浅析土壤渗滤技术在再生水处理中的应用

金亚若，万红友

(郑州大学水利与环境学院，河南郑州450001)

浅析土壤渗滤技术在再生水处理中的应用

金亚若，万红友

(郑州大学水利与环境学院，河南郑州450001)

从再生水常用处理技术入手，重点介绍了土壤渗滤处理技术，并将土壤渗滤技术与其他处理技术进行比较，指出土壤渗滤技术的优势及存在的问题，对土壤渗滤技术在再生水处理中的应用进行了展望。

土壤渗滤;再生水处理;应用;综述

水资源短缺和水污染加剧所构成的水危机已经成为目前最严峻的环境问题之一。水资源的匮乏现状加快了世界各国研究再生水处理技术的进程，国际上已经广泛应用各种再生水处理技术以缓解水危机，目前再生水的处理和回用在我国许多城市也已经受到重视并加以应用。再生水是指污(废)水经过处理设施深度处理后得到回用的水(包括污水处理厂经二级处理后再进行深度处理的水)［1］。以城市污水处理厂的二级出水作为原水，经过深度处理后，可供给工业用水、城市景观用水、市政杂用水、农业灌溉及回注地层，这将会成为缺水地区解决水资源短缺问题的有效途径。再生水回用可实现水资源的可持续利用，而且具有显著的经济、社会和环境效益［2～3］。

随着水环境危机的进一步发展，再生水传统处理技术中存在的弊端已经引起广泛关注，这就意味着加快对新技术和新工艺的研发已经成为世界各国面临的重要任务。土壤渗滤技术是未来再生水处理技术革新发展中很有前景的方向之一，日本早在1970年左右就开始应用土壤渗滤技术，而我国自20世纪90年代初也越来越多地关注土壤渗滤技术在污水处理中的应用研究［4］。本文对该技术在再生水处理中的应用加以综述。

1 再生水常用处理技术

目前，再生水处理技术中常用的有物理化学法、生物处理法和膜技术处理法等［5］。国内外常用的主要是二级处理加上后续的混凝、沉淀、过滤和消毒处理，但是这些传统的处理技术已经无法满足日益严格的再生水水质要求，一些深度处理技术如活性炭吸附、离子交换、超滤、微滤、纳滤、臭氧处理、紫外线消毒、反渗透等开始得到广泛使用［6］。

我国自20世纪末开始研究土壤渗滤技术，近些年来在污水处理中已得到较多的应用，但在再生水处理中的应用还不够广泛。作为一种低能耗、低成本的污水土地处理技术，污水经过处理后出水能够达到《城镇污水处理厂排放标准》(GB 18918－2002)的一级B标准，且出水水质稳定;各项研究表明，土壤渗滤技术能很好地应用于再生水的处理回用中［7～9］。

1.1 技术类型

1.1.1 物化处理法

物理化学法(简称物化法)是利用物理和化学相结合的工艺，以达到处理污水的目的。再生水处理中常用的物化处理方法主要有混凝沉淀、过滤消毒、活性炭吸附、臭氧处理和紫外线消毒等［10］。贾仁勇等［11］通过研究氧化－微絮凝－高速过滤处理技术在再生水生产中的应用表明:在最佳工艺条件下，再生水出水的浊度去除率为92.21%，COD的去除率可达到55.58%，完全符合再生水水质要求。

当污水水质变化较大时，物化处理法因其占地面积少、技术成熟先进和管理简便等特点，应用在再生水处理中较为合适［12］。

1.1.2 生物处理法

生物处理法是利用自然界存在的各种微生物，分解污水中的有机物进而转化成无害物质，使污水得到净化。再生水处理中常用到的生物处理法有活性污泥法、接触氧化法、生物转盘等［13］。上述这几种方法可以单独使用，也可以与其他处理工艺组合使用［14］。

生物处理法具有能适应较大的水力负荷变动、污泥产生量少、方便管理维护等优点，适用于含有机污染物较多的污水处理［12］。

1.1.3 膜处理法

目前，国内已运行的再生水厂较多选用的是传统处理技术。伴随着膜技术的日益成熟，膜处理法得到极大发展，国内外许多再生水处理工艺已经较多地采用其中的膜生物反应器(MBR)工艺、超滤(UF)技术、微滤(MF)技术、纳滤(NF)技术、反渗透技术及其组合工艺［13］。

由冯运玲等［15］对典型再生水处理工艺出水水质的对比分析可知:膜处理工艺能高效去除水中污染物，出水水质好且稳定，但过滤时需要水泵提供压力，以使过滤水透过滤膜，因而造成电耗较高，总体的工艺投资和运行费用也较高。

