污水快速渗滤土地处理研究进展

污水快速渗滤土地处理研究进展

郭　伟

1,2

　李培军

1

(1.中国科学院沈阳应用生态研究所,沈阳110015;2.沈阳农业大学生态系,沈阳110161)

摘　要　针对RI 系统的污染物去除机制、运行方式、系统恢复以及实践应用等方面的研究进展作一综述。RI 技术的

应用有着广阔的前景,必将促进我国环境保护与生态建设的发展。

关键词　污水　快速渗滤　土地处理

Research advances on rapid infiltration land treatment system for wastewater

Guo Wei 1,2　Li Peijun 1

(1.Institute of Applied Ecology ,Chines e Academy of Sciences ,Shenyang 110015;2.Depart ment of Ecol ogy ,Shenyang Agricultural Univers ity ,Shenyang 110161)

A bstract Research advances in RI system were summarized ,such as contamination r emoval mechanism ,opera -tion r egime ,system restoration ,practice and so on .Application of RI technology has a prosper ous future ,and will ac -celerate the environmental protection and ec ological construction .

Key words wastewater ;rapid infiltration ;land tr eatment 资助项目:国家高技术研究发展计划“863”资助项目(2002AA -601022);中国科学院重大知识创新项目(K ZCX2-SW -416)

收稿日期:2003-07-19;修订日期:2003-09-21

作者简介:郭伟(1973～),男,博士研究生,讲师,主要研究方向:污染

生态学。E -mail :guo wei _233@

20世纪70年代,由于人口、资源、能源和环境的挑战给土地处理技术带来新的机遇,污水土地处理已经发展成为可替代二级处理,甚至三级深度处理的重要污水处理途径之一,例如美国把土地处理列为A /I 技术(即可供选择的革新技术)[1]

。尤其对于经济欠发达而水源不足的地区,以污水土地处理系统为基础开辟一条城市污水资源化的途径,是十分符合当代发展要求的。

快速渗滤土地处理系统[1～3](rapid infiltration land treatment system ,简称RI -LTS 或RI )是污水土地处理系统的三大类型之一,将污水有控制地投配到具有良好渗滤性能的土壤表面,污水在向下渗透过

程中由于生物氧化、硝化、反硝化、过滤、沉淀、氧化和还原等一系列作用而得到净化的一种污水土地处理工艺类型。RI 系统因为包括包气带(非饱和带)和非包气带(饱和带),所以也称为土壤含水层处理系统(soil -aquifer treatment system ,SAT )[4,5],这种观点

认为污水中的污染物除了经过非饱和带中的物理、化学、生物作用以外,还要受到土壤含水层的分散、稀释等作用共同完成净化。

RI 系统的工艺目标是处理和再利用污水。对RI 系统处理后的再生水的利用或最终的归宿如

下[3]:(1)地下水回灌;(2)回收渗滤水重新利用或排入其他水体;(3)渗滤水自然补给地下水;(4)渗滤水季节性地贮存于具有回收系统场地之下的含水层中,在作物生长季节用于农业灌溉。

RI 工艺的显著优势是可保证终年运行,即使在寒冷的北方地区也是如此。同时该系统运行成本低,一般为常规二级污水处理基本投资的30%～60%;而能耗为常规二级污水处理的1/4[6,7]。因此,快速渗滤土地处理系统或是土壤含水层处理系统具有广阔的应用空间。

1　RI 系统对常规污染物的去除机制及效果

1.1　对C OD 、BOD 的去除RI 系统对C OD 、BOD 都有较高的去除率,美国的典型RI 系统渗滤出水水质与慢速渗滤工艺的效果相当,BOD 5达到0～8mg /L 。经验表明,经过良好驯化

第5卷第8期环境污染治理技术与设备

Vol .5,No .82004年8月Techniques and Equipment for Environ mental Pollution Control Aug .2004

的RI系统可接纳C OD为1.12×104kg/ha·d,B OD5为145～1000kg/ha·d的负荷[3]。Bouwer等[8]在RI系统中研究显示,二级处理出水经过3.3m的非饱和带的净化后,C OD、BOD的去除率几乎可达到100%。

