生態水處理在自然環境區域的應用
隨著城市化進程的加速，新農村建設改造、自然風景別墅區、私人牧場，生態島等遠離都市的小城鎮或園區建設逐步納入城市化改造。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或土壤，造成嚴重的水環境污染，甚至威脅到地下水的安全。建設發展與自然保護之間的矛盾也進一步加深，環境與生態問題也同步擴展。為了解決污水處理、環境、生態等一聯串的矛盾，人們把注意力放到生態水處理和回收利用。
2005年10月27日建設部“綠色建筑技術導則”第5.3.3條:采用雨水、污水分流系統，有利于污水處理回收再利用；在水資源短缺地區，通過技術經濟比較，合理采用中水回用系統；在《建筑中水設計規范》中列出了10種污水處理工藝，可分為四種類型：以物理化學處理方法為主的物化工藝；以生物化學處理為主的生化處理方法；生化處理和物化處理相結合的處理工藝以及土地處理（如有天然或人工土地生物處理和人工土壤毛管滲濾法等）。
1. 污水土地處理概述
污水土地處理是在人工控制條件下將污水投配在土地上，通過土壤-植物系統，經物理、化學和生物等一系列的凈化過程，使污水得到凈化的污水處理方法。
土地處理系統的優點：土地處理對污水的緩沖性能較強，工程簡單，基建投資省，污水處理能耗低，維護方便，處理成本低，還可以與農業利用相結合，利用水肥資源，澆灌綠地、農田，使土壤肥力增加，提高農作物產量。土地處理系統的不足：停留時間長，占地面積大；處理效果不穩定，受季節、氣溫、光照等自然因素影響大；防滲處理不當，可能污染地下水；此法不能用于過高濃度污水的處理，否則會引起臭味和蟲滋生。
現代意義上的土地處理技術以污水的處理和利用為前提，注重環境和生態效應。它以下列四個特征從本質上有別于污水灌溉：
（1）要求污水在進入土壤－植物系統之前，必須經過適當的預處理，并嚴格控制水質和水量；
（2）對投配污水的土地處理場的土壤、地質、水文等場地條件及污水應用方式有相應的要求；
（3）要求污水土地處理系統在生態結構與凈化功能之間能有效配合；
（4）要求有相應的緩沖、調控措施及進出水水質監測系統，能對水力負荷進行有效調節控制和管理，有一定的貯存單元或相當措施，保證污水終年處理。
土地處理工藝近年來得以迅速發展，原因由于：世界范圍內，大中城市的污水已經得到一定程度的處理和控制，零散分布的小流量集中污水治理問題進入人們的視野；
對居住人數不足10000人的居住區，采用常規處理工藝的基建投資大、操作和維護費用高、能耗也高，而土地處理工藝設備簡單，操作管理方便，能耗低，且不存在污泥處置的問題，是處理分散的居民聚居區生活污水的理想技術； 常規污水處理廠可有效去除SS和有機物等，但對N、P等營養物質的去除率較低（30%~50%），經處理后的出水排入自然水體可能引起“富營養化”等環境問題，土地處理法是將污水廠出水回用或回灌的經濟合理的形式；常規處理工藝操作復雜，對管理水平要求高，如活性污泥法啟動慢，且易出現污泥膨脹等問題，大量采用常規處理技術的小型污水處理廠“建得起，用不起”的現象促使人們重新認識對小規模污水處理的實際需求。
2.土地處理工藝的機理概述
污水流經土壤得以凈化的過程極為復雜，其凈化機理是多種作用、多種過程的綜合過程。
2.1土壤的物理作用
1）過濾：污水流經土壤，其中的污染物質及懸浮顆粒被土壤團聚顆粒間的孔隙所截濾，污水得到凈化。
2）沉淀：污水中的雜質在土壤團聚顆粒表面上沉淀去除，土層本身相當于一個有巨大比表面積的沉淀池。
3）吸附：在非極性分子間范德華力的作用下，土壤中粘粒能夠吸附土壤溶液中的中性分子；污水中的部分重金屬離子可因陽離子交換作用而被置換，吸附并生成難溶性的物質被固定在礦物晶格中；土壤中的粘粒、腐殖質和礦物質具有強烈的吸附活性，能吸附污水中多種溶解性污染物。
2.2土壤的化學作用
土壤層是一個能容納各種物質和催化劑的化學反應器，并始終保持動態平衡。當污水進入土壤層，污染物導致土層中的平衡體系被破壞，則土層內必相應發生一系列的氧化還原、吸附、離子交換、絡合等反應，使進入的污染物質或被氧化、還原，或被吸附、吸收，或變為難溶性的沉淀等，以重新建立新的平衡，在這一過程中，污水得以凈化。
2.3土壤的物理化學作用
土壤中的粘土、腐殖質構成了復雜的膠體顆粒體系，而各種污染物大多也以膠體狀態穩定存在于污水中。當污水進入土層，原來兩種各自獨立的體系便構成新的膠體體系。由于電解質平衡體系的破壞和土壤層中腐殖質等高分子物質的不飽和特性，導致在新的體系中發生一系列的膠體顆粒的脫穩、凝聚、絮凝和相互吸附等物理化學過程，從而使污水得以凈化。
