1、土地濕地處理原理及工藝

1、土地/濕地處理及工藝一、土地處理技術(shù)概述污水土地處理是在污水農(nóng)田灌溉的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，污水農(nóng)田灌溉的目的是利用水 肥資源。污水農(nóng)田灌溉沒有專門的設(shè)計(jì)運(yùn)行方法和參數(shù)，灌溉水的水質(zhì)、水量是依據(jù)作物 生長(zhǎng)特性、農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)來確定的。污水灌田所引起的臭氣散發(fā)，土壤、地下水和植 物污染等問題，隨著城市迅速發(fā)展，人口高度集中，污水大量排放而日益突出。污水直接 灌田已不能滿足人們對(duì)環(huán)境衛(wèi)生的要求，在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來了污水土地處理工藝。土地處理系統(tǒng)是一種處理污水的生態(tài)工程技術(shù),它可以簡(jiǎn)要定義為:污水經(jīng)過一定程度的 預(yù)處理，然后有控制地投配到土地上,利用土壤一微生物一植物生態(tài)系統(tǒng)的自凈功能和自我調(diào) 控機(jī)制

2、，通過一系列物理、化學(xué)和生物化學(xué)等過程，使污水達(dá)到預(yù)定處理效果,并對(duì)污水中 氮、磷等資源加以利用，使其成為植物自身營(yíng)養(yǎng)成分的一種污水處理技術(shù)。土地處理系統(tǒng)是 由若干部分組成的整體，完整的土地處理系統(tǒng)由預(yù)處理、水量調(diào)節(jié)與儲(chǔ)存、配水與步水、土 地處理田間工程、植物、排水及監(jiān)測(cè)等七部分組成。目前，污水土地處理系統(tǒng)不僅可用于市政污水的治理，還用于治理垃圾滲濾液、食品 加工業(yè)廢水、肉類加工廢水、食用油廠廢水、農(nóng)灌排水和被污染的地下水等。現(xiàn)代意義上的土地處理技術(shù)以污水的處理和利用為前提，注重環(huán)境和生態(tài)效應(yīng)。它以 下列四個(gè)特征從本質(zhì)上有別于污水灌溉：要求污水在進(jìn)入土壤一植物系統(tǒng)之前，必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，并

3、嚴(yán)格控制水質(zhì)和水 量；對(duì)投配污水的土地處理場(chǎng)的土壤、地質(zhì)、水文等場(chǎng)地條件及污水應(yīng)用方式有相應(yīng)的要 求；要求污水土地處理系統(tǒng)在生態(tài)結(jié)構(gòu)與凈化功能之間能有效配合；要求有相應(yīng)的緩沖、調(diào)控措施及進(jìn)出水水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能對(duì)水力負(fù)荷進(jìn)行有效調(diào)節(jié)控制 和管理，有一定的貯存單元或相當(dāng)措施，保證污水終年處理。土地處理工藝近年來得以迅速發(fā)展，原因由于：世界范圍內(nèi)，大中城市的污水已經(jīng)得到一定程度的處理和控制，零散分布的小流量集中 污水治理問題進(jìn)入人們的視野；對(duì)居住人數(shù)不足10000人的居住區(qū)，采用常規(guī)處理工藝的基建投資大、操作和維護(hù)費(fèi)用 高、能耗也高，而土地處理工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，操作管理方便，能耗低，且不存在污泥處置的

