技术原理和背景：
污水土壤渗滤就地处理系统由预处理系统和土壤渗滤两部分组合而成，在国内这种污水处理系统的研究始于20 世纪80 年代初，主要任务是通过利用自然生态系统的功能，发展低成本、低能耗的生活污水土地处理技术。
土壤渗滤法特别适用于污水管网不完备的地区，是一项处理分散排放生活污水的实用技术。在某小区长达6年的运行结果说明：该系统对生活污水中的有机物和氮、磷等具有较高和稳定的去除效果，CODCr去除率＞80％，BOD5去除率＞90％，NH3-N去除率＞90％，TP去除率＞98％。
基本原理：污水土壤渗滤就地处理系统是基于生态原理基础上，揉进现代的厌氧、好氧的污水处理技术，而形成的一种生态工程水处理技术。其基本原理是生活污水经过预处理工艺处理后，经提升泵提升流入各土壤渗滤管中，管中流出的污水均匀地向土壤渗滤层渗滤，经过一系列物理、化学和生物降解等过程得到净化，出水经集水管收集后排放。
在土壤-微生物-植物系统的综合净化功能作用下，使水与污染物分离，水被渗滤并通过集水管道收集，污染物通过物化吸附被截留在土壤中，碳和氮由于厌氧及好氧过程，一部分被分解成为无机碳、氮留在土壤中，一部分变成氮气和二氧化碳逸散在空气中，磷则被土壤物理化学吸附，截留在土壤中，为草坪或者其它植物所利用。
土壤对污水的净化作用是一个十分复杂的综合过程，土壤的净化过程既包括物理、化学和生物的作用；又包括物理化学和生物化学的作用，即有土壤的过滤、截留、渗透、物理吸附、化学吸附、化学分解、中和、生物氧化以及微生物及植物的摄取等过程。
图1 土壤渗滤工艺原理图
生化作用：土壤微生物的生物降解、转化及固定作用土壤为细菌、放线菌、真菌、藻类及原生动物等提供了适宜的生活环境，它们不断的进行各种代谢活动，维持土壤环境内以及土壤与其它环境介质之间的物质循环。土壤中的有机质及土壤水可以作为微生物所需的碳源和水分来源。在土地渗滤系统中，废水中的有机污染物进入环境后，无疑可增大土壤的有机碳来源，导致土壤微生物加速繁殖，使有机质降解同化作用大大加快，废水中的大部分有机污染物在几天之内可被去除。在土壤环境中，微生物不仅通过其异养化过程降解污染物，还可分泌胞外酶等进入周边环境，这些胞外酶可以作为催化剂诱导生化反应的发生。当然，废水中的有毒有害物质超过一定浓度时会对土壤微生物产生不良的毒理反应，导致微生物死亡。因此，在土地处理系统设计过程中必须控制污染物负荷率，保证任何一种单一污染物浓度不超过对微生物引起毒害作用的阀值。在某些情况下，污染物会引起土壤微生物种类和数量的下降，一些对污染物毒性敏感的种类将会被淘汰。但那些适合这些污染物的种类将加速生长和繁殖，形成系统中的优势种类。其它一些种类则可经一个时期的适应过程或通过污染物诱导基因组成的变化适应新的环境。这是一个微生物生态系统在人为胁迫作用下的“ 自然选择” 过程。经过这个适应过程后微生物降解将达到很高的速率，并对突然的大量污染物质负荷的冲击具有较强的缓冲能力。
植物的吸收、转化、降解与合成：在植物生长季节，土壤中植物根系活动非常活跃。一方面，植物通过根系吸收土壤及废水中的水分和N、P 等营养元素，作为构造植物体所需物质，一些非植物生长必需物质如金属离子和部分有机物也可以随植物体蒸腾拉力被植物吸收并积累。通过这一过程可以去除废水中大量的营养型污染物和部分有机物。另一方面，由于土壤土质疏松及植物根系的传导作用，具有充分的氧气，同时根系所分泌的酶、氨基酸等为微生物的生存提供了必要的养分，因此为污染物的降解提供了有利条件。根系分泌物中的酶还可以为废水中污染物的转化与固定提供催化机制，加速其降解及固定速率。
物理化学作用：土壤胶体与腐殖质表面具有负电性吸附位点，可以以不同能级水平的吸引力吸附不同价态的阳离子。这种吸附是一个动态的可逆过程，根据周边环境中离子浓度的变化可以不断进行离子交换。在正常中性土壤中，主要吸附离子为Ca2+、Mg2+、K+ 和Na+；在酸性土壤中，H+和Al3+占据大量吸附位点，而在碱性土壤中，Na+为主要吸附离子。通常状况下，吸附离子与游离态离子数量保持动态平衡。但废水中离子进入土壤后，这种动态平衡将被破坏，一些吸附能力较弱的离子将被取代，产生离子的净转移。
