土壤溝槽處理技術及其在農村生活污水處理中的應用

車承丹

摘要：介紹了土壤溝槽處理技術的原理、污染物去除機理、影響因素、系統堵塞機理及對策等。分析了浙江省某鄉村農村生活污水采用土壤溝槽處理技術處理工程的應用實例。實際運行結果表明：該技術處理效果好，僅需要一臺水泵作為耗能設備，無需運行管理，出水水質穩定達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）的一級B標準。

關鍵詞：農村生活污水；土壤溝槽；COD污染物

中圖分類號：X703.1

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）12006104

1農村生活污水處理的常用技術

隨著經濟的發展和社會的進步，農村生活中廚房、洗滌、洗浴等產生的污水排放總量和污染物含量呈明顯增加趨勢[1，2]。農村生活污水中含有機物質、氮、磷營養物質、懸浮物等污染成分[3]。若不予處理直接排放至河流、湖泊，將嚴重污染受納水體及周邊生態環境，對整個農村及周邊溪流、水庫等地表水環境產生嚴重污染[2，3]。因此，迫切需要對農村生活污水進行處理，但由于農村地區技術經濟基礎薄弱，缺少資金和專業的管理操作人員[3]，因此，運行成本、投資成本以及運行維護管理成為污水處理工藝選擇時的重點[1，3，4]。

目前，農村生活污水處理技術主要分為自然生態處理工藝和污水一體化處理裝置兩大類[4]。自然生態處理工藝包括穩定塘、人工濕地、土壤溝槽系統等，技術比較成熟，投資及運行成本較低；污水一體化處理裝置的工藝包括A/O、A2O、MBR、接觸氧化池、生物濾池等在城鎮污水處理領域應用廣泛，技術相對成熟，自控性較高，處理效果好，但投資及運行成本較高，運行和維護管理較復雜。由表1可知，土壤溝槽處理技術具有處理效果好，出水水質穩定，耐沖擊負荷，投資水平低，運行成本低，無需運行管理和維護保養，無二次污染，可美化景觀等優點。因此，該技術成為農村污水處理的研究熱點。

2土壤溝槽處理技術原理

土壤溝槽處理技術是一種基于自然生態原理的人工強化污水處理技術。土壤溝槽系統內裝載有砂、土壤等構成的介質處理層，利用處理層的毛細滲透作用，使污水向四周擴散，通過物理過濾、物理吸附與沉積、污水中的污染組分與復合材料中有關組分的理化反應、微生物對有機物的降解作用以及植物對有關組分的利用等過程，使污水得到凈化。

2.1污染物的去除機理

2.1.1COD的去除機理

污水中的COD污染物，通過物理過濾、物理吸附與沉積、化學吸附與反應從污水中轉移到土壤溝槽系統中，之后主要通過好氧微生物、厭氧微生物的作用下，轉化為簡單的無機鹽、水和CO2，實現礦化，得以去除。

2.1.2氮的去除機理

土壤滲濾系統對氮的去除主要是通過微生物的氨化、硝化與反硝化作用實現的。土壤中的硝化作用主要發生在系統的表層，約150 mm，實現了氨氮的去除。總氮的去除主要集中在上層、中層。在系統底層300 mm范圍內總氮含量基本維持不變[12]。氮的去除過程中，氧氣存在與否成為除氮的關鍵。為此，要保證系統形成好氧與缺氧調節，系統中處理層的厚度不超過1 m；可在土壤溝槽系統進水前端增加了復氧環節，也可采用間歇運行方式，強化復氧，提高系統的硝化能力，提高氮的去除效率。

