田寧寧　楊麗萍　彭應(yīng)登
(北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，北京 100037)

　　摘　要：土壤毛細(xì)管滲濾系統(tǒng)特別適用于污水管網(wǎng)不完備的地區(qū)，是一項(xiàng)處理分散排放生活污水的實(shí)用技術(shù)。在某小區(qū)長(zhǎng)達(dá)6年的運(yùn)行結(jié)果說(shuō)明：該系統(tǒng)對(duì)生活污水中的有機(jī)物和氮、磷等具有較高和穩(wěn)定的去除效果，COD_Cr去除率＞80%，BOD₅去除率＞90%，NH₃-N去除率＞90%，TP去除率＞98%。
　　關(guān)鍵詞：土壤滲濾；　污水凈化；　綠地利用
　　中圖分類(lèi)號(hào)：X799.3
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1000-4602(2000)05-0012-04

Treatment of Domestic Wastewater by Soil Infiltration System

TIAN Ning-ning，YANG Li-ping，PENG Ying-deng
(Beijing Academy of Environ.Protection Sci.,Beijing 100037,China)

　　Abstract：The principle, characteristics and design method of a wastewater soil infiltration treatment system are introduced. It is an on-site system suitable for treatment of domestic wastewater in the area where complete sewerage is unavailable. A six years investigation in residential quarters showed that the system operated with stable performance and high removal efficiencies on pollutants, in which removal of COD_Cr＞80%, BOD₅＞90%, NH₃-N＞90% and TP＞98% can be achieved.
　　Keywords:soil infiltration;　domestic wastewater treatment;　lawn watering

　　隨著旅游及房地產(chǎn)業(yè)在我國(guó)的發(fā)展，大批旅游景點(diǎn)、療養(yǎng)院、別墅、居民區(qū)興建起來(lái)。但是這些設(shè)施在解決了供水問(wèn)題之后，由于種種原因，往往未能夠?qū)⑵湎滤琅c市政排水系統(tǒng)相連接，大量生活污水排入附近的河道，造成嚴(yán)重的水環(huán)境污染，甚至威脅到水源地的安全。因此，必須采取工程措施來(lái)解決此類(lèi)水污染問(wèn)題。
　　污水土壤毛細(xì)管滲濾是一種就地污水處理技術(shù)，它充分利用土壤中的動(dòng)物、微生物、植物以及土壤的物理、化學(xué)特性將污水凈化。由于利用了土壤的自然凈化能力，因而具有基建投資低、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用少、操作管理簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)還能夠利用污水中的水肥資源，把污水處理與綠化相結(jié)合，美化和改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境。

1　工藝原理及特點(diǎn)

