污水土地處理技術的優勢及其應用前景
我國的水資源總量較豐富,但人均水資源占有量僅有2700m3,為世界平均值的1/4,是13個貧水國之一。目前絕大部分城市的居民區沒有實現清污分流,不管是飲用水還是雜用水,全部以飲用水供應,造成了水資源嚴重浪費,灌溉利用率僅0·45,復用率僅為30% ~40%。據有關資料, 2000年我國廢污水排放總量達到620億,t其中工業廢水約占66%、生活污水占34%,由于工業廢水和生活污水直排入河,污染物大量增加,河流富營養化趨勢加速。據統計,全國監測的1200多條河流中有850條受到污染, 230條受到嚴重污染,有60%的水質達不到飲用水標準,有11%的水質不符合農業灌溉要求,有6%的毒物含量超過污水排放標準。全國每年因水污染造成的經濟損失達數百億元。水資源短缺與水污染嚴重已成為影響我國工農業可持續發展的重要問題。
1傳統工程措施處理污水存在的問題
當前水污染人工處理技術已經發展到相當高的水平,技術上日趨成熟,它們對水污染控制起到了積極的推動作用,但事實也說明,單純依靠傳統的污水工程處理技術并不能夠從根本上解決水污染問題。活性污泥法、生物膜法和膜生物法等常規污水人工生物處理,都存在著基建投資大、運行費用高、剩余污泥處理難度大等缺點,我國目前的經濟實力難以承受,而活性炭吸附由于投資大等原因限制了其大規模推廣使用。二級生物處理對N、P等營養物質的去除率低,不能根本解決諸如水體富營養化的問題。所以即使在生物處理廠普及率較高的國家和地區,仍然有相當多的河流受到水體富營養化等不同程度的污染[5],我國目前由于城市污水富含N、P等元素處理不徹底或直接向水體排放造成的水體富營養化問題已相當嚴重。三級深度處理可進一步解決上述問題,但處理工藝流程更長、能耗高、占地面積大,基建、運行費用昂貴,要廣泛使用并不現實。因此尋求低成本、低污染、高效率的新型城市污水處理技術是解決我國乃至世界的水污染和水資源短缺問題的有效途徑。
2土地處理系統概述
土地處理系統是一種處理污水的生態工程技術,它可以簡要定義為:污水經過一定程度的預處理,然后有控制地投配到土地上,利用土壤—微生物—植物生態系統的自凈功能和自我調控機制,通過一系列物理、化學和生物化學等過程,使污水達到預定處理效果,并對污水中氮、磷等資源加以利用,使其成為植物自身營養成分的一種污水處理技術。土地處理系統是由若干部分組成的整體,完整的土地處理系統由預處理、水量調節與儲存、配水與步水、土地處理田間工程、植物、排水及監測等七部分組成。污水土地處理系統與傳統的污灌農業有很大的區別,主要表現在:土地處理堅持處理與利用相結合的方向,在實現廢水資源化的過程中自始至終把環境效益和環境質量控制問題放在首位,它在設計、運行和管理方面遵循現代生態學三大原則:整體優化、循環再生和區域分異。并在嚴格控制重點污染源的基礎上,可通過低費用、低能耗的生態工程措施,達到社會、經濟、生態環境效益的統一。根據處理目標、處理對象的不同,土地處理系統可分為快速滲濾(RI)、慢速滲濾(SR)、地表漫流(OF)、地下滲濾(UG)、濕地系統(WL)等5種工藝類型。
3土地處理系統的優勢
土地處理系統的高效凈化功能土地處理系統大多數污染物的去除主要發生在地表下30~50cm處具有良好結構的土層中,該層土壤、植物、微生物等相互作用,從土表層到土壤內部形成了好氧、缺氧和厭氧的多項系統,有助于各種污染物質在不同的環境中發生作用,最終達到去除或削減污染物的目的。
3.1 對氮、磷的去除
