污水土地處理概述和凈化原理

一、概述

污水土地處理系統(tǒng)是指利用農田、林地等土壤-微生物-植物構成的陸地生態(tài)系統(tǒng)對污染物進行綜合凈化處理的生態(tài)工程;它能在處理城鎮(zhèn)污水及一些工業(yè)廢水的同時,通過營養(yǎng)物質和水分的生物地球化學循環(huán),促進綠色植物生長，實現(xiàn)污水的資源化與無害化。

污水土地處理源于污水灌溉農田,其歷史可追溯至公元前:歐洲自1531年即有記載。美國于1888年開發(fā)了污水快速滲濾技術,經過改善演變,至20世紀60年代美國已建有2000多座具有不同特色不同類型的污水土地處理場,截至1987年,美國已有4000多座運行良好的污水土地處理系統(tǒng)。我國也有利用污水灌溉農田并進行污水處理的悠久歷史。20世紀80年代初,隨著城市與工業(yè)生產的發(fā)展,我國先后開辟了十多個大型污水灌區(qū)。

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污水土地處理系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)點:①促進污水中稍物營養(yǎng)索的循環(huán),污水中的有用物質通過作物的生長而獲得再利用;②可利用廢劣土地、坑塘洼地處理污水,基建投資省;③使用機電設備少,運行管理簡便、成本低廉,節(jié)省能源;④綠化大地,增添風景美色,改善地區(qū)小氣候,促進生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)。污水土地處理系統(tǒng)如果設計不當或管理不善,也會造成許多不良后果,如:①污染土壤和地下水,特別是造成重金屬污染、有機毒物污染等;②導致農產品質量下降;③散發(fā)臭味、滋生蚊蠅,危害人休健康等。

污水土地處理系統(tǒng)由污水的預處理設備、調節(jié)貯存設備、輸送配布設備,控制系統(tǒng)與設備、土地凈化田和收集利用系統(tǒng)組成。其中土地凈化田是污水土地處理系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。當前,污水土地處理系統(tǒng)常用的工藝有慢速滲濾系統(tǒng)、快速滲濾系統(tǒng),地表漫流系統(tǒng),濕地處理系統(tǒng)和地下滲濾處理系統(tǒng)。其中,濕地處理系統(tǒng)將在本章第三節(jié)中詳細介紹。

二、污水土地處理系統(tǒng)的凈化原理

結構良好的表層土壤中存在土壤-水-空氣三相體系。在這個體系中,土壤膠體和土壤微生物是土壤能夠容納、緩沖和分解多種污染物的關鍵因素。污水土地處理系統(tǒng)的凈化過程包括物理過濾、物理吸附與沉積、物理化學吸附、化學反應與沉淀、微生物代謝與有機物的生物降解等過程,是一個十分復雜的綜合凈化過程。其對各項污染物的去除機理如下:

(一)懸浮固體的去除

懸浮固體(SS)主要通過過濾截留、沉淀、生物的吸附及作物的阻截作用去除。慢速滲濾,快速滲濾和地下滲濾系統(tǒng)中懸浮固體的去除以過濾截留作用為主,地表漫流系統(tǒng)中的懸浮固體去除則主要靠沉淀.生物的吸附及作物的阻截作用,后者的去除效果較前者稍差。

值得注意的是,懸浮固體是導致土地處理系統(tǒng)堵塞的一個重要原因。一般來說,二級處理出水中的懸浮固體導致土壤堵塞的可能性更大,而一級處理出水的懸浮固體則不易造成明顯的堵塞,這是因為一級處理出水懸浮固體中可降解成分多,而二級處理出水懸浮固體中難降解的惰性成分較多。

(二)B0D的去除

BOD進人土地處理系統(tǒng)以后,在土壤表層區(qū)域即通過過濾、吸附作用被截留下來,然后通過土壤層中生長著的細菌、真菌(酵母、霉菌等)、原生動物、后生動物,甚至像蚯蚓那樣的動物作用將其最后降解。土壤微生物一般集中在表層50cm深度的土壤中,因而大多數BOD的去除反應都發(fā)生在地表或靠近地表的地方。

通過土壤微生物的馴化,可以較大幅度提高土地處理系統(tǒng)的有機負荷。對于某些處理易生物降解工業(yè)廢水的土地處理系統(tǒng),進水BOD,濃度即使達到1000mg/L或者更高,系統(tǒng)仍能有效地運行。城鎮(zhèn)污水有機物濃度一般遠低于上述值,因此,采用土地處理系統(tǒng)凈化城鎮(zhèn)污水中的有機物是沒有問題的。各種土地處理系統(tǒng)處理城鎮(zhèn)污水時使用的典型有機負荷如表14-4所示.