2.1.3磷的去除機理

除磷的方法主要有化學除磷和生物除磷兩種方式。土壤溝槽系統中磷的去除主要是通過化學除磷實現的。化學除磷的去除效果主要取決于土壤的化學成分，土壤中的一些金屬以及非金屬的離子有利于磷的去除，比如鈣離子具有較高的吸附磷的能力，鈣離子與磷元素形成磷酸鈣，使得磷元素從液相進入固相，因此，含鈣較多的土壤除磷效果更好。生物除磷是通過微生物的新陳代謝攝入磷然后再釋放的過程實現除磷。但在土壤滲濾系統中，生物作用僅起到形態轉換的作用，使得磷的形態發生改變，易于通過物理截留和化學反應得以去除[12]。影響磷的去除的因素很多，較高的pH值、較低的溫度、較高的氧化還原電位均有利于磷的去除，鈣離子、鋁離子、鐵離子等對磷都具有很好的效果。但各地土壤的物理化學特性不同，而且土壤中吸附磷的鋁、鐵、鈣等鹽離子具有吸附飽和性，所以會出現磷穿透的現象。因此，為了達到穩定除磷的目的，在土壤滲濾系統中添加有助于去除磷的物質如鐵、鋁、鈣鹽等，以強化除磷，保證處理出水滿足排放標準要求。

2.1.4懸浮物的去除機理

污水中的懸浮固體通過物理截留、吸附、化學反應、微生物作用，原生動物吞噬等作用得以去除。無機懸浮物體一般通過物理過濾、截留、吸附和化學反應而留在土壤溝槽處理系統中，并在相對穩定的條件下不再發生變化。有機懸浮固體在土壤滲濾系統中，會通過好氧、兼氧、厭氧微生物的作用得到分解進而實現礦化，部分有機懸浮物體還可以被原生動物、線蟲等直接吞噬，被植物根系或真菌吸附吸收得以去除[9]。

2.2土壤溝槽系統的微生物學特性

在土壤溝槽系統中生長著大量的細菌、放線菌、真菌、原生動物、后生動物等。其中，表層土壤中β|變形菌綱占到約40%左右，很多好氧或兼性細菌屬于β|變形菌[10]。變形菌門細菌很多有固氮和吸附氮的功能，所以能吸附污水中的氮，并進一步轉化進行徹底礦化。在40 cm與70 cm深度的土壤基質中，主要菌種為芽孢桿菌綱和放線菌綱，占比約為50%，還含有α|變形菌綱、β|變形菌綱、γ|變形菌綱，以及嗜酸菌綱[10]。芽孢桿菌屬可以分泌大量的酶，對淀粉類的物質降解能力很強。說明土壤滲濾系統中存在好氧、缺氧、厭氧3種菌。 嗜酸菌綱對維持系統的酸堿平衡具有重要作用，保證系統出水水質維持中性。

2.3土壤溝槽處理技術的影響因素

2.3.1填料

土壤溝槽系統的填料是其核心組成部分，是去除污染物的主體部件，顯著影響系統的水力負荷、去除效果和穩定性，以及是否會發生堵塞，可見，填料的選擇決定了系統的成敗。填料的成分、物理化學性質、結構、滲透系數等是填料選擇的重要參數。系統滲透系數大，可增大水力負荷，減少占地面積，但滲透系數過大，會縮短水利停留時間，影響出水水質[11]。

2.3.2水力負荷

土壤溝槽系統水力負荷增大對COD、BOD5、NH3-N、TN、TP的去除率影響不大，但對系統的飽和滲透系數影響顯著，隨著水力負荷的增大，飽和滲透系數明顯下降[12]，這是由于污染物總量增加，導致吸附的污染物和快速繁殖的微生物堵塞系統填料空隙，使得系統透水能力下降，易引發系統堵塞的發生。

2.3.3有機負荷

土壤溝槽系統對進水的有機負荷有很大的緩沖能力，進水COD濃度波動較大時，出水COD濃度保持穩定[13，17]。但有機負荷增大，會促進微生物的大量繁殖，堵塞填料空隙，使得飽和滲透系數下降，嚴重時甚至因其系統堵塞。

2.3.4溶解氧

在系統調試期，增大污水中的溶解氧，有利于好氧微生物的馴化培養，可縮短調試周期[16]。在系統運行期，污水中的溶解氧含量可提高污染物的去除效果，提高出水穩定性。增大污水的溶解氧含量，可顯著提高氨氮的去除效果和穩定性，這是由于氨氮的去除需要硝化和反硝化作用，而硝化過程是需要硝化細菌在有氧條件下的將氨氮轉化為亞硝態氮和硝態氮。但溶解氧過大，也會抑制反硝化菌在無氧或缺氧條件下反硝化作用，從而降低TN的去除率[10，12]。

