生态水处理在自然环境区域的应用
随着城市化进程的加速，新农村建设改造、自然风景别墅区、私人牧场，生态岛等远离都市的小城镇或园区建设逐步纳入城市化改造。由于种种原因，往往未能够将其下水道与市政排水系统相连接，大量生活污水排入附近的河道或土壤，造成严重的水环境污染，甚至威胁到地下水的安全。建设发展与自然保护之间的矛盾也进一步加深，环境与生态问题也同步扩展。为了解决污水处理、环境、生态等一联串的矛盾，人们把注意力放到生态水处理和回收利用。
2005年10月27日建设部“绿色建筑技术导则”第5.3.3条:采用雨水、污水分流系统，有利于污水处理回收再利用；在水资源短缺地区，通过技术经济比较，合理采用中水回用系统；在《建筑中水设计规范》中列出了10种污水处理工艺，可分为四种类型：以物理化学处理方法为主的物化工艺；以生物化学处理为主的生化处理方法；生化处理和物化处理相结合的处理工艺以及土地处理（如有天然或人工土地生物处理和人工土壤毛管渗滤法等）。
1. 污水土地处理概述
污水土地处理是在人工控制条件下将污水投配在土地上，通过土壤-植物系统，经物理、化学和生物等一系列的净化过程，使污水得到净化的污水处理方法。
土地处理系统的优点：土地处理对污水的缓冲性能较强，工程简单，基建投资省，污水处理能耗低，维护方便，处理成本低，还可以与农业利用相结合，利用水肥资源，浇灌绿地、农田，使土壤肥力增加，提高农作物产量。土地处理系统的不足：停留时间长，占地面积大；处理效果不稳定，受季节、气温、光照等自然因素影响大；防渗处理不当，可能污染地下水；此法不能用于过高浓度污水的处理，否则会引起臭味和虫滋生。
现代意义上的土地处理技术以污水的处理和利用为前提，注重环境和生态效应。它以下列四个特征从本质上有别于污水灌溉：
（1）要求污水在进入土壤－植物系统之前，必须经过适当的预处理，并严格控制水质和水量；
（2）对投配污水的土地处理场的土壤、地质、水文等场地条件及污水应用方式有相应的要求；
（3）要求污水土地处理系统在生态结构与净化功能之间能有效配合；
（4）要求有相应的缓冲、调控措施及进出水水质监测系统，能对水力负荷进行有效调节控制和管理，有一定的贮存单元或相当措施，保证污水终年处理。
土地处理工艺近年来得以迅速发展，原因由于：世界范围内，大中城市的污水已经得到一定程度的处理和控制，零散分布的小流量集中污水治理问题进入人们的视野；
对居住人数不足10000人的居住区，采用常规处理工艺的基建投资大、操作和维护费用高、能耗也高，而土地处理工艺设备简单，操作管理方便，能耗低，且不存在污泥处置的问题，是处理分散的居民聚居区生活污水的理想技术； 常规污水处理厂可有效去除SS和有机物等，但对N、P等营养物质的去除率较低（30%~50%），经处理后的出水排入自然水体可能引起“富营养化”等环境问题，土地处理法是将污水厂出水回用或回灌的经济合理的形式；常规处理工艺操作复杂，对管理水平要求高，如活性污泥法启动慢，且易出现污泥膨胀等问题，大量采用常规处理技术的小型污水处理厂“建得起，用不起”的现象促使人们重新认识对小规模污水处理的实际需求。
2.土地处理工艺的机理概述
污水流经土壤得以净化的过程极为复杂，其净化机理是多种作用、多种过程的综合过程。
2.1土壤的物理作用
1）过滤：污水流经土壤，其中的污染物质及悬浮颗粒被土壤团聚颗粒间的孔隙所截滤，污水得到净化。
2）沉淀：污水中的杂质在土壤团聚颗粒表面上沉淀去除，土层本身相当于一个有巨大比表面积的沉淀池。
3）吸附：在非极性分子间范德华力的作用下，土壤中粘粒能够吸附土壤溶液中的中性分子；污水中的部分重金属离子可因阳离子交换作用而被置换，吸附并生成难溶性的物质被固定在矿物晶格中；土壤中的粘粒、腐殖质和矿物质具有强烈的吸附活性，能吸附污水中多种溶解性污染物。
2.2土壤的化学作用
土壤层是一个能容纳各种物质和催化剂的化学反应器，并始终保持动态平衡。当污水进入土壤层，污染物导致土层中的平衡体系被破坏，则土层内必相应发生一系列的氧化还原、吸附、离子交换、络合等反应，使进入的污染物质或被氧化、还原，或被吸附、吸收，或变为难溶性的沉淀等，以重新建立新的平衡，在这一过程中，污水得以净化。
2.3土壤的物理化学作用
土壤中的粘土、腐殖质构成了复杂的胶体颗粒体系，而各种污染物大多也以胶体状态稳定存在于污水中。当污水进入土层，原来两种各自独立的体系便构成新的胶体体系。由于电解质平衡体系的破坏和土壤层中腐殖质等高分子物质的不饱和特性，导致在新的体系中发生一系列的胶体颗粒的脱稳、凝聚、絮凝和相互吸附等物理化学过程，从而使污水得以净化。
