田寧寧　楊麗萍　彭應登
(北京市環境保護科學研究院，北京 100037)

　　摘　要：土壤毛細管滲濾系統特別適用于污水管網不完備的地區，是一項處理分散排放生活污水的實用技術。在某小區長達6年的運行結果說明：該系統對生活污水中的有機物和氮、磷等具有較高和穩定的去除效果，COD_Cr去除率＞80%，BOD₅去除率＞90%，NH₃-N去除率＞90%，TP去除率＞98%。
　　關鍵詞：土壤滲濾；　污水凈化；　綠地利用
　　中圖分類號：X799.3
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1000-4602(2000)05-0012-04

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

　　隨著旅游及房地產業在我國的發展，大批旅游景點、療養院、別墅、居民區興建起來。但是這些設施在解決了供水問題之后，由于種種原因，往往未能夠將其下水道與市政排水系統相連接，大量生活污水排入附近的河道，造成嚴重的水環境污染，甚至威脅到水源地的安全。因此，必須采取工程措施來解決此類水污染問題。
　　污水土壤毛細管滲濾是一種就地污水處理技術，它充分利用土壤中的動物、微生物、植物以及土壤的物理、化學特性將污水凈化。由于利用了土壤的自然凈化能力，因而具有基建投資低、運轉費用少、操作管理簡便等優點。同時還能夠利用污水中的水肥資源，把污水處理與綠化相結合，美化和改善區域生態環境。

1　工藝原理及特點

　　典型的污水毛細管滲濾凈化系統是由預處理、提升、滲濾場等幾部分組成的。主要工藝流程如下：

　　污水首先進入預處理設施，通常使用的預處理設施有水解池和化糞池等。污水經厭氧發酵作用，其中的有機物得到部分分解，降低了污染物負荷，也提高了污水中速效養分的含量，有利于進一步凈化和利用。
　　預處理后的污水經過水泵提升通過管道輸送至滲濾場。在配水系統控制下，污水經布水管分配到每條滲濾溝中。污水在滲濾溝中通過礫石層的再分布，在土壤毛細作用下上升至植物根區。污水經過土壤的物理、化學作用和微生物的生化作用以及植物吸收利用后得到處理和凈化。
　　由于滲濾溝特殊配制的土壤具有理想的土壤機質組成，有機質含量豐富，因此土壤的團粒結構發達，滲透速率高，毛細作用強，吸附容量大，通透性較好。同時，土壤中富含微生物所必須的營養和能源物質，加之適宜的土壤性狀為土壤微生物提供了良好的生存發育環境，因此土壤具有較高的生物活性。污水投配到滲濾溝后，沿土壤毛細管上升，通過土壤的物理阻留、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，污水中的有機物被去除。其中土壤微生物的活性對有機污染物的去除起著十分重要的作用，被阻留和吸附在土壤中的有機污染物在微生物的作用下，經生物化學反應被分解轉化成無機物，這是去除有機污染物的關鍵過程。
　　草坪植物對營養元素的吸收也是污水凈化的重要途徑。污水中的氮、磷等作為植物生長所必需的養分，通過植物根系被吸收利用，當割草時被移出系統達到脫除的目的。經常的修剪草坪可以使營養元素的去除量達到最大。
　　植物的生長也極大地改變了污水處理過程的環境條件。由于植物根系深入土壤和增加土壤有機質，既提高了土壤的水力滲透速率，還有助于創造一個良好的植物根區的微環境，有利于微生物對污染物的降解。
　　污水毛細管滲濾系統與其他污水處理系統相比較，具有以下特點：
　　①　系統運行穩定、可靠，抗沖擊負荷能力強；
　　②　在高效去除BOD₅的同時能去除氮、磷，對水源保護意義重大；
　　③　建設容易、維護簡便、基建投資少、運轉費用低；
　　④　整個系統在地表下，不會散發臭氣，地面草坪還可以美化環境；
　　⑤　將污水處理與綠化建設相結合，實現了污水的資源化利用。

2　工程設計

2.1　處理水量與進水水質
　　一般生活污水的人均排水量可按200 L/(人^．d)考慮，由此計算系統的處理水量。從工藝流程可知，水解池或化糞池作為預處理設施設置于提水泵站之前，因此滲濾場地的進水水質實際上反映了生活污水經預處理后的水質情況，一般BOD₅為30～80 mg/L，COD_Cr約為50～150 mg/L。
　　采用水解池或化糞池作為污水毛細管滲濾系統的預處理裝置，可以為后續系統提供污染物濃度較低、生化降解性較高的進水。同時，糞便中的寄生蟲卵和病原微生物在厭氧環境中受生物拮抗作用而被殺死，污水中的糞便也得到了一定的無害化處理。
2.2　滲濾場面積計算及滲濾溝布置
　　毛細管滲濾系統的設計有多種方式，有以污染物去除能力為限制的污染物負荷設計方法；有以系統透過水量為限制的水力負荷設計方法；還有以綠地利用中植物需水量為主的設計方法。可以在實際設計時相互校核。
　　毛細管滲濾系統的水力負荷一般為0.03～0.04 m³/(m^．d)。所需滲濾溝的總長度由下式計算：

