金亞若，萬紅友

(鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州450001)

淺析土壤滲濾技術(shù)在再生水處理中的應(yīng)用

金亞若，萬紅友

(鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州450001)

從再生水常用處理技術(shù)入手，重點介紹了土壤滲濾處理技術(shù)，并將土壤滲濾技術(shù)與其他處理技術(shù)進行比較，指出土壤滲濾技術(shù)的優(yōu)勢及存在的問題，對土壤滲濾技術(shù)在再生水處理中的應(yīng)用進行了展望。

土壤滲濾;再生水處理;應(yīng)用;綜述

水資源短缺和水污染加劇所構(gòu)成的水危機已經(jīng)成為目前最嚴峻的環(huán)境問題之一。水資源的匱乏現(xiàn)狀加快了世界各國研究再生水處理技術(shù)的進程，國際上已經(jīng)廣泛應(yīng)用各種再生水處理技術(shù)以緩解水危機，目前再生水的處理和回用在我國許多城市也已經(jīng)受到重視并加以應(yīng)用。再生水是指污(廢)水經(jīng)過處理設(shè)施深度處理后得到回用的水(包括污水處理廠經(jīng)二級處理后再進行深度處理的水)［1］。以城市污水處理廠的二級出水作為原水，經(jīng)過深度處理后，可供給工業(yè)用水、城市景觀用水、市政雜用水、農(nóng)業(yè)灌溉及回注地層，這將會成為缺水地區(qū)解決水資源短缺問題的有效途徑。再生水回用可實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，而且具有顯著的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益［2～3］。

隨著水環(huán)境危機的進一步發(fā)展，再生水傳統(tǒng)處理技術(shù)中存在的弊端已經(jīng)引起廣泛關(guān)注，這就意味著加快對新技術(shù)和新工藝的研發(fā)已經(jīng)成為世界各國面臨的重要任務(wù)。土壤滲濾技術(shù)是未來再生水處理技術(shù)革新發(fā)展中很有前景的方向之一，日本早在1970年左右就開始應(yīng)用土壤滲濾技術(shù)，而我國自20世紀90年代初也越來越多地關(guān)注土壤滲濾技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用研究［4］。本文對該技術(shù)在再生水處理中的應(yīng)用加以綜述。

1 再生水常用處理技術(shù)

目前，再生水處理技術(shù)中常用的有物理化學(xué)法、生物處理法和膜技術(shù)處理法等［5］。國內(nèi)外常用的主要是二級處理加上后續(xù)的混凝、沉淀、過濾和消毒處理，但是這些傳統(tǒng)的處理技術(shù)已經(jīng)無法滿足日益嚴格的再生水水質(zhì)要求，一些深度處理技術(shù)如活性炭吸附、離子交換、超濾、微濾、納濾、臭氧處理、紫外線消毒、反滲透等開始得到廣泛使用［6］。

我國自20世紀末開始研究土壤滲濾技術(shù)，近些年來在污水處理中已得到較多的應(yīng)用，但在再生水處理中的應(yīng)用還不夠廣泛。作為一種低能耗、低成本的污水土地處理技術(shù)，污水經(jīng)過處理后出水能夠達到《城鎮(zhèn)污水處理廠排放標準》(GB 18918－2002)的一級B標準，且出水水質(zhì)穩(wěn)定;各項研究表明，土壤滲濾技術(shù)能很好地應(yīng)用于再生水的處理回用中［7～9］。

1.1 技術(shù)類型

1.1.1 物化處理法

物理化學(xué)法(簡稱物化法)是利用物理和化學(xué)相結(jié)合的工藝，以達到處理污水的目的。再生水處理中常用的物化處理方法主要有混凝沉淀、過濾消毒、活性炭吸附、臭氧處理和紫外線消毒等［10］。賈仁勇等［11］通過研究氧化－微絮凝－高速過濾處理技術(shù)在再生水生產(chǎn)中的應(yīng)用表明:在最佳工藝條件下，再生水出水的濁度去除率為92.21%，COD的去除率可達到55.58%，完全符合再生水水質(zhì)要求。

當污水水質(zhì)變化較大時，物化處理法因其占地面積少、技術(shù)成熟先進和管理簡便等特點，應(yīng)用在再生水處理中較為合適［12］。

1.1.2 生物處理法

生物處理法是利用自然界存在的各種微生物，分解污水中的有機物進而轉(zhuǎn)化成無害物質(zhì)，使污水得到凈化。再生水處理中常用到的生物處理法有活性污泥法、接觸氧化法、生物轉(zhuǎn)盤等［13］。上述這幾種方法可以單獨使用，也可以與其他處理工藝組合使用［14］。

