廢水生態處理技術比較分析

□文/彭金利 陳 曦

目前常用的廢水凈化處理技術主要有3類，即物理處理法、化學處理法和生物處理法。實際應用中往往將這幾種方法綜合起來實現對水體的凈化。然而，這幾種常規水處理方法具有投資大、成本高、工藝復雜等缺點。因此，在我國的大中型城市基本采用集中處理的方式處理污水。但由于經濟等原因，中小城鎮、農村、企業等點源仍存在著污水直接排放到環境水體中，造成河流、湖泊、海域等的污染，這些僅靠興建集中式污水處理廠處理是不符合我國國情的。開發高效、節能、清潔、符合我國國情的可持續發展的污水處理新方法是解決我國日益嚴重的水污染問題的關鍵，只有投資少，占地面積小，運行成本低，管理維護簡便，受氣候條件影響小的污水處理技術才能廣泛推廣應用。

與人工處理技術相比，污水土地處理生態工程通常被稱為自然凈化技術。它是在人工調控作用下利用土壤-微生物-植物組成的生態系統使污水中的污染物得到凈化的處理方法。這種方法投資低、能耗低、凈化效率高、運行簡單，同時充分利用污水中的水肥資源，增加土壤養分，防止水土流失。

1 廢水生態處理技術概況

孫鐵珩建立的污水土地處理體系為5類，即慢速滲濾、快速滲濾、地表漫流、地下滲濾和濕地系統[1]。

1.1 慢速滲濾處理系統

慢速滲濾處理系統是將污水投配到有作物的土壤表面，污水在流經地表土壤-植物體系統時得到充分凈化的一種土地處理工藝類型，見圖1。在該處理系統中，投配的廢水一部分被修復植物吸收，一部分在滲入底土的過程中其中的污染物被土壤介質截獲，或被修復植物根系吸收利用或固定，或被土壤中的微生物轉化降解為無毒或低毒的成分。

圖1 慢速滲濾處理系統水流途徑

工藝目標：處理污水；利用水和營養物質生產商品性農作物；在干旱地區，用污水代替清潔水進行灌溉，節約清潔水；開發荒地，發展草地和林地。

工藝特性：投配污水負荷低，污水通過土壤的滲濾速度慢，在表層土壤停留時間長，處理效率高而穩定，在一定的水質狀況與環境條件下，可起到替代三級處理的作用。

2.2 快速滲濾處理系統

快速滲濾處理系統是將污水有控制地投配到具有良好滲透性能的土壤表面，污水在向下滲透過程中由于生物氧化、硝化、反硝化過濾、沉淀、氧化和還原等一系列作用而得到凈化的一種污水土地處理工藝類型，見圖2。快速滲濾系統對地質條件較其他土地處理工藝類型更為嚴格，其處理效率很高，凈化后的水可回收再用，但由于其處理負荷低（一般僅為6～130 m/a），造成土地占用面積非常大，限制了其推廣應用。

圖2 快速滲濾處理系統水流途徑

工藝目標：處理污水和回收利用污水；再生水補給地下水；用地下暗管或豎井收集、回收再生水以供回用或補給地下水；通過攔截工程措施，使再生水從地下進入地表；再生水季節性地貯存在具有回收系統的處理場之下，在作物生長季節用于灌溉。

工藝特性：幾乎可以去除全部的COD、SS和大腸菌等，對磷的去除也很有效，水力負荷是當時可反硝化去除大量的氮，適用于BOD5/COD＞0.3的生活污水及某些食品工業廢水，可終年運行。

2.3 地表漫流處理系統

地表漫流處理系統是將污水有控制地投配到生長多年生牧草、坡度和緩、土壤滲透性低的坡面上，污水地表以薄層沿坡面緩慢流動過程中得到凈化的一種污水土地處理工藝類型，見圖3。

圖3 地表漫流處理系統水流途徑

工藝目標：在較低水平的水質預處理和省去污泥處理的情況下，取得二級處理出水的水質；對BOD、SS和氮去除達到較高程度；利用水及其所含營養物生產作物；再生水收集與回用。

工藝特性：以處理污水為主，兼有生長牧草功能，對水質預處理程度要求低，可省去污泥處理工藝，出水以地表徑流收集為主，對地下水影響最小。

2.4 地下滲濾處理系統

地下滲濾處理系統是將污水有控制地投配到一定構造、距地面約50 m深且具有良好擴散性能的土層中，污水經毛管浸潤，在土壤滲濾作用下向周圍運動并達到處理利用要求的一種土地處理類型，見圖4。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，土壤中的原生動物及后生動物又以微生物為食，植物的根系則吸收污水礦化而產生的N、P以供其生長所需的營養，植物的根系能為土壤微生物提供養分，土壤微生物反過來也促進了植物根系的發育，從而促進了植物的生長[2]。污染物就是在該生態系統復雜而又相互聯系和制約的作用下被去除的，其凈化過程綜合了物理、化學和生物等多種機理。地下滲濾系統的類型有滲濾坑式地下滲濾系統、滲濾溝式地下滲濾系統、滲濾管式或滲濾腔式地下滲濾系統、尼米槽式地下滲濾系統、地下滲濾系統組合工藝[3]。

