污水地下滲濾系統在應用中的問題及強化措施研究進展

高蕊 畢岸 潘晶

（沈陽師范大學生命科學學院 遼寧沈陽 110034）

近年來，人們排放的生活污水量日益增加，已經對人們生存的自然環境及經濟發展產生不可避免的影響，選擇合適的污水凈化技術非常重要。污水地下滲濾 系 統（Subsurface Wastewater Infiltration System，SWIS）是一項集物理、生物、化學反應技術于一身，運用由“植物—土壤—微生物”3個部分組合而成的穩定生態系統來處理污水的一項工藝，將自然生態凈化技術和人工工藝相結合。SWIS起源于日本，后來相繼在歐美地區逐步展開了研究和應用。我國從20 世紀90年代初期開始研究地下滲濾技術。此系統具有運行成本低、出水水質好、節約空間、管理簡單等優點。但傳統的SWIS 存在基質選擇不合理、滲濾層結構、運行參數不合理、脫氮除磷效果不理想和容易堵塞等問題。SWIS的飛速發展使其近幾年成為國內外研究的熱點，許多研究者對提高其滲濾功能和處理能力進行了大量研究。

1 SWIS存在問題

1.1 系統堵塞

SWIS 堵塞不僅影響進水負荷，也妨礙正常通氣，使凈化效果不理想，還會減少系統的應用年限。SWIS堵塞過程往往不可逆。微生物的過度生長和細胞外分泌物的堆積及生物膜的剝落都是可以造成土壤堵塞的主要因素。另外，氣泡堵塞在某些情形下也很容易出現，土壤中的微生物在好氧、厭氧反應過程中形成氣體時，就會因產生過大的內壓而導致土壤孔隙堵塞。各種堵塞問題可以通過技術手段緩解，但不能徹底恢復解決。

1.2 除氮效果差

因為SWIS 的氧化還原電位不易控制，所以對氨化、硝化、反硝化細菌的繁殖生存環境條件也不易控制，人們對強化脫氮系統開展了大量的研究。天然土壤有機質的分解造成反硝化菌可使用的碳源不夠，且好氧環境條件也不利于反硝化菌的生長發育繁衍，因此產生總氮的消除率也較低。

1.3 磷穿透問題

SWIS 去除污水中磷主要依靠基質的沉降和吸收功能，而長時間工作則會使基質中的磷元素飽和，失去除磷功能并產生二次污染。所以，對磷滲透的控制措施研究十分關鍵。

1.4 黑箱性問題

SWIS的處理主體位于地面之下，但現階段研究中對其內部結構的演變過程、微生物結構特征和群落特性還沒有系統闡釋，所以SWIS 滲濾基質內部仍是黑箱。

2 SWIS強化措施的研究進展

2.1 優化系統運行工況與參數

2.1.1 運行方式強化

不同運行方式對SWIS的凈化能力有著重要影響。進水方式具有連續進水與間歇進水兩種不同的方式。劉娜經實驗后發現各種進水方法系統的TN 去除效率差異很大，說明了采用間歇式進水方法的系統，在同一浸沒表面下的整體反硝化與局部反硝化的聯合作用下，總氮去除效果最佳［1］。韋玉忠等研究證實，間歇進水排水方式能夠有效去除水體中氮、磷。宋鐵紅等通過將系統間歇式進水與連續式進水對比，發現當系統運用間歇式進水時，系統出水CODCr濃度降低且去除率也有所提高。目前，SWIS大都采取干濕相間的工作方法，此方式能大幅度提高氮的去除效率。李英華等人使用的室內模擬系統證明干濕交替方法能夠迅速補充氣，NH3-N 和總氮的去除率都達較高值。郝火凡等人采用模擬研究了干濕循環比對基質滲透性的影響，表明在適當的干濕交替比前提下，基質滲入速度能夠保持或者增加。干濕交替是SWIS 中最常見的運行方法，既能夠穩定地處理出水量，又能夠提高系統的補氧能量，使系統內部潛層斷面上交替形成厭氧、好氧環境，從而促進有機質的降解作用與去除，大大改善了系統的運行效果。