1.2 基本流程

单一的再生水处理技术一般很难满足日益提高的出水水质要求，通常需要合理组合多种再生水处理技术以进行深度处理。

1.3 选择原则

选择再生水处理流程的一般原则是:当以洗漱、沐浴或地面冲洗等优质杂排水(CODCr150～200mg/L，BOD550～lO0mg/L)为再生水水源时，一般采用以物理化学法为主的处理工艺;当主要以厨房、厕所冲洗水等生活污水(CODCr30O～350mg/L，BOD5150～200mg/L)为再生水水源时，一般采用以生物处理法为主或多种技术结合的处理工艺［17］。

再生水处理工艺应根据进水水质、回用要求及经济技术比较来选择，选用经济可行、技术可靠且出水水质好的工艺，同时还应将其占地面积、管理维护、运行费用及对周围环境的影响等因素考虑在内［3］。

2 再生水处理中的土壤渗滤技术

2.1 土壤渗滤

2.1.1 简介

土壤渗滤又叫土壤含水层处理(SAT，soil aquifer treatment)，是一种利用土壤的天然净化功能，运用生态学原理与环境工程技术，通过物理、化学和生物作用，使污水中的各种污染物得到有效去除的一种就地污水处理技术［18］。

Drewes等［19］研究表明，土壤渗滤技术可以用于污水深度处理，能够很好地去除水中有机物，并能改变废水中的有机物特征。Pi等［20］的研究证实了土壤渗滤技术确实具有能有效去除废水中有机物的特点。国内外各种土壤渗滤工艺的实际运行和模拟实验表明，土壤渗滤法对化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、悬浮固体(SS)、氨氮(NH3－N)、总磷(TP)、金属离子以及病原体都具有较好的去除效果［21～22］。

2.1.2 处理效果

土壤渗滤能够充分利用土壤的物理、化学特性以及土壤中的微生物、植物、动物去除污水中的污染物，达到将污水净化的目的。

(1)对有机物的去除效果

土壤介质可以强烈吸附多种有机物，通过微生物的好氧氧化作用，使固定在表土层中的有机物转化为易被植物吸收的低分子或无机质［4］。土壤渗滤系统在好氧状态下将有机污染物(BOD5)转化为无机物的效果较好，一般认为其净化机制有过滤、吸附及生物降解几种［23］。潘晶等［24］对生态土壤渗滤系统的启动周期的模拟研究表明，土壤渗滤系统对COD有良好的处理性能，去除率可达到80%以上。谢兴华等［25］在研究了高负荷地下土壤法处理有机污水后得出结论:即使水力负荷达到0.25 m3/(m2·d)，土壤渗滤系统对有机物的去除效果也是相当良好的。

Amy［26］认为，土壤渗滤在渗流区内对有机物的去除机理主要是生物降解，吸附只占小部分。很多研究结果表明，有机物的去除主要依靠生物降解，部分可溶性有机物的去除率可达到90%左右［27～28］。

(2)对氮磷的去除效果

污水中的氮在一定程度上能被土壤有效吸附，土壤渗滤对氮的去除机理较复杂，影响因素较多，各种土壤渗滤系统对氮的去除率有差别［29］。有机氮和氨氮(NH3－N)可以通过土壤中各种微生物的作用进行转化，由有机氮转化来的氨氮一部分被土壤吸附，另一部分被硝化细菌转化为硝氮(NO3－N)，二者作为植物的主要营养物，或被植物吸收，或随水流向下层土壤，通过反硝化作用生成氮气，最终释放到大气中［30］。土壤渗滤系统脱氮的机理是经过氨化、硝化和反硝化作用完成的，因此主要是依靠微生物脱氮［23］。土壤渗滤对悬浮物、有机物、氨氮、总磷和病原微生物(如大肠杆菌)的去除率均较高，一般可达70%～90%，但总氮的去除率一般只有20%～40%［31～32］。土壤渗滤系统对氨氮的去除率一般很高，由于微生物种类、土壤环境、水质等条件的差异，不同系统对总氮的去除率差别较大，从10%到90%不等，存在一些系统的脱氮效果不太理想［9，33～34］。

土壤对污水中的磷有非常好的去除效果，去除率常达到90%以上［35］。污水中的含磷物质(以正磷酸盐为主)部分直接被植物吸收，部分与土壤中离子发生化学反应生成难溶磷酸盐，从而达到使其从污水中脱除的目的。土壤渗滤系统中，磷的去除机理包括土壤吸附固磷、化学沉淀、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学沉淀作用［35］。在土壤渗滤系统中，土壤对磷具有极大的吸附固定能力，相当于一个磷的储存库，经研究表明污水中99%的磷可被吸附而固定于土壤中［37］。

(3)对病原微生物的去除效果

土壤渗滤作为一种生态处理技术，除了对有机物和氮磷的去除外，对某些微量元素和病原微生物(包括细菌和病毒)也有一定的去除效果［38］。土壤渗滤系统运行结果显示再生水出水的卫生学指标良好，粪大肠菌、总大肠菌和病毒的去除率接近100%，表现出很高的去除效果［39～40］。

