汙水土地處理概述和淨化原理

一、概述

汙水土地處理係統是指利用農(nong) 田、林地等土壤-微生物-植物構成的陸地生態係統對汙染物進行綜合淨化處理的生態工程;它能在處理城鎮汙水及一些工業(ye) 廢水的同時,通過營養(yang) 物質和水分的生物地球化學循環,促進綠色植物生長，實現汙水的資源化與(yu) 無害化。

汙水土地處理源於(yu) 汙水灌溉農(nong) 田,其曆史可追溯至公元前:歐洲自1531年即有記載。美國於(yu) 1888年開發了汙水快速滲濾技術,經過改善演變,至20世紀60年代美國已建有2000多座具有不同特色不同類型的汙水土地處理場,截至1987年,美國已有4000多座運行良好的汙水土地處理係統。我國也有利用汙水灌溉農(nong) 田並進行汙水處理的悠久曆史。20世紀80年代初,隨著城市與(yu) 工業(ye) 生產(chan) 的發展,我國先後開辟了十多個(ge) 大型汙水灌區。

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汙水土地處理係統具有明顯的優(you) 點:①促進汙水中稍物營養(yang) 索的循環,汙水中的有用物質通過作物的生長而獲得再利用;②可利用廢劣土地、坑塘窪地處理汙水,基建投資省;③使用機電設備少,運行管理簡便、成本低廉,節省能源;④綠化大地,增添風景美色,改善地區小氣候,促進生態環境的良性循環。汙水土地處理係統如果設計不當或管理不善,也會(hui) 造成許多不良後果,如:①汙染土壤和地下水,特別是造成重金屬汙染、有機毒物汙染等;②導致農(nong) 產(chan) 品質量下降;③散發臭味、滋生蚊蠅,危害人休健康等。

汙水土地處理係統由汙水的預處理設備、調節貯存設備、輸送配布設備,控製係統與(yu) 設備、土地淨化田和收集利用係統組成。其中土地淨化田是汙水土地處理係統的核心環節。當前,汙水土地處理係統常用的工藝有慢速滲濾係統、快速滲濾係統,地表漫流係統,濕地處理係統和地下滲濾處理係統。其中,濕地處理係統將在本章第三節中詳細介紹。

二、汙水土地處理係統的淨化原理

結構良好的表層土壤中存在土壤-水-空氣三相體(ti) 係。在這個(ge) 體(ti) 係中,土壤膠體(ti) 和土壤微生物是土壤能夠容納、緩衝(chong) 和分解多種汙染物的關(guan) 鍵因素。汙水土地處理係統的淨化過程包括物理過濾、物理吸附與(yu) 沉積、物理化學吸附、化學反應與(yu) 沉澱、微生物代謝與(yu) 有機物的生物降解等過程,是一個(ge) 十分複雜的綜合淨化過程。其對各項汙染物的去除機理如下:

(一)懸浮固體(ti) 的去除

懸浮固體(ti) (SS)主要通過過濾截留、沉澱、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係統中懸浮固體(ti) 的去除以過濾截留作用為(wei) 主,地表漫流係統中的懸浮固體(ti) 去除則主要靠沉澱.生物的吸附及作物的阻截作用,後者的去除效果較前者稍差。

值得注意的是,懸浮固體(ti) 是導致土地處理係統堵塞的一個(ge) 重要原因。一般來說,二級處理出水中的懸浮固體(ti) 導致土壤堵塞的可能性更大,而一級處理出水的懸浮固體(ti) 則不易造成明顯的堵塞,這是因為(wei) 一級處理出水懸浮固體(ti) 中可降解成分多,而二級處理出水懸浮固體(ti) 中難降解的惰性成分較多。

(二)B0D的去除

BOD進人土地處理係統以後,在土壤表層區域即通過過濾、吸附作用被截留下來,然後通過土壤層中生長著的細菌、真菌(酵母、黴菌等)、原生動物、後生動物,甚至像蚯蚓那樣的動物作用將其最後降解。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的去除反應都發生在地表或靠近地表的地方。

通過土壤微生物的馴化,可以較大幅度提高土地處理係統的有機負荷。對於(yu) 某些處理易生物降解工業(ye) 廢水的土地處理係統,進水BOD,濃度即使達到1000mg/L或者更高,係統仍能有效地運行。城鎮汙水有機物濃度一般遠低於(yu) 上述值,因此,采用土地處理係統淨化城鎮汙水中的有機物是沒有問題的。各種土地處理係統處理城鎮汙水時使用的典型有機負荷如表14-4所示.

