淺析土壤滲濾技術在再生水處理中的應用

金亞若，萬紅友

(鄭州大學水利與環境學院，河南鄭州450001)

淺析土壤滲濾技術在再生水處理中的應用

金亞若，萬紅友

(鄭州大學水利與環境學院，河南鄭州450001)

從再生水常用處理技術入手，重點介紹了土壤滲濾處理技術，并將土壤滲濾技術與其他處理技術進行比較，指出土壤滲濾技術的優勢及存在的問題，對土壤滲濾技術在再生水處理中的應用進行了展望。

土壤滲濾;再生水處理;應用;綜述

水資源短缺和水污染加劇所構成的水危機已經成為目前最嚴峻的環境問題之一。水資源的匱乏現狀加快了世界各國研究再生水處理技術的進程，國際上已經廣泛應用各種再生水處理技術以緩解水危機，目前再生水的處理和回用在我國許多城市也已經受到重視并加以應用。再生水是指污(廢)水經過處理設施深度處理后得到回用的水(包括污水處理廠經二級處理后再進行深度處理的水)［1］。以城市污水處理廠的二級出水作為原水，經過深度處理后，可供給工業用水、城市景觀用水、市政雜用水、農業灌溉及回注地層，這將會成為缺水地區解決水資源短缺問題的有效途徑。再生水回用可實現水資源的可持續利用，而且具有顯著的經濟、社會和環境效益［2～3］。

隨著水環境危機的進一步發展，再生水傳統處理技術中存在的弊端已經引起廣泛關注，這就意味著加快對新技術和新工藝的研發已經成為世界各國面臨的重要任務。土壤滲濾技術是未來再生水處理技術革新發展中很有前景的方向之一，日本早在1970年左右就開始應用土壤滲濾技術，而我國自20世紀90年代初也越來越多地關注土壤滲濾技術在污水處理中的應用研究［4］。本文對該技術在再生水處理中的應用加以綜述。

1 再生水常用處理技術

目前，再生水處理技術中常用的有物理化學法、生物處理法和膜技術處理法等［5］。國內外常用的主要是二級處理加上后續的混凝、沉淀、過濾和消毒處理，但是這些傳統的處理技術已經無法滿足日益嚴格的再生水水質要求，一些深度處理技術如活性炭吸附、離子交換、超濾、微濾、納濾、臭氧處理、紫外線消毒、反滲透等開始得到廣泛使用［6］。

我國自20世紀末開始研究土壤滲濾技術，近些年來在污水處理中已得到較多的應用，但在再生水處理中的應用還不夠廣泛。作為一種低能耗、低成本的污水土地處理技術，污水經過處理后出水能夠達到《城鎮污水處理廠排放標準》(GB 18918－2002)的一級B標準，且出水水質穩定;各項研究表明，土壤滲濾技術能很好地應用于再生水的處理回用中［7～9］。

1.1 技術類型

1.1.1 物化處理法

物理化學法(簡稱物化法)是利用物理和化學相結合的工藝，以達到處理污水的目的。再生水處理中常用的物化處理方法主要有混凝沉淀、過濾消毒、活性炭吸附、臭氧處理和紫外線消毒等［10］。賈仁勇等［11］通過研究氧化－微絮凝－高速過濾處理技術在再生水生產中的應用表明:在最佳工藝條件下，再生水出水的濁度去除率為92.21%，COD的去除率可達到55.58%，完全符合再生水水質要求。

當污水水質變化較大時，物化處理法因其占地面積少、技術成熟先進和管理簡便等特點，應用在再生水處理中較為合適［12］。

1.1.2 生物處理法

生物處理法是利用自然界存在的各種微生物，分解污水中的有機物進而轉化成無害物質，使污水得到凈化。再生水處理中常用到的生物處理法有活性污泥法、接觸氧化法、生物轉盤等［13］。上述這幾種方法可以單獨使用，也可以與其他處理工藝組合使用［14］。