2.3.5溫度

土壤溝槽處理系統去除污染物主要是依靠微生物的作用，微生物作用受溫度影響較大。微生物都具有最適溫度范圍，超過這個范圍，溫度過高會使微生物處于受抑制狀態甚至死亡，溫度過低會使大部分微生物的新陳代謝作用受到抑制。溫度過高或過低時僅少量嗜高溫菌或嗜低溫菌具有較高的活性，降低了污水的處理效果。寒冷地區，對土壤滲濾系統進行保溫是是否必要的，以減少冬季時的低溫對處理效果的不利影響。

2.3.6運行方式

土壤溝槽系統采用間歇方式運行時，具有兩方面的好處：一是有利于系統表層的復氧，形成好氧環境，有利于好氧菌的生長和繁殖，顯著提高氨氮的去除率。 二是防止系統堵塞。系統停止進水期間，有利于減輕生物堵塞，恢復系統滲透系數，提高系統透水性能的長期穩定性。但落干時間太長，會破壞系統內部的生物群落[14]。

2.4土壤溝槽處理系統的堵塞問題及對策

堵塞問題已成為限制土壤溝槽系統技術應用的瓶頸，在土壤溝槽系統運行過程中，由于物理、化學以及生物的共同作用，使得土壤的空隙率變小，嚴重時出現堵塞，甚至系統表面發生溢流現象。土壤溝槽系統堵塞的主要原因可分為物理堵塞和生物堵塞。污水的懸浮固體是造成系統物理堵塞的主要元兇。懸浮固體堵塞土壤中的空隙，致使系統滲透率降低，滲濾過程阻力增大，導致系統堵塞。生物堵塞是指土壤溝槽系統中的微生物在分解污水中的污染物質的過程中，自身體積增大，數量增多，并且代謝過程中可能生成胞外聚合物，堵塞土壤空隙。對于生物堵塞，可采用間歇運行方式解決[10，12]。當系統處于停止配水時，土壤中的微生物處于內源呼吸狀態，形成芽孢或其他休眠體，消耗內在儲存的物質，使得微生物自身體積和菌膠團體積減小，釋放空隙。由于污水中存在較多的污染物，為土壤中的細菌提供了富足的營養，所以表層土壤中微生物處于對數增長期，由于微生物的過度生長使得土壤中的細菌增多。根據研究顯示，物理堵塞和生物堵塞都主要發生在配水層與土壤層的分界處，也就是淺表層。隨著深度的增加，物理堵塞將會大大減小。但系統內的微生物量最終會達到動態平衡，因此，微生物增長造成的堵塞不會像物理堵塞那樣持續增加，所以，相較于物理堵塞，生物堵塞對系統堵塞的貢獻相對小些，有時甚至可以忽略不計[15]。

2.5土壤溝槽處理系統的特點

處理效果好，出水穩定：抗堵塞土壤溝槽處理技術處理生活污水的處理效果好，耐沖擊負荷，出水穩定達標[16]。處理出水水質穩定達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）的一級B排放標準。

節能：該技術在地勢條件允許的條件下，可在無動力條件下，利用污水重力自流進入處理場地，在不消耗任何電能的情況下，使污水達到符合環保要求的處理。當無地勢條件，在運行時，僅采用1臺水泵，可使出水達標。