生物處理法具有能適應(yīng)較大的水力負荷變動、污泥產(chǎn)生量少、方便管理維護等優(yōu)點，適用于含有機污染物較多的污水處理［12］。

1.1.3 膜處理法

目前，國內(nèi)已運行的再生水廠較多選用的是傳統(tǒng)處理技術(shù)。伴隨著膜技術(shù)的日益成熟，膜處理法得到極大發(fā)展，國內(nèi)外許多再生水處理工藝已經(jīng)較多地采用其中的膜生物反應(yīng)器(MBR)工藝、超濾(UF)技術(shù)、微濾(MF)技術(shù)、納濾(NF)技術(shù)、反滲透技術(shù)及其組合工藝［13］。

由馮運玲等［15］對典型再生水處理工藝出水水質(zhì)的對比分析可知:膜處理工藝能高效去除水中污染物，出水水質(zhì)好且穩(wěn)定，但過濾時需要水泵提供壓力，以使過濾水透過濾膜，因而造成電耗較高，總體的工藝投資和運行費用也較高。

1.2 基本流程

單一的再生水處理技術(shù)一般很難滿足日益提高的出水水質(zhì)要求，通常需要合理組合多種再生水處理技術(shù)以進行深度處理。

1.3 選擇原則

選擇再生水處理流程的一般原則是:當以洗漱、沐浴或地面沖洗等優(yōu)質(zhì)雜排水(CODCr150～200mg/L，BOD550～lO0mg/L)為再生水水源時，一般采用以物理化學(xué)法為主的處理工藝;當主要以廚房、廁所沖洗水等生活污水(CODCr30O～350mg/L，BOD5150～200mg/L)為再生水水源時，一般采用以生物處理法為主或多種技術(shù)結(jié)合的處理工藝［17］。

再生水處理工藝應(yīng)根據(jù)進水水質(zhì)、回用要求及經(jīng)濟技術(shù)比較來選擇，選用經(jīng)濟可行、技術(shù)可靠且出水水質(zhì)好的工藝，同時還應(yīng)將其占地面積、管理維護、運行費用及對周圍環(huán)境的影響等因素考慮在內(nèi)［3］。

2 再生水處理中的土壤滲濾技術(shù)

2.1 土壤滲濾

2.1.1 簡介

土壤滲濾又叫土壤含水層處理(SAT，soil aquifer treatment)，是一種利用土壤的天然凈化功能，運用生態(tài)學(xué)原理與環(huán)境工程技術(shù)，通過物理、化學(xué)和生物作用，使污水中的各種污染物得到有效去除的一種就地污水處理技術(shù)［18］。

Drewes等［19］研究表明，土壤滲濾技術(shù)可以用于污水深度處理，能夠很好地去除水中有機物，并能改變廢水中的有機物特征。Pi等［20］的研究證實了土壤滲濾技術(shù)確實具有能有效去除廢水中有機物的特點。國內(nèi)外各種土壤滲濾工藝的實際運行和模擬實驗表明，土壤滲濾法對化學(xué)需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、懸浮固體(SS)、氨氮(NH3－N)、總磷(TP)、金屬離子以及病原體都具有較好的去除效果［21～22］。

2.1.2 處理效果

土壤滲濾能夠充分利用土壤的物理、化學(xué)特性以及土壤中的微生物、植物、動物去除污水中的污染物，達到將污水凈化的目的。

(1)對有機物的去除效果

土壤介質(zhì)可以強烈吸附多種有機物，通過微生物的好氧氧化作用，使固定在表土層中的有機物轉(zhuǎn)化為易被植物吸收的低分子或無機質(zhì)［4］。土壤滲濾系統(tǒng)在好氧狀態(tài)下將有機污染物(BOD5)轉(zhuǎn)化為無機物的效果較好，一般認為其凈化機制有過濾、吸附及生物降解幾種［23］。潘晶等［24］對生態(tài)土壤滲濾系統(tǒng)的啟動周期的模擬研究表明，土壤滲濾系統(tǒng)對COD有良好的處理性能，去除率可達到80%以上。謝興華等［25］在研究了高負荷地下土壤法處理有機污水后得出結(jié)論:即使水力負荷達到0.25 m3/(m2·d)，土壤滲濾系統(tǒng)對有機物的去除效果也是相當良好的。

Amy［26］認為，土壤滲濾在滲流區(qū)內(nèi)對有機物的去除機理主要是生物降解，吸附只占小部分。很多研究結(jié)果表明，有機物的去除主要依靠生物降解，部分可溶性有機物的去除率可達到90%左右［27～28］。