生物處理法具有能適應較大的水力負荷變動、污泥產生量少、方便管理維護等優點，適用于含有機污染物較多的污水處理［12］。

1.1.3 膜處理法

目前，國內已運行的再生水廠較多選用的是傳統處理技術。伴隨著膜技術的日益成熟，膜處理法得到極大發展，國內外許多再生水處理工藝已經較多地采用其中的膜生物反應器(MBR)工藝、超濾(UF)技術、微濾(MF)技術、納濾(NF)技術、反滲透技術及其組合工藝［13］。

由馮運玲等［15］對典型再生水處理工藝出水水質的對比分析可知:膜處理工藝能高效去除水中污染物，出水水質好且穩定，但過濾時需要水泵提供壓力，以使過濾水透過濾膜，因而造成電耗較高，總體的工藝投資和運行費用也較高。

1.2 基本流程

單一的再生水處理技術一般很難滿足日益提高的出水水質要求，通常需要合理組合多種再生水處理技術以進行深度處理。

1.3 選擇原則

選擇再生水處理流程的一般原則是:當以洗漱、沐浴或地面沖洗等優質雜排水(CODCr150～200mg/L，BOD550～lO0mg/L)為再生水水源時，一般采用以物理化學法為主的處理工藝;當主要以廚房、廁所沖洗水等生活污水(CODCr30O～350mg/L，BOD5150～200mg/L)為再生水水源時，一般采用以生物處理法為主或多種技術結合的處理工藝［17］。

再生水處理工藝應根據進水水質、回用要求及經濟技術比較來選擇，選用經濟可行、技術可靠且出水水質好的工藝，同時還應將其占地面積、管理維護、運行費用及對周圍環境的影響等因素考慮在內［3］。

2 再生水處理中的土壤滲濾技術

2.1 土壤滲濾

2.1.1 簡介

土壤滲濾又叫土壤含水層處理(SAT，soil aquifer treatment)，是一種利用土壤的天然凈化功能，運用生態學原理與環境工程技術，通過物理、化學和生物作用，使污水中的各種污染物得到有效去除的一種就地污水處理技術［18］。

Drewes等［19］研究表明，土壤滲濾技術可以用于污水深度處理，能夠很好地去除水中有機物，并能改變廢水中的有機物特征。Pi等［20］的研究證實了土壤滲濾技術確實具有能有效去除廢水中有機物的特點。國內外各種土壤滲濾工藝的實際運行和模擬實驗表明，土壤滲濾法對化學需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、懸浮固體(SS)、氨氮(NH3－N)、總磷(TP)、金屬離子以及病原體都具有較好的去除效果［21～22］。

2.1.2 處理效果

土壤滲濾能夠充分利用土壤的物理、化學特性以及土壤中的微生物、植物、動物去除污水中的污染物，達到將污水凈化的目的。

(1)對有機物的去除效果

土壤介質可以強烈吸附多種有機物，通過微生物的好氧氧化作用，使固定在表土層中的有機物轉化為易被植物吸收的低分子或無機質［4］。土壤滲濾系統在好氧狀態下將有機污染物(BOD5)轉化為無機物的效果較好，一般認為其凈化機制有過濾、吸附及生物降解幾種［23］。潘晶等［24］對生態土壤滲濾系統的啟動周期的模擬研究表明，土壤滲濾系統對COD有良好的處理性能，去除率可達到80%以上。謝興華等［25］在研究了高負荷地下土壤法處理有機污水后得出結論:即使水力負荷達到0.25 m3/(m2·d)，土壤滲濾系統對有機物的去除效果也是相當良好的。

Amy［26］認為，土壤滲濾在滲流區內對有機物的去除機理主要是生物降解，吸附只占小部分。很多研究結果表明，有機物的去除主要依靠生物降解，部分可溶性有機物的去除率可達到90%左右［27～28］。

