污水地下渗滤系统的研究现状、存在问题及改进措施概述

关佳佳

（朝阳市生态环境局，辽宁朝阳122000）

1 引言

污水地下渗滤系统（Subsurface Wastewater Infiltration Systems，SWIS）是一种集物理、化学和生物反应于一体的污水净化土地处理系统。19 世纪末，污水地下渗滤系统首次被应用在生活污水的二级处理中。现阶段，污水地下渗滤系统是处理分散式生活污水的主要方式，广泛应用在房屋分散、人口稀少、没有完善的污水管网系统的农村地区。随着污水地下渗滤处理技术的迅速发展，其研究的内容也更加具体化。

2 污水地下渗滤系统的研究热点

污水地下渗滤系统的研究热点集中在污水地下渗滤系统运行参数的选取、土壤基质的选择与配置、土壤基质微生物学特征以及污水地下渗滤系统氮的去除［1-4］。

2.1 运行参数的选取

污水地下渗滤系统运行参数主要包括运行方式、运行周期、水力负荷和进水浓度等。

干湿交替是污水地下渗滤系统最常见的运行方式，目的是为了提高污水地下渗滤系统的氧气含量和恢复渗透性能，从而使污水地下渗滤系统内部交替形成好氧、厌氧环境，以利于对污染物的降解和保持稳定的处理水量［5］。运行周期是指污水地下渗滤系统一次淹水和一次落干组成的循环时间，通常采用淹水时间和落干时间之比计算湿干比。在污水地下渗滤系统中，淹水时间通常以采用饱和吸附或入渗速率稳定需要的时间来确定，落干时间以恢复吸附所需的时间来确定，以此确定污水地下渗滤系统的湿干比。过大的湿干比会导致局部土壤基质过载负荷，土壤基质吸附作用不充分，过小的湿干比会使污水地下渗滤系统占地面积过大，造成浪费，并且湿干比还影响污水地下渗滤系统的脱氮效果和启动周期［6］。水力负荷是污水地下渗滤系统设计和运行的关键参数，是污水地下渗滤系统所需土地面积、布水沟长度等计算的基础。水力负荷太小，污水地下渗滤系统的利用率低，而太大的水力负荷会导致污水在污水地下渗滤系统中停留时间过短而降低处理效果。合理的水力负荷应该满足以下条件［7］：保证良好的出水水质、系统能够稳定运行、不因污染物超负荷而被堵塞。在保证出水水质的前提下，追求较高的水力负荷是地下渗滤系统的主要目标。宋斐等［8］研究发现，污水地下渗滤系统对于污染物的去除与水力负荷呈负相关，当水力负荷在0.1～0.3 m3/（m2·d）时，污水地下渗滤系统的处理效果较好，出水均能满足GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》二级标准。

2.2 土壤基质的选择与配置

土壤基质不同其所显示出的物理性质、化学性质和生物性质也有所不同，而且土壤基质的结构、质地、有机质、渗透性、土层厚度、微生物群落及氧化还原电位等理化性质又对污水地下渗滤系统的处理能力和净化效果［9］起着决定性的作用。在污水地下渗滤系统选择土壤基质时需达到以下几个标准［10］：必须未被重金属、有毒有机物污染；具备团粒结构发达和稳定性好，可防止污水地下渗滤系统堵塞；采用的土壤基质要含有丰富的有机质，可加快微生物驯化时间，同时为植物生长创造合适的环境；形成上部透水、通气，下部缺氧、厌氧的良好环境，适当的孔隙率、渗透性和通气性，为微生物提供良好的生存环境。

Zhang 等［11］发现当污水地下渗滤系统的土壤基质深度超过130～150 cm，系统的反硝化作用增强，180～200 cm 的污水地下渗滤系统对TN 的去除效果最佳。污水中约90%的TP 通过污水地下渗滤系统中的土壤吸附而被去除，则存在着TP 沉淀饱和的问题，从而影响污水地下渗滤系统的使用年限。刘娜［12］、Yu 等［13］和梁成龙［14］在污水地下渗滤系统的土壤中添加粉煤灰、陶粒、钢渣和生物炭等物质来提高系统对TP 的去除能力，结果表明，污水地下渗滤系统不仅除磷能力提高，还增加了对TP 的吸附容量，同时对TN 的去除效果有显著促进作用。碳源和氧化还原条件是制约污水地下渗滤系统中反硝化作用的两个主要因素。李英华等［15］在土壤中掺加10%～20%的污泥或微生物菌剂，提高了污水地下渗滤系统土壤基质的孔隙度、渗透性和有机质含量，加速系统成熟，提高了污水地下渗滤系统NH4＋－N 的去除率和抗冲击负荷能力。

