高负荷渗滤处理技术

高负荷地下渗滤污水处理技术
一、工艺介绍
1.1技术简介
高负荷地下渗滤是一种国际领先的污水生态处理技术，具有占地面积小且地表可二次利用（公园、绿地、停车等）、投资小、运行费用很低、维护管理简便、运行稳定、无人值守、无二次污染、受气候条件影响很小等优点，适用于城镇小区、农村、休闲度假村等各类人群聚居地生活污水的分散处理和回用。

1.2工艺原理
地下渗滤其基本方法是将污水通过埋在地下的散水管散布到一定面积的人工土中，污水从上部包气带向下渗滤的同时，其中的污染物在土壤中通过截留、吸附及微生物分解和转化而去除，渗滤系统之上的土地可用作绿地、旱地、停车场等。

将地下湿地与高负荷地下渗滤技术相结合，其日处理1吨污水占地地面积小于2㎡，而且永不堵塞。

这不仅大大增加了其适用范围，而且大大降低了建设成本。

整个系统为地埋式，污水处理系统之上的土地可规划为绿地、旱地、停车场、休闲运动场地等。

地下湿地与地下渗滤单元是处理系统的核心，以好氧为主，仅仅在进水时出现厌氧环境，
其出水的COD、BOD、TSS、氨氮等指标均达到城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）一级A类标准限值。

1.3主要优点
高负荷地下渗滤污水处理技术的主要技术优点：占地小且不需要专用土地、投资小、运行成本很低、维护管理简便、处理效果好、运行稳定、无二次污染、可以在冬季低温条件下正常运行、使用灵活。

克服了生化处理技术（接触氧化、SBR等）运行费用高且维护管理复杂的缺点；克服了传统地下渗滤技术和人工湿地技术占地面积很大的缺点；克服了人工湿地运行受气候条件限制且容易滋生蚊虫的缺点。

我国土地资源珍贵，经济欠发达，缺少污水分散处理设施运行保障机制，气候条件变化大，为了保障污水分散处理设施的建设和正常运行，该技术在大多数情况下具有不可替代性。

优点明细：
1、占地小且不需要专用土地：高负荷地下渗滤系统采用地埋式安装，总系统占地约2.5㎡/吨/天，地表在系统安装完毕后可进行二次开发、利用，切实履行了我们“还田于民、换地于村”的承诺，适应了我国土地资源紧缺的基本国情。

2、投资小：高负荷地下渗滤系统的投资建设成本远低于各类生化处理技术，仅为我国生态处理技术建设成本的平均水平。

3、运行成本很低：高负荷地下渗滤为微动力处理系统，无大功率耗电设备，标准化单元（100/吨/天）每日仅耗电7度（按设备额定功率计算），年运行费用约1700-1800元。

4、维护管理简便：系统日常运转由全自动控制系统自行调节，无需任何人为操作。

系统维护项目仅涉及格栅垃圾的定期清理一项。

5、处理效果好：出水清澈无味，TSS、COD、BOD、氨氮、总氮、粪大肠杆菌低于国家城镇污水处理厂一级A类排放标准
（GB18918-2002）限值（或去除率超过90%），总磷去除率为80-95%。

污水处理后可直接作为绿化、景观用水，养殖用水和灌溉用水。

6、运行稳定：高负荷地下渗滤系统不仅是简单的设备拼凑，中科院研发人员通过系统的结构优化调整，使得该系统具有多环节自检系统、反馈机制和自我调节功能。

高负荷地下渗滤中试系统已良好运转近7年。

7、无二次污染：高负荷地下渗滤系统建立了“一站式”处理体系，污水自进入该系统后不再产生任何可能造成二次污染的副产物。

8、可以在冬季低温条件下正常运行：高负荷地下渗滤系统可以通过节能供氧体系调节渗滤田中的温度，从而使得系统在冬季中高效运转。

9、使用灵活：高负荷地下渗滤系统采用模块化设计理念，工程规模的大小从数十吨/日至数千吨/日不等。

1.4技术可靠性分析
（1）技术工艺的先进性
地下渗滤系统在国外的广泛应用有几十年的历史，在本技术方案中，污水经过隔油沉淀预处理后进入水量调节池，通过泵提间歇性地进入散水管，并通过散水孔进入地下湿地与地下渗滤单元。

