污水土地处理概述和净化原理

一、概述

污水土地处理系统是指利用农田、林地等土壤-微生物-植物构成的陆地生态系统对污染物进行综合净化处理的生态工程;它能在处理城镇污水及一些工业废水的同时,通过营养物质和水分的生物地球化学循环,促进绿色植物生长，实现污水的资源化与无害化。

污水土地处理源于污水灌溉农田,其历史可追溯至公元前:欧洲自1531年即有记载。美国于1888年开发了污水快速渗滤技术,经过改善演变,至20世纪60年代美国已建有2000多座具有不同特色不同类型的污水土地处理场,截至1987年,美国已有4000多座运行良好的污水土地处理系统。我国也有利用污水灌溉农田并进行污水处理的悠久历史。20世纪80年代初,随着城市与工业生产的发展,我国先后开辟了十多个大型污水灌区。

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污水土地处理系统具有明显的优点:①促进污水中稍物营养索的循环,污水中的有用物质通过作物的生长而获得再利用;②可利用废劣土地、坑塘洼地处理污水,基建投资省;③使用机电设备少,运行管理简便、成本低廉,节省能源;④绿化大地,增添风景美色,改善地区小气候,促进生态环境的良性循环。污水土地处理系统如果设计不当或管理不善,也会造成许多不良后果,如:①污染土壤和地下水,特别是造成重金属污染、有机毒物污染等;②导致农产品质量下降;③散发臭味、滋生蚊蝇,危害人休健康等。

污水土地处理系统由污水的预处理设备、调节贮存设备、输送配布设备,控制系统与设备、土地净化田和收集利用系统组成。其中土地净化田是污水土地处理系统的核心环节。当前,污水土地处理系统常用的工艺有慢速渗滤系统、快速渗滤系统,地表漫流系统,湿地处理系统和地下渗滤处理系统。其中,湿地处理系统将在本章第三节中详细介绍。

二、污水土地处理系统的净化原理

结构良好的表层土壤中存在土壤-水-空气三相体系。在这个体系中,土壤胶体和土壤微生物是土壤能够容纳、缓冲和分解多种污染物的关键因素。污水土地处理系统的净化过程包括物理过滤、物理吸附与沉积、物理化学吸附、化学反应与沉淀、微生物代谢与有机物的生物降解等过程,是一个十分复杂的综合净化过程。其对各项污染物的去除机理如下:

(一)悬浮固体的去除

悬浮固体(SS)主要通过过滤截留、沉淀、生物的吸附及作物的阻截作用去除。慢速渗滤,快速渗滤和地下渗滤系统中悬浮固体的去除以过滤截留作用为主,地表漫流系统中的悬浮固体去除则主要靠沉淀.生物的吸附及作物的阻截作用,后者的去除效果较前者稍差。

值得注意的是,悬浮固体是导致土地处理系统堵塞的一个重要原因。一般来说,二级处理出水中的悬浮固体导致土壤堵塞的可能性更大,而一级处理出水的悬浮固体则不易造成明显的堵塞,这是因为一级处理出水悬浮固体中可降解成分多,而二级处理出水悬浮固体中难降解的惰性成分较多。

(二)B0D的去除

BOD进人土地处理系统以后,在土壤表层区域即通过过滤、吸附作用被截留下来,然后通过土壤层中生长着的细菌、真菌(酵母、霉菌等)、原生动物、后生动物,甚至像蚯蚓那样的动物作用将其最后降解。土壤微生物一般集中在表层50cm深度的土壤中,因而大多数BOD的去除反应都发生在地表或靠近地表的地方。

通过土壤微生物的驯化,可以较大幅度提高土地处理系统的有机负荷。对于某些处理易生物降解工业废水的土地处理系统,进水BOD,浓度即使达到1000mg/L或者更高,系统仍能有效地运行。城镇污水有机物浓度一般远低于上述值,因此,采用土地处理系统净化城镇污水中的有机物是没有问题的。各种土地处理系统处理城镇污水时使用的典型有机负荷如表14-4所示.

