污水地下滲濾系統的研究現狀、存在問題及改進措施概述

關佳佳

（朝陽市生態環境局，遼寧朝陽122000）

1 引言

污水地下滲濾系統（Subsurface Wastewater Infiltration Systems，SWIS）是一種集物理、化學和生物反應于一體的污水凈化土地處理系統。19 世紀末，污水地下滲濾系統首次被應用在生活污水的二級處理中?，F階段，污水地下滲濾系統是處理分散式生活污水的主要方式，廣泛應用在房屋分散、人口稀少、沒有完善的污水管網系統的農村地區。隨著污水地下滲濾處理技術的迅速發展，其研究的內容也更加具體化。

2 污水地下滲濾系統的研究熱點

污水地下滲濾系統的研究熱點集中在污水地下滲濾系統運行參數的選取、土壤基質的選擇與配置、土壤基質微生物學特征以及污水地下滲濾系統氮的去除［1-4］。

2.1 運行參數的選取

污水地下滲濾系統運行參數主要包括運行方式、運行周期、水力負荷和進水濃度等。

干濕交替是污水地下滲濾系統最常見的運行方式，目的是為了提高污水地下滲濾系統的氧氣含量和恢復滲透性能，從而使污水地下滲濾系統內部交替形成好氧、厭氧環境，以利于對污染物的降解和保持穩定的處理水量［5］。運行周期是指污水地下滲濾系統一次淹水和一次落干組成的循環時間，通常采用淹水時間和落干時間之比計算濕干比。在污水地下滲濾系統中，淹水時間通常以采用飽和吸附或入滲速率穩定需要的時間來確定，落干時間以恢復吸附所需的時間來確定，以此確定污水地下滲濾系統的濕干比。過大的濕干比會導致局部土壤基質過載負荷，土壤基質吸附作用不充分，過小的濕干比會使污水地下滲濾系統占地面積過大，造成浪費，并且濕干比還影響污水地下滲濾系統的脫氮效果和啟動周期［6］。水力負荷是污水地下滲濾系統設計和運行的關鍵參數，是污水地下滲濾系統所需土地面積、布水溝長度等計算的基礎。水力負荷太小，污水地下滲濾系統的利用率低，而太大的水力負荷會導致污水在污水地下滲濾系統中停留時間過短而降低處理效果。合理的水力負荷應該滿足以下條件［7］：保證良好的出水水質、系統能夠穩定運行、不因污染物超負荷而被堵塞。在保證出水水質的前提下，追求較高的水力負荷是地下滲濾系統的主要目標。宋斐等［8］研究發現，污水地下滲濾系統對于污染物的去除與水力負荷呈負相關，當水力負荷在0.1～0.3 m3/（m2·d）時，污水地下滲濾系統的處理效果較好，出水均能滿足GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》二級標準。

2.2 土壤基質的選擇與配置

土壤基質不同其所顯示出的物理性質、化學性質和生物性質也有所不同，而且土壤基質的結構、質地、有機質、滲透性、土層厚度、微生物群落及氧化還原電位等理化性質又對污水地下滲濾系統的處理能力和凈化效果［9］起著決定性的作用。在污水地下滲濾系統選擇土壤基質時需達到以下幾個標準［10］：必須未被重金屬、有毒有機物污染；具備團粒結構發達和穩定性好，可防止污水地下滲濾系統堵塞；采用的土壤基質要含有豐富的有機質，可加快微生物馴化時間，同時為植物生長創造合適的環境；形成上部透水、通氣，下部缺氧、厭氧的良好環境，適當的孔隙率、滲透性和通氣性，為微生物提供良好的生存環境。

Zhang 等［11］發現當污水地下滲濾系統的土壤基質深度超過130～150 cm，系統的反硝化作用增強，180～200 cm 的污水地下滲濾系統對TN 的去除效果最佳。污水中約90%的TP 通過污水地下滲濾系統中的土壤吸附而被去除，則存在著TP 沉淀飽和的問題，從而影響污水地下滲濾系統的使用年限。劉娜［12］、Yu 等［13］和梁成龍［14］在污水地下滲濾系統的土壤中添加粉煤灰、陶粒、鋼渣和生物炭等物質來提高系統對TP 的去除能力，結果表明，污水地下滲濾系統不僅除磷能力提高，還增加了對TP 的吸附容量，同時對TN 的去除效果有顯著促進作用。碳源和氧化還原條件是制約污水地下滲濾系統中反硝化作用的兩個主要因素。李英華等［15］在土壤中摻加10%～20%的污泥或微生物菌劑，提高了污水地下滲濾系統土壤基質的孔隙度、滲透性和有機質含量，加速系統成熟，提高了污水地下滲濾系統NH4＋－N 的去除率和抗沖擊負荷能力。

