土壤滲濾處理系統(tǒng)的演變和發(fā)展

王 放 趙永賓 邵 智 李洪波

(云南漢龍環(huán)?？萍加邢薰驹颇侠ッ?50106)

利用土壤這種天然物質(zhì)對(duì)污水進(jìn)行處置可以追溯到幾百乃至幾千年以前。古代希臘、羅馬及法國等利用污水進(jìn)行灌溉，既使得農(nóng)田得到了有效的灌溉，又避免了生活污水無序排放對(duì)公眾健康的威脅，此時(shí)人類已經(jīng)對(duì)土壤所具有的天然凈化功能有了一定認(rèn)識(shí)。土壤滲濾的概念最早由英國人Henry Letheby于19世紀(jì)首次提出。

隨著20世紀(jì)工業(yè)革命的迅猛發(fā)展，城市化進(jìn)程加快及人口急劇膨脹使得生活污水的排放量與日俱增，因此城市污水處理廠應(yīng)運(yùn)而生并取得了一系列的技術(shù)進(jìn)步。然而，城市污水處理廠存在費(fèi)用高、耗能大、需要管網(wǎng)配套以及二次污染等問題。在這種情況下，土壤滲濾處理技術(shù)也得以重新認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)，并在分散生活污水處理上發(fā)揮了重要的作用。

近年來，日本及歐美等國家一直十分重視土壤滲濾系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，興建了較多的污水土地處理系統(tǒng)，并取得了良好的生活污水處理成果。在國內(nèi)這種污水處理系統(tǒng)的研究始于20世紀(jì)80年代初，主要任務(wù)是通過利用自然生態(tài)系統(tǒng)的功能，發(fā)展低成本、低能耗的生活污水土地處理技術(shù)。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，通過與國外的技術(shù)交流進(jìn)行廣泛交流，國內(nèi)的技術(shù)也取得了迅速的發(fā)展。

1 土壤滲濾處理技術(shù)原理

土壤滲濾處理技術(shù)是污水土地處理技術(shù)中的一種類型由預(yù)處理系統(tǒng)和土壤滲濾系統(tǒng)兩部分組合而成。污水在預(yù)處理系統(tǒng)中經(jīng)過沉淀、厭氧等處理后，在人為控制下按照一定的水力負(fù)荷將污水均勻投配到土壤滲濾系統(tǒng)中，污水均勻地向通氣性土壤向下滲濾。污水通過毛細(xì)、浸潤及滲濾作用緩慢地向周圍土壤浸潤、滲濾和擴(kuò)散。在上述滲濾過程中，通過土壤吸附、微生物生化作用以及生態(tài)效應(yīng)，對(duì)污水中污染物進(jìn)行吸收、吸附、離子交換、氧化還原、沉淀、絡(luò)合、降解、轉(zhuǎn)化等過程實(shí)現(xiàn)污水的凈化，處理后的水可以作為水資源回用，污染物通過物化吸附作用被截留在土壤中，由土壤中的好氧微生物降解，其降解物再由草坪等作物所吸收、利用。

該技術(shù)基于生態(tài)學(xué)原理，并充分結(jié)合了工程技術(shù)，人工建造一個(gè)“土壤－微生物－植物”的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)。具有深度處理性能、無需電力、運(yùn)行費(fèi)用低、易操作維護(hù)、抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且系統(tǒng)上方可以發(fā)展成牧草地或綠化，并可以設(shè)置景觀。

2 土壤滲濾處理技術(shù)的演進(jìn)

2.1 土壤滲濾處理技術(shù)類型

在土壤滲濾處理技術(shù)中較為原始的為地下滲濾坑 (Seepage Pit)也稱為地下滲井(Dry Well)，地下滲濾坑是由礫石堆包裹預(yù)處理池后埋入土壤中，污水首先進(jìn)入到預(yù)處理池中，通過預(yù)處理池壁上的空洞滲濾到礫石堆，然后滲濾到周圍的土壤中，污水在此過程中得到凈化。該系統(tǒng)處理能力十分有限，適用于流量較小的污水源。

在地下滲濾坑的基礎(chǔ)上發(fā)展出了地下土壤滲濾溝技術(shù)（Soil Infiltration Trench），該系統(tǒng)引入了布水管，污水通過布水管周圍的礫石和砂層，在土壤毛管作用下向附近土層擴(kuò)散，污水中的污染物被過濾、吸附和降解。該系統(tǒng)提高了污水的處理容量及能力，出水水質(zhì)較地下滲濾坑有所提高。

在地下滲濾技術(shù)的演進(jìn)過程中，尼米槽式地下滲濾系統(tǒng)（Nii－Mi System）的出現(xiàn)在布水均勻性、系統(tǒng)穩(wěn)定性及氮、磷去除效果等方面均得到了明顯的提升。該技術(shù)由日本人于20世紀(jì)80年代開發(fā)，與傳統(tǒng)地下滲濾系統(tǒng)的區(qū)別在于布水管下方設(shè)置了一個(gè)防水性材料制成的厭氧砂槽。為了加強(qiáng)毛管浸潤作用，還可以增設(shè)毛管強(qiáng)化墊層，以毛管浸潤作用面積大為擴(kuò)大，布水更加均勻，得到更好的污水凈化效果。