2.4土壤的生物作用
在土壤環境中生長著大量的細菌、真菌、酵母菌、原生動物、后生動物、腔腸動物、各種昆蟲等，并存在一個豐富的土壤微生物酶系。污水中的有機質及氮和磷等營養素在這個生態系統中，通過微生物的降解和吸收，部分營養物質轉化為有機質貯存在生物體內，從而與水分離。
上述各種機理中，土壤的生物作用是最重要的。
3.土地處理技術的類別及工藝特征
土地處理根據污水的投配方式及處理過程的不同，可以分為慢速滲濾（如圖3-11所示）、快速滲濾（如圖3-12所示）、地表漫流（如圖3-13所示）三種類型。
3.1 慢速滲濾系統（Slow Rate Process，簡稱SR系統）
SR系統適用于滲水性能良好的土壤、砂質土壤，地面坡度小于30%，土層表面種植物，處理過程發生在土壤表面及作物的根部區域，用來處理少量污水，通過蒸發、作物吸收、入滲過程后，不產生徑流排放，即污水完全被系統所凈化吸納。慢速滲濾系統可設計為兩種基本類型：一是以處理污水、再生水為主要目的，適用于土地資源緊張地區，設計時應盡可能少占地，選用的作物要有較高耐水性、對氮磷吸附降解能力強。二是以污水資源化利用為目的，根據土質、氣候和污水特點選擇經濟作物為主，以獲得經濟效益，廣泛適用于華北缺水地區，在土地面積相對充裕的情況下可充分利用污水進行生產活動，以水處理為目的兼用水肥資源。
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圖1 慢速滲濾系統示意圖
3.2快速滲濾系統（Rapid Infiltration Process，簡稱RI系統）
RI系統是將污水投配到由不透水層圍合而成、內填高滲透性土壤的滲池中，土層表面對栽培植物沒有要求。可處理較大量污水。地面坡度小于15%。采用表面間歇布水方式，污水被均勻投配到土地表面并很快滲濾地下。快速滲濾可用于兩類目的：地下水補給和污水再生利用。用于前者時不需要設計集水系統，而用于后者則需要設地下水集水措施以收集再生水，在地下水敏感區域還必須設計防滲層，防止地下水受到污染。可選擇距居民區有一定距離的河灘地、砂荒地。
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圖2 快速滲濾系統示意圖
3.3地表漫流系統（Overland Flow Process，簡稱OF系統）
OF系統適用于透水性較差的粘土和亞粘土，或場地0.3~0.6m處有弱透水層的土地；地面最佳坡度為2%~8%，經人工建造形成均勻、緩和的坡面。污水借噴灌或浸灌等方式有控制地投配在土地表面，使之形成薄層漫流通過地表，流入下游集水渠直至就近的水體。地面上種植耐水植物供微生物棲息并防止土壤流失，凈化機理類似滴濾池等生物膜附著生長的系統。大部分出水以地表徑流匯集，可回用或排放水體。地表漫流系統兼有處理污水與生長植物的雙重功能。實際上，天然或人工濕地就是OF系統的一種特殊形式。
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圖3 地表漫流系統示意圖
4.毛管滲濾處理技術簡介：
土地處理系統有自然土地處理和人工土地處理之分，人工土地處理有毛細管滲透土壤凈化系統（簡稱毛管滲濾系統）。
毛管滲濾土地處理技術具有不影響地面景觀、建設和運行管理費用低、氮磷去除能力強、處理出水水質好、可用于回用等特點。毛管滲濾土地處理技術比較適合在新農村居住小區、學校、旅游點、度假村、療養院等未與城市排水裝置接通的分散建筑物排出污水的處理與回用領域中的應用。
毛管滲濾土地處理技術是基于生態原理基礎上，揉進現代的厭氧、好氧的污水處理技術，而形成的一種生態工程水處理技術。其基本原理是：
利用專用塑料薄膜在地下圍成一個生物濾池，利用配水裝置將生活污水引進草坪下有良好滲透性的土層中，利用土壤毛細管浸潤和滲透作用，均勻地向厭氧濾層滲濾，再通過表面張力作用上升，越過厭氧濾層出口堰之后，通過虹吸現象連續地向下層好氧濾層滲透并流出生物濾池。在上述過程中，水與污染物分離，水被滲濾并通過集水裝置收集被作為中水回用，污染物通過物化吸附被截留在土壤中，碳和氮由于厭氧及好氧過程，一部分被分解成為無機碳、氮留在土壤中，一部分變成氮氣和二氧化碳逸散在空氣中，磷則被土壤物理化學吸附，截留在土壤中，為草坪或者其他植物所利用。