4、問題，是處理分散的居民聚居區(qū)生活污水的理想技術(shù)；常規(guī)污水處理廠可有效去除SS和有機(jī)物等，但對(duì)N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除率較低 30%50%），經(jīng)處理后的出水排入自然水體可能引起“富營(yíng)養(yǎng)化”等環(huán)境問題，土地處理 法是將污水廠出水回用或回灌的經(jīng)濟(jì)合理的形式；常規(guī)處理工藝操作復(fù)雜，對(duì)管理水平要求高，如活性污泥法啟動(dòng)慢，且易出現(xiàn)污泥膨脹 等問題，大量采用常規(guī)處理技術(shù)的小型污水處理廠“建得起，用不起”的現(xiàn)象促使人們重新 認(rèn)識(shí)對(duì)小規(guī)模污水處理的實(shí)際需求。二、土地處理技術(shù)的類別及工藝特征根據(jù)處理目標(biāo)、處理對(duì)象的不同，土地處理系統(tǒng)可分為慢速滲濾（SR、快速滲濾（RI、 地表漫流（OF、地下滲濾（UG、濕地系統(tǒng)（W

5、L等5種工藝類型。慢速滲濾系統(tǒng) Slow Rate Process，簡(jiǎn)稱SR系統(tǒng)）SR系統(tǒng)適用于滲水性能中等或滲水性能稍高的土壤，土層表面種植物，處理過程發(fā)生 在土壤表面及作物的根部區(qū)域，大部分污水被植物根部吸收，剩下的污水一部分進(jìn)入地下 水或通過土壤內(nèi)的優(yōu)勢(shì)流、邊壁流等進(jìn)入就近的地表水體，也可通過設(shè)計(jì)的暗渠或井采集 而回用。SR系統(tǒng)的主要目的：1）處理污水；2）通過利用污水及其中的營(yíng)養(yǎng)物，收割作物，獲 得經(jīng)濟(jì)上的回報(bào)；3）在干旱區(qū)，通過灌溉涵養(yǎng)水體，形成飲用水源；4）通過種植形成一 定的開敞空間或綠帶，以調(diào)節(jié)環(huán)境和氣候?？焖贊B濾系統(tǒng)Rapid Infiltration Process，簡(jiǎn)稱R

6、I系統(tǒng)）RI系統(tǒng)是將污水投配到由不透水層圍合而成、內(nèi)填高滲透性土壤的滲池中，土層表面 對(duì)栽培植物沒有要求。采用表面間歇布水方式，污水被均勻投配到土地表面并很快滲濾地 下。系統(tǒng)主要的水力途徑是通過非飽合帶的滲流進(jìn)入收水暗渠及集水井，或直接補(bǔ)給地下 水。RI系統(tǒng)的主要目的是污水處理，當(dāng)然系統(tǒng)的運(yùn)行也能達(dá)到其它目的，如：1）回灌地下水 或補(bǔ)充就近的地表水體；2）干旱地區(qū)用于污水的再生或回用；3）將污水季節(jié)性地存放于 快滲池下部，以利干旱季節(jié)的農(nóng)灌。地表漫流系統(tǒng)255101015251038102050.520.5240.10.31540100100地下滲濾處理系統(tǒng)是將污水投配到距地面約0.5m深，有

7、良好滲透性的地層中，藉毛管 浸潤(rùn)和土壤滲透作用，使污水向四周擴(kuò)散，通過過濾、沉淀、吸附和生物降解作用等過程 使污水得到凈化.地下滲濾系統(tǒng)適用于無法接人城市排水管網(wǎng)的小水量污水處理，如分散的居民點(diǎn)住 宅、度假村、療養(yǎng)院等。污水進(jìn)入處理系統(tǒng)前需經(jīng)化糞池或酸化（水解 池預(yù)處理。濕地系統(tǒng)（WL濕地處理系統(tǒng)是一種利用低洼濕地和沼澤地處理污水的方法。污水有控制地投配到種 有蘆葦、香蒲等耐水性、沼澤性植物的濕地上，廢水在沿一定方向流行過程中，在耐水性 植物和土壤共同作用下得以凈化濕地處理可用于直接處理污水或深度處理。污水進(jìn)入系統(tǒng)前需預(yù)處理，方法有化糞 池、格柵、篩網(wǎng)、初沉池、酸化（水解 池和穩(wěn)定塘等。目前發(fā)