地下湿地与地下渗滤单元，其中的人工土含有特殊的填料组分，以控制污染物的迁移和微生物群落分带，此外，通过加入特定功能的高效微生物菌剂，以提高出水水质。

（2）试验系统运行情况和研究结果
2005年6月在中科院广州地球化学研究所生活小区建成了一个试验系统，其渗滤面积为20m2，污水处理量约8吨/天，系统出水TSS、COD、BOD、氨氮、总磷等指标低于国家城镇污水处理厂一级A类排放标准（GB18918-2002）限值，系统运行3年多，稳定
正常。

2008年7月，对该试验系统进行了局部分层剥离开挖，即使在散水孔周围也未发现有机物累积发黑的现象，表明在所运行的污水负荷条件下，系统不会堵塞。

与2005年的技术相比，现有技术的防堵性能更强，其污染物负荷能力提高70%以上。

（3）高负荷地下渗滤系统污染物负荷能力估算
理论上，如果达到污泥平衡时渗滤系统没有被堵塞，则该系统永远不会因有机物的累积而堵塞。

通过可控条件下的模拟实验结果拟合出上述方程中的有关参数，并对各主要参数进行了模型敏感性分析。

结果表明，当污水的COD为250-300mg/l,悬浮有机物的浓度为80mg/l，渗滤系统的污水负荷能力可以达到每平方米1.1吨/天（超强系统可达到1.4吨/天），而永久不被堵塞。

本技术除地下渗滤外，还附加了地下深度处理功能，可以使系统的污染物负荷能力进一步提高，而我们在工程应用中的污水负荷不超过理论负荷能力的50%，因此可以保障系统永不堵塞。

1.5主要优点和技术经济指标
（1）不需要专用土地：整个系统为地埋式，地表可用作绿地、旱地、停车场、休闲运动场地等。

（2）一次性投资较少：对于处理能力超过50吨/天的系统，吨污水的建设投资1500-1800元。

若无需进行深度脱氮除磷处理，建设成本还可再降约15%。

（3）运行费用低：吨污水处理成本0.06-0.08元。

（4）操作维护简便易行：无复杂设备，几乎不需要日常管理。

（5）处理效果好，运行稳定：渗滤田出水TSS、COD、BOD、氨氮、总氮低于国家城镇污水处理厂一级A类排放标准
（GB18918-2002）限值（或去除率超过90%），总磷去除率为60-95%。

（6）不危害周围环境和景观，无二次污染。

（7）受气候条件影响小：在北方、冬季均可正常运行。

（8）占地较少：总系统占地2.0-2.5 m2/吨（地表可绿化或硬化）；
（9）使用灵活：单个系统的日处理能力从数吨至数千吨。

与常规污水处理厂相比（一级A类排放标准），采用本技术每处理1万吨污水可节约1万元，节约电力6000度以上，且不排
放污泥，中水便于回用。

因此具有经济、环保、节能、节水等多重功效。

二、工程实例设计
2.1 污水水量及设计规模
架河街道居民生活污水排放量较大，大部分的居民生活污水（包括饭店污水、菜市场污水）排入自然排放沟，流入下游。

目前，架河街道最大的环境问题就是来自于居民的生活污水收集、处理问题。

根据我院现场踏勘并结合镇政府所提供资料进行分析，架河街道近期日排放污水约300m3/d。

考虑架河街道的发展，污水处理设施规模适当预留，最终业主确定污水处理设施设计规模为400m3/d。

污水总变化系数KT=2.3。

2.2 进出水水质
2.2.1进水水质
根据相关环保部门及同类型污水的参数,进水水质取值如表2-1：
表2-1 进水水质表单位：mg/l
2.2.2出水水质
污水经处理后出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中一级标准B标准，具体参数如表2-2：
表2-2 出水水质表单位：mg/l
2.3处理程度
根据预测的进水水质和所要达到的出水水质，污水处理厂各主要污染物去除率见表2-3。

