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

　　随着旅游及房地产业在我国的发展，大批旅游景点、疗养院、别墅、居民区兴建起来。但是这些设施在解决了供水问题之后，由于种种原因，往往未能够将其下水道与市政排水系统相连接，大量生活污水排入附近的河道，造成严重的水环境污染，甚至威胁到水源地的安全。因此，必须采取工程措施来解决此类水污染问题。
　　污水土壤毛细管渗滤是一种就地污水处理技术，它充分利用土壤中的动物、微生物、植物以及土壤的物理、化学特性将污水净化。由于利用了土壤的自然净化能力，因而具有基建投资低、运转费用少、操作管理简便等优点。同时还能够利用污水中的水肥资源，把污水处理与绿化相结合，美化和改善区域生态环境。

1　工艺原理及特点

　　典型的污水毛细管渗滤净化系统是由预处理、提升、渗滤场等几部分组成的。主要工艺流程如下：

　　污水首先进入预处理设施，通常使用的预处理设施有水解池和化粪池等。污水经厌氧发酵作用，其中的有机物得到部分分解，降低了污染物负荷，也提高了污水中速效养分的含量，有利于进一步净化和利用。
　　预处理后的污水经过水泵提升通过管道输送至渗滤场。在配水系统控制下，污水经布水管分配到每条渗滤沟中。污水在渗滤沟中通过砾石层的再分布，在土壤毛细作用下上升至植物根区。污水经过土壤的物理、化学作用和微生物的生化作用以及植物吸收利用后得到处理和净化。
　　由于渗滤沟特殊配制的土壤具有理想的土壤机质组成，有机质含量丰富，因此土壤的团粒结构发达，渗透速率高，毛细作用强，吸附容量大，通透性较好。同时，土壤中富含微生物所必须的营养和能源物质，加之适宜的土壤性状为土壤微生物提供了良好的生存发育环境，因此土壤具有较高的生物活性。污水投配到渗滤沟后，沿土壤毛细管上升，通过土壤的物理阻留、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，污水中的有机物被去除。其中土壤微生物的活性对有机污染物的去除起着十分重要的作用，被阻留和吸附在土壤中的有机污染物在微生物的作用下，经生物化学反应被分解转化成无机物，这是去除有机污染物的关键过程。
　　草坪植物对营养元素的吸收也是污水净化的重要途径。污水中的氮、磷等作为植物生长所必需的养分，通过植物根系被吸收利用，当割草时被移出系统达到脱除的目的。经常的修剪草坪可以使营养元素的去除量达到最大。
　　植物的生长也极大地改变了污水处理过程的环境条件。由于植物根系深入土壤和增加土壤有机质，既提高了土壤的水力渗透速率，还有助于创造一个良好的植物根区的微环境，有利于微生物对污染物的降解。
　　污水毛细管渗滤系统与其他污水处理系统相比较，具有以下特点：
　　①　系统运行稳定、可靠，抗冲击负荷能力强；
　　②　在高效去除BOD₅的同时能去除氮、磷，对水源保护意义重大；
　　③　建设容易、维护简便、基建投资少、运转费用低；
　　④　整个系统在地表下，不会散发臭气，地面草坪还可以美化环境；
　　⑤　将污水处理与绿化建设相结合，实现了污水的资源化利用。

2　工程设计

2.1　处理水量与进水水质
　　一般生活污水的人均排水量可按200 L/(人^．d)考虑，由此计算系统的处理水量。从工艺流程可知，水解池或化粪池作为预处理设施设置于提水泵站之前，因此渗滤场地的进水水质实际上反映了生活污水经预处理后的水质情况，一般BOD₅为30～80 mg/L，COD_Cr约为50～150 mg/L。
　　采用水解池或化粪池作为污水毛细管渗滤系统的预处理装置，可以为后续系统提供污染物浓度较低、生化降解性较高的进水。同时，粪便中的寄生虫卵和病原微生物在厌氧环境中受生物拮抗作用而被杀死，污水中的粪便也得到了一定的无害化处理。
2.2　渗滤场面积计算及渗滤沟布置
　　毛细管渗滤系统的设计有多种方式，有以污染物去除能力为限制的污染物负荷设计方法；有以系统透过水量为限制的水力负荷设计方法；还有以绿地利用中植物需水量为主的设计方法。可以在实际设计时相互校核。
　　毛细管渗滤系统的水力负荷一般为0.03～0.04 m³/(m^．d)。所需渗滤沟的总长度由下式计算：