8、達(dá)國家常將污水進(jìn)行一定程度的預(yù)處理后，在污水廠就近選址，通過測(cè)定所選 污水處理或處置地的土壤性質(zhì)、地面坡度和布局、農(nóng)作物生長(zhǎng)需求、地下水位情況、可用 面積大小、當(dāng)?shù)厮匆蟮纫蛩?，確定采用不同的土地處理技術(shù)。三、土地處理工藝的機(jī)理污水流經(jīng)土壤得以凈化的過程極為復(fù)雜，其凈化機(jī)理是多種作用、多種過程的綜合過 程。1）土壤的物理作用a）過濾：污水流經(jīng)土壤，其中的污染物質(zhì)及懸浮顆粒被土壤團(tuán)聚顆粒間的孔隙所截濾，污 水得到凈化。影響土壤物理過濾效果的因素有：團(tuán)聚顆粒的大小、顆粒間孔隙的形狀和大 小、孔隙的分布以及污水中懸浮顆粒的性質(zhì)、多少與大小等。b）沉淀：污水中的雜質(zhì)在土壤團(tuán)聚顆粒表面上沉淀去除，土層

9、本身相當(dāng)于一個(gè)有巨大比表 面積的沉淀池。c）吸附：在非極性分子間范德華力的作用下，土壤中粘粒能夠吸附土壤溶液中的中性分 子；污水中的部分重金屬離子可因陽離子交換作用而被置換，吸附并生成難溶性的物質(zhì)被 固定在礦物晶格中；土壤中的粘粒、腐殖質(zhì)和礦物質(zhì)具有強(qiáng)烈的吸附活性，能吸附污水中 多種溶解性污染物。2）土壤的化學(xué)作用土壤層是一個(gè)能容納各種物質(zhì)和催化劑的化學(xué)反應(yīng)器，并始終保持動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)污水 進(jìn)入土壤層，污染物導(dǎo)致土層中的平衡體系被破壞，則土層內(nèi)必相應(yīng)發(fā)生一系列的氧化還 原、吸附、離子交換、絡(luò)合等反應(yīng)，使進(jìn)入的污染物質(zhì)或被氧化、還原，或被吸附、吸 收，或變?yōu)殡y溶性的沉淀等，以重新建立新的平衡，在這

10、一過程中，污水得以凈化。例如 金屬離子可與土壤中的無機(jī)和有機(jī)膠體顆粒生成螯合化合物；有機(jī)物與無機(jī)物的復(fù)合化而 生成復(fù)合物；調(diào)整、改變土壤的氧化還原電位，能夠生成難溶性硫化物；改變pH值，能 夠生成金屬氫氧化物；某些化學(xué)反應(yīng)還能夠生成金屬磷酸鹽等物質(zhì)，從而沉積于土壤中。3）土壤的物理化學(xué)作用土壤中的粘土、腐殖質(zhì)構(gòu)成了復(fù)雜的膠體顆粒體系，而各種污染物大多也以膠體狀態(tài) 穩(wěn)定存在于污水中。當(dāng)污水進(jìn)入土層，原來兩種各自獨(dú)立的體系便構(gòu)成新的膠體體系。由 于電解質(zhì)平衡體系的破壞和土壤層中腐殖質(zhì)等高分子物質(zhì)的不飽和特性，導(dǎo)致在新的體系 中發(fā)生一系列的膠體顆粒的脫穩(wěn)、凝聚、絮凝和相互吸附等物理化學(xué)過程，從而使污