　　典型的污水毛細(xì)管滲濾凈化系統(tǒng)是由預(yù)處理、提升、滲濾場(chǎng)等幾部分組成的。主要工藝流程如下：

　　污水首先進(jìn)入預(yù)處理設(shè)施，通常使用的預(yù)處理設(shè)施有水解池和化糞池等。污水經(jīng)厭氧發(fā)酵作用，其中的有機(jī)物得到部分分解，降低了污染物負(fù)荷，也提高了污水中速效養(yǎng)分的含量，有利于進(jìn)一步凈化和利用。
　　預(yù)處理后的污水經(jīng)過(guò)水泵提升通過(guò)管道輸送至滲濾場(chǎng)。在配水系統(tǒng)控制下，污水經(jīng)布水管分配到每條滲濾溝中。污水在滲濾溝中通過(guò)礫石層的再分布，在土壤毛細(xì)作用下上升至植物根區(qū)。污水經(jīng)過(guò)土壤的物理、化學(xué)作用和微生物的生化作用以及植物吸收利用后得到處理和凈化。
　　由于滲濾溝特殊配制的土壤具有理想的土壤機(jī)質(zhì)組成，有機(jī)質(zhì)含量豐富，因此土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，滲透速率高，毛細(xì)作用強(qiáng)，吸附容量大，通透性較好。同時(shí)，土壤中富含微生物所必須的營(yíng)養(yǎng)和能源物質(zhì)，加之適宜的土壤性狀為土壤微生物提供了良好的生存發(fā)育環(huán)境，因此土壤具有較高的生物活性。污水投配到滲濾溝后，沿土壤毛細(xì)管上升，通過(guò)土壤的物理阻留、土壤吸收吸附、微生物分解利用以及植物吸收等一系列作用，污水中的有機(jī)物被去除。其中土壤微生物的活性對(duì)有機(jī)污染物的去除起著十分重要的作用，被阻留和吸附在土壤中的有機(jī)污染物在微生物的作用下，經(jīng)生物化學(xué)反應(yīng)被分解轉(zhuǎn)化成無(wú)機(jī)物，這是去除有機(jī)污染物的關(guān)鍵過(guò)程。
　　草坪植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收也是污水凈化的重要途徑。污水中的氮、磷等作為植物生長(zhǎng)所必需的養(yǎng)分，通過(guò)植物根系被吸收利用，當(dāng)割草時(shí)被移出系統(tǒng)達(dá)到脫除的目的。經(jīng)常的修剪草坪可以使?fàn)I養(yǎng)元素的去除量達(dá)到最大。
　　植物的生長(zhǎng)也極大地改變了污水處理過(guò)程的環(huán)境條件。由于植物根系深入土壤和增加土壤有機(jī)質(zhì)，既提高了土壤的水力滲透速率，還有助于創(chuàng)造一個(gè)良好的植物根區(qū)的微環(huán)境，有利于微生物對(duì)污染物的降解。
　　污水毛細(xì)管滲濾系統(tǒng)與其他污水處理系統(tǒng)相比較，具有以下特點(diǎn)：
　?、佟∠到y(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)；
　?、凇≡诟咝コ鼴OD₅的同時(shí)能去除氮、磷，對(duì)水源保護(hù)意義重大；
　?、邸〗ㄔO(shè)容易、維護(hù)簡(jiǎn)便、基建投資少、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低；
　　④　整個(gè)系統(tǒng)在地表下，不會(huì)散發(fā)臭氣，地面草坪還可以美化環(huán)境；
　?、荨⑽鬯幚砼c綠化建設(shè)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了污水的資源化利用。

2　工程設(shè)計(jì)

2.1　處理水量與進(jìn)水水質(zhì)
　　一般生活污水的人均排水量可按200 L/(人^．d)考慮，由此計(jì)算系統(tǒng)的處理水量。從工藝流程可知，水解池或化糞池作為預(yù)處理設(shè)施設(shè)置于提水泵站之前，因此滲濾場(chǎng)地的進(jìn)水水質(zhì)實(shí)際上反映了生活污水經(jīng)預(yù)處理后的水質(zhì)情況，一般BOD₅為30～80 mg/L，COD_Cr約為50～150 mg/L。
　　采用水解池或化糞池作為污水毛細(xì)管滲濾系統(tǒng)的預(yù)處理裝置，可以為后續(xù)系統(tǒng)提供污染物濃度較低、生化降解性較高的進(jìn)水。同時(shí)，糞便中的寄生蟲(chóng)卵和病原微生物在厭氧環(huán)境中受生物拮抗作用而被殺死，污水中的糞便也得到了一定的無(wú)害化處理。
2.2　滲濾場(chǎng)面積計(jì)算及滲濾溝布置
　　毛細(xì)管滲濾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有多種方式，有以污染物去除能力為限制的污染物負(fù)荷設(shè)計(jì)方法；有以系統(tǒng)透過(guò)水量為限制的水力負(fù)荷設(shè)計(jì)方法；還有以綠地利用中植物需水量為主的設(shè)計(jì)方法。可以在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)相互校核。
　　毛細(xì)管滲濾系統(tǒng)的水力負(fù)荷一般為0.03～0.04 m³/(m^．d)。所需滲濾溝的總長(zhǎng)度由下式計(jì)算：

　　

