污水土地處理工藝處理有機廢水的核心思路研究分析

李艷紅，張 傲

（1.菏澤盛祥職業衛生檢測評價有限公司，山東 菏澤 274000；2.山東中慧咨詢管理有限公司，山東 菏澤 274000）

1 有機廢水的處理方法

目前，對于有機廢水處理技術的研究，主要包括物理化學法和生物處理法。

1.1 物理化學法

該方法主要是對有機廢水進行預處理，而預處理的主要目的是將廢水中的可用物質有效回收。通常在對生物降解難度比較大的有機物進行處理時，可通過預處理技術提高有機物的去除效果[1]。由此可以看出，物理化學法對于提高有機廢水的最終處理效率有著積極作用。在實際應用中，物理化學處理方法主要包括超聲波降解法、萃取法、吸附法、濃縮法等，這些方法都是比較常用的處理方法。

1.2 生物處理方法

在有機廢水的處理過程中，生物處理方法的主要原理是，利用微生物的生命活動對有機廢水中的污染物進行吸收和轉化，這樣可有效凈化廢水。一般情況下，該方法可作為物理化學方法的后續處理技術進行應用，同時，在不同行業的廢水處理過程中，生物處理技術的應用都比較普遍。通常，生物處理方法一般包括好氧生物處理技術和厭氧生物處理技術。

其中，好氧生物處理技術中的活性污泥去除法主要是將含有機物的廢水作為培養基，且在溶解氧的基礎上連續培養活性污泥，并將活性污泥分散在曝氣池內，使曝氣池中的污水有機物質充分接觸活性污泥，以去除污水中的有機質。而生物膜法是污水好氧生物處理技術的主要類型，該方法在應用過程中，需要將細菌等微生物附著在濾料中，并確保這些微生物能夠有效生長繁殖，進而形成膜狀生物。在生物膜和污水接觸后，可有效吸附污水內的有機污染物，并且這些污染物可以被微生物作為營養物質吸收，從而達到凈化污水的目的。生物膜法在應用過程中具有較強的穩定性，主要原因是微生物可以通過吸附有機污染物質促進自身的繁殖，所以具有較強的抗沖擊能力，并且還不會存在污泥膨脹問題。厭氧生物處理技術在使用過程中，主要是在無分子氧的環境下，利用厭氧微生物對廢水中復雜的有機物進行分解，并使其轉化成甲烷和二氧化碳，因此，也被稱為厭氧消化過程。

2 污水土地處理工藝處理有機廢水的可行性研究

2.1 污水土地處理工藝

污水土地處理工藝主要是指，利用土壤、微生物、植物構成的陸地生態系統開展污水處理的技術。該污水處理工藝具有較強的自我調控能力，可以對污染物進行綜合凈化。因此，該處理工藝在城市污水處理和有機廢水處理的過程中具有重要的應用價值，可有效凈化水質。并且，還可以利用營養物質和水分的生物地球化學循環確保綠色植物快速生長，這對于提升廢水資源的綜合利用效率有著積極作用，屬于無害化的常年性生態系統工程[2]。在污水土地處理工藝的運行過程中，可依據系統中水流運動和流動軌跡的差異進行分類，主要包括以下幾種

2.1.1 慢速滲濾系統

慢速滲濾系統主要是將廢水投配到栽種植物的土壤表面，當廢水流經土壤時，通過植物系統達到凈化廢水的目的。在慢速滲濾處理系統的應用過程中，投配的廢水一部分會被農作物吸收，還有一部分廢水會滲入到地下水。一般情況下，不會有流出場地的水量。但系統中的水流途徑會受廢水的遷移過程影響，此外，污水處理廠的地下水流向也會對水流途徑產生影響。在實際的應用過程中，廢水的投配方式主要包括畔灌、溝灌、噴灌系統。

通常，在慢速滲濾系統的應用過程中，可有效對村鎮生活污水和季節性排放的有機廢水進行處理，還可以對出水進行回用，同時，還可以在土層表面種植經濟作物，由此可以看出，該系統具有較強的經濟效益。并且，在投配廢水負荷比較低的情況下，可以利用土壤的滲透作用完成廢水的滲濾處理工作，能有效提高水質的凈化效果。此外，在污水土地處理技術的應用過程中，慢速滲濾系統對地表坡度的要求相對較低。但需要注意的是，該系統在應用中受季節和植物營養需求的限制比較多，并且對土地面積的需求也比較大，但水力負荷比較小。