11、水得 以凈化。4）土壤的生物作用在土壤環(huán)境中生長(zhǎng)著大量的細(xì)菌、真菌、酵母菌、原生動(dòng)物、后生動(dòng)物、腔腸動(dòng)物、 各種昆蟲等，并存在一個(gè)豐富的土壤微生物酶系。污水中的有機(jī)質(zhì)及氮和磷等營(yíng)養(yǎng)素在這 個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中，通過微生物的降解和吸收，部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有機(jī)質(zhì)貯存在生物體內(nèi)， 從而與水分離。主要污染物的去除途徑如下：1）BOD的去除BOD大部分是在土壤表層土中去除的。土壤中含有大量的種類繁多的異養(yǎng)型微生物， 它們能對(duì)被過濾、截留在土壤顆粒空隙間的懸浮有機(jī)物和溶解有機(jī)物進(jìn)行生物降解，并合 成微生物新細(xì)胞。當(dāng)處理水的BOD負(fù)荷超過土壤微生物分解BOD的生物氧化能力時(shí)，會(huì) 引起厭氧狀態(tài)或土壤堵塞。2）磷和氮的

12、去除在土地處理中，磷主要是通過植物吸收，化學(xué)反應(yīng)和沉淀（與土壤中的鈣、鋁、鐵等離 子形成難溶的磷酸鹽，物理吸附和沉積（土壤中的黏土礦物對(duì)磷酸鹽的吸附和沉積，物理 化學(xué)吸附（離子交換、絡(luò)合吸附等方式被去除。其去除效果受土壤結(jié)構(gòu)、陽離子交換容 量、鐵鋁氧化物和植物對(duì)磷的吸收等因素影響。氮主要是通過植物吸收，微生物脫氮（氨化、硝化、反硝化，揮發(fā)、滲出（氨在堿性條件下 逸出、硝酸鹽的滲出 等方式被去除。其去除率受作物的類型、生長(zhǎng)期、對(duì)氮的吸收能 力，以及土地處理系統(tǒng)的工藝等因素影響。3）懸浮物質(zhì)的去除污水中的懸浮物質(zhì)是依靠作物和土壤顆粒間的孔隙截留、過濾去除的。土壤顆粒的大 小、顆粒間孔隙的形狀、大小

13、、分布和水流通道，以及懸浮物的性質(zhì)、大小和濃度等都影 響對(duì)懸浮物的截留過濾效果。若懸浮物濃度太高、顆粒太大會(huì)引起土壤堵塞。4）病原體的去除污水經(jīng)土壤過濾后，水中大部分的病菌和病毒可被去除，去除率可達(dá)92%97%。其 去除率與選用的土地處理系統(tǒng)工藝有關(guān)，其中地表漫流的去除率略低，但若有較長(zhǎng)的漫流 距離和停留時(shí)間，也可達(dá)到較高的去除效率。5）重金屬的去除重金屬的去除主要是通過物理化學(xué)吸附，化學(xué)反應(yīng)與沉淀等途徑被去除的。重金屬離 子在土壤膠體表面進(jìn)行陽離子交換而被置換、吸附，并生成難溶性化合物被固定于礦物晶 格中；重金屬與某些有機(jī)物生成可吸性螯合物被固定于礦物晶格中；重金屬離子與土壤的 某些組分進(jìn)行

14、化學(xué)反應(yīng)，生成金屬磷酸鹽和有機(jī)重金屬等沉積于土壤中。四、人工濕地1、發(fā)展和簡(jiǎn)介目前，我國絕大部分城市的污水處理廠采用傳統(tǒng)的活性污泥二級(jí)生化處理工藝，該工 藝工程基建投資大能耗高，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用大，對(duì)管理技術(shù)要求高，難以在中小城市推廣。 因此，在我國大力開發(fā)具有高效，簡(jiǎn)易，低耗的生物污水處理技術(shù)具有很大意義。人工濕 地系統(tǒng)是一項(xiàng)污水處理新技術(shù)，具有投資低，出水水質(zhì)好、抗沖擊力強(qiáng)、增加綠地面積、 改善和美化生態(tài)環(huán)境、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)適合我國國情， 尤其適合廣大農(nóng)村，中小城市的污水處理，具有極其廣闊的應(yīng)用前景。人工濕地（CONSTRUCTED WETLAND也叫構(gòu)建濕地，是