2.1.2 水力負荷

水力負荷是指單位容積濾料選擇量或單位容積內每日可處置的污水總量。水力負荷過高，長期的淹水使整個體系上部分生物基本都處在完全厭氧或兼性厭氧狀況，不利于硝化反應。而水力負荷過低，雖然脫氮效應加強，但是脫氮效率與效果形成反比。李英華研究發現，當水力負荷的適宜范圍為0.065～0.081m3/（m2·d）時，此范圍內適合硝化—反硝化反應進行且脫氮效果最好［2］。

2.1.3 溫度

溫度直接影響微生物代謝和生長繁殖，硝化過程和反硝化過程都受到了溫度的直接影響。安樂經研究發現，調低溫度降低了NH3-N 的去除效果，當溫度為21℃時，去除率較高；TN 去除率隨著溫度降低呈現出逐漸增大再減小的趨勢，20℃時去除率最大，達到27.12%，隨后出現小幅度的下降。CODCr的去除效率在某一溫度區間內隨著溫度下降呈現突然下降又緩慢上升的趨勢。聶俊英經實驗發現，在一定條件下，環境溫度在13℃以上時，生活污水中CODCr具有較好的去除效果。由于相對較低的溫度會抑制病菌的活力，所以在低溫下處理污水的效果并不好。在自然氣溫較低和緯度較高海拔差較大的區域，對地下水滲濾液系統必須加大埋設深度和進行必要的保溫措施，來提高土壤細菌的生長活力及解決生活污染物的效果。

2.1.4 氧化還原電位

氧化還原電位（ORP）是SWIS的重要參數之一，系統內微生物氧化還原效率受其影響，同時，其也影響系統的脫氮效應。馬吉福研究發現ORP 值在200～400mV 時，有利于硝化和反硝化的過程［3］。為了提高生物處理工藝體系中氮的消除效率，則要求保障體系內的ORP處于微生物適應區域內，并采用創造缺氧狀態和厭氧條件的方法，來提高體系氮的去除率。

2.2 基質改良

滲濾層基質是影響SWIS凈化效果的關鍵因素，也是植物生長的載體和營養庫。科學合理地選用基質濾料是地下水處理工藝控制系統得以有效運轉的重要前提條件。許多研究者對SWIS 基質改良進行了深入的研究。

2.2.1 基質濾料的篩選

戴強等人探究了河沙、粉煤灰、煤渣、鋼渣對污水中磷的吸附性能，結果顯示，河沙不僅廉價易得，而且去除效果很好。潘晶等人利用爐渣、蛙石及砂子等材料對草甸棕壤進行研究改良，加強了草甸棕壤滲透性能，系統脫氮除磷效率水平得到顯著提高。劉娜研究了沸石、活性炭、砂、粉煤灰陶粒、粘土陶粒對氮、磷的吸附性能，結果顯示，沸石吸附氨氮作用效果最好，粉煤灰陶粒吸附磷效果最好，粘土陶粒和活性炭對氮、磷均有較好的吸附效果。為了構建地下滲濾體系的滲濾層，選用沸石、活性炭、粉煤灰陶粒和粘土陶粒4 種過濾介質作為有效的凈化基質［1］。楊健等研究表明通過用河沙替代一部分泥土進行分層裝填，極大增強了消除污染的功效［4］。張建等研究發現向處理工藝體系基質中摻入約10%的草灰后，改善了土壤氧化環境條件的同時，也增加了氨氮和總氮的平均去除率［5］。嚴群等研究采用了土壤、草炭和礦渣粉進行搭配，并采取了全混合裝填方法，經采用后，有效地增加了地下處理工藝體系的進水水力負荷，從而明顯提高了土壤COD、氨氮和總氮的均勻去除率［6］。周子琳等發現通過向生物基質中加入干化污泥來補充碳源，來增強反硝化作用以更高效地脫氮［7］，選擇合適的滲濾基質是保證SWIS高效運行的前提條件。

