废水生态处理技术比较分析

□文/彭金利 陈 曦

目前常用的废水净化处理技术主要有3类，即物理处理法、化学处理法和生物处理法。实际应用中往往将这几种方法综合起来实现对水体的净化。然而，这几种常规水处理方法具有投资大、成本高、工艺复杂等缺点。因此，在我国的大中型城市基本采用集中处理的方式处理污水。但由于经济等原因，中小城镇、农村、企业等点源仍存在着污水直接排放到环境水体中，造成河流、湖泊、海域等的污染，这些仅靠兴建集中式污水处理厂处理是不符合我国国情的。开发高效、节能、清洁、符合我国国情的可持续发展的污水处理新方法是解决我国日益严重的水污染问题的关键，只有投资少，占地面积小，运行成本低，管理维护简便，受气候条件影响小的污水处理技术才能广泛推广应用。

与人工处理技术相比，污水土地处理生态工程通常被称为自然净化技术。它是在人工调控作用下利用土壤-微生物-植物组成的生态系统使污水中的污染物得到净化的处理方法。这种方法投资低、能耗低、净化效率高、运行简单，同时充分利用污水中的水肥资源，增加土壤养分，防止水土流失。

1 废水生态处理技术概况

孙铁珩建立的污水土地处理体系为5类，即慢速渗滤、快速渗滤、地表漫流、地下渗滤和湿地系统[1]。

1.1 慢速渗滤处理系统

慢速渗滤处理系统是将污水投配到有作物的土壤表面，污水在流经地表土壤-植物体系统时得到充分净化的一种土地处理工艺类型，见图1。在该处理系统中，投配的废水一部分被修复植物吸收，一部分在渗入底土的过程中其中的污染物被土壤介质截获，或被修复植物根系吸收利用或固定，或被土壤中的微生物转化降解为无毒或低毒的成分。

图1 慢速渗滤处理系统水流途径

工艺目标：处理污水；利用水和营养物质生产商品性农作物；在干旱地区，用污水代替清洁水进行灌溉，节约清洁水；开发荒地，发展草地和林地。

工艺特性：投配污水负荷低，污水通过土壤的渗滤速度慢，在表层土壤停留时间长，处理效率高而稳定，在一定的水质状况与环境条件下，可起到替代三级处理的作用。

2.2 快速渗滤处理系统

快速渗滤处理系统是将污水有控制地投配到具有良好渗透性能的土壤表面，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，见图2。快速渗滤系统对地质条件较其他土地处理工艺类型更为严格，其处理效率很高，净化后的水可回收再用，但由于其处理负荷低（一般仅为6～130 m/a），造成土地占用面积非常大，限制了其推广应用。

图2 快速渗滤处理系统水流途径

工艺目标：处理污水和回收利用污水；再生水补给地下水；用地下暗管或竖井收集、回收再生水以供回用或补给地下水；通过拦截工程措施，使再生水从地下进入地表；再生水季节性地贮存在具有回收系统的处理场之下，在作物生长季节用于灌溉。

工艺特性：几乎可以去除全部的COD、SS和大肠菌等，对磷的去除也很有效，水力负荷是当时可反硝化去除大量的氮，适用于BOD5/COD＞0.3的生活污水及某些食品工业废水，可终年运行。

2.3 地表漫流处理系统

地表漫流处理系统是将污水有控制地投配到生长多年生牧草、坡度和缓、土壤渗透性低的坡面上，污水地表以薄层沿坡面缓慢流动过程中得到净化的一种污水土地处理工艺类型，见图3。

图3 地表漫流处理系统水流途径

工艺目标：在较低水平的水质预处理和省去污泥处理的情况下，取得二级处理出水的水质；对BOD、SS和氮去除达到较高程度；利用水及其所含营养物生产作物；再生水收集与回用。

工艺特性：以处理污水为主，兼有生长牧草功能，对水质预处理程度要求低，可省去污泥处理工艺，出水以地表径流收集为主，对地下水影响最小。

2.4 地下渗滤处理系统

地下渗滤处理系统是将污水有控制地投配到一定构造、距地面约50 m深且具有良好扩散性能的土层中，污水经毛管浸润，在土壤渗滤作用下向周围运动并达到处理利用要求的一种土地处理类型，见图4。污水中的污染物被土壤吸附，在土壤微生物的作用下被降解，土壤中的原生动物及后生动物又以微生物为食，植物的根系则吸收污水矿化而产生的N、P以供其生长所需的营养，植物的根系能为土壤微生物提供养分，土壤微生物反过来也促进了植物根系的发育，从而促进了植物的生长[2]。污染物就是在该生态系统复杂而又相互联系和制约的作用下被去除的，其净化过程综合了物理、化学和生物等多种机理。地下渗滤系统的类型有渗滤坑式地下渗滤系统、渗滤沟式地下渗滤系统、渗滤管式或渗滤腔式地下渗滤系统、尼米槽式地下渗滤系统、地下渗滤系统组合工艺[3]。