表2-3 污水处理程度
2..4污水处理工艺方案选择
2.4.1方案设计原则
①总体规划、合理实施、更好地发挥投资效益。

②污水处理工艺选择的原则：充分考虑乡镇排水水质、水量变化较大，排放不均衡的特点及受纳水体的环境容量与利用情况，通过技术经济比较决定优先采用易于操作管理维护方便、低能耗、少占地的成熟处理工艺。

③积极慎重地采用经实践证明是行之有效的新技术、新工艺、新材料和新设备。

④污水处理厂出水水质应满足国家和地方现行的有关标准、法规。

⑤污水处理厂总平面布置应紧凑合理，力争土方平衡，减少占地和投资费用。

2.4.2 污水处理工艺方案选择
根据污水处理厂预测进水水质以及所要达到的出水水质的要求，架河乡生活污水处理示范工程污水经处理后其主要污染物去除率必须达到：CODcr≥80.0%
BOD5≥86.7%
SS≥90.0%
NH3-N≥80.0%（62.5%）
TP≥75.0%
2.4.3预处理工艺
在本工程中，除采用常规的生活污水处理工艺流程中所具有的格栅、沉砂池等，还应综合考虑进水水量、水质波动对装置处理性能的影响，在污水处理工艺中比常规城镇污水增设调节池。

由于本工程设计水量较小，设计水量仅为400m3/d，且多为生活污水，变化系数较大。

如果不设置调节池，则配置的污水提升水泵的能力须按照最大流量考虑。

然而在生活污水处理示范工程运行初始，水量可能还无法达到设计规模，配置大流量水泵的易引起水泵的频繁开停，容易造成设备的永久性损害，甚至无法正常运行。

同时，水泵的频繁开停会造成
污水处理装置处理负荷的不均匀。

本工程污水中含有部分工业污水，污水水质时有波动，也会造成污水处装置处理负荷的不均匀。

虽然设置调节池会引起单项工程造价增加，但是后续的水泵等设备按照平均流量来考虑，可减少设备投资，降低能耗，均衡污水处理装置的处理负荷，更有利于日后装置的平稳运行。

2.4.4生化处理工艺
选择何种生化处理工艺是本生活污水处理示范工程设计的关键。

处理工艺选择是否合适不仅关系到本生活污水处理示范工程的处理效果，而且还影响工程的投资、运行稳定性、运行费用和管理等方面。

因此，必须根据国情和工程的实际情况，对生化处理工艺进行慎重选择，以获得最佳处理效果。

本工程主要是去除BOD5、CODcr、SS等污染物外，还有脱氮及除磷要求。

要实现上述目的，仅采用常规的或强化的活性污泥处理工艺难以达到所需的去除效率及对出水水质的要求。

因此，本工程所采用的污水处理工艺除应具有去除有机污染物和悬浮固体的效果外，还必须具有脱氮及除磷的功能。

随着科学技术的进步和农村及中小城镇污水处理厂实际运行经验的积累，人们对传统生物法进行了不断革新，出现了多个改进的新工艺，如氧化沟、AB法、A/O法、A2/O法、BIOLAK工艺、UNITANK工艺、SBR工艺、CASS工艺、人工湿地、高负荷深绿田工艺等。

近年来，随着水体富营养化的加剧，对氮、磷等污染指标的严格控制显得日益重要，脱氮、除磷效果的好坏已成为确定污水处理厂工艺时需要考虑的
重要因素之一，对于农村及小城镇污水处理来说，运行稳定、易于维护、投资省、运行费用低是工艺选择的优先考虑因素。