　　通常這類(lèi)系統(tǒng)的BOD₅負(fù)荷應(yīng)小于2.0 gBOD₅/(m^2．d)。
　　滲濾溝溝間距以1.5 m計(jì)，則滲濾場(chǎng)總占地面積為滲濾溝總長(zhǎng)度×1.5 m。從布水均勻的角度考慮，每條滲濾溝的長(zhǎng)度以不超過(guò)20 m為宜?？蓪⒄麄€(gè)滲濾場(chǎng)分成若干單元，每個(gè)單元分為若干組，每組設(shè)若干條滲濾溝，每條長(zhǎng)20 m，寬1.0 m，溝間中心距為1.5 m。滲濾溝內(nèi)設(shè)陶土管搭接形成的布水管，管徑為100 mm。
2.3　滲濾溝結(jié)構(gòu)
　　滲濾溝是本系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)施，污水主要是在流經(jīng)滲濾溝的過(guò)程中得以?xún)艋?，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

　　滲濾溝主要由五部分組成?！暗讓印保河址Q(chēng)布水層或墊層，由直徑為20～40 mm的礫石和粒徑為0.25～1.00 mm的粗砂組成，起承托滲濾層和使污水均勻分布的作用，內(nèi)設(shè)埋深0.6 m的陶土布水管?！皾B濾層”：是用當(dāng)?shù)赝寥罃v和一定比例的泥炭和爐渣配制而成的特殊土壤層，厚度為40 cm，是污水凈化的主要作用層?！氨韺印保河奢^肥沃的耕作土壤組成，是草坪植物的生長(zhǎng)層，其上種植綠色期長(zhǎng)的草坪植物“馬尼拉”、“翦股穎”和“早熟禾”，實(shí)現(xiàn)污水綠地利用?！胺罎B層”：位于溝床最底層，由厚度為0.23 mm的聚氯乙烯薄膜構(gòu)成，其作用是防止污水直接下滲，使礫石層經(jīng)常處于水飽和狀態(tài)，促使水分的毛細(xì)上升?！案綦x層”：設(shè)置在特殊土壤層下，由可透水的無(wú)紡布構(gòu)成，以防止上層土壤下落填入礫石層，破壞均勻布水。
2.4　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
　　綠地利用型毛細(xì)管滲濾系統(tǒng)主要是以綠地植物生長(zhǎng)的需要來(lái)確定水力負(fù)荷的，一般不考慮進(jìn)行凈化水回收，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可不考慮用于水回收的豎井或暗管排水裝置。但為了準(zhǔn)確反映系統(tǒng)運(yùn)行狀況，指導(dǎo)和調(diào)整其運(yùn)行參數(shù)，保證其良好的污水凈化能力，應(yīng)該在下游方向設(shè)置取樣監(jiān)測(cè)井，定時(shí)取樣分析。

3　污水凈化效果及討論

3.1　常規(guī)污染物的去除效果
　　在系統(tǒng)運(yùn)行六年后，對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)水和下滲水取樣進(jìn)行分析，得到如表1所示的污水凈化結(jié)果。

表1　污水凈化效果 分析項(xiàng)目 水質(zhì)平均值(mg/L) 去除率
(%) 進(jìn)水 出水 COD_Cr 80.0 15.2 81.0 BOD₅ 45.6 3.4 92.5 NH₃-N 4.83 0.26 94.6 TP 1.5 ＜0.025 ≥98