在傳統(tǒng)地下滲濾技術(shù)的基礎(chǔ)上，近年來又演化出無礫石系統(tǒng)地下滲濾裝置，以滲濾管式（Gravelless pipe system）及滲濾腔式（Chamber system）地下滲濾系統(tǒng)為代表。無礫石系統(tǒng)具有處理能力強(qiáng)、費(fèi)用低、易安裝維護(hù)及處理規(guī)模調(diào)整靈活等特點(diǎn)。

由澳大利亞科學(xué)家和工業(yè)組織的專家開發(fā)的“FILTER”污水處理技術(shù)，不僅使污水得到了有效凈化，而且對(duì)污水本身進(jìn)行了充分的利用。該技術(shù)是一種集過濾、土地處理與暗管排水相結(jié)合的污水再利用系統(tǒng)，適用于土地資源豐富、可以輪作休耕的地區(qū)，或是以種植牧草為主的地區(qū)。天津市水利科學(xué)研究所曾在天津市武清縣建立了總面積2hm2試驗(yàn)區(qū)，并取得了良好的效果。

多級(jí)土壤滲濾系統(tǒng)是由滲濾層及土壤模塊層以磚塊交錯(cuò)結(jié)構(gòu)壘砌而成的具備強(qiáng)化脫氮除磷功能的新型土地處理系統(tǒng)(Attanandana et al.,2000)。目前,級(jí)土壤滲濾系統(tǒng)在國外如日本(Luanmanee et al.,2001)、泰國 (Luanmanee et al.,2002b)、夏威夷(Pattnaik et al.,2008)等地都有成功的應(yīng)用案例.

2.2 生活污水土壤滲濾處理技術(shù)土壤介質(zhì)

土壤是地下滲濾系統(tǒng)最重要的組成部分，直接決定了系統(tǒng)運(yùn)行及污水凈化效果。一般認(rèn)為良好的土壤結(jié)構(gòu)、適當(dāng)?shù)耐寥揽紫堵?、滲透性和通氣性，以及維持較高的土壤有機(jī)質(zhì)含量能為微生物及植物提供適宜的生長環(huán)境，這些都對(duì)凈化效果有利。

土壤的選擇受到當(dāng)?shù)貙?shí)際土地環(huán)境的局限，必須通過土壤改良來達(dá)到相應(yīng)要求。土壤改良主要是通過添加填料來改良土壤的結(jié)構(gòu)，常見的填料有砂、粉煤灰、碳化稻殼等。吳春篤等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤系統(tǒng)中含有30%土壤、15%污泥、15%煤渣、30%砂、5%腐木、5%石灰石時(shí)、土壤的質(zhì)地得到改善,對(duì)生活污水中N、P的處理效果較好。Johansson等研究表明在原土中適當(dāng)摻和富含F(xiàn)e、Al的物質(zhì)不僅可以增強(qiáng)除P的效果，還能增加系統(tǒng)吸附P的容量。

從最初的完全利用自然狀態(tài)下的土壤進(jìn)行污水滲濾，近年來對(duì)土壤改良技術(shù)的研究取得了極大的進(jìn)展并顯著提升了系統(tǒng)對(duì)污水的凈化效果。

2.3 生活污水土壤滲濾處理技術(shù)預(yù)處理系統(tǒng)

預(yù)處理系統(tǒng)在地下滲濾系統(tǒng)中起到了十分重要的作用，是土壤滲濾系統(tǒng)正常運(yùn)行的保證。早期的預(yù)處理系統(tǒng)主要是采用化糞池對(duì)污水采取預(yù)處理，逐步發(fā)展出隔油池、沉淀池等，提升了污水的預(yù)處理效果。趙永賓等在滇池流域?qū)嵤┑奈鬯寥罎B濾系統(tǒng)在預(yù)處理系統(tǒng)中添加了礫石凈化池，通過分層填加不同粒徑的生態(tài)礫石，顯著提高了了進(jìn)水水質(zhì)。李英華等在地下滲濾系統(tǒng)前預(yù)置浮動(dòng)生物床工藝，使進(jìn)水中近80%的固體懸浮物在預(yù)處理階段去除，改善進(jìn)水水質(zhì)，效果顯著。

3 前景展望

生活污水土壤滲濾處理技術(shù)經(jīng)過了幾百年的發(fā)展，已經(jīng)成為了一項(xiàng)重要的污水處理技術(shù)，我國在北京、上海、廈門、昆明、大理等地已經(jīng)興建了多處生活污水土壤滲濾處理工程并取得了良好的示范效果。該技術(shù)在我國有著良好的適應(yīng)性和可行性,有著很好的發(fā)展前景。

但是該技術(shù)仍然是發(fā)展過程中，其在許多基礎(chǔ)研究方面如：堵塞問題、提升系統(tǒng)負(fù)荷、提高除氮效果等方面有待繼續(xù)深入研究。

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