(2)對氮磷的去除效果

污水中的氮在一定程度上能被土壤有效吸附，土壤滲濾對氮的去除機理較復(fù)雜，影響因素較多，各種土壤滲濾系統(tǒng)對氮的去除率有差別［29］。有機氮和氨氮(NH3－N)可以通過土壤中各種微生物的作用進行轉(zhuǎn)化，由有機氮轉(zhuǎn)化來的氨氮一部分被土壤吸附，另一部分被硝化細菌轉(zhuǎn)化為硝氮(NO3－N)，二者作為植物的主要營養(yǎng)物，或被植物吸收，或隨水流向下層土壤，通過反硝化作用生成氮氣，最終釋放到大氣中［30］。土壤滲濾系統(tǒng)脫氮的機理是經(jīng)過氨化、硝化和反硝化作用完成的，因此主要是依靠微生物脫氮［23］。土壤滲濾對懸浮物、有機物、氨氮、總磷和病原微生物(如大腸桿菌)的去除率均較高，一般可達70%～90%，但總氮的去除率一般只有20%～40%［31～32］。土壤滲濾系統(tǒng)對氨氮的去除率一般很高，由于微生物種類、土壤環(huán)境、水質(zhì)等條件的差異，不同系統(tǒng)對總氮的去除率差別較大，從10%到90%不等，存在一些系統(tǒng)的脫氮效果不太理想［9，33～34］。

土壤對污水中的磷有非常好的去除效果，去除率常達到90%以上［35］。污水中的含磷物質(zhì)(以正磷酸鹽為主)部分直接被植物吸收，部分與土壤中離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成難溶磷酸鹽，從而達到使其從污水中脫除的目的。土壤滲濾系統(tǒng)中，磷的去除機理包括土壤吸附固磷、化學(xué)沉淀、植物吸收和微生物的同化，其中最主要的是土壤吸附固磷和磷的化學(xué)沉淀作用［35］。在土壤滲濾系統(tǒng)中，土壤對磷具有極大的吸附固定能力，相當于一個磷的儲存庫，經(jīng)研究表明污水中99%的磷可被吸附而固定于土壤中［37］。

(3)對病原微生物的去除效果

土壤滲濾作為一種生態(tài)處理技術(shù)，除了對有機物和氮磷的去除外，對某些微量元素和病原微生物(包括細菌和病毒)也有一定的去除效果［38］。土壤滲濾系統(tǒng)運行結(jié)果顯示再生水出水的衛(wèi)生學(xué)指標良好，糞大腸菌、總大腸菌和病毒的去除率接近100%，表現(xiàn)出很高的去除效果［39～40］。

2.1.3 構(gòu)造及流程

土壤滲濾系統(tǒng)經(jīng)污水灌至土壤表面(見圖4－a)，能很快滲入地表以下，通過土壤滲濾的非生物機制和生物機制，污水中各種污染物得到有效去除，再生水的出水既可通過地下管道進行回收(見圖4－b)，也可以通過井群回收(見圖4－c)。

土壤滲濾系統(tǒng)的主要工藝流程見圖5。土壤滲濾系統(tǒng)去除各種污染物的影響因素復(fù)雜，它需要有嚴格的水質(zhì)控制和高效的預(yù)處理系統(tǒng)，污水需達到進水水質(zhì)標準才能進入土壤滲濾系統(tǒng)［37］。隨著再生水出水水質(zhì)的日益提高，土壤滲濾技術(shù)對預(yù)處理的要求也越來越嚴格，因此，預(yù)處理在土壤滲濾中具有很重要的作用。

2.2 工程設(shè)計

土壤滲濾處理技術(shù)在工程設(shè)計中需考慮如下要點:①土壤滲濾系統(tǒng)的水力負荷:決定系統(tǒng)的處理能力，偏低導(dǎo)致系統(tǒng)利用率降低，偏高難以實現(xiàn)良好的處理效果［41］;②滲濾溝的結(jié)構(gòu)和布置:影響污水的流動方式及布水均勻程度，進而影響系統(tǒng)對各種污染物的去除效果［33］;③監(jiān)測系統(tǒng):可準確反映系統(tǒng)運行的實時狀況，對土壤滲濾出水進行評估，方便調(diào)整系統(tǒng)運行參數(shù)［41］。

2.3 應(yīng)用實踐

土壤滲濾在國外一些國家(如美國、日本、以色列、俄羅斯和西歐等國)得到了很好的應(yīng)用和發(fā)展，已經(jīng)在實際工程應(yīng)用中取得了不少成果。經(jīng)過近幾十年的研究發(fā)展，土壤滲濾技術(shù)在我國廣大地區(qū)也有很好的適應(yīng)性和可行性，不僅在理論研究方面有所深入，在工程實踐中也有了較大進展。表1列出了我國不同地區(qū)不同時期土壤滲濾技術(shù)在再生水處理中的應(yīng)用。

