污水土地處理技術(shù)的優(yōu)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(qū)沒有實現(xiàn)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(jù)有關(guān)資料, 2000年我國廢污水排放總量達到620億,t其中工業(yè)廢水約占66%、生活污水占34%,由于工業(yè)廢水和生活污水直排入河,污染物大量增加,河流富營養(yǎng)化趨勢加速。據(jù)統(tǒng)計,全國監(jiān)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(zhì)達不到飲用水標準,有11%的水質(zhì)不符合農(nóng)業(yè)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(jīng)濟損失達數(shù)百億元。水資源短缺與水污染嚴重已成為影響我國工農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要問題。
1傳統(tǒng)工程措施處理污水存在的問題
當前水污染人工處理技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到相當高的水平,技術(shù)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(tǒng)的污水工程處理技術(shù)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(guī)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(jīng)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(guī)模推廣使用。二級生物處理對N、P等營養(yǎng)物質(zhì)的去除率低,不能根本解決諸如水體富營養(yǎng)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(qū),仍然有相當多的河流受到水體富營養(yǎng)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(yǎng)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(xiàn)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(shù)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(tǒng)概述
土地處理系統(tǒng)是一種處理污水的生態(tài)工程技術(shù),它可以簡要定義為:污水經(jīng)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(tài)系統(tǒng)的自凈功能和自我調(diào)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(yǎng)成分的一種污水處理技術(shù)。土地處理系統(tǒng)是由若干部分組成的整體,完整的土地處理系統(tǒng)由預處理、水量調(diào)節(jié)與儲存、配水與步水、土地處理田間工程、植物、排水及監(jiān)測等七部分組成。污水土地處理系統(tǒng)與傳統(tǒng)的污灌農(nóng)業(yè)有很大的區(qū)別,主要表現(xiàn)在:土地處理堅持處理與利用相結(jié)合的方向,在實現(xiàn)廢水資源化的過程中自始至終把環(huán)境效益和環(huán)境質(zhì)量控制問題放在首位,它在設(shè)計、運行和管理方面遵循現(xiàn)代生態(tài)學三大原則:整體優(yōu)化、循環(huán)再生和區(qū)域分異。并在嚴格控制重點污染源的基礎(chǔ)上,可通過低費用、低能耗的生態(tài)工程措施,達到社會、經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境效益的統(tǒng)一。根據(jù)處理目標、處理對象的不同,土地處理系統(tǒng)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(tǒng)(WL)等5種工藝類型。
3土地處理系統(tǒng)的優(yōu)勢
土地處理系統(tǒng)的高效凈化功能土地處理系統(tǒng)大多數(shù)污染物的去除主要發(fā)生在地表下30~50cm處具有良好結(jié)構(gòu)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(nèi)部形成了好氧、缺氧和厭氧的多項系統(tǒng),有助于各種污染物質(zhì)在不同的環(huán)境中發(fā)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(jié)果表明,污水土地系統(tǒng)中氨化細菌、亞硝化菌、硝化菌、反硝化菌數(shù)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(chǔ)和很大的潛力。氮素的形態(tài)為無機態(tài)和有機態(tài)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(zhuǎn)化為氨氮,再通過硝化作用轉(zhuǎn)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(yǎng)元素被植物吸收轉(zhuǎn)化后成為構(gòu)造植物體自身的物質(zhì)成分。一部分NO-3發(fā)生反硝化反應,最終轉(zhuǎn)化為氣體揮發(fā)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(qū)土壤毛細管滲濾系統(tǒng)建成運行6a的結(jié)果表明,系統(tǒng)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(tài)存在。磷進入土壤后即被吸附和儲存,而且?guī)缀跏遣涣魇У。系統(tǒng)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(tǒng)常年運行后均未出現(xiàn)磷吸附飽和現(xiàn)象,可以認為,污水土地處理系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)生沉淀反應,被鐵、鋁氧化物吸附去除有關(guān),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(wěn)定。土地污水處理系統(tǒng)去除N、P高效性,是其與其他傳統(tǒng)工程措施相比的最顯著的優(yōu)勢。根據(jù)劉超翔等對人工復合生態(tài)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(zhèn)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(tǒng)處理村鎮(zhèn)生活污水的現(xiàn)場中試,結(jié)果表明:地下滲濾系統(tǒng)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(shè)部頒發(fā)的生活雜用水水質(zhì)標準。