　　表1數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)對(duì)有機(jī)污染物有很好的去除能力和很高的穩(wěn)定性。首先是出水中COD_Cr和BOD₅的平均值為15.2mg/L和3.4 mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于二級(jí)生化處理系統(tǒng)的出水水質(zhì)，可以達(dá)到回用水的標(biāo)準(zhǔn)，因此不會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)厮h(huán)境造成危害。系統(tǒng)的水力負(fù)荷以1 L/(m^2．d)計(jì)，COD_Cr濃度平均值以80.0 mg/L計(jì)算，則有機(jī)負(fù)荷為0.8 gCOD/(m^2．d)，遠(yuǎn)低于一般污水土地處理系統(tǒng)的推薦值，也就是說(shuō)在土壤自然凈化能力的安全限度內(nèi)，按這種低負(fù)荷運(yùn)行的系統(tǒng)有著良好的穩(wěn)定性和安全性。
　　該系統(tǒng)處理的穩(wěn)定性還體現(xiàn)在對(duì)污染物去除效果上基本不受氣候變化的影響。在冬季運(yùn)行期間，氣溫低至-13.5 ℃，而系統(tǒng)的出水值沒(méi)有明顯的變化，這主要是因?yàn)闅鉁乇M管很低，但系統(tǒng)中污水的收集、輸送過(guò)程都是在地下進(jìn)行的，熱量損失較少。實(shí)測(cè)可知地表下40 cm處一直可以保持在5 ℃以上，由此也就能夠維持基本的生化反應(yīng)。
　　出水BOD₅很低，表明毛細(xì)管滲濾系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物的降解去除是非常理想的。當(dāng)污水投配到滲濾溝后，在沿毛細(xì)管上升的過(guò)程中，污水中的有機(jī)物通過(guò)土壤的過(guò)濾、吸附、植物吸收和微生物分解作用而被去除。土壤具有較大的吸附容量，截留下的有機(jī)物在微生物的分解代謝作用下，將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)物，這樣就又恢復(fù)了土壤的吸附能力。土壤就是通過(guò)這樣的循環(huán)往復(fù)來(lái)對(duì)有機(jī)污染物進(jìn)行凈化的。
　　系統(tǒng)中氮去除效果也很好，去除率平均在90%以上。污水中氮的去除總是要經(jīng)過(guò)氨化、硝化和反硝化幾個(gè)步驟才能完成，硝化與反硝化反應(yīng)分別是在好氧與厭氧條件下發(fā)生的，兩種截然相反的反應(yīng)條件的轉(zhuǎn)換，使得常規(guī)生化處理方法難于實(shí)現(xiàn)脫氮目的。毛細(xì)管滲濾系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)硝化與反硝化的順利完成，間歇性的轉(zhuǎn)換布水使系統(tǒng)內(nèi)實(shí)質(zhì)上進(jìn)行著布水與干化的交替運(yùn)行，使土壤處于厭氧與好氧交替變換的狀態(tài)。另外，土壤中還會(huì)存有許多與周?chē)h(huán)境狀況不同的微環(huán)境，即在好氧大環(huán)境中存有厭氧微環(huán)境，而在厭氧大環(huán)境中又存在著好氧微環(huán)境。就是這種厭氧與好氧條件的變化和共存，為硝化和反硝化反應(yīng)創(chuàng)造了條件，毛細(xì)管滲濾系統(tǒng)由此得到良好的脫氮效果。
　　磷是造成地面水富營(yíng)養(yǎng)化的限制性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，必須嚴(yán)格控制。進(jìn)水中磷含量很低，平均值為1.5 mg/L，出水濃度普遍低于0.025 mg/L的檢出線(xiàn)，系統(tǒng)表現(xiàn)出了很高的除磷能力。一般認(rèn)為，污水土地處理系統(tǒng)中除磷的途徑主要有土壤吸附、生化反應(yīng)和化學(xué)沉淀反應(yīng)等。文獻(xiàn)報(bào)道，幾乎所有污水土地處理系統(tǒng)常年運(yùn)行后均未出現(xiàn)磷吸附飽和現(xiàn)象?？梢哉J(rèn)為，污水土地處理系統(tǒng)中，磷的去除主要是由磷的化學(xué)沉淀反應(yīng)過(guò)程控制的。污水或土壤溶液中的磷多以H₂PO^-₄(酸性環(huán)境下)和HPO^2-₄(堿性環(huán)境下)形式存在。與NH₃-N易被土壤吸附和NO^-₃-N在土壤中較高的移動(dòng)性有所不同，磷酸根離子很容易與土壤中大量存在的Ca²⁺、Al³⁺、Fe³⁺等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成各種難溶性磷酸鹽，通常稱(chēng)之為磷的土壤固定。
3.2　衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)的檢測(cè)和凈化效果
　　土壤毛細(xì)管滲濾污水凈化綠地利用系統(tǒng)作為城市配套的公用設(shè)施，在處理污水和綠化美化環(huán)境的同時(shí)，還要考慮其對(duì)公共健康的影響問(wèn)題，即有關(guān)衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)的問(wèn)題。
　　生活污水中包含著大量帶有病原菌的污染物成分，這些成分會(huì)造成環(huán)境的生物性污染。選取總大腸桿菌和糞大腸桿菌作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)生物學(xué)污染凈化指標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)水、出水和表層土壤(10 cm)進(jìn)行了取樣分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果 項(xiàng)目 總大腸桿菌(個(gè)/L) 糞大腸桿菌(個(gè)/L) 進(jìn)水 2.4×10⁵ 9.6×10⁴ 出水 ＜90 ＜90 土壤 2.6×10³(個(gè)/g干土) 9.8×10²(個(gè)/g干土)