2.1.2 快速滲濾系統

快速滲濾系統的主要功能是在廢水控制的過程中，需要將廢水投配在滲濾性良好的土壤中，使廢水在滲透的過程中受到硝化、反硝化、過濾、沉淀、生物氧化以及還原等不同作用的影響，從而保證有機廢水的凈化效率。該系統在應用過程中，是一個土地淹水和干化狀態下進行周期交替的過程，以此確保滲濾效果。其中，在干化時能有較好的好氧環境，也可以開展廢水下滲和排除工作。在實際應用中，快速滲濾系統可有效保證氨氮、有機物、懸浮物等的去除率，同時，該系統的投資成本較低，且在后期運行過程中管理工作也比較方便，而對于土地面積的要求也相對較小，能常年運行，處理的出水可以進行回灌或者補充地下水。但快速滲濾系統在應用過程中仍然有一些缺點，如在使用過程中對水文條件、地質環境的要求比較嚴格，而場地和土壤條件也會直接影響快該系統的使用效果。并且，對于總氮的去除率并不高，導致在對排出水進行處理的過程中，硝態氮還有可能會導致地下水污染。

2.1.3 地表漫流系統

地表漫流系統可有效控制廢水，該系統是將廢水投配在有多年生牧草、坡度緩和的土壤表面，其滲透性比較低，地表以沿著土壤緩慢流動的廢水為主，以此對廢水進行有效的處理和凈化。地表漫流處理系統除了對廢水進行處理，還可以促進牧草生長。由于該系統的出水主要是通過地表徑流進行收集，所以不會對地下水產生影響。在地表漫流系統運行過程中，有一部分水量會因為受到蒸發和滲漏影響而損失。通常，地表漫流系統的最主要優點是可以在分散的居住地區應用，且對有機廢水的預處理要求也比較低，但能有效提高生活污水和季節性排水的處理效果。一般情況下，地表漫流處理系統完成的廢水處理標準能達到二級或者比二級更高的水質，投資成本也相對較低，在后期的管理過程中，整個運行維護比較簡單方便。

此外，在該工藝應用中，地表還可以種植經濟作物，同時，還可以對出水進行有效回收利用，從而提高了水資源的利用效率。在污水土地處理工藝應用過程中，地表漫流系統對土壤自身的滲透性要求也比較低。但需要注意的是，地表漫流系統在應用中對農作物的需水量、地表坡度和氣候的要求相對較高，如果在冰點以下或者雨季來臨會直接影響該系統的應用效果，且植物的需水量在一定程度上也會對整個處理系統的水力負荷產生影響[3]。同時，還要考慮到出水再排入水體之前的消毒問題。

2.2 污水土地處理系統處理有機廢水的可行性

在上世紀80年代后期，已經有國家利用污水土地處理工藝完成有對機廢水的處理，在最初的使用過程中，主要是利用水平潛流人工濕地完成對高濃度有機廢水的處理，水力負荷保持在6～8.2 cm/d，有機負荷為100～150 kg BOD/（hm2·d），BOD平均去除率為89%，COD去除率為92%，由此可以看出，該系統對有機廢水的凈化效果比較良好。當前，我國在一些蘆葦濕地示范工程中對工業廢水進行處理時，就是應用污水土地處理工藝，該工藝的處理能力可達到500 m2/d，水力負荷為50 mm/d，BOD的有效去除率可達到86%，SS的有效去除率為94%，污水凈化能力比較良好。但人工濕地系統在應用過程中存在的主要問題是水力負荷較低，并且占用的土地面積也較大。同時，在該系統的運行過程中會出現一些異味。此外，對水量、植物等的要求也比較高。從20世紀90年代開始，我國一些區域在污水處理過程中已經開始應用快速滲流系統，水力負荷為5～33 cm/d，有機負荷為150～1 000 kgBOD/（hm2·d），比人工濕地系統更高，而且快速滲濾系統的占地面積較少，受水量和植物因素的影響也相對較低[4]。

3 污水土地處理工藝的應用核心

3.1 生物填料的選擇

在污水土地處理技術的應用過程中，需加強生物填料的選擇工作。通常，生物填料的種類和分類方法較多，所以，在具體的選擇過程中需要對填料的材質進行準確了解。目前，生物填料的材質主要包括無機類填料和有機類填料兩種。