在众多的污水处理工艺中，常用于农村及中小城镇污水处理厂具有除磷脱氮功能的有组合BAF法、人工湿地法、高负荷渗滤田工艺等。

（1）组合BAF法
BAF即曝气生物滤池。

它是生物膜法的一种。

微生物附着在载体表面生长而形成膜状，当污水经载体表面和生物膜接触的过程中，污水中的有机污染物即被微生物吸附、稳定，最终转化为H2O、CO2、NH3和微生物细胞物质，使污水得到净化。

曝气生物滤池是一种高效生物反应器，该技术已在国内多项工程中得到成功的应用。

活性滤料曝气生物滤池的最大特点是使用了一种新型粒状滤料，在其表面生长有生物膜，污水自下向上流过滤料，池底则提供曝气，使废水中的有机物得到吸附、截留与生物分解。

曝气生物滤池的BOD5容积负荷可达到5～6KgBOD/m3·d，是常规活性污泥法或接触氧化法的6～12倍。

它的池容和占地面积小。

由于曝气生物滤池对SS的生物截留作用，使出水中的活性污泥很少，故不需要设置二沉池和污泥回流泵房，处理流程简化。

曝气生物滤池内粒状填料使得充氧效率提高，可节省能源消耗。

抗冲击负荷能力很强，没有污泥膨胀问题，微生物也不会流失，能保持池内较高的微生物浓度，日常运行管理简单，处理效果稳定。

曝气生物滤池能够进行短程硝化反硝化脱氮的原理在于其独特的结构特征和运行方式。

陶粒填料为异养菌、自养菌和反硝化细菌分别占据不同生态位、形成合理的微环境体系提供了有效的载体，较低
的曝气量和定期反冲洗又使得竞争能力较弱的N02-N氧化细菌不能在反应器内形成优势群体而被自然淘汰，因而氨氧化产生的N02-N可直接被反硝化去除。

在曝气生物滤池基础上进行改进，通过将水解反应池、缺氧反应池与BAF池进行有机组合，形成厌氧、缺氧、好氧段，强化脱氮（总氮）功能。

曝气生物滤池主要进行硝化反应，实现对氨氮的去除，曝气生物滤池出水回流入缺氧池，利用进水中的碳源进行反硝化，并通过厌氧池实现高效去除污水中有机物及除磷脱氮目的。

曝气生物滤池工艺有如下优点：
●占地面积少，厂区布置紧凑。

●处理出水水质好，可满足回用要求。

多级串联工艺具有硝化及脱氮作用。

●氧传递效率高，动力消耗低，据试验统计，其需氧量约为
0.42～0.8kgO2/kgBOD5，因此处理单元污水电耗低，运行费比常规处理低1/5。

●过滤速度高，处理负荷大大高于常规处理工艺。

●可建成封闭式厂房，减少臭气、噪声对周围环境的影响，视觉
景观好。

●全部模块化结构，便于进行后期的改扩建。

其主要缺点是：
●予处理进水悬浮物一般不得超过50～60mg/l。

●产泥量相对于活性污泥法稍大，一般可达0.9～
1.1kgDS/kgBOD5，污泥稳定性稍差。

●陶瓷滤料在运行中较易破碎，一般3-5年需更换一次，造成运行成本增大。

●滤池过滤水头损失较大，需进行反冲洗，反冲洗水需处理。

●对操作人员的素质要求较高。

（2）人工湿地工艺
人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥有控制的投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术。

其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的作用。

人工湿地是一个综合的生态系统，它应用生态系统中物种共生、物质循环再生原理，结构与功能协调原则，在促进废水中污染物质良性循环的前提下，充分发挥资源的生产潜力，防止环境的再污染，获得污水处理与资源化的最佳效益。