2.2.2 基質配比優化

選用恰當的基質配比，可以改善污水處理性能。劉娜研究發現，當活性炭、粉煤灰陶粒、沸石和粘土陶粒的比例為2∶3∶3∶2并分層填充時，SWIS 的脫氮除磷效果最好，更適合農村地區的生活污水處理［1］。劉晉研究表明，將生物基質以砂土、草炭土、焊渣，與傳統的活性污泥法按14∶3∶2∶1的容積比例混合，可以有效凈化污水。汪宏等人通過將土壤、礦渣粉與生態基質分層填裝，研究結果表明，加入了生態基質，可以提高土壤系統中對TN 的脫除能力。楊錚錚等人通過將腐熟牛糞和粉煤灰的綜合利用連續混配填入處理工藝系統模擬凈化農村生活污泥，從而得到了系統的脫硫除磷能力。

2.3 改善氧化還原環境

2.3.1 通風

系統內設通風管是一個能夠合理地進行提高地下處理工藝床身內溶解氧濃度的方式，可以利用布管道和通風管，進行向自然環境通風或將通風設備接入管線，并利用空氣動力強制地向系統內控制通風量，在提高系統氨氮廢氣的效率和維持系統滲透性方面都有效益。Luanmanee 等研究通過變化系統通風大小，發現隨著通氣量的遞增，系統TN 的去除率也隨之增多［8］；而呂錫武等人研究則發現系統通風的結構變化有效地提高了系統的氧化還原環境研究，并表明系統通風量和通氣時間延長對TN 的消除有很大的影響。采用通風方式，提高了SWIS處理效果。

2.3.2 曝氣

人工曝氣能夠提高SWIS氧的供應，從而提高系統凈化效果。潘晶等研究發現間歇曝氣和進水分流二者相結合的SWIS去除污染物效果良好，為新型系統的設計、構造和實現提供了借鑒［9］。袁方研究發現間歇曝氣提高了SWIS基質脫氮微生物數量和脫氮酶活性，有利于總氮的去除［10］。汪思琪研究發現曝氣增加了地下滲濾系統對NH3-N、COD 的去除率且會在短時間內提高去除污染物的整體效果［11］。許菲等人研究發現曝氣隨著濾速和氣水比的增加，COD 的去除呈現先增大后降低的明顯趨勢，氨氮的去除效率保持相對較高的狀態，說明高濾速和氣水比對氨氮的去除更為有利。

2.4 微生物功能強化

微生物在SWIS中對污染物的去除起著重要作用，因此，生物強化不僅可以提高系統對污染物的去除能力，還可以延長使用壽命。不同土壤基質中的微生物對環境的適應性不同，因此，接種微生物的最佳方法是在相同污染環境和污染過程的土壤中選擇所需的功能微生物，再將其重新接種到相似的污染環境和污染過程中［12］。鄒軼通過加入微生物菌劑，使地下滲濾液系統在消除氨氮和總磷的能力大幅提升，并顯著減少了系統的啟動工作時間。代瑩等往土壤中添加自行研制的微生物菌劑后，顯著提高了系統的抗沖擊負荷和氨氮的去除率。

3 研究展望

SWIS屬于實用工藝，其流程簡單、運行可靠、處理要求低、無異味，在處理分散生活污水方面具有明顯的優勢，在我國具有良好的發展潛力。該技術雖然已有很長歷史，但尚未成熟，也從側面體現出該技術的復雜性。為了使該技術能廣泛地應用于污水處理，還有很多研究要做。影響SWIS去除污染物的因素眾多，僅強化單因素已經不能滿足要求，未來，應將多種強化手段相結合來解決SWIS的一些問題。現階段，水資源危機是我國面臨的一個嚴重問題，水資源短缺和水質惡化問題越來越嚴重，廢水循環利用的觀念也逐漸被人們認識接受。研究表明，SWIS在我國大部分地區有著良好的適應性和可行性，因此，該技術在我國將有很好的發展前景。