　　通常这类系统的BOD₅负荷应小于2.0 gBOD₅/(m^2．d)。
　　渗滤沟沟间距以1.5 m计，则渗滤场总占地面积为渗滤沟总长度×1.5 m。从布水均匀的角度考虑，每条渗滤沟的长度以不超过20 m为宜。可将整个渗滤场分成若干单元，每个单元分为若干组，每组设若干条渗滤沟，每条长20 m，宽1.0 m，沟间中心距为1.5 m。渗滤沟内设陶土管搭接形成的布水管，管径为100 mm。
2.3　渗滤沟结构
　　渗滤沟是本系统的关键设施，污水主要是在流经渗滤沟的过程中得以净化的，结构见图1。

　　渗滤沟主要由五部分组成。“底层”：又称布水层或垫层，由直径为20～40 mm的砾石和粒径为0.25～1.00 mm的粗砂组成，起承托渗滤层和使污水均匀分布的作用，内设埋深0.6 m的陶土布水管。“渗滤层”：是用当地土壤搀和一定比例的泥炭和炉渣配制而成的特殊土壤层，厚度为40 cm，是污水净化的主要作用层。“表层”：由较肥沃的耕作土壤组成，是草坪植物的生长层，其上种植绿色期长的草坪植物“马尼拉”、“翦股颖”和“早熟禾”，实现污水绿地利用。“防渗层”：位于沟床最底层，由厚度为0.23 mm的聚氯乙烯薄膜构成，其作用是防止污水直接下渗，使砾石层经常处于水饱和状态，促使水分的毛细上升。“隔离层”：设置在特殊土壤层下，由可透水的无纺布构成，以防止上层土壤下落填入砾石层，破坏均匀布水。
2.4　监测系统
　　绿地利用型毛细管渗滤系统主要是以绿地植物生长的需要来确定水力负荷的，一般不考虑进行净化水回收，系统设计时可不考虑用于水回收的竖井或暗管排水装置。但为了准确反映系统运行状况，指导和调整其运行参数，保证其良好的污水净化能力，应该在下游方向设置取样监测井，定时取样分析。

3　污水净化效果及讨论

3.1　常规污染物的去除效果
　　在系统运行六年后，对系统的进水和下渗水取样进行分析，得到如表1所示的污水净化结果。

　　表1数据表明，该系统对有机污染物有很好的去除能力和很高的稳定性。首先是出水中COD_Cr和BOD₅的平均值为15.2mg/L和3.4 mg/L，远远优于二级生化处理系统的出水水质，可以达到回用水的标准，因此不会对当地水环境造成危害。系统的水力负荷以1 L/(m^2．d)计，COD_Cr浓度平均值以80.0 mg/L计算，则有机负荷为0.8 gCOD/(m^2．d)，远低于一般污水土地处理系统的推荐值，也就是说在土壤自然净化能力的安全限度内，按这种低负荷运行的系统有着良好的稳定性和安全性。
　　该系统处理的稳定性还体现在对污染物去除效果上基本不受气候变化的影响。在冬季运行期间，气温低至-13.5 ℃，而系统的出水值没有明显的变化，这主要是因为气温尽管很低，但系统中污水的收集、输送过程都是在地下进行的，热量损失较少。实测可知地表下40 cm处一直可以保持在5 ℃以上，由此也就能够维持基本的生化反应。
　　出水BOD₅很低，表明毛细管渗滤系统对有机物的降解去除是非常理想的。当污水投配到渗滤沟后，在沿毛细管上升的过程中，污水中的有机物通过土壤的过滤、吸附、植物吸收和微生物分解作用而被去除。土壤具有较大的吸附容量，截留下的有机物在微生物的分解代谢作用下，将有机物转化为无机物，这样就又恢复了土壤的吸附能力。土壤就是通过这样的循环往复来对有机污染物进行净化的。
　　系统中氮去除效果也很好，去除率平均在90%以上。污水中氮的去除总是要经过氨化、硝化和反硝化几个步骤才能完成，硝化与反硝化反应分别是在好氧与厌氧条件下发生的，两种截然相反的反应条件的转换，使得常规生化处理方法难于实现脱氮目的。毛细管渗滤系统可以实现硝化与反硝化的顺利完成，间歇性的转换布水使系统内实质上进行着布水与干化的交替运行，使土壤处于厌氧与好氧交替变换的状态。另外，土壤中还会存有许多与周围环境状况不同的微环境，即在好氧大环境中存有厌氧微环境，而在厌氧大环境中又存在着好氧微环境。就是这种厌氧与好氧条件的变化和共存，为硝化和反硝化反应创造了条件，毛细管渗滤系统由此得到良好的脱氮效果。
　　磷是造成地面水富营养化的限制性营养物质，必须严格控制。进水中磷含量很低，平均值为1.5 mg/L，出水浓度普遍低于0.025 mg/L的检出线，系统表现出了很高的除磷能力。一般认为，污水土地处理系统中除磷的途径主要有土壤吸附、生化反应和化学沉淀反应等。文献报道，几乎所有污水土地处理系统常年运行后均未出现磷吸附饱和现象。可以认为，污水土地处理系统中，磷的去除主要是由磷的化学沉淀反应过程控制的。污水或土壤溶液中的磷多以H₂PO^-₄(酸性环境下)和HPO^2-₄(碱性环境下)形式存在。与NH₃-N易被土壤吸附和NO^-₃-N在土壤中较高的移动性有所不同，磷酸根离子很容易与土壤中大量存在的Ca²⁺、Al³⁺、Fe³⁺等发生化学反应，生成各种难溶性磷酸盐，通常称之为磷的土壤固定。
3.2　卫生学指标的检测和净化效果
　　土壤毛细管渗滤污水净化绿地利用系统作为城市配套的公用设施，在处理污水和绿化美化环境的同时，还要考虑其对公共健康的影响问题，即有关卫生学指标的问题。
　　生活污水中包含着大量带有病原菌的污染物成分，这些成分会造成环境的生物性污染。选取总大肠杆菌和粪大肠杆菌作为评价系统生物学污染净化指标，对系统的进水、出水和表层土壤(10 cm)进行了取样分析，结果见表2。

