地系统是一项污水处理新技术，具有投资低，出水水质好、抗冲击力强、增加绿地面积、改善和美化生态环境、操作简单、维护和运行费用低廉等优点。这项技术适合我国国情，尤其适合广大农村，中小城市的污水处理，具有极其广阔的应用前景。人工湿地(CONSTRUCTEDWETLAND也叫构建湿地，是一种人工建造和监督控制的与沼泽类似的地面，其设计和建造是通过对湿地自然生态系统中的物理，化学和生物作用和优化组合来进行的，也是利用这三种作用的协调关系作用来进行废水的处理。它利用土壤(滤料一微生物一植物这个复合生态系