土壤的机械阻留及物化阻留作用：土壤颗粒间的孔隙具有截留、滤除水中悬浮颗粒的性能。污水流经土壤，悬浮物被截留，污水得到净化。影响土壤物理过滤净化效果的因素有土壤颗粒的大小、颗粒间孔隙的形状和大小、孔隙的分布及污水中悬浮颗粒的性质、多少、大小等。在非极性分子之间的范德华力的作用下，土壤中粘土矿物颗粒能够吸附土壤中的中性分子。污水中的部分重金属离子在土壤胶体表面，因阳离子交换作用而被置换吸附并生成难溶性的物质被固定在矿物的晶体中。金属离子与土壤中的无机胶体和有机胶体颗粒，由于螯合作用而形成螯合化合物；有机物与无机物的复合化合而生成复合物；重金属离子与土壤颗粒之间进行阳离子交换而被置换吸附；某些有机物与土壤中重金属生成可吸性螯合物而固定在土壤矿物的晶体中。
污染物的去除途径：
BOD 的去除：BOD 的去除机理包括土壤吸附和生物氧化作用。BOD 的去除基本上都在土壤表层进行的，微生物的生长和表层中形成的生物膜对污水中有机物的去除起主要作用，其主要反应为氧化反应。部分学者认为，在土壤渗滤过程中，有机物在渗流区内的去除机理主要是生物降解，吸附只是小部分。同时室内土壤渗滤模拟试验结果也表明，以参数DOC 表明的有机物通过降解作用可以减少50%～60%；有些学者还表明对于二级和三级进水（美国标准，相当于我国二、三级出水标准）而言，经过土壤渗滤处理系统的有机物出水浓度基本上是一致的，说明稳定的出水浓度并不依靠进水的浓度，土壤渗滤系统有很大的缓冲能力。
N的去除：生活污水中的氮以多种形式存在，主要由有机氮、铵态氮、硝酸态和亚硝酸态氮等。对于一般生活污水而言，通过土地处理和植物吸收，污水中硝态氮几乎可被全部去除。硝态氮在随渗水向下迁移时，可通过反硝化作用最终而变为氮气。反硝化作用和植物吸收是土地处理去除氮的主要途径。土壤渗滤对有机物和氨氮的去除可以不断地进行下去，土壤含水层相当于一个由好氧、缺氧、厌氧组合的生物反应器。有些学者认为氮在各种情况下都能够被有效的消化，但是即使为土壤渗滤系统提供反硝化后的进水，反硝化也不能自动进行，因此土壤渗滤适合处理反硝化出水，这样其出水总氮低于8mg/L，有机碳浓度低于6mg/L。虽然植物生长也需要一定的氮，但是由于植物吸收形成的总氮去除率一般不会超过20%。靠提高植物吸收的氮总量以提高系统的除氮能力其上升空间不大，为系统提供良好的硝化、反硝化条件才是提高地下渗滤系统除氮能力的根本出路。
P 的去除：土地处理系统中磷的去除主要通过土壤吸附固定与植物吸收实现，在土地处理系统中，土壤作为一个磷的储存库，对磷具有极大的吸附固定能力，污水中99%的磷可吸附而贮存于土壤中。土壤对磷的吸附容量与土壤所含的黏土成分与铝、铁、钙等金属离子数量以及土壤pH 值有关。一般说来，含有矿物质多并具有团粒结构的土壤对磷具有更大的吸附固定能力。地沟式污水土地处理系统除磷过程中BOD5/TP 和COD/TP 值都是有一定范围的，其中最佳范围分别为15～30和20～40。土壤渗滤法土地处理系统除磷工艺主要是在缺氧及厌氧过程条件下运行的，因此缺氧及厌氧过程中土壤微生物对基质的利用率是该工艺在低碳源情况下正常运行的主要因素，控制进水的BOD5/TP 和COD/TP 以及污水在土壤中的停留时间，是提高除磷的关键。
病原体的去除：土壤渗滤就地处理系统作为一种生态处理系统，除了对以上污染物的去除外，对某些微量元素和病原微生物也有一定的去除效果，病原体的去除通过土壤-植物系统的吸附、干燥、辐射、过滤、生物性吞噬等作用实现，其中慢速渗滤对病原体的去除最为有效。
总之，土壤渗滤法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。
案例分析：
地点一：上海宝山区某农村一
工艺原理：利用土壤渗滤法处理居民生活污水。共4格，单格约200m2，共约800m2。水力负荷为：0.2m3/m2•d。
进出水水源：农村生活污水，经化粪池预处理后的生活污水。
出水水质：优于国家二级排放标准。