　　结果显示：总大肠杆菌和粪大肠杆菌数的去除率接近100%，出水的大肠菌低于90个/L的最低检出线，该系统表现了很高的去除效果。

4　草坪植物的生长和绿化效果

　　根据调查分析，影响绿色期的原因除了草种本身的特性之外，土壤水分和地温是两个关键因素。北京地区大部分绿地冬、春季节很少浇水，而这一时期正是风多、干燥的季节，土壤水分降低很多。资料表明：即使是耐旱的野牛草，当土壤含水率低到12.9%时也开始枯萎。毛细管渗滤系统从提高土壤水分和地温两个方面改变了冬季寒冷、干旱的植物生长条件，冬季平均可提高地温2～3 ℃，土壤含水率保持在18%以上，这有利于草坪在冬、春季节的生长，对延长草坪绿色期有重要意义。
　　早熟禾、翦股颖和马尼拉三种草坪草都很适合在该系统中采用，生长良好。每年3月初就开始返青，到12月底还保持着绿色，而炎热的夏季也没有出现明显的半休眠、枯黄现象，绿色期约为270 d。草坪植物对污水中营养元素的吸收利用是污水净化的重要因素，随水而来的营养成分与植物的正常吸收量相当，不会造成植物“疯长”而影响来年“返青”。
　　土壤毛细管渗滤系统是一个污水处理与绿化相结合的生态系统，除了可以消除水污染外，地表的绿化草坪又可以起到美化环境、丰富绿化层次的作用，是污水资源化利用的方法，适用于零星分散排放污水的治理，对改善北方干旱地区绿化草坪的水肥条件，扩大绿化面积，延长草坪绿色期，净化、美化环境有重要意义。

5　结论

　　土壤毛细管渗滤污水净化系统是一种小型的污水土地处理系统，特别适用于没有完善的城市污水管网系统的地区，是一项处理分散排放污水的实用技术。它充分利用了土壤—植物—微生物系统的净化能力，既可去除有机污染物，又可去除造成水体富营养化的氮、磷等污染物。它不仅具有建设费低、运行费低、操作简单和净化效率高等优点，同时由于该系统主要构筑物处于地表下，故还具有不产生臭味和不影响地表景观的特点。将此项技术与绿地建设结合起来，在有效处理污水的同时还可取得美化与改善环境和节约水资源的综合效果。

参考文献：

［1］　高拯民，李宪法等.城市污水土地处理利用设计手册［M］.中国标准出版社，1991.

基金项目：北京市科委资助项目(852650300)

作者简介：田宁宁(1960-)，男，山西人，北京市环境保护科学研究院高级工程师，学士，研究方向：水处理技术。
收稿日期：2000-02-14