構建成本低：可節約昂貴的污水管網收集與輸送費用，其設施成本僅相當于普通生物法污水處理廠建設費用1/3～1/2。

污泥產生量極少：主體處理設施（滲濾系統）沒有污泥產生[16]；污泥僅為厭氧池的少量沉渣。

無臭味，不滋生蚊蟲[16]，無環境污染問題。

維護方便：系統基本上不需專人管理，日常維護、管理工作量很少。

設施運行穩定：設施對污水的處理效果好，運行穩定，出水能優于一級B排放標準，且具有良好的脫氮除磷效能。

設施美觀：處理設施淺埋于地下（約1.0 m），地表可種植草坪以及一些淺根系的經濟作物和觀賞性植物；還可作為人們的活動休息場地。

3幾種土壤溝槽系統填料組分及其處理效果

USEPA（1991）建議純土壤填料的土壤溝槽系統的水力負荷不宜超過土壤飽和滲透系數的10%，一般在1.0～4.0 cm/d左右[16]。因此，為了提高水力負荷，通過改變土壤溝槽系統填料的配方，改變填料結構，提高系統飽和滲透系數，增大水力負荷。表2中列舉了幾種土壤溝槽系統填料及其處理效果。從表2可知，土壤溝槽處理系統的填料對CODCr、NH3-N、TN、TP的去除效果和水力負荷影響很大。復合填料以及分層填料可提高污染物去除效果，也可提高水力負荷。可見，土壤溝槽系統填料的選擇和投配方式是系統成敗的關鍵。

工程進水為浙江省某鄉村農村生活污水，經格柵自流進入調節池，污水經水泵提升至厭氧池，經砂濾后自流到土壤溝槽系統。土壤溝槽系統自上至下由三層組成。第一層為配水層，穿孔配水管置于礫石和粗砂中，穿孔配水管實現一級配水，礫石和粗砂實現二級配水，通過兩級配水實現均勻配水的目的。第二層為填料層，填充由土壤、砂、高分子聚氨酯材料，鐵礦石，麩皮等復配的填料。高分子聚氨酯材料具有輕質、多孔、耐腐蝕、持水性好的特性。高分子聚氨酯材料和砂的添加可增加系統的空隙率和滲透率，防止堵塞的發生。高分子聚氨酯材料的添加還具有增加微生物活性的作用，給微生物提供良好的棲息地。鐵礦石的添加起到強化除磷的作用。麩皮在系統啟動階段有利于微生物的繁殖，促進系統形成穩定的微生物群落。填料層是微生物的棲息地，通過微生物作用、物理截留、化學反應、離子交換等作用實現對污水中COD、氮、磷等污染物質的去除，使得出水達標。填料層是系統實現污染去除的主體部分。第三層為排水層，由礫石和粗砂組成，實現處理后污水的收集和排出作用。

處理設施由格柵、調節池、厭氧池、砂濾、土壤溝槽系統、排水井等組成，構筑物均為鋼筋混凝土結構。格柵與調節池合建，設在調節池進水口處，設置一道粗格柵。調節池內設置2臺水泵，1備1用。厭氧池水力停留時間為24 h，利用厭氧微生物的作用，對污水中的有機物進行部分分解，降低有機負荷，增加污水中速養分的含量。厭氧池出水端設置砂濾，填充礫石和粗砂，去除對污水中的懸浮物，水流方向為向下流，采用人工清掏方式去除表層的截留的漂浮物。土壤溝槽系統承接砂濾出水，土壤溝槽系統設置2座，單座面積為70 m2，配水層厚度為20 cm，填料層厚度為70 cm，排水層厚度為20 cm，水力負荷為25 cm/d。處理后出水經排水井排放。

本工程于2016年7月建成并投入使用。工程運行費用僅為電費，折算到噸水運行成本為0.07元/m3。2016年8～9月對系統出水進行了監測，出水CODCr、NH3-N、TN、TP均能達到《城鎮污水處理廠污染物綜合排放標準》（GB18918-2002）的一級B標準。出水CODCr、NH3-N、TN、TP平均濃度分別為28.5、1.9、6.4、0.2 mg/L。

5結語

土壤溝槽系統處理農村生活污水，對COD、NH3-N、TN、TP都具有良好的去除效果，出水水質滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）的一級B排放標準。但土壤溝槽系統的填料和水力負荷是該技術的關鍵，對處理效果和系統滲透系數影響極大，不當填料配方和水力負荷可能會導致滲透系數急劇下降，嚴重時甚至出現堵塞。土壤溝槽系統動力消耗少，操作管理要求低，適于在農村地區生活污水處理領域工程中推廣應用。

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