3.2 對有機物的去除
土地處理系統(tǒng)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(zhì)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(shù)BOD的去除反應都發(fā)生在地表50cm處。李海軍與澳大利亞科學與工業(yè)組織(CISCO)對新型FILTER土地處理系統(tǒng)進行的實驗結(jié)果表明: FILTER系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(qū)不同濕干比條件下人工快滲系統(tǒng)污水處理性能的研究結(jié)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(tǒng)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(tǒng)對生活污水進行處理,結(jié)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(tǒng)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(guān)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(tǒng)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(yè)廢水不適于CRI系統(tǒng)。水中的痕量有機物還能通過揮發(fā)光分解吸附和生物降解等作用除去。
4 經(jīng)濟合理性
基建投資費用少土地處理為自然生態(tài)處理,工程簡單、附加構(gòu)筑物少、基建投資少,土地處理系統(tǒng)類型多樣,可根據(jù)具體的地形,選擇那些不適用其它開發(fā)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(guān)資料,傳統(tǒng)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(tǒng),其一次性基建投資可變動在500~700元,大體為傳統(tǒng)二級處理的1/3~1/2,土地處理的運轉(zhuǎn)費為傳統(tǒng)二級處理的1/10~1/5;中科院生態(tài)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(zhuǎn)費僅為其1/5。3·2·2 能耗低土地處理系統(tǒng)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(zhì)的化學能,由于其工藝流程短,所投加的化學藥品少,節(jié)約了部分化學能,其工程簡單化可以減少附加構(gòu)筑物,節(jié)約附加構(gòu)筑物所耗電能,這樣大大節(jié)約了能耗。有關(guān)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(tǒng)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(yè)用水的80%和生活用水的60%并不需要十分潔凈的水質(zhì)[6],土地處理系統(tǒng)的出水可以作為中水資源,根據(jù)不同的用水標準分別加以利用,而且土地處理系統(tǒng)運行過程中,植物對污水在水量、水質(zhì)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(shù)實現(xiàn)污水間接回用的方法,國外污水農(nóng)灌應用很多,以色列污水處理后42%用于農(nóng)灌,污水農(nóng)用保證了以色列農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展。美國用于農(nóng)業(yè)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(tǒng)利用天然土地系統(tǒng)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(tǒng)工程措施的很多附加設(shè)施及管理人員,系統(tǒng)所需設(shè)備儀器簡單,其檢修和報廢等問題相對要少得多,節(jié)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(guī)模的污水土地處理系統(tǒng)只需要10~15左右的人員編制;維護良好的土地處理系統(tǒng)的運行維護費用也只有常規(guī)處理的1/5~1/3;另外,土地處理系統(tǒng)使用壽命較長,一般10~20a左右。