（1）第一，無機類填料主要是以無機材料組成，其在生物膜技術的不同階段都有至關重要的應用價值。在最早的污水處理過程中，無機填料已經應用在生物接觸氧化池中，主要是以碎石和爐渣為主。目前，在無機生物填料工藝的實際應用過程中，其主要環節包括曝氣生物濾池、生物陶粒、火山巖、人工濕地中的礫石等。隨著生物膜技術的快速發展，比較常用的無機類填料主要是以陶瓷材料、礦渣、活性炭、陶粒等為主，這些無機類填料都具有比較穩定的物理性能和化學性能，并且有良好的機械強度，在污水處理工藝的應用過程中也比較普遍。但由于無機類填料的自重比較大，所以大多數材料并不適合在硫化碳中應用，并且在懸浮型材料生物膜反應器中，無機類填料的應用也會受到一定限制。第二，有機類填料。隨著聚合物加工技術水平的不斷提升，聚合物材料的種類也越來越多，并且功能也越來越強。在研究時，可根據生物需求進行分類，也可以按照不同反應器的特點將有機填料加工成不同的形狀，以確保其能夠滿足工藝運行需求。目前，比較常見的有機類材料包括塑料、玻璃鋼等硬性材料、波紋板狀硬性材料；此外，尼龍、腈綸、滌綸等化學纖維軟性填料也屬于有機類填料。這些填料的應用優勢是強度和比重都比較突出，因此，在生物膜的處理工藝中應用比較普遍，在污水處理方面也具有良好的應用效果，而且有一部分有機類填料還可以實現商品化。

（2）在對生物填料進行選擇的過程中，不僅要保證合理選擇生物填料，還要綜合考慮污水土地處理系統在運行過程中所需的土壤成分和條件。土壤是污水土地處理系統的主要組成部分，但天然土壤的處理規模和處理質量無法滿足當前的有機廢水處理需求，且在處理過程中很容易出現堵塞、有機負荷比較低等問題。為了有效解決這些問題，需科學選擇生物填料，以改善天然土壤的物理性能與化學性能。在生物填料選擇過程中，還需要對影響處理工藝的各種因素進行充分考慮，從而確保選擇的生物填料能滿足污水土地處理工藝的實際需求。在具體的選擇過程中，需要從以下方面進行分析：

第一，材質。材質是填料的主要特性之一，一般情況下，生物填料要有較高的化學穩定性，因此，是以惰性物質為主，且不會影響微生物的生長、無毒害。最早的污水處理工藝在運行中的填料為碎石，但目前大多數工藝采用的填料都為輕質填料。除此之外，不僅要保證填料的穩定性，防止填料破碎，還要提高填料的耐久性和耐腐蝕性。

第二，粒度。在對生物填料進行選擇時，必須對其粒度進行充分考慮。粒徑范圍一般是0.2～60 mm，粒徑相對較小，可保證填料較大的比表面積。但是粒徑過小就有可能會出現堵塞問題，尤其是對于高濃度的污水。因此，在具體的選擇過程中，材料的粒徑要在20 mm以上。

第三，需要對材料表面狀況進行充分考慮。經過研究，填料表面的粗糙度會直接影響細菌的粘附速率，所以多孔且比較粗糙的表面有利于提高生物膜的附著效果。經過對不同的生物材料進行對比，發現排水瓦管粘土的表面較為粗糙，反應啟動相對較快，運行過程也比較穩定。

第四，孔隙率因素。一般情況下，厭氧細菌在填料的孔隙內生長，表面生長的膜僅為1/4左右，最多不會超過1/2。因此，在選擇生物填料時，需要對填料的孔隙率進行充分考慮。這是因為孔隙率越高，在水量環境相同的情況下，污水停留時間就更長，可有效提高反應溶質的利用率。并且，高孔隙率還可以防止生物填料堵塞，但孔隙率過高就有可能會導致水夾帶的懸浮物增加。

第五，價格。污水土地處理系統在應用過程中必須要考慮到實際的經濟效益。所以，生物材料的價格也是在生物材料選擇過程中必須要考慮的重要因素。生物材料是污水處理系統中的主要組成部分，其應用成本會對系統的總造價產生直接影響。由于污水土地處理系統的重要特點是基建和運行費用比較低，因此，在生物填料選擇過程中，也要在確保填料能滿足工藝運行需求的基礎上，對其價格進行嚴格控制。

當前，有機類生物填料的相關技術越來越成熟，在生物膜領域，有機類生物填料也發揮著至關重要的作用，但在污水土地處理系統的應用過程中，有機類生物材料的應用成本比較高，且生物填料的耐腐蝕能力相對較低，所以在污水處理系統運行的過程中，內部厭氧反應會形成有機酸，從而會直接影響有機填料的穩定性和綜合性能。同時，一些有機類填料在應用過程中還會出現變形問題，一般是在懸浮型載體生物膜反應系統中應用，不適合在覆蓋土層的污水土地處理系統中應用。而無機類生物填料成本比較低，每立方米的價格在50元以下，因此，可以直接將建筑廢料作為填料，主要是來源比較廣泛穩定，并且無機生物材料的物理性能和化學性能更加穩定，具有較強的抗壓能力。所以，在應用污水土地處理工藝處理有機廢水時，選擇無機生物填料具有更高的經濟效益。