(2)對氮磷的去除效果

污水中的氮在一定程度上能被土壤有效吸附，土壤滲濾對氮的去除機理較復雜，影響因素較多，各種土壤滲濾系統對氮的去除率有差別［29］。有機氮和氨氮(NH3－N)可以通過土壤中各種微生物的作用進行轉化，由有機氮轉化來的氨氮一部分被土壤吸附，另一部分被硝化細菌轉化為硝氮(NO3－N)，二者作為植物的主要營養物，或被植物吸收，或隨水流向下層土壤，通過反硝化作用生成氮氣，最終釋放到大氣中［30］。土壤滲濾系統脫氮的機理是經過氨化、硝化和反硝化作用完成的，因此主要是依靠微生物脫氮［23］。土壤滲濾對懸浮物、有機物、氨氮、總磷和病原微生物(如大腸桿菌)的去除率均較高，一般可達70%～90%，但總氮的去除率一般只有20%～40%［31～32］。土壤滲濾系統對氨氮的去除率一般很高，由于微生物種類、土壤環境、水質等條件的差異，不同系統對總氮的去除率差別較大，從10%到90%不等，存在一些系統的脫氮效果不太理想［9，33～34］。

土壤對污水中的磷有非常好的去除效果，去除率常達到90%以上［35］。污水中的含磷物質(以正磷酸鹽為主)部分直接被植物吸收，部分與土壤中離子發生化學反應生成難溶磷酸鹽，從而達到使其從污水中脫除的目的。土壤滲濾系統中，磷的去除機理包括土壤吸附固磷、化學沉淀、植物吸收和微生物的同化，其中最主要的是土壤吸附固磷和磷的化學沉淀作用［35］。在土壤滲濾系統中，土壤對磷具有極大的吸附固定能力，相當于一個磷的儲存庫，經研究表明污水中99%的磷可被吸附而固定于土壤中［37］。

(3)對病原微生物的去除效果

土壤滲濾作為一種生態處理技術，除了對有機物和氮磷的去除外，對某些微量元素和病原微生物(包括細菌和病毒)也有一定的去除效果［38］。土壤滲濾系統運行結果顯示再生水出水的衛生學指標良好，糞大腸菌、總大腸菌和病毒的去除率接近100%，表現出很高的去除效果［39～40］。

2.1.3 構造及流程

土壤滲濾系統經污水灌至土壤表面(見圖4－a)，能很快滲入地表以下，通過土壤滲濾的非生物機制和生物機制，污水中各種污染物得到有效去除，再生水的出水既可通過地下管道進行回收(見圖4－b)，也可以通過井群回收(見圖4－c)。

土壤滲濾系統的主要工藝流程見圖5。土壤滲濾系統去除各種污染物的影響因素復雜，它需要有嚴格的水質控制和高效的預處理系統，污水需達到進水水質標準才能進入土壤滲濾系統［37］。隨著再生水出水水質的日益提高，土壤滲濾技術對預處理的要求也越來越嚴格，因此，預處理在土壤滲濾中具有很重要的作用。

2.2 工程設計

土壤滲濾處理技術在工程設計中需考慮如下要點:①土壤滲濾系統的水力負荷:決定系統的處理能力，偏低導致系統利用率降低，偏高難以實現良好的處理效果［41］;②滲濾溝的結構和布置:影響污水的流動方式及布水均勻程度，進而影響系統對各種污染物的去除效果［33］;③監測系統:可準確反映系統運行的實時狀況，對土壤滲濾出水進行評估，方便調整系統運行參數［41］。

2.3 應用實踐

土壤滲濾在國外一些國家(如美國、日本、以色列、俄羅斯和西歐等國)得到了很好的應用和發展，已經在實際工程應用中取得了不少成果。經過近幾十年的研究發展，土壤滲濾技術在我國廣大地區也有很好的適應性和可行性，不僅在理論研究方面有所深入，在工程實踐中也有了較大進展。表1列出了我國不同地區不同時期土壤滲濾技術在再生水處理中的應用。

