污水土地处理技术的优势及其应用前景
我国的水资源总量较丰富,但人均水资源占有量仅有2700m3,为世界平均值的1/4,是13个贫水国之一。目前绝大部分城市的居民区没有实现清污分流,不管是饮用水还是杂用水,全部以饮用水供应,造成了水资源严重浪费,灌溉利用率仅0·45,复用率仅为30% ~40%。据有关资料, 2000年我国废污水排放总量达到620亿,t其中工业废水约占66%、生活污水占34%,由于工业废水和生活污水直排入河,污染物大量增加,河流富营养化趋势加速。据统计,全国监测的1200多条河流中有850条受到污染, 230条受到严重污染,有60%的水质达不到饮用水标准,有11%的水质不符合农业灌溉要求,有6%的毒物含量超过污水排放标准。全国每年因水污染造成的经济损失达数百亿元。水资源短缺与水污染严重已成为影响我国工农业可持续发展的重要问题。
1传统工程措施处理污水存在的问题
当前水污染人工处理技术已经发展到相当高的水平,技术上日趋成熟,它们对水污染控制起到了积极的推动作用,但事实也说明,单纯依靠传统的污水工程处理技术并不能够从根本上解决水污染问题。活性污泥法、生物膜法和膜生物法等常规污水人工生物处理,都存在着基建投资大、运行费用高、剩余污泥处理难度大等缺点,我国目前的经济实力难以承受,而活性炭吸附由于投资大等原因限制了其大规模推广使用。二级生物处理对N、P等营养物质的去除率低,不能根本解决诸如水体富营养化的问题。所以即使在生物处理厂普及率较高的国家和地区,仍然有相当多的河流受到水体富营养化等不同程度的污染[5],我国目前由于城市污水富含N、P等元素处理不彻底或直接向水体排放造成的水体富营养化问题已相当严重。三级深度处理可进一步解决上述问题,但处理工艺流程更长、能耗高、占地面积大,基建、运行费用昂贵,要广泛使用并不现实。因此寻求低成本、低污染、高效率的新型城市污水处理技术是解决我国乃至世界的水污染和水资源短缺问题的有效途径。
2土地处理系统概述
土地处理系统是一种处理污水的生态工程技术,它可以简要定义为:污水经过一定程度的预处理,然后有控制地投配到土地上,利用土壤—微生物—植物生态系统的自净功能和自我调控机制,通过一系列物理、化学和生物化学等过程,使污水达到预定处理效果,并对污水中氮、磷等资源加以利用,使其成为植物自身营养成分的一种污水处理技术。土地处理系统是由若干部分组成的整体,完整的土地处理系统由预处理、水量调节与储存、配水与步水、土地处理田间工程、植物、排水及监测等七部分组成。污水土地处理系统与传统的污灌农业有很大的区别,主要表现在:土地处理坚持处理与利用相结合的方向,在实现废水资源化的过程中自始至终把环境效益和环境质量控制问题放在首位,它在设计、运行和管理方面遵循现代生态学三大原则:整体优化、循环再生和区域分异。并在严格控制重点污染源的基础上,可通过低费用、低能耗的生态工程措施,达到社会、经济、生态环境效益的统一。根据处理目标、处理对象的不同,土地处理系统可分为快速渗滤(RI)、慢速渗滤(SR)、地表漫流(OF)、地下渗滤(UG)、湿地系统(WL)等5种工艺类型。
3土地处理系统的优势
土地处理系统的高效净化功能土地处理系统大多数污染物的去除主要发生在地表下30~50cm处具有良好结构的土层中,该层土壤、植物、微生物等相互作用,从土表层到土壤内部形成了好氧、缺氧和厌氧的多项系统,有助于各种污染物质在不同的环境中发生作用,最终达到去除或削减污染物的目的。
3.1 对氮、磷的去除