表1 土壤滲濾技術(shù)在我國再生水處理中的工程實例

3 土壤滲濾技術(shù)與其他處理技術(shù)的對比

再生水處理工藝必須根據(jù)再生水水源的水量、水質(zhì)及回用水的要求來確定。一個完整的土壤滲濾用于再生水處理系統(tǒng)的構(gòu)成如圖6所示，其中主處理單元是再生水處理的核心部分，采用土壤滲濾處理法［47］。

表2對再生水處理中應(yīng)用較多的各種技術(shù)，包括物理化學(xué)處理法、生物處理法以及近年來發(fā)展迅速的膜處理法和土壤滲濾技術(shù)進行比較評析，為再生水處理工藝的選擇提供參考。

圖6 土壤滲濾技術(shù)處理再生水系統(tǒng)組成

表2 再生水處理技術(shù)的比較［5］

綜合分析可知:土壤滲濾處理技術(shù)整個工藝具有運行簡單、能耗少等特點:①在去除有機物的同時，具有去除氮、磷的效果，且凈化效率高，能有效解決傳統(tǒng)生物處理工藝不能進行深度脫氮除磷的問題;②整個系統(tǒng)無須曝氣，沒有污泥產(chǎn)生，體現(xiàn)了生態(tài)工程學(xué)技術(shù)的節(jié)能優(yōu)勢;③維護管理方便，整個工程運行期間不需要復(fù)雜的人員日常管理，運行成本小，基建投資低。

土壤滲濾處理工藝一般采用地下結(jié)構(gòu)，裝置上部可以進行生態(tài)草坪綠化，便于美化環(huán)境，不會產(chǎn)生惡臭及蚊蟲滋生帶來的污染，受季節(jié)更替帶來的溫度變化影響小，有較強的抗沖擊負荷能力［48］。土壤滲濾同時存在著不足之處，如部分系統(tǒng)處理效率低、脫氮效果有待提高、土壤易堵塞及對周圍環(huán)境帶來不利的影響等問題［23］?？缀Ｄ系龋?2］研究了土壤滲濾處理過程中溫室氣體的排放量，驗證了甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)等溫室氣體的產(chǎn)生。如何更有效地解決土壤滲濾存在的問題還有待繼續(xù)深入地研究。

4 展望

土壤滲濾處理技術(shù)是一種基于自然生態(tài)原理的生態(tài)工程技術(shù)，屬于污水土地處理的范疇。土壤滲濾處理技術(shù)通過土壤－微生物－植物系統(tǒng)的綜合生態(tài)作用來達到深度處理污水的目的，不僅能有效減少有機物和氨氮，而且對病原菌也有很好的去除作用。將其應(yīng)用于再生水的處理中，不僅效果好，而且可以解決我國目前常用處理技術(shù)存在的主要問題，并且土壤滲濾本身具有建設(shè)成本和運行成本低廉、能耗低、出水水質(zhì)好、操作運行管理簡便等優(yōu)點。我國若干已有的污水土地處理工程的實際運行經(jīng)驗表明，土壤滲濾處理系統(tǒng)在我國廣大地區(qū)有著良好的適應(yīng)性和可行性，因此，土壤滲濾處理技術(shù)在我國將有廣闊的發(fā)展前景。對土壤滲濾處理系統(tǒng)的進一步研究及推廣應(yīng)用，對改善水質(zhì)、保護水環(huán)境和再生水回用具有重要的意義。雖然污水土壤滲濾處理已經(jīng)得到了進一步的研究與應(yīng)用，但由于污水成份的復(fù)雜性，任何一種處理方法都不能完全解決污水處理和水環(huán)境污染問題，所以土壤滲濾也存在著不可避免的問題，如結(jié)構(gòu)單一、脫氮效果有待提高、土壤孔隙易堵塞等，需要不斷地對其加以研究解決。為使土壤滲濾得到更廣泛地應(yīng)用，該技術(shù)可以與其他工藝相結(jié)合，相互彌補各自處理技術(shù)的不足，共同實現(xiàn)對再生水的優(yōu)質(zhì)處理。

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An Analysis of Application of Soil Infiltration Technology in the Reclaimed Water Treatment

JIN Ya－ruo，WAN Hong－you
(School of Water Conservancy and Environmental Engineering of Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001 China)

The conventional treatment technologies of the reclaimed water are reviewed in this paper，focusing on soil infiltration treatment technology which is compared with other treatment technologies.The advantages and the problems of soil infiltration technology are also presented.Finally the application of soil infiltration technology in the reclaimed water treatment is prospected.

soil infiltration;reclaimed water treatment;application;review

X52

A

1673－9655(2012)06－0072－06

2012－05－18