RI系统对COD、B OD去除机制主要是通过挥发、吸附、化学转化与生物降解等作用[9,10]。对于RI系统中有机质来说主要是靠生物降解。截留在土壤中的有机物质使微生物繁殖,微生物又进一步吸附,形成由菌胶团和大量真菌菌丝组成的生物膜;在有机物被降解的同时,生物膜由于新陈代谢而不断更新,能长期地保持对污染物的去除作用[10,11]。微生物对COD降解主要是发生在系统停止布水的时期———干化期,以好氧微生物为主导,好氧降解比厌氧降解更为有效[12,13]。有研究表明,非生物机制(如土壤中物理作用的沉降和过滤;化学作用的吸附分解、沉淀、离子交换、氧化、还原及其他化学反应等)对COD的总去除率平均为55.1%,而单纯的机械截留可以去除48.9%;但这仅仅是截留在土层中,在干化期实际上通过非生物的矿化作用对COD的去除仅占10%左右,并且受到土壤的氧化还原条件的影响[14]。RI系统中土壤呼吸强度与土壤有机质呈明显的正相关关系(r=0.7680),说明C OD的分解与微生物的数量和种类有密切的关系;主要是细菌起到生物降解的作用。有研究表明[15],在污水投配前,细菌∶

真菌∶放线菌=2∶1.5∶1;系统经过灌1停2方式运转18个月以后,细菌∶真菌∶放线菌=3.5∶2∶

1,细菌所占比例明显增加。众多研究表明,RI系统中有机污染物的去除是生物与非生物共同作用的结果,土壤机械截留污水中有机质后,主要是依靠生物降解,只有小部分是吸附去除的。

1.2　对N、P的去除

城市污水中的N通常是以有机氮(40%)和氨或铵离子(60%)的形式存在,经过常规一级或二级处理以后,除部分氮被消化外,大部分都以氨态氮形式存在于污水中[1]。RI系统去除氮的主要机理是硝化-反硝化作用,在好氧条件下,氨氮被氧化成硝酸盐;在厌氧条件下,硝酸盐被转化为氮气,完成氮的去除。有研究表明[3]:一般硝化作用的最适温度为30～35℃,2～5℃则明显减慢,而在0℃几乎停止;在酸性条件下,硝化作用迅速下降,pH=4.5为硝化作用的极限;氮的去除也与土壤的渗滤速度有关,通常氮的去除率与土壤的渗滤速度呈反比。要得到较好的氮处理效果,必须降低系统的水力负荷。另外,土层中C/N比率对氮的去除也有重要的影响。Lance等[16]研究表明,具有较高C/N值的一级处理出水与具有较低C/N值的二级处理出水相比,在RI系统中前者处理的效果更好。在污水中的有机碳为反硝化作用提供能量,大约2mg/L总有机碳可供1mg/L氮硝化的能量之用。

由于土壤去除氮是一个十分复杂的过程,很难协调好好氧与厌氧环境的相互转换,因此,大多数RI系统对氮的去除率一般在50%～70%。只有针对氮去除而进行设计的系统,氮的去除率才能达到80%以上[8,17]。Suzuki等[18]利用土壤渗滤装置研究表明,RI系统对氨态氮的去除率为90%,而对TN的去除率仅为50%。

由于RI系统没有植物对P的吸收,磷没有气态形式,所以RI系统对磷的去除机理主要是土壤的物理、化学作用,也就是土壤本身对磷的容量。因此,磷要在土壤中运行较长的距离才能达到有效的去除。在RI系统中由于土层较薄,没有较长的迁移距离,同时RI系统又具有高水力负荷速率,因此对P 的处理效果不是很理想。有研究表明[3,8],在RI系统中的P去除率为40%～80%。但如果净化出水的目的是农业灌溉,N、P的去除效果还是可以满足要求的,此时的N、P就不是RI系统设计的限制性参数。

1.3　对病原微生物、悬浮物(SS)的去除

RI系统对SS的去除主要是借助于土壤的机械截留作用,在典型的城市污水中,大部分悬浮固体为可降解的有机物,所以在一般RI系统出水中SS的浓度小于10mg/L,除非污水中含有大量的难降解的SS[1,3]。Lance等[16]研究结果表明,对于一级、二级常规处理出水中的SS对于RI系统的渗透速率几乎没有任何影响。

在污水土地处理中所关注的病原微生物有细菌、寄生虫和病毒,它们通过过滤、吸附、干化、辐照、生物捕食以及暴露在不利条件下等方式去除。Pow-elson等[19]利用土柱模拟RI系统来净化二级处理出水的研究结果表明:(1)病毒迁移不受污水类型的影响;(2)病毒的去除在非饱和带比饱和带更有效;(3)在RI系统中的病毒的迁移的数量仅是所预测的一小部分。对于个体较大的病毒微生物表面过滤就可以去除,病原性细菌则通过土壤吸附和土壤表面的过滤作用去除;病毒则完全由土壤吸附作用去除。对于粪大肠杆菌,RI系统可以去除2～3个数量级,

2环境污染治理技术与设备第5卷