生態(tài)、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(xiàn)了污水的營養(yǎng)物和水資源的同時回收利用,在郊區(qū)或農(nóng)村,處理污水的同時也可增加土壤的肥力,并能種植經(jīng)濟作物而產(chǎn)生一定的收益,同時實現(xiàn)了從生態(tài)角度上的物質(zhì)能量循環(huán)。土地處理系統(tǒng)飼草品質(zhì)有保證,產(chǎn)量提高60%多;示范項目200hm2地的青貯產(chǎn)量能夠滿足1000頭奶牛的冬季飼養(yǎng)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(tǒng)的調(diào)節(jié)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(tǒng)二級生化處理方法在遇到水質(zhì)變動時表觀為污泥膨脹、出水水質(zhì)惡化相比,具有明顯優(yōu)勢。土地處理系統(tǒng)運行產(chǎn)生的氣體對周圍環(huán)境產(chǎn)生的負面效應小。通過對土地處理系統(tǒng)運行過程中甲烷和N2O等溫室氣體的排放規(guī)律進行的初步研究結(jié)果表明,土地處理系統(tǒng)的運行,產(chǎn)生一定數(shù)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(tǒng)運行時產(chǎn)生的溫室氣體大大減少使之不對周圍生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負面效應。此外,由于土地處理系統(tǒng)將主要構(gòu)筑物設(shè)置在地下,不但不影響地面景觀,還可以利用綠地植物的優(yōu)點取得凈化污水、美化綠化環(huán)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(tài)效應研究表明:干旱地區(qū)城市污水土地處理系統(tǒng)可改變局部區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境,改善草原地區(qū)單調(diào)的自然景觀,發(fā)揮其環(huán)保、旅游、生態(tài)建設(shè)等功能。
政策上的支持和逐漸完善的技術(shù)體系世界銀行環(huán)境事務署規(guī)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(jīng)濟的技術(shù)”;“在任何工業(yè)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(jù)我國國情與各地區(qū)的自然和社會經(jīng)濟情況,實行人工處理和自然處理并行的技術(shù)政策,積極推行替代二級處理的氧污水土地處理技術(shù)的優(yōu)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(shù)。土地處理技術(shù)經(jīng)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(jīng)驗,使該系統(tǒng)在技術(shù)方面逐漸成熟起來,為在我國推行這一技術(shù)提供了技術(shù)保證。在對土地處理系統(tǒng)長期攻關(guān)研究的過程中,將污水對水環(huán)境、土壤環(huán)境、種植植物的影響作為重要研究內(nèi)容,建立了包括對進水水質(zhì)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(shè)計體系等在內(nèi)的安全運行技術(shù)保障體系。1990年我國將“污水凈化與資源化技術(shù)研究”列入“八五”國家科技公關(guān)計劃,組織了城市污水資源化和土地處理與穩(wěn)定塘系統(tǒng)的科技公關(guān)也建立了相應的示范工程。2000年5月,建設(shè)部、國家環(huán)保局、科技部聯(lián)合頒布實施的《城市污水處理及污染防治技術(shù)政策》中明確指出:“在有條件的地區(qū),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(wěn)定塘等自然凈化技術(shù)”;“城市污水二級處理出水不能滿足水環(huán)境要求時,在條件許可的情況下,可采用土地處理系統(tǒng)和穩(wěn)定塘等自然凈化技術(shù)進一步處理”。
5 應用前景
污水土地處理系統(tǒng)作為一項技術(shù)可靠、經(jīng)濟合理、管理運行方便且具有顯著的生態(tài)、社會效益的新興的生態(tài)處理技術(shù)之一,具有無限的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
土地處理系統(tǒng)在應用中主要是土地的占用,這在我國廣大地區(qū)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(fā)達地區(qū),如西北等地區(qū)地廣人稀,閑置了一些土地、荒山,在較發(fā)達地區(qū)也有廢棄河道和部分閑置的開發(fā)區(qū),這為土地處理系統(tǒng)提供了廉價土地資源。在農(nóng)村和中小城鎮(zhèn),可以利用其擁有低廉土地的優(yōu)勢,建造土地處理系統(tǒng),不僅可以凈化污水,還可以與農(nóng)業(yè)利用相結(jié)合,利用水肥資源,將中水同用,澆灌綠地、農(nóng)田,使土壤肥力增加,提高農(nóng)作物產(chǎn)量,從而帶來更多經(jīng)濟效益,同時保護了農(nóng)村生態(tài)系統(tǒng);在城市,根據(jù)其污水水量大,成分復雜,但其市政經(jīng)濟承受能力強的特點,土地處理系統(tǒng)可因地制宜地選用各類型系統(tǒng),強化人工調(diào)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(tài)環(huán)境質(zhì)量。人工濕地系統(tǒng)在城市中受到廣泛應用,國內(nèi)已有大量的CRI系統(tǒng)試驗研究和示范工程,目前在工藝特征、技術(shù)要點與工程參數(shù)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(shù)保證。土地處理系統(tǒng)的經(jīng)濟性使其比在其它發(fā)達國家更適合我國目前的經(jīng)濟發(fā)展水平,與其他處理工藝相比,土地處理系統(tǒng)技術(shù)含量較低,這在我國污水處理技術(shù)正處于研發(fā)和逐漸成熟的現(xiàn)階段具有廣泛的應用前景。以其作為污水處理技術(shù),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(yǎng)化的趨勢。它既可替代常規(guī)二級處理,又可作為常規(guī)處理的深度處理,已成為城市污水處理的革新/替代技術(shù)和我國污水處理技術(shù)政策的重要組成部分。加強土地處理系統(tǒng)的理論研究和技術(shù)工藝開發(fā),加大力度推行并實施污水土地處理技術(shù),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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