实际测定结果表明,污水土地系统中氨化细菌、亚硝化菌、硝化菌、反硝化菌数量都处于较高水平,其中的硝化菌达到肥沃土壤的104倍,因此具有硝化—反硝化脱氮的良好基础和很大的潜力。氮素的形态为无机态和有机态两类,污水中的氮以有机氮和氨(或铵离子)的形式进入土壤,有机氮首先被截留或沉淀,然后在微生物作用下转化为氨氮,再通过硝化作用转化为NO-3,一部分NO-3随水分下移而流失,一部分NO-3中的N素作为植物的营养元素被植物吸收转化后成为构造植物体自身的物质成分。一部分NO-3发生反硝化反应,最终转化为气体挥发掉,其中能被植物直接吸收利用的无机氮仅占土壤全氮的5%左右。北京某小区土壤毛细管渗滤系统建成运行6a的结果表明,系统对生活污水中有机物、氮和磷的去除率较高,其中NH3-N去除率>90%[19]。废水中的磷可能以无机磷和有机磷的形态存在。磷进入土壤后即被吸附和储存,而且几乎是不流失的。系统中磷的去除主要是通过以下几个过程完成的:土壤颗粒的吸附作用、化学沉淀反应、微生物同化作用和植物吸收作用。文献报道,几乎所有污水土地处理系统常年运行后均未出现磷吸附饱和现象,可以认为,污水土地处理系统中磷的去除主要是由磷的化学沉淀反应过程控制的。地沟式污水土地处理系统总磷的去除率几乎维持在80%以上,最高可达94·85%,这是由于污水中的磷与黄壤中的钙、铝、铁等离子发生沉淀反应,被铁、铝氧化物吸附去除有关,贵州黄壤的实验工艺中,土壤的固磷和除磷明显高于其它生物除磷工艺,而且运行较稳定。土地污水处理系统去除N、P高效性,是其与其他传统工程措施相比的最显著的优势。根据刘超翔等对人工复合生态床处理生活污水小试研究,在整个运行期间, COD、TN和TP的平均去除效率分别在85%、60%和80%以上;张建等在地下渗滤处理村镇生活污水中试的研究中以红壤土作为填充土壤,在2cm/d的水力负荷下,进行了地下渗滤系统处理村镇生活污水的现场中试,结果表明:地下渗滤系统对COD、氨氮、总磷和总氮有良好的去除效果,去除率分别达到84·7%、70·0%、98·0%和77·7%,出水COD、氨氮、总磷和总氮的平均浓度分别为11·7、4·0、0·04、4·7mg/L,达到建设部颁发的生活杂用水水质标准。
3.2 对有机物的去除
土地处理系统对有机物特别对可降解有机物的净化能力较强,污水中的有机质进入土壤后,首先通过过滤、吸附作用被截留下来,然后通过生物氧化作用将其降解,其中大多数BOD的去除反应都发生在地表50cm处。李海军与澳大利亚科学与工业组织(CISCO)对新型FILTER土地处理系统进行的实验结果表明: FILTER系统通过土壤的生物、物理、化学作用,使COD的去除率达到70%以上;从沈阳西部SR-LTS几年的运行数据看,对BOD5的去除率达97·7%, COD的去除率87·8%, TOC的去除率84·1%;郭劲松等对南方地区不同湿干比条件下人工快渗系统污水处理性能的研究结果表明:当湿干比为1∶3时装置对COD的去除效果最好,平均去除率达到84·3%。
3.3 对SS的净化作用
土地处理系统对SS的去除主要靠沉淀、作物和生物的吸附与阻截作用。对投配污水中的悬浮物固体,几乎可以全部去除掉。慢速渗滤出水中SS值可达1mg/L以下。东莞华兴电器厂采用快速渗滤系统对生活污水进行处理,结果表明,在不小于1cm/d的水力负荷条件下,人工快速渗滤系统对生活污水具有较强的抗冲击负荷能力和较好的污染物去除效果,其对SS、COD和BOD5的平均去除率分别为94·14%、91·99%和94·44%。
3.4 对其他污染物的净化
在污水土地处理中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被去除。此外,土地处理系统还对重金属也有一定的吸附和阻滞作用,金属离子与土壤的某些组分进行化学反应生成难溶性化合物而沉淀,一般来说,重金属含量偏高的特殊工业废水不适于CRI系统。水中的痕量有机物还能通过挥发光分解吸附和生物降解等作用除去。