2.1.3 构造及流程

土壤渗滤系统经污水灌至土壤表面(见图4－a)，能很快渗入地表以下，通过土壤渗滤的非生物机制和生物机制，污水中各种污染物得到有效去除，再生水的出水既可通过地下管道进行回收(见图4－b)，也可以通过井群回收(见图4－c)。

土壤渗滤系统的主要工艺流程见图5。土壤渗滤系统去除各种污染物的影响因素复杂，它需要有严格的水质控制和高效的预处理系统，污水需达到进水水质标准才能进入土壤渗滤系统［37］。随着再生水出水水质的日益提高，土壤渗滤技术对预处理的要求也越来越严格，因此，预处理在土壤渗滤中具有很重要的作用。

2.2 工程设计

土壤渗滤处理技术在工程设计中需考虑如下要点:①土壤渗滤系统的水力负荷:决定系统的处理能力，偏低导致系统利用率降低，偏高难以实现良好的处理效果［41］;②渗滤沟的结构和布置:影响污水的流动方式及布水均匀程度，进而影响系统对各种污染物的去除效果［33］;③监测系统:可准确反映系统运行的实时状况，对土壤渗滤出水进行评估，方便调整系统运行参数［41］。

2.3 应用实践

土壤渗滤在国外一些国家(如美国、日本、以色列、俄罗斯和西欧等国)得到了很好的应用和发展，已经在实际工程应用中取得了不少成果。经过近几十年的研究发展，土壤渗滤技术在我国广大地区也有很好的适应性和可行性，不仅在理论研究方面有所深入，在工程实践中也有了较大进展。表1列出了我国不同地区不同时期土壤渗滤技术在再生水处理中的应用。

表1 土壤渗滤技术在我国再生水处理中的工程实例

3 土壤渗滤技术与其他处理技术的对比

再生水处理工艺必须根据再生水水源的水量、水质及回用水的要求来确定。一个完整的土壤渗滤用于再生水处理系统的构成如图6所示，其中主处理单元是再生水处理的核心部分，采用土壤渗滤处理法［47］。

表2对再生水处理中应用较多的各种技术，包括物理化学处理法、生物处理法以及近年来发展迅速的膜处理法和土壤渗滤技术进行比较评析，为再生水处理工艺的选择提供参考。

图6 土壤渗滤技术处理再生水系统组成

表2 再生水处理技术的比较［5］

综合分析可知:土壤渗滤处理技术整个工艺具有运行简单、能耗少等特点:①在去除有机物的同时，具有去除氮、磷的效果，且净化效率高，能有效解决传统生物处理工艺不能进行深度脱氮除磷的问题;②整个系统无须曝气，没有污泥产生，体现了生态工程学技术的节能优势;③维护管理方便，整个工程运行期间不需要复杂的人员日常管理，运行成本小，基建投资低。

土壤渗滤处理工艺一般采用地下结构，装置上部可以进行生态草坪绿化，便于美化环境，不会产生恶臭及蚊虫滋生带来的污染，受季节更替带来的温度变化影响小，有较强的抗冲击负荷能力［48］。土壤渗滤同时存在着不足之处，如部分系统处理效率低、脱氮效果有待提高、土壤易堵塞及对周围环境带来不利的影响等问题［23］。孔海南等［32］研究了土壤渗滤处理过程中温室气体的排放量，验证了甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)等温室气体的产生。如何更有效地解决土壤渗滤存在的问题还有待继续深入地研究。

4 展望

土壤渗滤处理技术是一种基于自然生态原理的生态工程技术，属于污水土地处理的范畴。土壤渗滤处理技术通过土壤－微生物－植物系统的综合生态作用来达到深度处理污水的目的，不仅能有效减少有机物和氨氮，而且对病原菌也有很好的去除作用。将其应用于再生水的处理中，不仅效果好，而且可以解决我国目前常用处理技术存在的主要问题，并且土壤渗滤本身具有建设成本和运行成本低廉、能耗低、出水水质好、操作运行管理简便等优点。我国若干已有的污水土地处理工程的实际运行经验表明，土壤渗滤处理系统在我国广大地区有着良好的适应性和可行性，因此，土壤渗滤处理技术在我国将有广阔的发展前景。对土壤渗滤处理系统的进一步研究及推广应用，对改善水质、保护水环境和再生水回用具有重要的意义。虽然污水土壤渗滤处理已经得到了进一步的研究与应用，但由于污水成份的复杂性，任何一种处理方法都不能完全解决污水处理和水环境污染问题，所以土壤渗滤也存在着不可避免的问题，如结构单一、脱氮效果有待提高、土壤孔隙易堵塞等，需要不断地对其加以研究解决。为使土壤渗滤得到更广泛地应用，该技术可以与其他工艺相结合，相互弥补各自处理技术的不足，共同实现对再生水的优质处理。

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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