實際測定結果表明,污水土地系統中氨化細菌、亞硝化菌、硝化菌、反硝化菌數量都處于較高水平,其中的硝化菌達到肥沃土壤的104倍,因此具有硝化—反硝化脫氮的良好基礎和很大的潛力。氮素的形態為無機態和有機態兩類,污水中的氮以有機氮和氨(或銨離子)的形式進入土壤,有機氮首先被截留或沉淀,然后在微生物作用下轉化為氨氮,再通過硝化作用轉化為NO-3,一部分NO-3隨水分下移而流失,一部分NO-3中的N素作為植物的營養元素被植物吸收轉化后成為構造植物體自身的物質成分。一部分NO-3發生反硝化反應,最終轉化為氣體揮發掉,其中能被植物直接吸收利用的無機氮僅占土壤全氮的5%左右。北京某小區土壤毛細管滲濾系統建成運行6a的結果表明,系統對生活污水中有機物、氮和磷的去除率較高,其中NH3-N去除率>90%[19]。廢水中的磷可能以無機磷和有機磷的形態存在。磷進入土壤后即被吸附和儲存,而且幾乎是不流失的。系統中磷的去除主要是通過以下幾個過程完成的:土壤顆粒的吸附作用、化學沉淀反應、微生物同化作用和植物吸收作用。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。地溝式污水土地處理系統總磷的去除率幾乎維持在80%以上,最高可達94·85%,這是由于污水中的磷與黃壤中的鈣、鋁、鐵等離子發生沉淀反應,被鐵、鋁氧化物吸附去除有關,貴州黃壤的實驗工藝中,土壤的固磷和除磷明顯高于其它生物除磷工藝,而且運行較穩定。土地污水處理系統去除N、P高效性,是其與其他傳統工程措施相比的最顯著的優勢。根據劉超翔等對人工復合生態床處理生活污水小試研究,在整個運行期間, COD、TN和TP的平均去除效率分別在85%、60%和80%以上;張建等在地下滲濾處理村鎮生活污水中試的研究中以紅壤土作為填充土壤,在2cm/d的水力負荷下,進行了地下滲濾系統處理村鎮生活污水的現場中試,結果表明:地下滲濾系統對COD、氨氮、總磷和總氮有良好的去除效果,去除率分別達到84·7%、70·0%、98·0%和77·7%,出水COD、氨氮、總磷和總氮的平均濃度分別為11·7、4·0、0·04、4·7mg/L,達到建設部頒發的生活雜用水水質標準。
3.2 對有機物的去除
土地處理系統對有機物特別對可降解有機物的凈化能力較強,污水中的有機質進入土壤后,首先通過過濾、吸附作用被截留下來,然后通過生物氧化作用將其降解,其中大多數BOD的去除反應都發生在地表50cm處。李海軍與澳大利亞科學與工業組織(CISCO)對新型FILTER土地處理系統進行的實驗結果表明: FILTER系統通過土壤的生物、物理、化學作用,使COD的去除率達到70%以上;從沈陽西部SR-LTS幾年的運行數據看,對BOD5的去除率達97·7%, COD的去除率87·8%, TOC的去除率84·1%;郭勁松等對南方地區不同濕干比條件下人工快滲系統污水處理性能的研究結果表明:當濕干比為1∶3時裝置對COD的去除效果最好,平均去除率達到84·3%。
3.3 對SS的凈化作用
土地處理系統對SS的去除主要靠沉淀、作物和生物的吸附與阻截作用。對投配污水中的懸浮物固體,幾乎可以全部去除掉。慢速滲濾出水中SS值可達1mg/L以下。東莞華興電器廠采用快速滲濾系統對生活污水進行處理,結果表明,在不小于1cm/d的水力負荷條件下,人工快速滲濾系統對生活污水具有較強的抗沖擊負荷能力和較好的污染物去除效果,其對SS、COD和BOD5的平均去除率分別為94·14%、91·99%和94·44%。
3.4 對其他污染物的凈化
在污水土地處理中所關注的病原微生物有細菌、寄生蟲和病毒,它們通過過濾、吸附、干化、輻照、生物捕食以及暴露在不利條件下等方式被去除。此外,土地處理系統還對重金屬也有一定的吸附和阻滯作用,金屬離子與土壤的某些組分進行化學反應生成難溶性化合物而沉淀,一般來說,重金屬含量偏高的特殊工業廢水不適于CRI系統。水中的痕量有機物還能通過揮發光分解吸附和生物降解等作用除去。
