污水土地處理概述和凈化原理

一、概述

污水土地處理系統是指利用農田、林地等土壤-微生物-植物構成的陸地生態(tài)系統對污染物進(jìn)行綜合凈化處理的生態(tài)工程;它能在處理城鎮污水及一些工業(yè)廢水的同時(shí),通過(guò)營(yíng)養物質(zhì)和水分的生物地球化學(xué)循環(huán),促進(jìn)綠色植物生長(cháng)，實(shí)現污水的資源化與無(wú)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(kāi)發(fā)了污水快速滲濾技術(shù),經(jīng)過(guò)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(lèi)型的污水土地處理場(chǎng),截至1987年,美國已有4000多座運行良好的污水土地處理系統。我國也有利用污水灌溉農田并進(jìn)行污水處理的悠久歷史。20世紀80年代初,隨著(zhù)城市與工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,我國先后開(kāi)辟了十多個(gè)大型污水灌區。

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污水土地處理系統具有明顯的優(yōu)點(diǎn):①促進(jìn)污水中稍物營(yíng)養索的循環(huán),污水中的有用物質(zhì)通過(guò)作物的生長(cháng)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(jiǎn)便、成本低廉,節省能源;④綠化大地,增添風(fēng)景美色,改善地區小氣候,促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)。污水土地處理系統如果設計不當或管理不善,也會(huì )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(chǎn)品質(zhì)量下降;③散發(fā)臭味、滋生蚊蠅,危害人休健康等。

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

二、污水土地處理系統的凈化原理

結構良好的表層土壤中存在土壤-水-空氣三相體系。在這個(gè)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(guān)鍵因素。污水土地處理系統的凈化過(guò)程包括物理過(guò)濾、物理吸附與沉積、物理化學(xué)吸附、化學(xué)反應與沉淀、微生物代謝與有機物的生物降解等過(guò)程,是一個(gè)十分復雜的綜合凈化過(guò)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(guò)過(guò)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中懸浮固體的去除以過(guò)濾截留作用為主,地表漫流系統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堵塞的一個(gè)重要原因。一般來(lái)說(shuō),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(jìn)人土地處理系統以后,在土壤表層區域即通過(guò)過(guò)濾、吸附作用被截留下來(lái),然后通過(guò)土壤層中生長(cháng)著(zhù)的細菌、真菌(酵母、霉菌等)、原生動(dòng)物、后生動(dòng)物,甚至像蚯蚓那樣的動(dòng)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(guò)土壤微生物的馴化,可以較大幅度提高土地處理系統的有機負荷。對于某些處理易生物降解工業(yè)廢水的土地處理系統,進(jìn)水BOD,濃度即使達到1000mg/L或者更高,系統仍能有效地運行。城鎮污水有機物濃度一般遠低于上述值,因此,采用土地處理系統凈化城鎮污水中的有機物是沒(méi)有問(wèn)題的。各種土地處理系統處理城鎮污水時(shí)使用的典型有機負荷如表14-4所示.

表各種土地處理系統處理城鎮污水時(shí)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(guò)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(méi)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(yíng)養成分,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中氮去除的主要機理,而在慢速滲濾和地表漫流系統中,作物吸收也是去除氮的一個(gè)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(gè)物理化學(xué)過(guò)程。其揮發(fā)量和土壤的pH有關(guān)。如果土壤pH小于7.5,實(shí)際上只有NH)存在;在pH小于8.0時(shí)氨的揮發(fā)并不嚴重;在pH為9.3時(shí),土壤中氨和銨離子的比例是1:1,通過(guò)揮發(fā)造成的氨氮損失開(kāi)始變得顯著(zhù)(達到10%左右);在pH為12時(shí),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(zhù)。

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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(wú)機磷和有機磷形態(tài)存在。土地處理系統中磷的去除過(guò)程包括植物根系吸收、生物作用過(guò)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(dòng)極弱,只有在沙質(zhì)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(xué)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(zhì)和鈣質(zhì)膠膜將含磷礦化物包裹起來(lái),使其喪失在土壤中的流動(dòng)性

(4)生物固定作用:土壤中的無(wú)機磷被微生物所吸收利用,轉化為有機磷，可見(jiàn),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(guān)。礦物質(zhì)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(zhì)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(yíng)養比為6:1。對于慢速滲濾系統及地表漫流系統,由于經(jīng)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,只要發(fā)生滲透和側滲過(guò)程,污水中的磷有機會(huì )接觸大量土壤表面,吸附和沉淀作用就成為土地處理系統中磷凈化作用的主要因索。而漫流系統由于土壤滲透性小,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(gè)復雜的過(guò)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(zhì)、金屬氧化物以及有機物的表面,所以質(zhì)地細黏和有機質(zhì)豐富的土壤對痕量金屬的吸附能力比沙質(zhì)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(huì )產(chǎn)生土地處理系統金屬元素蓄積的長(cháng)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(guò)擴散自?xún)糇饔眉右韵?。因?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中的去除主要是通過(guò)揮發(fā)、光解、吸附和生物降解等作用完成的。

典型城鎮污水中的痕量有機物一般不會(huì )對土地處理場(chǎng)地的地下含水層產(chǎn)生不良影響。但是應當指出,如果城鎮污水中包括了化學(xué)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)廢水的城鎮污水采用土地處理工藝時(shí),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(guān)注的病原微生物有細菌、寄生蟲(chóng)和病毒。它們通過(guò)過(guò)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(dòng)物和蠕蟲(chóng)的個(gè)體尺寸較大,它們主要是被土壤的表面過(guò)濾作用除去,細菌主要是通過(guò)土壤的吸附和土壤表面的過(guò)濾作用去除,而病毒則幾乎全部是通過(guò)土壤的吸附作用去除的。