表1 土壤滲濾技術在我國再生水處理中的工程實例

3 土壤滲濾技術與其他處理技術的對比

再生水處理工藝必須根據再生水水源的水量、水質及回用水的要求來確定。一個完整的土壤滲濾用于再生水處理系統的構成如圖6所示，其中主處理單元是再生水處理的核心部分，采用土壤滲濾處理法［47］。

表2對再生水處理中應用較多的各種技術，包括物理化學處理法、生物處理法以及近年來發展迅速的膜處理法和土壤滲濾技術進行比較評析，為再生水處理工藝的選擇提供參考。

圖6 土壤滲濾技術處理再生水系統組成

表2 再生水處理技術的比較［5］

綜合分析可知:土壤滲濾處理技術整個工藝具有運行簡單、能耗少等特點:①在去除有機物的同時，具有去除氮、磷的效果，且凈化效率高，能有效解決傳統生物處理工藝不能進行深度脫氮除磷的問題;②整個系統無須曝氣，沒有污泥產生，體現了生態工程學技術的節能優勢;③維護管理方便，整個工程運行期間不需要復雜的人員日常管理，運行成本小，基建投資低。

土壤滲濾處理工藝一般采用地下結構，裝置上部可以進行生態草坪綠化，便于美化環境，不會產生惡臭及蚊蟲滋生帶來的污染，受季節更替帶來的溫度變化影響小，有較強的抗沖擊負荷能力［48］。土壤滲濾同時存在著不足之處，如部分系統處理效率低、脫氮效果有待提高、土壤易堵塞及對周圍環境帶來不利的影響等問題［23］?？缀Ｄ系龋?2］研究了土壤滲濾處理過程中溫室氣體的排放量，驗證了甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)等溫室氣體的產生。如何更有效地解決土壤滲濾存在的問題還有待繼續深入地研究。

4 展望

土壤滲濾處理技術是一種基于自然生態原理的生態工程技術，屬于污水土地處理的范疇。土壤滲濾處理技術通過土壤－微生物－植物系統的綜合生態作用來達到深度處理污水的目的，不僅能有效減少有機物和氨氮，而且對病原菌也有很好的去除作用。將其應用于再生水的處理中，不僅效果好，而且可以解決我國目前常用處理技術存在的主要問題，并且土壤滲濾本身具有建設成本和運行成本低廉、能耗低、出水水質好、操作運行管理簡便等優點。我國若干已有的污水土地處理工程的實際運行經驗表明，土壤滲濾處理系統在我國廣大地區有著良好的適應性和可行性，因此，土壤滲濾處理技術在我國將有廣闊的發展前景。對土壤滲濾處理系統的進一步研究及推廣應用，對改善水質、保護水環境和再生水回用具有重要的意義。雖然污水土壤滲濾處理已經得到了進一步的研究與應用，但由于污水成份的復雜性，任何一種處理方法都不能完全解決污水處理和水環境污染問題，所以土壤滲濾也存在著不可避免的問題，如結構單一、脫氮效果有待提高、土壤孔隙易堵塞等，需要不斷地對其加以研究解決。為使土壤滲濾得到更廣泛地應用，該技術可以與其他工藝相結合，相互彌補各自處理技術的不足，共同實現對再生水的優質處理。

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An Analysis of Application of Soil Infiltration Technology in the Reclaimed Water Treatment

JIN Ya－ruo，WAN Hong－you
(School of Water Conservancy and Environmental Engineering of Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001 China)

The conventional treatment technologies of the reclaimed water are reviewed in this paper，focusing on soil infiltration treatment technology which is compared with other treatment technologies.The advantages and the problems of soil infiltration technology are also presented.Finally the application of soil infiltration technology in the reclaimed water treatment is prospected.

soil infiltration;reclaimed water treatment;application;review

X52

A

1673－9655(2012)06－0072－06

2012－05－18