4 經濟合理性
基建投資費用少土地處理為自然生態處理,工程簡單、附加構筑物少、基建投資少,土地處理系統類型多樣,可根據具體的地形,選擇那些不適用其它開發的場地,利用一些低廉土地如荒地等作為處理場地,并選擇適合的類型,工程造價低。按有關資料,傳統二級生化處理(以活性污泥為例)的一次性基建投資標準為1200元/m3·d,而土地處理系統,其一次性基建投資可變動在500~700元,大體為傳統二級處理的1/3~1/2,土地處理的運轉費為傳統二級處理的1/10~1/5;中科院生態研究所“九五”期間在遼河油田茨榆坨采油廠修建了300m3/d的示范工程,其一次性投資相當于二次生化處理工程的1/2。運轉費僅為其1/5。3·2·2 能耗低土地處理系統在處理過程中主要依靠自然凈化,充分利用了太陽能和污水中物質的化學能,由于其工藝流程短,所投加的化學藥品少,節約了部分化學能,其工程簡單化可以減少附加構筑物,節約附加構筑物所耗電能,這樣大大節約了能耗。有關資料分析[31]:如果把活性污泥法的能源消耗率看作100%,則土壤處理法僅為13% ~14%,按處理每平方污水的耗電計算,其它方法為0·13 ~1·39kW·h/m3,而土地處理系統僅為0·02 ~0·07kW·h/m3。3·2·3 再生水回收率高就水資源利用而言,工業用水的80%和生活用水的60%并不需要十分潔凈的水質[6],土地處理系統的出水可以作為中水資源,根據不同的用水標準分別加以利用,而且土地處理系統運行過程中,植物對污水在水量、水質上都加以利用,其本身就是對中水資源的有效利用。污水地下回灌是一種利用土地處理技術實現污水間接回用的方法,國外污水農灌應用很多,以色列污水處理后42%用于農灌,污水農用保證了以色列農業的健康發展。美國用于農業灌溉回用污水總量約58億m3/a,占回用水總量的62%。
管理簡單,運行方便土地處理系統利用天然土地系統的自然凈化功能,工藝流程短,處理單元少,可以省去一般傳統工程措施的很多附加設施及管理人員,系統所需設備儀器簡單,其檢修和報廢等問題相對要少得多,節省投資,減少工程占地面積,管理簡單,維護方便。我國處理5~10萬m3/d的二級污水處理廠,一般需要100~150人的編制,而相同規模的污水土地處理系統只需要10~15左右的人員編制;維護良好的土地處理系統的運行維護費用也只有常規處理的1/5~1/3;另外,土地處理系統使用壽命較長,一般10~20a左右。
生態、社會效益顯著相對于污水處理廠直接排放的模式,土地處理實現了污水的營養物和水資源的同時回收利用,在郊區或農村,處理污水的同時也可增加土壤的肥力,并能種植經濟作物而產生一定的收益,同時實現了從生態角度上的物質能量循環。土地處理系統飼草品質有保證,產量提高60%多;示范項目200hm2地的青貯產量能夠滿足1000頭奶牛的冬季飼養需要,估算每戶牧民每年的凈收入超過1萬元。土地處理利用其土壤-植物系統的調節功能,接受污水的沖擊負荷具有強大的緩沖作用,從而保護承接水體及地下水,防止二次污染。這與傳統二級生化處理方法在遇到水質變動時表觀為污泥膨脹、出水水質惡化相比,具有明顯優勢。土地處理系統運行產生的氣體對周圍環境產生的負面效應小。通過對土地處理系統運行過程中甲烷和N2O等溫室氣體的排放規律進行的初步研究結果表明,土地處理系統的運行,產生一定數量的溫室氣體,但是通過相應的減排措施,可以使污水土地處理系統運行時產生的溫室氣體大大減少使之不對周圍生態環境產生負面效應。此外,由于土地處理系統將主要構筑物設置在地下,不但不影響地面景觀,還可以利用綠地植物的優點取得凈化污水、美化綠化環境的雙重效果,從而為一些大城市省去為美化市貌而進行提高綠化率的投資費用。臺培東等對霍林河污水土地處理工程生態效應研究表明:干旱地區城市污水土地處理系統可改變局部區域內的生態環境,改善草原地區單調的自然景觀,發揮其環保、旅游、生態建設等功能。