表各種土地處理係統處理城鎮汙水時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。城鎮汙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。在土地處理係統中，有機氮首先被截留或沉澱,然後在微生物的作用下轉化為(wei) 氨氮。由於(yu) 土壤跟粒帶有負電荷,銨離子很容易被吸附,土壤微生物通過確化作用將銨離子轉化為(wei) NO後,土壤又恢複對銨離子的吸附功能。土壤對負電荷的 NO;沒有吸附截留能力,因此一部分的NO,隨水分下移而淋失，一部分NO;被植物根係吸收而成為(wei) 植物營養(yang) 成分,一部分NO7發生反硝化反應,最終轉化為(wei) N;或者N,O而揮發掉。

土壤的微生物脫氮是土地處理係統中氮去除的主要機理,而在慢速滲濾和地表漫流係統中,作物吸收也是去除氮的一個(ge) 重要方麵(可去除施人氮素的10%-50%)。

土壤中的氨揮發是一個(ge) 物理化學過程。其揮發量和土壤的pH有關(guan) 。如果土壤pH小於(yu) 7.5,實際上隻有NH)存在;在pH小於(yu) 8.0時氨的揮發並不嚴(yan) 重;在pH為(wei) 9.3時,土壤中氨和銨離子的比例是1:1,通過揮發造成的氨氮損失開始變得顯著(達到10%左右);在pH為(wei) 12時,全部氨氮都轉化為(wei) 溶解性氨氣,揮發造成的氨氮損失非常顯著。

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(四)磷的去除

汙水中的磷可能以聚磷酸鹽.正磷酸鹽等無機磷和有機磷形態存在。土地處理係統中磷的去除過程包括植物根係吸收、生物作用過程、吸附和沉澱等。其中以土壤吸附和沉澱為(wei) 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(chu) 存於(yu) 土壤中。而磷在土壤中的擴散、移動極弱,隻有在沙質土壤、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製:

(1)化學沉澱作用:在酸性土壤中,磷與(yu) 鐵、鋁等作用,生成不溶性瞬酸鹽(2)表麵反應:土壞膠體(ti) 和H,PO2在土壤表麵發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和鈣質膠膜將含磷礦化物包裹起來,使其喪(sang) 失在土壤中的流動性

(4)生物固定作用:土壤中的無機磷被微生物所吸收利用,轉化為(wei) 有機磷，可見,土壤對磷的吸附容量與(yu) 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(guan) 。礦物質含量高、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(yu) 對氮的吸收成比例。通常認為(wei) ,植物要求氮、磷的營養(yang) 比為(wei) 6:1。對於(yu) 慢速滲濾係統及地表漫流係統,由於(yu) 經常收割,植物根係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係統,隻要發生滲透和側(ce) 滲過程,汙水中的磷有機會(hui) 接觸大量土壤表麵,吸附和沉澱作用就成為(wei) 土地處理係統中磷淨化作用的主要因索。而漫流係統由於(yu) 土壤滲透性小,汙水中磷與(yu) 土壤接觸的表麵積不大,因而吸附和沉澱作用受到一定的限製。

(五)金屬元素的去除

汙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(ge) 複雜的過程,包括吸附、沉澱、離子交換和整合等反應。由於(yu) 大多數痕量金屬的吸附發生在黏土礦物質、金屬氧化物以及有機物的表麵,所以質地細黏和有機質豐(feng) 富的土壤對痕量金屬的吸附能力比沙質土壤大。

值得注意的是,雖然金屬元素在土壤表麵中的蓄積特性可以免除或大大減輕對地下水的汙染,但卻會(hui) 產(chan) 生土地處理係統金屬元素蓄積的長期效應間題,土壤一旦被金屬元素汙染,就很難像大氣汙染那樣通過擴散自淨作用加以消除。因此,有必要對投配到土壤中的金屬元索濃度加以限製。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係統中的去除主要是通過揮發、光解、吸附和生物降解等作用完成的。

典型城鎮汙水中的痕量有機物一般不會(hui) 對土地處理場地的地下含水層產(chan) 生不良影響。但是應當指出,如果城鎮汙水中包括了化學工業(ye) 、製藥工業(ye) 和石化工業(ye) 等行業(ye) 的工業(ye) 廢水,對這種混有工業(ye) 廢水的城鎮汙水采用土地處理工藝時,應重視汙水中的有毒化合物。

(七)病原微生物的去除

汙水土地處理所關(guan) 注的病原微生物有細菌、寄生蟲和病毒。它們(men) 通過過濾、吸附、幹化.輻照、生物捕食以及暴露在不利條件下等方式而被去除。由於(yu) 原生動物和蠕蟲的個(ge) 體(ti) 尺寸較大,它們(men) 主要是被土壤的表麵過濾作用除去,細菌主要是通過土壤的吸附和土壤表麵的過濾作用去除,而病毒則幾乎全部是通過土壤的吸附作用去除的。