表各種土地處理系統(tǒng)處理城鎮(zhèn)污水時使用的典型有機負荷

(三)氮的去除

氮脫除機理主要包括作物吸附吸收、生物脫氮以及揮發(fā)。城鎮(zhèn)污水中的氮通常以有機氮和氨氮(也可以是銨離子)的形式存在。在土地處理系統(tǒng)中，有機氮首先被截留或沉淀,然后在微生物的作用下轉化為氨氮。由于土壤跟粒帶有負電荷,銨離子很容易被吸附,土壤微生物通過確化作用將銨離子轉化為NO后,土壤又恢復對銨離子的吸附功能。土壤對負電荷的 NO;沒有吸附截留能力,因此一部分的NO,隨水分下移而淋失，一部分NO;被植物根系吸收而成為植物營養(yǎng)成分,一部分NO7發(fā)生反硝化反應,最終轉化為N;或者N,O而揮發(fā)掉。

土壤的微生物脫氮是土地處理系統(tǒng)中氮去除的主要機理,而在慢速滲濾和地表漫流系統(tǒng)中,作物吸收也是去除氮的一個重要方面(可去除施人氮素的10%-50%)。

土壤中的氨揮發(fā)是一個物理化學過程。其揮發(fā)量和土壤的pH有關。如果土壤pH小于7.5,實際上只有NH)存在;在pH小于8.0時氨的揮發(fā)并不嚴重;在pH為9.3時,土壤中氨和銨離子的比例是1:1,通過揮發(fā)造成的氨氮損失開始變得顯著(達到10%左右);在pH為12時,全部氨氮都轉化為溶解性氨氣,揮發(fā)造成的氨氮損失非常顯著。

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(四)磷的去除

污水中的磷可能以聚磷酸鹽.正磷酸鹽等無機磷和有機磷形態(tài)存在。土地處理系統(tǒng)中磷的去除過程包括植物根系吸收、生物作用過程、吸附和沉淀等。其中以土壤吸附和沉淀為主。

土壤對磷的吸附能力極強,水中95%以上的磷可以被土壤吸附而儲存于土壤中。而磷在土壤中的擴散、移動極弱,只有在沙質土壤、水田淹水土壤中大量施用有機肥的情況下,才可能引起土壤中磷的淋失。土壤的固磷作用主要有以下四種機制:

(1)化學沉淀作用:在酸性土壤中,磷與鐵、鋁等作用,生成不溶性瞬酸鹽(2)表面反應:土壞膠體和H,PO2在土壤表面發(fā)生交換反應和吸附反應。

(3)閉蓄反應:土壤中的Fc(OI);和其他不溶性的鋁質和鈣質膠膜將含磷礦化物包裹起來,使其喪失在土壤中的流動性

(4)生物固定作用:土壤中的無機磷被微生物所吸收利用,轉化為有機磷，可見,土壤對磷的吸附容量與土壤中所含的黏土、鋁、鐵和鈣等化合物的數量以及土壤的pH有關。礦物質含量高、pII偏酸性或者偏堿性、具有良好團粒結構的土壤,對磷的吸附容量大。而有機質含量多、pH中性、具有粗團粒結構的土壤,對磷的吸附容量小。

植物對磷的吸收與對氮的吸收成比例。通常認為,植物要求氮、磷的營養(yǎng)比為6:1。對于慢速滲濾系統(tǒng)及地表漫流系統(tǒng),由于經常收割,植物根系對磷的吸收約占總輸人的20%~30%。慢速滲濾、快速滲濾以及地下滲濾系統(tǒng),只要發(fā)生滲透和側滲過程,污水中的磷有機會接觸大量土壤表面,吸附和沉淀作用就成為土地處理系統(tǒng)中磷凈化作用的主要因索。而漫流系統(tǒng)由于土壤滲透性小,污水中磷與土壤接觸的表面積不大,因而吸附和沉淀作用受到一定的限制。

(五)金屬元素的去除

污水中的金屬元素包括Hg、As、Cr、Pb、Cd、Cu、Zn和Ni等。微量金屬元素在土壤中的去除是一個復雜的過程,包括吸附、沉淀、離子交換和整合等反應。由于大多數痕量金屬的吸附發(fā)生在黏土礦物質、金屬氧化物以及有機物的表面,所以質地細黏和有機質豐富的土壤對痕量金屬的吸附能力比沙質土壤大。

值得注意的是,雖然金屬元素在土壤表面中的蓄積特性可以免除或大大減輕對地下水的污染,但卻會產生土地處理系統(tǒng)金屬元素蓄積的長期效應間題,土壤一旦被金屬元素污染,就很難像大氣污染那樣通過擴散自凈作用加以消除。因此,有必要對投配到土壤中的金屬元索濃度加以限制。使土壤pI保持在6.5以上,可使某些微量元索呈難溶化合物形式存在,使其毒性降至最低程度。

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(六)痕量有機物的去除

痕量有機物在土地處理系統(tǒng)中的去除主要是通過揮發(fā)、光解、吸附和生物降解等作用完成的。

典型城鎮(zhèn)污水中的痕量有機物一般不會對土地處理場地的地下含水層產生不良影響。但是應當指出,如果城鎮(zhèn)污水中包括了化學工業(yè)、制藥工業(yè)和石化工業(yè)等行業(yè)的工業(yè)廢水,對這種混有工業(yè)廢水的城鎮(zhèn)污水采用土地處理工藝時,應重視污水中的有毒化合物。

(七)病原微生物的去除

污水土地處理所關注的病原微生物有細菌、寄生蟲和病毒。它們通過過濾、吸附、干化.輻照、生物捕食以及暴露在不利條件下等方式而被去除。由于原生動物和蠕蟲的個體尺寸較大,它們主要是被土壤的表面過濾作用除去,細菌主要是通過土壤的吸附和土壤表面的過濾作用去除,而病毒則幾乎全部是通過土壤的吸附作用去除的。