　　

　　通常這類系統的BOD₅負荷應小于2.0 gBOD₅/(m^2．d)。
　　滲濾溝溝間距以1.5 m計，則滲濾場總占地面積為滲濾溝總長度×1.5 m。從布水均勻的角度考慮，每條滲濾溝的長度以不超過20 m為宜。可將整個滲濾場分成若干單元，每個單元分為若干組，每組設若干條滲濾溝，每條長20 m，寬1.0 m，溝間中心距為1.5 m。滲濾溝內設陶土管搭接形成的布水管，管徑為100 mm。
2.3　滲濾溝結構
　　滲濾溝是本系統的關鍵設施，污水主要是在流經滲濾溝的過程中得以凈化的，結構見圖1。

　　滲濾溝主要由五部分組成。“底層”：又稱布水層或墊層，由直徑為20～40 mm的礫石和粒徑為0.25～1.00 mm的粗砂組成，起承托滲濾層和使污水均勻分布的作用，內設埋深0.6 m的陶土布水管。“滲濾層”：是用當地土壤攙和一定比例的泥炭和爐渣配制而成的特殊土壤層，厚度為40 cm，是污水凈化的主要作用層。“表層”：由較肥沃的耕作土壤組成，是草坪植物的生長層，其上種植綠色期長的草坪植物“馬尼拉”、“翦股穎”和“早熟禾”，實現污水綠地利用。“防滲層”：位于溝床最底層，由厚度為0.23 mm的聚氯乙烯薄膜構成，其作用是防止污水直接下滲，使礫石層經常處于水飽和狀態，促使水分的毛細上升。“隔離層”：設置在特殊土壤層下，由可透水的無紡布構成，以防止上層土壤下落填入礫石層，破壞均勻布水。
2.4　監測系統
　　綠地利用型毛細管滲濾系統主要是以綠地植物生長的需要來確定水力負荷的，一般不考慮進行凈化水回收，系統設計時可不考慮用于水回收的豎井或暗管排水裝置。但為了準確反映系統運行狀況，指導和調整其運行參數，保證其良好的污水凈化能力，應該在下游方向設置取樣監測井，定時取樣分析。

3　污水凈化效果及討論

3.1　常規污染物的去除效果
　　在系統運行六年后，對系統的進水和下滲水取樣進行分析，得到如表1所示的污水凈化結果。

表1　污水凈化效果 分析項目 水質平均值(mg/L) 去除率
(%) 進水 出水 COD_Cr 80.0 15.2 81.0 BOD₅ 45.6 3.4 92.5 NH₃-N 4.83 0.26 94.6 TP 1.5 ＜0.025 ≥98

　　表1數據表明，該系統對有機污染物有很好的去除能力和很高的穩定性。首先是出水中COD_Cr和BOD₅的平均值為15.2mg/L和3.4 mg/L，遠遠優于二級生化處理系統的出水水質，可以達到回用水的標準，因此不會對當地水環境造成危害。系統的水力負荷以1 L/(m^2．d)計，COD_Cr濃度平均值以80.0 mg/L計算，則有機負荷為0.8 gCOD/(m^2．d)，遠低于一般污水土地處理系統的推薦值，也就是說在土壤自然凈化能力的安全限度內，按這種低負荷運行的系統有著良好的穩定性和安全性。
　　該系統處理的穩定性還體現在對污染物去除效果上基本不受氣候變化的影響。在冬季運行期間，氣溫低至-13.5 ℃，而系統的出水值沒有明顯的變化，這主要是因為氣溫盡管很低，但系統中污水的收集、輸送過程都是在地下進行的，熱量損失較少。實測可知地表下40 cm處一直可以保持在5 ℃以上，由此也就能夠維持基本的生化反應。
　　出水BOD₅很低，表明毛細管滲濾系統對有機物的降解去除是非常理想的。當污水投配到滲濾溝后，在沿毛細管上升的過程中，污水中的有機物通過土壤的過濾、吸附、植物吸收和微生物分解作用而被去除。土壤具有較大的吸附容量，截留下的有機物在微生物的分解代謝作用下，將有機物轉化為無機物，這樣就又恢復了土壤的吸附能力。土壤就是通過這樣的循環往復來對有機污染物進行凈化的。
　　系統中氮去除效果也很好，去除率平均在90%以上。污水中氮的去除總是要經過氨化、硝化和反硝化幾個步驟才能完成，硝化與反硝化反應分別是在好氧與厭氧條件下發生的，兩種截然相反的反應條件的轉換，使得常規生化處理方法難于實現脫氮目的。毛細管滲濾系統可以實現硝化與反硝化的順利完成，間歇性的轉換布水使系統內實質上進行著布水與干化的交替運行，使土壤處于厭氧與好氧交替變換的狀態。另外，土壤中還會存有許多與周圍環境狀況不同的微環境，即在好氧大環境中存有厭氧微環境，而在厭氧大環境中又存在著好氧微環境。就是這種厭氧與好氧條件的變化和共存，為硝化和反硝化反應創造了條件，毛細管滲濾系統由此得到良好的脫氮效果。
　　磷是造成地面水富營養化的限制性營養物質，必須嚴格控制。進水中磷含量很低，平均值為1.5 mg/L，出水濃度普遍低于0.025 mg/L的檢出線，系統表現出了很高的除磷能力。一般認為，污水土地處理系統中除磷的途徑主要有土壤吸附、生化反應和化學沉淀反應等。文獻報道，幾乎所有污水土地處理系統常年運行后均未出現磷吸附飽和現象。可以認為，污水土地處理系統中，磷的去除主要是由磷的化學沉淀反應過程控制的。污水或土壤溶液中的磷多以H₂PO^-₄(酸性環境下)和HPO^2-₄(堿性環境下)形式存在。與NH₃-N易被土壤吸附和NO^-₃-N在土壤中較高的移動性有所不同，磷酸根離子很容易與土壤中大量存在的Ca²⁺、Al³⁺、Fe³⁺等發生化學反應，生成各種難溶性磷酸鹽，通常稱之為磷的土壤固定。
3.2　衛生學指標的檢測和凈化效果
　　土壤毛細管滲濾污水凈化綠地利用系統作為城市配套的公用設施，在處理污水和綠化美化環境的同時，還要考慮其對公共健康的影響問題，即有關衛生學指標的問題。
　　生活污水中包含著大量帶有病原菌的污染物成分，這些成分會造成環境的生物性污染。選取總大腸桿菌和糞大腸桿菌作為評價系統生物學污染凈化指標，對系統的進水、出水和表層土壤(10 cm)進行了取樣分析，結果見表2。