2.4土壤的生物作用
在土壤环境中生长着大量的细菌、真菌、酵母菌、原生动物、后生动物、腔肠动物、各种昆虫等，并存在一个丰富的土壤微生物酶系。污水中的有机质及氮和磷等营养素在这个生态系统中，通过微生物的降解和吸收，部分营养物质转化为有机质贮存在生物体内，从而与水分离。
上述各种机理中，土壤的生物作用是最重要的。
3.土地处理技术的类别及工艺特征
土地处理根据污水的投配方式及处理过程的不同，可以分为慢速渗滤（如图3-11所示）、快速渗滤（如图3-12所示）、地表漫流（如图3-13所示）三种类型。
3.1 慢速渗滤系统（Slow Rate Process，简称SR系统）
SR系统适用于渗水性能良好的土壤、砂质土壤，地面坡度小于30%，土层表面种植物，处理过程发生在土壤表面及作物的根部区域，用来处理少量污水，通过蒸发、作物吸收、入渗过程后，不产生径流排放，即污水完全被系统所净化吸纳。慢速渗滤系统可设计为两种基本类型：一是以处理污水、再生水为主要目的，适用于土地资源紧张地区，设计时应尽可能少占地，选用的作物要有较高耐水性、对氮磷吸附降解能力强。二是以污水资源化利用为目的，根据土质、气候和污水特点选择经济作物为主，以获得经济效益，广泛适用于华北缺水地区，在土地面积相对充裕的情况下可充分利用污水进行生产活动，以水处理为目的兼用水肥资源。
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图1 慢速渗滤系统示意图
3.2快速渗滤系统（Rapid Infiltration Process，简称RI系统）
RI系统是将污水投配到由不透水层围合而成、内填高渗透性土壤的渗池中，土层表面对栽培植物没有要求。可处理较大量污水。地面坡度小于15%。采用表面间歇布水方式，污水被均匀投配到土地表面并很快渗滤地下。快速渗滤可用于两类目的：地下水补给和污水再生利用。用于前者时不需要设计集水系统，而用于后者则需要设地下水集水措施以收集再生水，在地下水敏感区域还必须设计防渗层，防止地下水受到污染。可选择距居民区有一定距离的河滩地、砂荒地。
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图2 快速渗滤系统示意图
3.3地表漫流系统（Overland Flow Process，简称OF系统）
OF系统适用于透水性较差的粘土和亚粘土，或场地0.3~0.6m处有弱透水层的土地；地面最佳坡度为2%~8%，经人工建造形成均匀、缓和的坡面。污水借喷灌或浸灌等方式有控制地投配在土地表面，使之形成薄层漫流通过地表，流入下游集水渠直至就近的水体。地面上种植耐水植物供微生物栖息并防止土壤流失，净化机理类似滴滤池等生物膜附着生长的系统。大部分出水以地表径流汇集，可回用或排放水体。地表漫流系统兼有处理污水与生长植物的双重功能。实际上，天然或人工湿地就是OF系统的一种特殊形式。
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图3 地表漫流系统示意图
4.毛管渗滤处理技术简介：
土地处理系统有自然土地处理和人工土地处理之分，人工土地处理有毛细管渗透土壤净化系统（简称毛管渗滤系统）。
毛管渗滤土地处理技术具有不影响地面景观、建设和运行管理费用低、氮磷去除能力强、处理出水水质好、可用于回用等特点。毛管渗滤土地处理技术比较适合在新农村居住小区、学校、旅游点、度假村、疗养院等未与城市排水装置接通的分散建筑物排出污水的处理与回用领域中的应用。
毛管渗滤土地处理技术是基于生态原理基础上，揉进现代的厌氧、好氧的污水处理技术，而形成的一种生态工程水处理技术。其基本原理是：
利用专用塑料薄膜在地下围成一个生物滤池，利用配水装置将生活污水引进草坪下有良好渗透性的土层中，利用土壤毛细管浸润和渗透作用，均匀地向厌氧滤层渗滤，再通过表面张力作用上升，越过厌氧滤层出口堰之后，通过虹吸现象连续地向下层好氧滤层渗透并流出生物滤池。在上述过程中，水与污染物分离，水被渗滤并通过集水装置收集被作为中水回用，污染物通过物化吸附被截留在土壤中，碳和氮由于厌氧及好氧过程，一部分被分解成为无机碳、氮留在土壤中，一部分变成氮气和二氧化碳逸散在空气中，磷则被土壤物理化学吸附，截留在土壤中，为草坪或者其他植物所利用。