2.3 土壤基质微生物学特征

污水地下渗滤系统是一个生态系统，除了生物脱氮中涉及的脱氮微生物，还存在着各种微生物，它们在土壤基质中相互依存、协同作用，同时相互制约［16］。不同的土壤类型、渗透性能、环境条件、肥力水平和季节变化等会产生差异很大的微生物种类、数量和分布。无植被覆盖或肥力水平较低的荒漠土壤的微生物数量较少，在垂直方向上微生物多样性随着深度减少的程度小于植被覆盖或肥力水平较高的土壤。不同地区或同一地区的四季气候均不相同，土壤性质也不同，或随着季节而改变，微生物的种类和活性也会随之变化［17］。黏附在土壤基质颗粒上的微生物的群落结构直接影响污水地下渗滤系统对污染物的净化容量和效果。Pan 等［18］通过分流污水补充污水地下渗滤系统的反硝化区的碳源，提高污水地下渗滤系统的脱氮效果，结果表明，硝化细菌的数量随着土壤基质深度的增加而下降，而反硝化细菌的数量则随着土壤基质深度的增加而增加。潘晶［19］在使用炉渣等改良污水地下渗滤系统土壤基质时也得到类似的结论，稍有不同的是经过改良的污水地下渗滤系统的反硝化细菌数量呈现最高的土壤基质深度在80 cm 深度处，而不是100 cm 深度处；在布水口附近区域细菌和真菌的数量最多，而随着深度的增加放线菌的数量逐步下降。细菌和真菌在污水地下渗滤系统中的数量与COD 和BOD 去除率明显相关，但与TP 去除率无关；硝化细菌的数量和NH4＋－N 的去除率呈相关性；反硝化细菌的数量与TN 的去除率明显有关。Liu 等［20］在地下污水渗透系统中加入嗜冷菌株强化其对污水的低温处理性能，16S rRNA 技术表明，外加菌株降低了土壤基质的微生物多样性，改变了细菌群落结构，提高了脱氮效果。

2.4 污水地下渗滤系统氮的去除

污水地下渗滤系统脱氮效果差的原因主要有两个：不理想的好氧环境下硝化作用不足及污水地下渗滤系统底部缺乏有机碳为反硝化反应提供电子供体［21］。针对氧气供应不足，一般通过通风、改良土壤基质、植物输氧和调整湿干比来改善污水地下渗滤系统中的氧化还原环境。Pan 等［22］通过间歇曝气的方式使污水地下渗滤系统形成硝化－反硝化反应所需的好氧、缺氧或厌氧条件，增强了微生物的呼吸功能，增加了硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶的活性，提高了污水中COD 和TN 的去除率。植物可以通过根部的气体导管将枝叶吸收的氧气传送到土壤基质中，营造出亲和的微生态环境［23］。针对反硝化区域缺乏碳源，一般通过调整进水C/N、分流配水和改良底部土壤基质等方法进行改善。

3 污水地下渗滤系统存在的问题

3.1 脱氮问题

通常情况下，污水地下渗滤系统对COD，BOD5，SS，TP 的去除率超过80%，然而由于污水地下渗滤系统规模和土壤基质、进水成分、环境和运行条件等的不同，TN 的去除率差异范围在10%～90%［24］。对于脱氮的潜在原因，如微生物的群落结构和特征等尚缺乏深入的讨论，目前还未见研究确定系统内部微生物特性与处理过程之间的关系［25］。

3.2 有限的使用年限

由于污水地下渗滤系统运行时间的延长，土壤渗透的速率将逐步降低，导致土壤堵塞，降低土壤基质的水力传导性及净化效果，还会缩短污水地下渗滤系统的使用年限［26］。污水地下渗滤系统对TP 的去除主要是形成难溶的含磷化合物截留在土壤基质中，但由于土壤基质的最大磷吸附量是一定的，随着运行时间的延长，土壤基质对TP 饱和吸附后会出现磷穿透现象，这同样也会大大缩短污水地下渗滤系统的使用年限。如何在提高污水地下渗滤系统对污染物去除效果的同时延长系统的使用年限，是目前污水地下渗滤系统面临的主要挑战。

4 污水地下渗滤系统的改进措施

4.1 运行方式和参数的改进

为了解决污水地下渗滤系统脱氮效率相对较低的问题，不同的运行方式和参数被应用在污水地下渗滤系统中。常见的提高脱氮的运行方式是干湿交替运行、分流进水、曝气（可以在进水中微曝气，也可以在污水地下渗滤系统中添加曝气装置）。常见的提高污水地下渗滤系统脱氮效果的运行参数是选择合适的运行周期、水力负荷、进水C/N、表层植物。

4.2 渗滤基质的改良

为了改善污水地下渗滤系统对污染物的整体去除性能和延长其使用年限，可选择性添加一些沸石、废渣、泡沫、生物炭等功能性物质，提高土壤基质的渗透系数和吸附能力。如零价铁被广泛应用于反硝化反应器中，依赖于其化学还原和物理吸附特性可去除污水中的NO3－N［27］。多孔黏土材料可作为吸附剂吸附污水中的污染物，或作为固相载体固定化微生物，促进微生物对污水的处理效果［28］。

4.3 微生物功能强化

在污水地下渗滤系统中微生物对污染物的去除发挥着重要作用，因此生物强化不仅可提高污水地下渗滤系统的污染物去除能力和使用年限，还可提高污水地下渗滤系统的脱氮能力。不同土壤基质的微生物对环境具有不同的适应性，因此最好的接种微生物的方式是在同样的污染环境和工艺的土壤中筛选需求的功能微生物，再重新接种到类似的污染环境和工艺当中［29］。