15、一種人工建造和監(jiān)督控制的 與沼澤類似的地面，其設(shè)計(jì)和建造是通過對(duì)濕地自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理，化學(xué)和生物作用 和優(yōu)化組合來進(jìn)行的，也是利用這三種作用的協(xié)調(diào)關(guān)系作用來進(jìn)行廢水的處理。它利用土 壤（濾料 一微生物一植物這個(gè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學(xué)和生物的綜合作用處理污水和一 些工業(yè)廢水，使水質(zhì)得到不同程度的改善；同時(shí)通過營(yíng)養(yǎng)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(zhǎng)并使其增產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)污水的資源化和無害化。它可用作生活污水和工 業(yè)廢水的二級(jí)和三級(jí)處理。我國在“七五”期間開始人工濕地的研究。1990年7月.國家環(huán)保局華南環(huán)保所在深 圳白泥坑建造了處理規(guī)模為3100m的人工濕地示范工程；1988-199

16、0年，在北京昌平進(jìn)行 了自由表面人工濕地處理系統(tǒng)的研究；19891991年，天津環(huán)?？蒲兴?1個(gè)實(shí)驗(yàn)單 元研究蘆葦濕地對(duì)城市污水處理能力，并對(duì)水力負(fù)荷、有機(jī)負(fù)荷、停留時(shí)間及季節(jié)等與污 水中主要污染物間規(guī)律進(jìn)行探索；2000年12月深圳市開始建設(shè)沙田人工濕地污水廠，利 用人工濕地處理系統(tǒng)來處理污水。美國是世界上擁有人工濕地污水處理系統(tǒng)最多的國家。 目前在美國有600多處人工濕地工程用于處理市政，工業(yè)和農(nóng)業(yè)廢水。在歐洲的一些國 家，如丹麥，德國，英國等至少有200處人工濕地系統(tǒng)在運(yùn)行。此外，在新西蘭，日本， 澳大利亞以及一些非洲國家，人工濕地處理技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。目前，人工濕地應(yīng)用于生活

17、污水處理，工業(yè)廢水處理，農(nóng)業(yè)污水處理，城市污水處 理，出水一般都優(yōu)于常規(guī)二級(jí)處理效果。2、組成絕大多數(shù)自然和人工濕地由五部分組成：1）具有各種透水性的基質(zhì)，如土壤、砂、礫石2）適于在飽和水和厭氧基質(zhì)中生長(zhǎng)的沉水或挺水植物，如蘆葦3）水體（在基質(zhì)表面下或上流動(dòng)的水4）無脊椎或脊椎動(dòng)物5）好氧或厭氧微生物種群濕地系統(tǒng)在這種有一定長(zhǎng)寬比和底面坡度的洼地中由土壤和填料（如礫石等混合組成 填料床，廢水在床體的填料縫隙中流動(dòng)或在床體表面流動(dòng)，并在床體表面種植具有性能 好、成活率高、抗水性強(qiáng)。生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、美觀及具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的水生植物（如蘆葦、蒲草 等形成一個(gè)獨(dú)特的動(dòng)植物生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)廢水進(jìn)行處理。濕地植物具有

18、三個(gè)間接的重要的作用：1）顯著增加微生物的附著（植物的根莖葉2）濕地中植物可將大氣氧傳輸至根部，使根在厭氧環(huán)境中生長(zhǎng)3）增加或穩(wěn)定土壤的透水性植物通氣系統(tǒng)可向地下部分輸氧，根和根狀莖向基質(zhì)中輸氧，因此可向根際中好氧和 兼氧微生物提供良好環(huán)境。植物的數(shù)量對(duì)土壤導(dǎo)水性有很大影響，蘆葦?shù)母伤蓜?dòng)土壤， 死后可留下相互連通的孔道和有機(jī)物。土壤，砂，礫石基質(zhì)的作用：為植物提供物理支持：為各種復(fù)雜離子、化合物提供反應(yīng)界 面，為微生物提供附著。水體為動(dòng)植物、微生物提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。3、分類該系統(tǒng)根據(jù)占主導(dǎo)地位的水生植物，人工濕地可分為浮生植物系統(tǒng)、沉水植物系統(tǒng)和 挺水植物系統(tǒng)三種濕地系統(tǒng)。根據(jù)廢水流動(dòng)模式，又可