由专用塑料薄膜在地下的冻土层以下向上方围成一个“生物滤池”，薄膜上方敷设由干管、支管、生态碎石、专用尼龙网组成的集水装置。其上方是由好氧生物菌种、通气性材料、改良土壤组成的好氧滤层。滤层上方为由专用塑料薄膜围成的，由生态砂、厌氧生物菌种组成的厌氧滤层。厌氧滤层之上为由干管、支管、生态碎石、专用尼龙网组成的配水装置。其上方是通气性土壤，土壤表面可种植草坪、蔬菜、花卉、树丛等植物，也可做停车场用。地下布水管最大埋深不超过1.5m，污水投配到距地面约0.5m深，投配的土壤、介质要有良好的渗透性，通常需要对原土进行再改良提高渗透率至0.15~5.0cm/h。土层厚大于0.6m，地面坡度小于15%，地下水埋深大于1.0m。
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图4 地下渗滤系统示意图
5.工程实例
5.1工程概况：某别墅小区，104户，333人，用水定额取230L/p.d.日排水总量65.1吨。化粪池清掏周期采用180天，污水停留时间24小时。
5.2处理工艺流程:
化粪池出水→厌氧池→毛管渗滤处理装置→集水池→排放（收集回用）
5.3设计要点：
大约1吨污水需要8平米面积土地（4x1.5x0.7h) ，可集中设置，也可分散设置，目前实现模块化，可以根据污水处理情况增加单元处理装置。处理装置位于冻土层下。
5.4原水水质：
进水水质指标：自化粪池来水。由于无实测数据，故按同类型物业出水水质为参数，现确定本工程进水水水质如下表：
| 项目 | CODcr | BOD5 | SS | NH3-N | TP |
| 指标（mg/l） | 200-300 | 100-150 | 100-150 | 20-30 | 3-4 |
5.5处理要求
出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中的一级B标准。出水水质主要指标如下表：
| 项目 | CODcr | BOD5 | SS | NH3-N | TP |
| 指标（mg/l） | 60 | 20 | 20 | 15 | 1 |
5.6示意图
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6.方案比较
6.1工艺技术比较
|
方 案 项 目 |
毛管渗滤处理装置处理工艺 | 传统处理工艺 |
| 1.预处理 | 简易 | 简易 |
| 2.反应池 | 毛管渗滤处理装置 | 生物反应池 |
| 3.曝气装置 | 无 | 有 |
| 4.二次沉淀池 | 无 | 有 |
| 5.深度处理 | 毛管渗滤处理装置 | 沙滤及活性碳吸附 |
| 6.处理方式 | 分散处理 | 集中处理 |
| 7.技术水平及成熟度 | 在欧美地区得到了广泛应用，在日本已有20000余套污水处理工程应用此技术 | 传统技术 |
| 8.处理效果 |
BOD5、COD去除率分别为97%、90%； 脱磷、脱氮效率分别为87%、 80% |
BOD、COD去除率分别为80%、75%；脱磷、脱氮效率分别为20%、25% |
| 9.出水水质 | 景观水水质标准 | 中水回用水水质标准 |
| 10.污泥处理 | 内部消化掉 | 需定期人工处理 |
| 11.施工难度 | 容易 | 较难 |
6.2经济指标比较:
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方 案 项 目 |
毛管渗滤处理工艺 | 传统处理工艺 |
| 1.动力消耗 | 处理过程无动力消耗 | 处理过程中需要较大的动力消耗，加大运行成本 |
| 2.运行管理 | 调试完毕无需专人管理(简单) | 整个过程需专人管理(复杂) |
| 3.年运行费用 | 0元/吨 | 0.8元/吨 |
| 4.十年运行费用 | 0元/吨 | 0.8元/吨 |
| 5.占地面积 |
较大，但可“一地两用” 、 并且全部在地下 |
每吨水占地约为1~2M2，臭气影响周围环境和住户，存在地上构筑物。 |
| 6.工程实施 | 建设周期短 | 建设周期长 |
| 7.使用年限 | 超过20年 | 10年左右 |
| 8.维修服务 | 维修频率低 | 动力加设备维修频率高 |
参考文献
[1] GB 50336-2002. 建筑中水设计规范.2003
[2] 华北地区农村生活污水处理技术指南. 中华人民共和国住房和城乡建设部.2010
[3] 张自杰等. 排水工程（第四版）. 建筑工业出版社.1999
[4] 给水排水设计手册（第二版）. 中国建筑工业出版社.2004
[5] 刘俊新. 排水设施与污水处理. 中国建筑工业出版社.2010
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