表各种土地处理系统处理城镇污水时使用的典型有机负荷

(三)氮的去除

氮脱除机理主要包括作物吸附吸收、生物脱氮以及挥发。城镇污水中的氮通常以有机氮和氨氮(也可以是铵离子)的形式存在。在土地处理系统中，有机氮首先被截留或沉淀,然后在微生物的作用下转化为氨氮。由于土壤跟粒带有负电荷,铵离子很容易被吸附,土壤微生物通过确化作用将铵离子转化为NO后,土壤又恢复对铵离子的吸附功能。土壤对负电荷的 NO;没有吸附截留能力,因此一部分的NO,随水分下移而淋失，一部分NO;被植物根系吸收而成为植物营养成分,一部分NO7发生反硝化反应,最终转化为N;或者N,O而挥发掉。

土壤的微生物脱氮是土地处理系统中氮去除的主要机理,而在慢速渗滤和地表漫流系统中,作物吸收也是去除氮的一个重要方面(可去除施人氮素的10%-50%)。

土壤中的氨挥发是一个物理化学过程。其挥发量和土壤的pH有关。如果土壤pH小于7.5,实际上只有NH)存在;在pH小于8.0时氨的挥发并不严重;在pH为9.3时,土壤中氨和铵离子的比例是1:1,通过挥发造成的氨氮损失开始变得显著(达到10%左右);在pH为12时,全部氨氮都转化为溶解性氨气,挥发造成的氨氮损失非常显著。

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(四)磷的去除

污水中的磷可能以聚磷酸盐.正磷酸盐等无机磷和有机磷形态存在。土地处理系统中磷的去除过程包括植物根系吸收、生物作用过程、吸附和沉淀等。其中以土壤吸附和沉淀为主。

土壤对磷的吸附能力极强,水中95%以上的磷可以被土壤吸附而储存于土壤中。而磷在土壤中的扩散、移动极弱,只有在沙质土壤、水田淹水土壤中大量施用有机肥的情况下,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种机制:

(1)化学沉淀作用:在酸性土壤中,磷与铁、铝等作用,生成不溶性瞬酸盐(2)表面反应:土壞胶体和H,PO2在土壤表面发生交换反应和吸附反应。

(3)闭蓄反应:土壤中的Fc(OI);和其他不溶性的铝质和钙质胶膜将含磷矿化物包裹起来,使其丧失在土壤中的流动性

(4)生物固定作用:土壤中的无机磷被微生物所吸收利用,转化为有机磷，可见,土壤对磷的吸附容量与土壤中所含的黏土、铝、铁和钙等化合物的数量以及土壤的pH有关。矿物质含量高、pII偏酸性或者偏碱性、具有良好团粒结构的土壤,对磷的吸附容量大。而有机质含量多、pH中性、具有粗团粒结构的土壤,对磷的吸附容量小。

植物对磷的吸收与对氮的吸收成比例。通常认为,植物要求氮、磷的营养比为6:1。对于慢速渗滤系统及地表漫流系统,由于经常收割,植物根系对磷的吸收约占总输人的20%~30%。慢速渗滤、快速渗滤以及地下渗滤系统,只要发生渗透和侧渗过程,污水中的磷有机会接触大量土壤表面,吸附和沉淀作用就成为土地处理系统中磷净化作用的主要因索。而漫流系统由于土壤渗透性小,污水中磷与土壤接触的表面积不大,因而吸附和沉淀作用受到一定的限制。

(五)金属元素的去除

污水中的金属元素包括Hg、As、Cr、Pb、Cd、Cu、Zn和Ni等。微量金属元素在土壤中的去除是一个复杂的过程,包括吸附、沉淀、离子交换和整合等反应。由于大多数痕量金属的吸附发生在黏土矿物质、金属氧化物以及有机物的表面,所以质地细黏和有机质丰富的土壤对痕量金属的吸附能力比沙质土壤大。

值得注意的是,虽然金属元素在土壤表面中的蓄积特性可以免除或大大减轻对地下水的污染,但却会产生土地处理系统金属元素蓄积的长期效应间题,土壤一旦被金属元素污染,就很难像大气污染那样通过扩散自净作用加以消除。因此,有必要对投配到土壤中的金属元索浓度加以限制。使土壤pI保持在6.5以上,可使某些微量元索呈难溶化合物形式存在,使其毒性降至最低程度。

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(六)痕量有机物的去除

痕量有机物在土地处理系统中的去除主要是通过挥发、光解、吸附和生物降解等作用完成的。

典型城镇污水中的痕量有机物一般不会对土地处理场地的地下含水层产生不良影响。但是应当指出,如果城镇污水中包括了化学工业、制药工业和石化工业等行业的工业废水,对这种混有工业废水的城镇污水采用土地处理工艺时,应重视污水中的有毒化合物。

(七)病原微生物的去除

污水土地处理所关注的病原微生物有细菌、寄生虫和病毒。它们通过过滤、吸附、干化.辐照、生物捕食以及暴露在不利条件下等方式而被去除。由于原生动物和蠕虫的个体尺寸较大,它们主要是被土壤的表面过滤作用除去,细菌主要是通过土壤的吸附和土壤表面的过滤作用去除,而病毒则几乎全部是通过土壤的吸附作用去除的。