19、分為自由表面流（Free Surface Flow和潛流（Subsurface Flow，其構(gòu)造如圖1和圖2所示。粗砂砂或礫石非滲透性內(nèi)層 流出管圖2自由表面流濕地中，廢水在填料表面流動(dòng)，水位較淺，一般為0.20.4m，最短水力停 留時(shí)間為10天。該系統(tǒng)投資少，比較接近自然濕地，但是負(fù)荷低，受氣候影響大，且衛(wèi)生 條件不是很好，容易引起夏季滋生蚊蠅，冬季低溫結(jié)冰等問題，盡管造價(jià)低廉，但實(shí)際應(yīng) 用很少。潛流濕地中，廢水在填料表面下流動(dòng)，填料床底層為小豆石，中層為礫石，上層覆蓋 表層土壤層，種植耐水植物，為保證潛流污水在床內(nèi)的均勻流態(tài)，需布置合理的床內(nèi)配水 系統(tǒng)和集水系統(tǒng)。其負(fù)荷高，處理效果好，受氣

20、候影響小，且衛(wèi)生條件好，在實(shí)際中應(yīng)用 最廣。人工濕地污水處理系統(tǒng)由預(yù)處理單元和人工濕地單元組成。通過合理的設(shè)計(jì)布局可將 BOD，SS，氮磷營(yíng)養(yǎng)物，重金屬離子，病菌和一些難降解有機(jī)物處理達(dá)到更高的水平。4、優(yōu)缺點(diǎn)人工濕地系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的二級(jí)處理系統(tǒng)而言，具有以下優(yōu)點(diǎn)：建造、操作及維護(hù)費(fèi)用低；節(jié)省能源，無二次污染：處理過的水可循環(huán)再利用；提供許多 濕地生物的棲息地；容易實(shí)現(xiàn)中水回用；可承受進(jìn)流量的大幅度的變化；水資源的永續(xù)管 理；具有一定的景觀觀賞功能；在海岸地區(qū)具有防風(fēng)的功能；可提供一些非直接的效益， 如綠色空間及教育研究。其缺點(diǎn)有：土地面積需求大；凈化處理速度緩慢；廢水需經(jīng)過預(yù)處理；易滋生蚊蠅

21、； 關(guān)于人工濕地的設(shè)計(jì)，建設(shè)和運(yùn)行還缺少統(tǒng)一的規(guī)范，缺乏精確的參數(shù)；其中生物組織對(duì) 毒性化學(xué)物質(zhì)敏感（如農(nóng)藥或殺蟲劑。5、數(shù)學(xué)模型研究和應(yīng)用雖然近年來，歐洲和北美已有上千座人工濕地建成，但這些應(yīng)用的設(shè)計(jì)和運(yùn)行都是建 立在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式基礎(chǔ)上的，這一污水處理技術(shù)并不為人們所完全掌握，人們對(duì)人 工濕地去除污染物的內(nèi)在機(jī)制尚缺乏定量化的了解，人工濕地的設(shè)計(jì)和運(yùn)行常常缺乏模型 的指導(dǎo)，對(duì)人工濕地設(shè)計(jì)時(shí)的預(yù)期水質(zhì)目標(biāo)和長(zhǎng)期的運(yùn)行效果缺乏準(zhǔn)確可靠的預(yù)測(cè)手段， 因此影響了這一高效低耗的生態(tài)污水處理技術(shù)的推廣和應(yīng)用，而人工濕地生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型 的不斷完善可以從根本上解決這一問題。人工濕地模型理論基礎(chǔ)主要包括一