圖4 典型地下滲濾處理系統

工藝目標：直接處理污水；在處理污水的同時為上層覆蓋綠地提供水分與營養，可替代清潔水發展綠地；產生優質再生水以供回用；節約污水集中處理的輸送費用。

工藝特性：受場地條件限制小，污水在土壤中停留時間長，不會產生不良氣味，處理效果穩定，出水水質好，不產生污泥，綠地植物充分利用污水中的氮磷，可結合綠化實施。

2.5 濕地處理系統

濕地處理系統是將污水有控制地投配到經常處于飽和狀態、生長有像蘆葦、香蒲等沼澤生物的土地上，污水在沿一定方向流動過程中，在耐水植物和土壤的聯合作用下得到凈化的一種土地處理系統，見圖5。污水濕地處理系統包括天然濕地和人工濕地系統。人工濕地除具有天然濕地的主要特征外，還輔以必要的工程措施，具有水力負荷大，污染負荷高，節省用地面積等優點，所以，人工濕地系統是處理城市污水的主要工藝類型。由國內外的工程實例可知，其處理費用一般不會超過0.05元/m；國外有關資料表明，人工濕地污水回用工程處理費用在美國約為2.5～25.0美元/1000 t[4]。

圖5 濕地處理系統水流途徑

工藝目標：直接處理污水；對經人工或其他工藝處理后的污水進行再處置或深度處理；利用污水營造濕地自然保護區。為野生群落提供有價值的生態棲息地，為生物多樣性研究提供場地。

工藝特性：BOD、SS、氮和磷的去除過程與地表漫流相似，可以去除多種污染物質，對重金屬和酸性的有機和無機礦物質污染物有良好地去除效果。

3 廢水生態處理技術的比較分析

不同類型的土地處理系統處理性能不同，對水的預處理程度要求不同、出水水質不同、工藝設計參數不同，各種污水土地處理系統進行比較分析，見表1-表3[5～6]。

表1 污水土地處理技術的適用范圍 m3/d

表2 污水土地處理前的要求及使用控制條件

續表2

表3 污水生態處理工藝設計參數

4 廢水生態處理技術存在的問題和解決措施

4.1 土壤堵塞

土壤堵塞是影響土地處理系統長期穩定運行的關鍵問題。適度的土壤孔隙堵塞可以擴大土地處理系統內部的非飽和流動區域，提高處理效果，但過度的堵塞將使污水難以通過土壤層，從而使系統處理能力嚴重降低，要從物理、化學和生物等方面預防和控制土壤堵塞，即采用加大進水的預處理程度，降低進水懸浮物濃度，定期人工翻動系統的初始地段或人工剝離更換堵塞層，提高土壤氧化還原電位，降低微生物產生的胞外聚合物濃度。

4.2 占地面積大

占地面積大是阻礙土地處理系統發展的主要因素，這和當前我國土地資源緊張有密切的關系。要解決占地面積大的問題，唯一的途徑就是提高水力負荷。但隨著水力負荷的提高，污水通過系統的速度加快，從而減小了與微生物接觸反應的時間，影響出水水質，同時也會加大系統的堵塞。因此，要找到水力負荷、出水水質和堵塞三者之間的平衡點。

4.3 重金屬污染

重金屬污染也是制約土地處理系統發展的主要問題。由于重金屬的積累可能會對土壤、種植植物、地下水造成污染，可以通過對污水的預處理、特有植物吸收修復緩解重金屬的積累，從而減少污染的發生。

5 結語

根據廢水生態處理技術的特點，污水的生態處理技術在我國的發展戰略應遵循兩大基本原則[2]：

1）污水處理與水資源的利用相結合；

2）選擇具有特異修復功能、與食物鏈相脫離的植物代替傳統的作物利用水資源的方式。

我國的污水治理必須走生態處理技術的道，尤其提倡以聯合式或強化式生態處理技術為主，對污水進行綜合治理。

[1]孫鐵珩，李憲法.城市污水自然生態處理與資源化利用技術[M]北京：化學工業出版社，2006.

[2]吳建峰，林先貴.土壤微生物在促進植物生長方面的作用[J].土壤，2003，35（1）：18-21.

[3]李英華，孫鐵珩，李海波，等.地下滲濾系統處理生活污水的技術難點及對策[J].生態學雜志，2009，28（7）：1415-1418.

[4]王季震，喬鵬帥，魯智禮.污水土地處理技術中幾種處理工藝的分析[J].北京工商大學學報：自然科學版，2006，24（2）：13-16.

[5]孫鐵珩，周啟星，李培軍.污染生態學[M]北京：科學出版社，2001.

[6]黨酉勝，黃 鐘，張伯鳴，等.污水土地處理的研究現狀及發展趨勢[J].陜西環境，2002，9（5）：17-19.