3.2 污水土地處理工藝流程

（1）在有機廢水的處理過程中，涉及的污水土地處理工藝流程主要是利用生物陶粒和碎石兩種無機類生物填料進行廢水凈化。生物陶粒的粒徑大約為5 mm左右，平均密度為1 500 kg/m3，比表面積為4.99 cm2/g。在初次浸泡之后，生物陶粒的pH值為7.5，在裝置應用過程中是以PVC材質為主制作成圓柱反應器，每一個單元直徑和高度分為0.5 m、1.2 m，在選擇內部填料時，其有效高度為0.6 m左右，但需要注意的是，在填充完生物填料后，要在表面覆蓋0.27 m左右的土壤[5]。

（2）在試驗裝置運行過程中可以加強裝置保溫，并需要配置對應的進水桶，還要在內部配置人工污水系統，其中，恒流泵的主要作用是對進水流量有效控制。為了確保生物材料能有效發揮作用，防止出現斷流問題，在實驗過程中是以自下而上連續進水方式為主，當污水從反應器的底部進入后，會通過下部穿孔板使污水向上流動，穿孔板上層鋪設碎石厚度大約為15 cm左右，粒徑保持在2～4 cm，以確保污水能均勻地分布在反應器橫截面上，這樣既能截留比較大的懸浮物，還可以防止生物填料堵塞。在出水環節，可利用UPVC材質完成穿孔管制作，設置兩排交錯布置的小孔，孔徑為6 mm，間距為2 cm。在試驗過程中主要包括啟動階段和正式運行階段，每一個階段都需要完成取樣，并進行測定。還需要完成進水與出水的溫度、pH值、COD、BOD濃度測定工作，從而分析溫度、pH值、水力停留時間、容積負荷以及進水水質等是否會對生物材料的去除效果產生影響，且在試驗過程中配備的人工污水COD為1 500 mg/Lcod。同時，在實驗中還要根據實驗要求對人工污水的濃度進行相應調整。

3.3 控制影響因素

為了對污水土地處理技術的應用效果進行科學把握，需要對污水處理過程中的影響因素進行嚴格控制。

3.3.1 對水力停留時間進行控制

在污水土地處理工藝應用的過程中，水力停留時間越長，水力負荷越小，COD的容積負荷也隨之降低，系統對有機物的去除效果也會不斷提高。同時，該系統在運行過程中，有機物的去除率受不同水力停留時間的影響相對較小，所以，有機物的去除率比較穩定。當水溫為19～23 ℃時，陶粒填料和碎石填料出水的COD、BOD含量在72 h、144 h、288 h不同水力停留時間下都能滿足污水排放標準，而水力停留時間保持在288 h時，陶粒和碎石單元的出水效果比較好，陶粒填料中COD去除效率為83.0%，碎石中的COD去除效率為82.2%，而陶粒和碎石的BOD去除效率分別為82.5%和81.8%。

3.3.2 對pH值進行嚴格控制

（1）如果在進水中不添加堿性物質，陶粒和碎石單元內的pH值會保持在6.1～6.4左右，出水的COD、BOD就無法滿足《污水排入城鎮下水道水質標準》（GB/T 31962-2015）的要求，且陶粒和碎石填料的COD去除率分別為27.6%和32.5%，BOD的平均去除率分別為28.9%和33.5%。如果在進水中添加堿性物質，按照 200 mg/mL的用量添加，陶粒和碎石的pH值分別可達到6.9～7.4左右，出水的COD和BOD都能夠滿足廢水排放標準，而陶粒和碎石填料的COD平均去除率能達到76.2%和72.2%，BOD的平均去除率能達到76.8%和75.4%。

（2）在進水濃度的測定過程中，如果有機物濃度比較高，就會影響反應器的有機容積負荷，其在水解酸化過程中反應速率也更高，而厭氧消耗會使酸堿平衡機制受到影響，導致有機酸不斷積累，從而會影響甲烷菌的活性，且最終影響整個污水凈化系統的凈化效果。所以，在污水內需要添加堿性物質，這樣就可以對反應器的pH值進行調節，以確保甲烷菌的活性，從而提高污水土地處理系統的綜合處理效果[6]。

4 結語

總而言之，在污水土地處理系統的應用過程中，需要對生物填料進行科學選擇。而在應用過程中，主要是通過生物填料和附著生物的過濾、吸附和吸收作用，來完成有機廢水的處理工作。同時，在應用污水土地處理工藝時，需充分發揮出土壤的積極作用，以保證除臭和保溫質量；還可以通過蔬菜種植、農作物種植或觀賞植物種植等提高土地資源的綜合利用效益，從而保證該處理工藝的經濟效益。在實際應用中，由于污水土地處理系統的綜合運行成本較低，后期管理工作也比較方便簡單，所以，該系統的經濟效益和生態效益俱佳，將是未來有機廢水的主要處理技術。