表2　衛生學指標檢測結果 項目 總大腸桿菌(個/L) 糞大腸桿菌(個/L) 進水 2.4×10⁵ 9.6×10⁴ 出水 ＜90 ＜90 土壤 2.6×10³(個/g干土) 9.8×10²(個/g干土)

　　結果顯示：總大腸桿菌和糞大腸桿菌數的去除率接近100%，出水的大腸菌低于90個/L的最低檢出線，該系統表現了很高的去除效果。

4　草坪植物的生長和綠化效果

　　根據調查分析，影響綠色期的原因除了草種本身的特性之外，土壤水分和地溫是兩個關鍵因素。北京地區大部分綠地冬、春季節很少澆水，而這一時期正是風多、干燥的季節，土壤水分降低很多。資料表明：即使是耐旱的野牛草，當土壤含水率低到12.9%時也開始枯萎。毛細管滲濾系統從提高土壤水分和地溫兩個方面改變了冬季寒冷、干旱的植物生長條件，冬季平均可提高地溫2～3 ℃，土壤含水率保持在18%以上，這有利于草坪在冬、春季節的生長，對延長草坪綠色期有重要意義。
　　早熟禾、翦股穎和馬尼拉三種草坪草都很適合在該系統中采用，生長良好。每年3月初就開始返青，到12月底還保持著綠色，而炎熱的夏季也沒有出現明顯的半休眠、枯黃現象，綠色期約為270 d。草坪植物對污水中營養元素的吸收利用是污水凈化的重要因素，隨水而來的營養成分與植物的正常吸收量相當，不會造成植物“瘋長”而影響來年“返青”。
　　土壤毛細管滲濾系統是一個污水處理與綠化相結合的生態系統，除了可以消除水污染外，地表的綠化草坪又可以起到美化環境、豐富綠化層次的作用，是污水資源化利用的方法，適用于零星分散排放污水的治理，對改善北方干旱地區綠化草坪的水肥條件，擴大綠化面積，延長草坪綠色期，凈化、美化環境有重要意義。

5　結論

　　土壤毛細管滲濾污水凈化系統是一種小型的污水土地處理系統，特別適用于沒有完善的城市污水管網系統的地區，是一項處理分散排放污水的實用技術。它充分利用了土壤—植物—微生物系統的凈化能力，既可去除有機污染物，又可去除造成水體富營養化的氮、磷等污染物。它不僅具有建設費低、運行費低、操作簡單和凈化效率高等優點，同時由于該系統主要構筑物處于地表下，故還具有不產生臭味和不影響地表景觀的特點。將此項技術與綠地建設結合起來，在有效處理污水的同時還可取得美化與改善環境和節約水資源的綜合效果。

參考文獻：

［1］　高拯民，李憲法等.城市污水土地處理利用設計手冊［M］.中國標準出版社，1991.

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基金項目：北京市科委資助項目(852650300)

作者簡介：田寧寧(1960-)，男，山西人，北京市環境保護科學研究院高級工程師，學士，研究方向：水處理技術。
收稿日期：2000-02-14