人工湿地的运行管理也比污水处理厂简单、便捷，因为人工湿地完全采取生物方法自行运转因此基本不需专人负责，只需定期清理格栅池、隔油池、每年收割一次水生植物即可。

人工湿地中起主要处理作用的还是微生物，不是土壤的过滤作用，所以湿地设计中应包括防止湿地填料堵塞问题、植物死亡问题和过冬问题。

人工湿地服务年限一般按照10-15年计算，也就是说设计比较完善的湿地系统15年以后才需要清理填料床，达到服务年限的人工湿地系统在清理填料床后，即可重新投入使用。

另外，人工湿地的建设周期短，建设一座传统污
水处理厂和完成相关管道的铺设往往需要一年以上，而人工湿地的平均建设周期在3个月以内，因此建设人工湿地见效更快。

在人口密度较低、污染排放较少的农村地区，“人工湿地”生活污水处理设施有很多优点，该处理设施充分利用农户住房周边的地形特点，因地制宜、实施简单，可造在住宅旁的空地上，也可利用水塘以及公园的景观池改造；规模可大可小，可以二三十户家庭共用一块，也可以一户人家造一块；投资少，维护方便，且占地面积小，配合种植水生植物，还可达到美化景观的效果。

人工湿地污水处理系统是一个综合的生态系统，具有如下优点:
①建造和运行费用便宜
②易于维护,技术含量低
③可进行有效可靠的废水处理
④可缓冲对水力和污染负荷的冲击
⑤可提供和间接提供效益,如水产、畜产、造纸原料、建材、绿化、野生动物栖息、娱乐和教育。

人工湿地的缺点：
①占地面积大，根据进水水质及出水要求不同，日处理1m3污水占地面积在10～50m2不等；
②易受病虫害影响；
③生物和水力复杂性加大了对其处理机制、工艺动力学和影响因素的认识理解，设计运行参数不精确，因此常由于设计不当使出水达不到设计要求或不能达标排放，有的人工湿地反而成了污染源；
④当上下表面植物密度增大时, 人工湿地系统处理效率提高,在
达到其最优效率时,需2～3个生长周期，所以需建成几年后才达到完全稳定的运行。

因此，目前人工湿地技术最大问题在于缺乏长期运行系统的详细资料。

（3）高负荷渗滤田工艺
高负荷渗滤田是北美和欧洲生活污水现场处理的首选技术，在日本等国也有较多的应用。

其基本方法是将污水通过埋在地下的散水管散布到一定面积的人工土中，污水从上部包气带向下渗滤的同时，其中的污染物在土壤中通过截留、吸附及微生物分解和转化而去除，渗滤系统之上的土地可用作绿地、旱地、停车场等。

占地地面积小于2m2，而且永不堵塞。

这不仅大大增加了其适用范围，而且大大降低了建设成本。

整个系统为地埋式，污水处理系统之上的土地可规划为绿地、旱地、停车场、休闲运动场地等。

地下湿地与地下渗滤单元是处理系统的核心，以好氧为主，仅仅在进水时出现厌氧环境，其出水的CODcr、BOD5、TSS、氨氮等指标均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B类标准限值。

高负荷渗滤田污水处理技术的主要技术优点：占地小且不需要专用土地、投资小、运行成本很低、维护管理简便、处理效果好、运行稳定、无二次污染、可以在冬季低温条件下正常运行、使用灵活。

克服了生化处理技术（接触氧化、SBR等）运行费用高且维护管理复杂的缺点；克服了传统地下渗滤技术和人工湿地技术占地面积很大的缺点；克服了人工湿地运行受气候条件限制且容易滋生蚊虫的缺点。

我国土地资源珍贵、经济欠发达、缺少污水分散处理设施的运行保障机制、气候条件变化大，为了保障污水分散处理设施的建设和正常运
行，高负荷渗滤田工艺在大多数情况下具有不可替代性。

地下高负荷渗滤系统在国外的广泛应用有几十年的历史，大量的研究和实践表明，颗粒有机物的超量积累导致系统堵塞是限制其污水负荷能力的主要原因，然而，近年来的研究显示，在污水负荷较大的情况下传统系统的处理效果也不理想。