由專用塑料薄膜在地下的凍土層以下向上方圍成一個“生物濾池”，薄膜上方敷設由干管、支管、生態碎石、專用尼龍網組成的集水裝置。其上方是由好氧生物菌種、通氣性材料、改良土壤組成的好氧濾層。濾層上方為由專用塑料薄膜圍成的，由生態砂、厭氧生物菌種組成的厭氧濾層。厭氧濾層之上為由干管、支管、生態碎石、專用尼龍網組成的配水裝置。其上方是通氣性土壤，土壤表面可種植草坪、蔬菜、花卉、樹叢等植物，也可做停車場用。地下布水管最大埋深不超過1.5m，污水投配到距地面約0.5m深，投配的土壤、介質要有良好的滲透性，通常需要對原土進行再改良提高滲透率至0.15~5.0cm/h。土層厚大于0.6m，地面坡度小于15%，地下水埋深大于1.0m。
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圖4 地下滲濾系統示意圖
5.工程實例
5.1工程概況：某別墅小區，104戶，333人，用水定額取230L/p.d.日排水總量65.1噸。化糞池清掏周期采用180天，污水停留時間24小時。
5.2處理工藝流程:
化糞池出水→厭氧池→毛管滲濾處理裝置→集水池→排放（收集回用）
5.3設計要點：
大約1噸污水需要8平米面積土地（4x1.5x0.7h) ，可集中設置，也可分散設置，目前實現模塊化，可以根據污水處理情況增加單元處理裝置。處理裝置位于凍土層下。
5.4原水水質：
進水水質指標：自化糞池來水。由于無實測數據，故按同類型物業出水水質為參數，現確定本工程進水水水質如下表：
| 項目 | CODcr | BOD5 | SS | NH3-N | TP |
| 指標（mg/l） | 200-300 | 100-150 | 100-150 | 20-30 | 3-4 |
5.5處理要求
出水達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中的一級B標準。出水水質主要指標如下表：
| 項目 | CODcr | BOD5 | SS | NH3-N | TP |
| 指標（mg/l） | 60 | 20 | 20 | 15 | 1 |
5.6示意圖
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6.方案比較
6.1工藝技術比較
|
方 案 項 目 |
毛管滲濾處理裝置處理工藝 | 傳統處理工藝 |
| 1.預處理 | 簡易 | 簡易 |
| 2.反應池 | 毛管滲濾處理裝置 | 生物反應池 |
| 3.曝氣裝置 | 無 | 有 |
| 4.二次沉淀池 | 無 | 有 |
| 5.深度處理 | 毛管滲濾處理裝置 | 沙濾及活性碳吸附 |
| 6.處理方式 | 分散處理 | 集中處理 |
| 7.技術水平及成熟度 | 在歐美地區得到了廣泛應用，在日本已有20000余套污水處理工程應用此技術 | 傳統技術 |
| 8.處理效果 |
BOD5、COD去除率分別為97%、90%； 脫磷、脫氮效率分別為87%、 80% |
BOD、COD去除率分別為80%、75%；脫磷、脫氮效率分別為20%、25% |
| 9.出水水質 | 景觀水水質標準 | 中水回用水水質標準 |
| 10.污泥處理 | 內部消化掉 | 需定期人工處理 |
| 11.施工難度 | 容易 | 較難 |
6.2經濟指標比較:
|
方 案 項 目 |
毛管滲濾處理工藝 | 傳統處理工藝 |
| 1.動力消耗 | 處理過程無動力消耗 | 處理過程中需要較大的動力消耗，加大運行成本 |
| 2.運行管理 | 調試完畢無需專人管理(簡單) | 整個過程需專人管理(復雜) |
| 3.年運行費用 | 0元/噸 | 0.8元/噸 |
| 4.十年運行費用 | 0元/噸 | 0.8元/噸 |
| 5.占地面積 |
較大，但可“一地兩用” 、 并且全部在地下 |
每噸水占地約為1~2M2，臭氣影響周圍環境和住戶，存在地上構筑物。 |
| 6.工程實施 | 建設周期短 | 建設周期長 |
| 7.使用年限 | 超過20年 | 10年左右 |
| 8.維修服務 | 維修頻率低 | 動力加設備維修頻率高 |
參考文獻
[1] GB 50336-2002. 建筑中水設計規范.2003
[2] 華北地區農村生活污水處理技術指南. 中華人民共和國住房和城鄉建設部.2010
[3] 張自杰等. 排水工程（第四版）. 建筑工業出版社.1999
[4] 給水排水設計手冊（第二版）. 中國建筑工業出版社.2004
[5] 劉俊新. 排水設施與污水處理. 中國建筑工業出版社.2010
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