图4 典型地下渗滤处理系统

工艺目标：直接处理污水；在处理污水的同时为上层覆盖绿地提供水分与营养，可替代清洁水发展绿地；产生优质再生水以供回用；节约污水集中处理的输送费用。

工艺特性：受场地条件限制小，污水在土壤中停留时间长，不会产生不良气味，处理效果稳定，出水水质好，不产生污泥，绿地植物充分利用污水中的氮磷，可结合绿化实施。

2.5 湿地处理系统

湿地处理系统是将污水有控制地投配到经常处于饱和状态、生长有像芦苇、香蒲等沼泽生物的土地上，污水在沿一定方向流动过程中，在耐水植物和土壤的联合作用下得到净化的一种土地处理系统，见图5。污水湿地处理系统包括天然湿地和人工湿地系统。人工湿地除具有天然湿地的主要特征外，还辅以必要的工程措施，具有水力负荷大，污染负荷高，节省用地面积等优点，所以，人工湿地系统是处理城市污水的主要工艺类型。由国内外的工程实例可知，其处理费用一般不会超过0.05元/m；国外有关资料表明，人工湿地污水回用工程处理费用在美国约为2.5～25.0美元/1000 t[4]。

图5 湿地处理系统水流途径

工艺目标：直接处理污水；对经人工或其他工艺处理后的污水进行再处置或深度处理；利用污水营造湿地自然保护区。为野生群落提供有价值的生态栖息地，为生物多样性研究提供场地。

工艺特性：BOD、SS、氮和磷的去除过程与地表漫流相似，可以去除多种污染物质，对重金属和酸性的有机和无机矿物质污染物有良好地去除效果。

3 废水生态处理技术的比较分析

不同类型的土地处理系统处理性能不同，对水的预处理程度要求不同、出水水质不同、工艺设计参数不同，各种污水土地处理系统进行比较分析，见表1-表3[5～6]。

表1 污水土地处理技术的适用范围 m3/d

表2 污水土地处理前的要求及使用控制条件

续表2

表3 污水生态处理工艺设计参数

4 废水生态处理技术存在的问题和解决措施

4.1 土壤堵塞

土壤堵塞是影响土地处理系统长期稳定运行的关键问题。适度的土壤孔隙堵塞可以扩大土地处理系统内部的非饱和流动区域，提高处理效果，但过度的堵塞将使污水难以通过土壤层，从而使系统处理能力严重降低，要从物理、化学和生物等方面预防和控制土壤堵塞，即采用加大进水的预处理程度，降低进水悬浮物浓度，定期人工翻动系统的初始地段或人工剥离更换堵塞层，提高土壤氧化还原电位，降低微生物产生的胞外聚合物浓度。

4.2 占地面积大

占地面积大是阻碍土地处理系统发展的主要因素，这和当前我国土地资源紧张有密切的关系。要解决占地面积大的问题，唯一的途径就是提高水力负荷。但随着水力负荷的提高，污水通过系统的速度加快，从而减小了与微生物接触反应的时间，影响出水水质，同时也会加大系统的堵塞。因此，要找到水力负荷、出水水质和堵塞三者之间的平衡点。

4.3 重金属污染

重金属污染也是制约土地处理系统发展的主要问题。由于重金属的积累可能会对土壤、种植植物、地下水造成污染，可以通过对污水的预处理、特有植物吸收修复缓解重金属的积累，从而减少污染的发生。

5 结语

根据废水生态处理技术的特点，污水的生态处理技术在我国的发展战略应遵循两大基本原则[2]：

1）污水处理与水资源的利用相结合；

2）选择具有特异修复功能、与食物链相脱离的植物代替传统的作物利用水资源的方式。

我国的污水治理必须走生态处理技术的道，尤其提倡以联合式或强化式生态处理技术为主，对污水进行综合治理。

[1]孙铁珩，李宪法.城市污水自然生态处理与资源化利用技术[M]北京：化学工业出版社，2006.

[2]吴建峰，林先贵.土壤微生物在促进植物生长方面的作用[J].土壤，2003，35（1）：18-21.

[3]李英华，孙铁珩，李海波，等.地下渗滤系统处理生活污水的技术难点及对策[J].生态学杂志，2009，28（7）：1415-1418.

[4]王季震，乔鹏帅，鲁智礼.污水土地处理技术中几种处理工艺的分析[J].北京工商大学学报：自然科学版，2006，24（2）：13-16.

[5]孙铁珩，周启星，李培军.污染生态学[M]北京：科学出版社，2001.

[6]党酉胜，黄 钟，张伯鸣，等.污水土地处理的研究现状及发展趋势[J].陕西环境，2002，9（5）：17-19.