我们通过资料调研、理论分析和实验研究，查明了导致系统堵塞和影响污水处理效果的主要原因，并提出了多种解决方案。

对技术方案进行了筛选和多次改进，同时对系统的运行模式进行了优化。

在本技术方案中，污水经过隔油沉淀预处理后进入水量调节池，通过泵提间歇性地进入散水管，并通过散水孔进入地下湿地与地下渗滤单元。

其中的人工土含有特殊的填料组分，以控制污染物的迁移和微生物群落分带，此外，通过加入特定功能的高效微生物菌剂，以提高出水水质。

进入地下湿地与地下渗滤单元的污水，一部分在重力作用下渗滤穿透散水层之下的防堵填料往下运移；来不及渗滤的污水则在散水层填料中侧向流动，并通过连通散水层与通风层的砾石进入下防堵层。

污水在散水层填料中侧向流动的同时，其中的悬浮颗粒有机物被不同粒径的填料拦截，并且不断被填料表面的微生物膜分解和转化，使系统具有地下湿地的污水净化功能。

由于连通散水层与通风层的砾石相当于二次散水通道，对下防堵层散水，从而使污染物（尤其是颗粒物）负荷高度分散，大大提高了系统的防堵能力。

残留的污染物被下部的精滤层填料拦截并且被微生物分解和转化，使污水得到净化。

经处理后的中水在渗滤田底部汇入集水沟，并且通过集水排水管排放或进入清水池回用。

舒城县五显镇污水处理示范工程（渗滤田工艺）
渗滤田工艺处理生活污水实例示意图
2.5 工艺方案的技术经济比较
为了便于从上述三个工艺方案中选出最佳方案，分别对其进行了详细的工艺计算、投资计算和成本分析等，其结果见下表。

主要技术经济指标比较表
序号费用名称单位组合BAF工艺人工湿地工艺高负荷渗滤田工艺
1 工程总投资※万元182.87 174.27 130.44
2 年运行费万元7.792 4.46 0.864
3 单位基建投资元/m34571.75 4356.75 3261
4 单位运行成本元/m30.68 0.31 0.05（0.08）
5 单位耗电度/m30.39 0.24 0.08（0.16）
6 单位占地m2/m30.98 18.0 1.5
7 受气候影响较小较大很小
8 二次污染有有无
9 运行管理维护较复杂维护较复杂维护简单
※工程总投资中不包含勘察、设计费等项目前期工作费用。

2.6 工艺方案的确定
综上所述，结合架河乡生活污水处理示范工程的工程规模、设计水质及处理构筑物为地下设置的要求等诸多因素，架河乡生活污水处理示范工程采用高负荷渗滤田工艺是适宜的。

其处理工艺流程框图详见图3-2。

生活污水
图3-2 高负荷渗滤田处理工艺流程图
原污水经管网收集后进入污水处理站区，污水首先经过格栅格网去除塑料袋、布条等垃圾杂物后进入隔油沉砂池。

厨房排放的一些油
类物质被隔于隔油沉砂池的表面，沙子等一些比重较大的颗粒物会沉淀于隔油沉砂池的底部。

隔油沉砂池的出水进入调节池，污水在调节池内进行水质水量的调节。

提升泵定时定量地将污水送入地下渗滤田，污水在渗滤田内通过散水管网平均分配于整个散水层，当污水在地下横向运移和向下渗滤的同时，污水中的污染物被填料拦截、吸附和被依靠附着于填料表面的微生物
分解和转化而去除。

为增加氧气供应量，定时定量地对地下渗滤田进行有效充氧。

地下渗滤单元的出水主要各项指标都已达标，其出水进入放流槽，经放流槽完全达标排放。

格栅格网拦截下的塑料袋、布条等垃圾杂物由人工定时打捞，隔油沉砂池的浮油及沉淀物也由人工定时打捞，打捞物同生活垃圾一起送入垃圾处理场处理。

2.7各单元预计处理效率。