4 经济合理性
基建投资费用少土地处理为自然生态处理,工程简单、附加构筑物少、基建投资少,土地处理系统类型多样,可根据具体的地形,选择那些不适用其它开发的场地,利用一些低廉土地如荒地等作为处理场地,并选择适合的类型,工程造价低。按有关资料,传统二级生化处理(以活性污泥为例)的一次性基建投资标准为1200元/m3·d,而土地处理系统,其一次性基建投资可变动在500~700元,大体为传统二级处理的1/3~1/2,土地处理的运转费为传统二级处理的1/10~1/5;中科院生态研究所“九五”期间在辽河油田茨榆坨采油厂修建了300m3/d的示范工程,其一次性投资相当于二次生化处理工程的1/2。运转费仅为其1/5。3·2·2 能耗低土地处理系统在处理过程中主要依靠自然净化,充分利用了太阳能和污水中物质的化学能,由于其工艺流程短,所投加的化学药品少,节约了部分化学能,其工程简单化可以减少附加构筑物,节约附加构筑物所耗电能,这样大大节约了能耗。有关资料分析[31]:如果把活性污泥法的能源消耗率看作100%,则土壤处理法仅为13% ~14%,按处理每平方污水的耗电计算,其它方法为0·13 ~1·39kW·h/m3,而土地处理系统仅为0·02 ~0·07kW·h/m3。3·2·3 再生水回收率高就水资源利用而言,工业用水的80%和生活用水的60%并不需要十分洁净的水质[6],土地处理系统的出水可以作为中水资源,根据不同的用水标准分别加以利用,而且土地处理系统运行过程中,植物对污水在水量、水质上都加以利用,其本身就是对中水资源的有效利用。污水地下回灌是一种利用土地处理技术实现污水间接回用的方法,国外污水农灌应用很多,以色列污水处理后42%用于农灌,污水农用保证了以色列农业的健康发展。美国用于农业灌溉回用污水总量约58亿m3/a,占回用水总量的62%。
管理简单,运行方便土地处理系统利用天然土地系统的自然净化功能,工艺流程短,处理单元少,可以省去一般传统工程措施的很多附加设施及管理人员,系统所需设备仪器简单,其检修和报废等问题相对要少得多,节省投资,减少工程占地面积,管理简单,维护方便。我国处理5~10万m3/d的二级污水处理厂,一般需要100~150人的编制,而相同规模的污水土地处理系统只需要10~15左右的人员编制;维护良好的土地处理系统的运行维护费用也只有常规处理的1/5~1/3;另外,土地处理系统使用寿命较长,一般10~20a左右。
生态、社会效益显著相对于污水处理厂直接排放的模式,土地处理实现了污水的营养物和水资源的同时回收利用,在郊区或农村,处理污水的同时也可增加土壤的肥力,并能种植经济作物而产生一定的收益,同时实现了从生态角度上的物质能量循环。土地处理系统饲草品质有保证,产量提高60%多;示范项目200hm2地的青贮产量能够满足1000头奶牛的冬季饲养需要,估算每户牧民每年的净收入超过1万元。土地处理利用其土壤-植物系统的调节功能,接受污水的冲击负荷具有强大的缓冲作用,从而保护承接水体及地下水,防止二次污染。这与传统二级生化处理方法在遇到水质变动时表观为污泥膨胀、出水水质恶化相比,具有明显优势。土地处理系统运行产生的气体对周围环境产生的负面效应小。通过对土地处理系统运行过程中甲烷和N2O等温室气体的排放规律进行的初步研究结果表明,土地处理系统的运行,产生一定数量的温室气体,但是通过相应的减排措施,可以使污水土地处理系统运行时产生的温室气体大大减少使之不对周围生态环境产生负面效应。此外,由于土地处理系统将主要构筑物设置在地下,不但不影响地面景观,还可以利用绿地植物的优点取得净化污水、美化绿化环境的双重效果,从而为一些大城市省去为美化市貌而进行提高绿化率的投资费用。台培东等对霍林河污水土地处理工程生态效应研究表明:干旱地区城市污水土地处理系统可改变局部区域内的生态环境,改善草原地区单调的自然景观,发挥其环保、旅游、生态建设等功能。