渗滤层：采用粗砂和当地粘土按一定比例混合配置。
防渗技术：采用钢筋混凝土防渗层。
总投资：600～700元/m2土壤滴滤池。
工艺流程：
工艺优缺点：
优点：出水水质好，不占用耕地。
缺点：需购买粗砂，若将土方回填，会使渗滤池表层太高，破坏原有地形，而且只做了底层防渗，雨季会有大量雨水渗入渗滤层，影响处理效果。
地点二：上海宝山区某农村二
工艺原理：利用SBR+土壤渗滤法处理居民生活污水。水力负荷为：0.5m3/m2•d。
进出水水源：农村生活污水，经化粪池或隔油池预处理后的生活污水。
出水水质：优于国家二级排放标准。
渗滤层：采用粗砂和当地粘土按一定比例混合配置。
防渗技术：采用人工合成材料防渗层。
工艺流程：
工艺优缺点：
优点：出水水质较纯土地渗滤工艺好，水力负荷较高，总体占地面积小。
缺点：增加了SBR池和罗茨风机，投资较大，运行费用较高，SBR池露出地面会浪费一部分土地资源。适用于空地有限的场合。本渗滤池表层标高与施工前原标高相同，需外运部分土方。
运行问题：
a）风机需消耗一部分电力，农村经常断电，设备无法正常运转；
b）罗茨风机噪音大，而且曝气会使丑闻散发出来会影响居民生活。
c）雨季会有大量雨水渗入渗滤池，造成渗滤池超负荷运行，出水水质不好，排水不畅。现场安装了排水泵在雨季加强排水，增加了运行成本和管理成本。
地点三：上海长宁区天山公园
工艺原理：利用缺氧+好氧法（接触氧化法）+土壤渗滤法处理污染地表水。水力负荷为：0.5m3/m2•d。
进出水水源：天山公园湖泊水，水质为略Ⅴ类水质。
出水水质：优于国家二级排放标准。
防渗技术：采用人工合成材料防渗层。
工艺流程：
配套设备：
提升泵；浮球开关；罗茨风机；湖水循环泵；电气自控系统。
运行方式：
提升泵将湖水从湖泊提升到缺氧池，再从缺氧池自流进入好氧接触氧化池，经过鼓风曝气，大部分污染物质得到去除，然后出水自流进入土壤渗滤系统，处理后清水回流入湖泊内。风机运转时会有臭气产生，可放在夜间运行，接触氧化池白天和夜晚可分别作为缺氧池和好氧池使用。
工艺优缺点：
优点：出水水质好，水力负荷较单独土壤渗滤法高，不占用绿地。
缺点：增加了接触氧化池和罗茨风机，投资较大，运行费用较高。
考察总结：
通过对土壤渗滤法处理生活污水和地表水的实地考察，得到以下结论：
土壤渗滤法可以作为城市污水管网无法覆盖的农村的生活污水的重要处理方法，其主要优点有处理工艺简单，投资少，处理效果好，运行成本低，不占用耕地和绿地等。农村地区可将地势较低的耕地经过改造建成土壤渗滤法滤池，城市地区可以将城市绿地建造为土壤渗滤池。
土壤渗滤法可单独使用也可和其他污水处理工艺联用，以适应不同的环境条件，并取得更好的处理效果。若单独使用处理农村生活污水，水力负荷约为0.2m3/m2•d左右，若和其他方法联用，水力负荷可大为增加，比如：接触氧化+土壤渗滤法，SBR+土壤渗滤法，缺氧+好氧+土壤渗滤法，水力负荷可增加到0.4~0.8m3/m2•d，减少占地和投资。
土壤渗滤法应用较灵活，农村地区可以一户或若干户共用一套土壤渗滤系统，也可以一村一组共用一套渗滤系统。
土壤渗滤法应用于景观水处理优势明显，能显著改变景观水水质，且不占土地，采用与好氧工艺联用，效果更好，占地更少。
所面临的问题：
a）建造成本对于农村地区来说相对较高，需购买粗砂，并将多余的粘土外运，增加成本。
b）只做了底层防渗，可以防止污水渗入地下水，但雨季会有大量雨水渗入土壤渗滤层，影响处理效果。
c）水力负荷较低，占地面积较大。
参考文献：
[1]王书文，刘庆玉，焦银珠，孙铁珩.生活污水土壤渗滤就地处理技术研究进[J].水处理技术，2006（03）：5-10.
[2]孔刚，许昭怡，李华伟，王勇，陈泽智，罗兴章，郑正.地下土壤渗滤法净化生活污水研究进展[J].土壤，2005（03）：251-257.
论文作者:陈志刚
论文发表刊物:《基层建设》2018年第20期
论文发表时间:2018/8/16
标签：土壤论文; 污水论文; 系统论文; 污染物论文; 微生物论文; 有机物论文; 作用论文; 《基层建设》2018年第20期论文;