政策上的支持和逐漸完善的技術體系世界銀行環境事務署規定:“當有土地可用和毒物含量足夠低時,土地處理是處理污水的最簡單、最經濟的技術”;“在任何工業項目中,土地處理應當作為第一選擇來考慮”。我國自1980年以后確定了根據我國國情與各地區的自然和社會經濟情況,實行人工處理和自然處理并行的技術政策,積極推行替代二級處理的氧污水土地處理技術的優勢及其應用前景 黃玉珠化塘、氧化溝和土地處理等自然處理技術。土地處理技術經過很多試驗、示范研究,取得了大量的研究成果及運行管理經驗,使該系統在技術方面逐漸成熟起來,為在我國推行這一技術提供了技術保證。在對土地處理系統長期攻關研究的過程中,將污水對水環境、土壤環境、種植植物的影響作為重要研究內容,建立了包括對進水水質進行控制的雙指標體系(主要污染物單項指標與TOC/BOD綜合指標)、污染同化容量與限制性水力負荷設計體系等在內的安全運行技術保障體系。1990年我國將“污水凈化與資源化技術研究”列入“八五”國家科技公關計劃,組織了城市污水資源化和土地處理與穩定塘系統的科技公關也建立了相應的示范工程。2000年5月,建設部、國家環保局、科技部聯合頒布實施的《城市污水處理及污染防治技術政策》中明確指出:“在有條件的地區,可利用荒地、閑地等可利用的條件,采用各種類型的土地處理和穩定塘等自然凈化技術”;“城市污水二級處理出水不能滿足水環境要求時,在條件許可的情況下,可采用土地處理系統和穩定塘等自然凈化技術進一步處理”。
5 應用前景
污水土地處理系統作為一項技術可靠、經濟合理、管理運行方便且具有顯著的生態、社會效益的新興的生態處理技術之一,具有無限的發展潛力。
土地處理系統在應用中主要是土地的占用,這在我國廣大地區都具有很強的適用性。我國雖然土地資源十分緊缺,但在一些不發達地區,如西北等地區地廣人稀,閑置了一些土地、荒山,在較發達地區也有廢棄河道和部分閑置的開發區,這為土地處理系統提供了廉價土地資源。在農村和中小城鎮,可以利用其擁有低廉土地的優勢,建造土地處理系統,不僅可以凈化污水,還可以與農業利用相結合,利用水肥資源,將中水同用,澆灌綠地、農田,使土壤肥力增加,提高農作物產量,從而帶來更多經濟效益,同時保護了農村生態系統;在城市,根據其污水水量大,成分復雜,但其市政經濟承受能力強的特點,土地處理系統可因地制宜地選用各類型系統,強化人工調控措施,不僅能取得滿意的污水處理效果,還可以美化城市自然景觀,改善城市生態環境質量。人工濕地系統在城市中受到廣泛應用,國內已有大量的CRI系統試驗研究和示范工程,目前在工藝特征、技術要點與工程參數等方面正在逐步成熟,從而為其推廣與應用提供了可靠的技術保證。土地處理系統的經濟性使其比在其它發達國家更適合我國目前的經濟發展水平,與其他處理工藝相比,土地處理系統技術含量較低,這在我國污水處理技術正處于研發和逐漸成熟的現階段具有廣泛的應用前景。以其作為污水處理技術,不僅效果好,而且可以解決我國目前凈水工藝存在的主要問題,減少氮、磷的排放量,減緩我國水體富營養化的趨勢。它既可替代常規二級處理,又可作為常規處理的深度處理,已成為城市污水處理的革新/替代技術和我國污水處理技術政策的重要組成部分。加強土地處理系統的理論研究和技術工藝開發,加大力度推行并實施污水土地處理技術,將是解決我國水污染嚴重和水資源短缺的有效途徑。
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