政策上的支持和逐渐完善的技术体系世界银行环境事务署规定:“当有土地可用和毒物含量足够低时,土地处理是处理污水的最简单、最经济的技术”;“在任何工业项目中,土地处理应当作为第一选择来考虑”。我国自1980年以后确定了根据我国国情与各地区的自然和社会经济情况,实行人工处理和自然处理并行的技术政策,积极推行替代二级处理的氧污水土地处理技术的优势及其应用前景 黄玉珠化塘、氧化沟和土地处理等自然处理技术。土地处理技术经过很多试验、示范研究,取得了大量的研究成果及运行管理经验,使该系统在技术方面逐渐成熟起来,为在我国推行这一技术提供了技术保证。在对土地处理系统长期攻关研究的过程中,将污水对水环境、土壤环境、种植植物的影响作为重要研究内容,建立了包括对进水水质进行控制的双指标体系(主要污染物单项指标与TOC/BOD综合指标)、污染同化容量与限制性水力负荷设计体系等在内的安全运行技术保障体系。1990年我国将“污水净化与资源化技术研究”列入“八五”国家科技公关计划,组织了城市污水资源化和土地处理与稳定塘系统的科技公关也建立了相应的示范工程。2000年5月,建设部、国家环保局、科技部联合颁布实施的《城市污水处理及污染防治技术政策》中明确指出:“在有条件的地区,可利用荒地、闲地等可利用的条件,采用各种类型的土地处理和稳定塘等自然净化技术”;“城市污水二级处理出水不能满足水环境要求时,在条件许可的情况下,可采用土地处理系统和稳定塘等自然净化技术进一步处理”。
5 应用前景
污水土地处理系统作为一项技术可靠、经济合理、管理运行方便且具有显著的生态、社会效益的新兴的生态处理技术之一,具有无限的发展潜力。
土地处理系统在应用中主要是土地的占用,这在我国广大地区都具有很强的适用性。我国虽然土地资源十分紧缺,但在一些不发达地区,如西北等地区地广人稀,闲置了一些土地、荒山,在较发达地区也有废弃河道和部分闲置的开发区,这为土地处理系统提供了廉价土地资源。在农村和中小城镇,可以利用其拥有低廉土地的优势,建造土地处理系统,不仅可以净化污水,还可以与农业利用相结合,利用水肥资源,将中水同用,浇灌绿地、农田,使土壤肥力增加,提高农作物产量,从而带来更多经济效益,同时保护了农村生态系统;在城市,根据其污水水量大,成分复杂,但其市政经济承受能力强的特点,土地处理系统可因地制宜地选用各类型系统,强化人工调控措施,不仅能取得满意的污水处理效果,还可以美化城市自然景观,改善城市生态环境质量。人工湿地系统在城市中受到广泛应用,国内已有大量的CRI系统试验研究和示范工程,目前在工艺特征、技术要点与工程参数等方面正在逐步成熟,从而为其推广与应用提供了可靠的技术保证。土地处理系统的经济性使其比在其它发达国家更适合我国目前的经济发展水平,与其他处理工艺相比,土地处理系统技术含量较低,这在我国污水处理技术正处于研发和逐渐成熟的现阶段具有广泛的应用前景。以其作为污水处理技术,不仅效果好,而且可以解决我国目前净水工艺存在的主要问题,减少氮、磷的排放量,减缓我国水体富营养化的趋势。它既可替代常规二级处理,又可作为常规处理的深度处理,已成为城市污水处理的革新/替代技术和我国污水处理技术政策的重要组成部分。加强土地处理系统的理论研究和技术工艺开发,加大力度推行并实施污水土地处理技术,将是解决我国水污染严重和水资源短缺的有效途径。
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