　　結(jié)果顯示：總大腸桿菌和糞大腸桿菌數(shù)的去除率接近100%，出水的大腸菌低于90個(gè)/L的最低檢出線(xiàn)，該系統(tǒng)表現(xiàn)了很高的去除效果。

4　草坪植物的生長(zhǎng)和綠化效果

　　根據(jù)調(diào)查分析，影響綠色期的原因除了草種本身的特性之外，土壤水分和地溫是兩個(gè)關(guān)鍵因素。北京地區(qū)大部分綠地冬、春季節(jié)很少澆水，而這一時(shí)期正是風(fēng)多、干燥的季節(jié)，土壤水分降低很多。資料表明：即使是耐旱的野牛草，當(dāng)土壤含水率低到12.9%時(shí)也開(kāi)始枯萎。毛細(xì)管滲濾系統(tǒng)從提高土壤水分和地溫兩個(gè)方面改變了冬季寒冷、干旱的植物生長(zhǎng)條件，冬季平均可提高地溫2～3 ℃，土壤含水率保持在18%以上，這有利于草坪在冬、春季節(jié)的生長(zhǎng)，對(duì)延長(zhǎng)草坪綠色期有重要意義。
　　早熟禾、翦股穎和馬尼拉三種草坪草都很適合在該系統(tǒng)中采用，生長(zhǎng)良好。每年3月初就開(kāi)始返青，到12月底還保持著綠色，而炎熱的夏季也沒(méi)有出現(xiàn)明顯的半休眠、枯黃現(xiàn)象，綠色期約為270 d。草坪植物對(duì)污水中營(yíng)養(yǎng)元素的吸收利用是污水凈化的重要因素，隨水而來(lái)的營(yíng)養(yǎng)成分與植物的正常吸收量相當(dāng)，不會(huì)造成植物“瘋長(zhǎng)”而影響來(lái)年“返青”。
　　土壤毛細(xì)管滲濾系統(tǒng)是一個(gè)污水處理與綠化相結(jié)合的生態(tài)系統(tǒng)，除了可以消除水污染外，地表的綠化草坪又可以起到美化環(huán)境、豐富綠化層次的作用，是污水資源化利用的方法，適用于零星分散排放污水的治理，對(duì)改善北方干旱地區(qū)綠化草坪的水肥條件，擴(kuò)大綠化面積，延長(zhǎng)草坪綠色期，凈化、美化環(huán)境有重要意義。

5　結(jié)論

　　土壤毛細(xì)管滲濾污水凈化系統(tǒng)是一種小型的污水土地處理系統(tǒng)，特別適用于沒(méi)有完善的城市污水管網(wǎng)系統(tǒng)的地區(qū)，是一項(xiàng)處理分散排放污水的實(shí)用技術(shù)。它充分利用了土壤—植物—微生物系統(tǒng)的凈化能力，既可去除有機(jī)污染物，又可去除造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的氮、磷等污染物。它不僅具有建設(shè)費(fèi)低、運(yùn)行費(fèi)低、操作簡(jiǎn)單和凈化效率高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于該系統(tǒng)主要構(gòu)筑物處于地表下，故還具有不產(chǎn)生臭味和不影響地表景觀(guān)的特點(diǎn)。將此項(xiàng)技術(shù)與綠地建設(shè)結(jié)合起來(lái)，在有效處理污水的同時(shí)還可取得美化與改善環(huán)境和節(jié)約水資源的綜合效果。

參考文獻(xiàn)：

［1］　高拯民，李憲法等.城市污水土地處理利用設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1991.

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基金項(xiàng)目：北京市科委資助項(xiàng)目(852650300)

作者簡(jiǎn)介：田寧寧(1960-)，男，山西人，北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院高級(jí)工程師，學(xué)士，研究方向：水處理技術(shù)。
收稿日期：2000-02-14