2.3 土壤基質微生物學特征

污水地下滲濾系統是一個生態系統，除了生物脫氮中涉及的脫氮微生物，還存在著各種微生物，它們在土壤基質中相互依存、協同作用，同時相互制約［16］。不同的土壤類型、滲透性能、環境條件、肥力水平和季節變化等會產生差異很大的微生物種類、數量和分布。無植被覆蓋或肥力水平較低的荒漠土壤的微生物數量較少，在垂直方向上微生物多樣性隨著深度減少的程度小于植被覆蓋或肥力水平較高的土壤。不同地區或同一地區的四季氣候均不相同，土壤性質也不同，或隨著季節而改變，微生物的種類和活性也會隨之變化［17］。黏附在土壤基質顆粒上的微生物的群落結構直接影響污水地下滲濾系統對污染物的凈化容量和效果。Pan 等［18］通過分流污水補充污水地下滲濾系統的反硝化區的碳源，提高污水地下滲濾系統的脫氮效果，結果表明，硝化細菌的數量隨著土壤基質深度的增加而下降，而反硝化細菌的數量則隨著土壤基質深度的增加而增加。潘晶［19］在使用爐渣等改良污水地下滲濾系統土壤基質時也得到類似的結論，稍有不同的是經過改良的污水地下滲濾系統的反硝化細菌數量呈現最高的土壤基質深度在80 cm 深度處，而不是100 cm 深度處；在布水口附近區域細菌和真菌的數量最多，而隨著深度的增加放線菌的數量逐步下降。細菌和真菌在污水地下滲濾系統中的數量與COD 和BOD 去除率明顯相關，但與TP 去除率無關；硝化細菌的數量和NH4＋－N 的去除率呈相關性；反硝化細菌的數量與TN 的去除率明顯有關。Liu 等［20］在地下污水滲透系統中加入嗜冷菌株強化其對污水的低溫處理性能，16S rRNA 技術表明，外加菌株降低了土壤基質的微生物多樣性，改變了細菌群落結構，提高了脫氮效果。

2.4 污水地下滲濾系統氮的去除

污水地下滲濾系統脫氮效果差的原因主要有兩個：不理想的好氧環境下硝化作用不足及污水地下滲濾系統底部缺乏有機碳為反硝化反應提供電子供體［21］。針對氧氣供應不足，一般通過通風、改良土壤基質、植物輸氧和調整濕干比來改善污水地下滲濾系統中的氧化還原環境。Pan 等［22］通過間歇曝氣的方式使污水地下滲濾系統形成硝化－反硝化反應所需的好氧、缺氧或厭氧條件，增強了微生物的呼吸功能，增加了硝酸鹽還原酶和亞硝酸鹽還原酶的活性，提高了污水中COD 和TN 的去除率。植物可以通過根部的氣體導管將枝葉吸收的氧氣傳送到土壤基質中，營造出親和的微生態環境［23］。針對反硝化區域缺乏碳源，一般通過調整進水C/N、分流配水和改良底部土壤基質等方法進行改善。

3 污水地下滲濾系統存在的問題

3.1 脫氮問題

通常情況下，污水地下滲濾系統對COD，BOD5，SS，TP 的去除率超過80%，然而由于污水地下滲濾系統規模和土壤基質、進水成分、環境和運行條件等的不同，TN 的去除率差異范圍在10%～90%［24］。對于脫氮的潛在原因，如微生物的群落結構和特征等尚缺乏深入的討論，目前還未見研究確定系統內部微生物特性與處理過程之間的關系［25］。

3.2 有限的使用年限

由于污水地下滲濾系統運行時間的延長，土壤滲透的速率將逐步降低，導致土壤堵塞，降低土壤基質的水力傳導性及凈化效果，還會縮短污水地下滲濾系統的使用年限［26］。污水地下滲濾系統對TP 的去除主要是形成難溶的含磷化合物截留在土壤基質中，但由于土壤基質的最大磷吸附量是一定的，隨著運行時間的延長，土壤基質對TP 飽和吸附后會出現磷穿透現象，這同樣也會大大縮短污水地下滲濾系統的使用年限。如何在提高污水地下滲濾系統對污染物去除效果的同時延長系統的使用年限，是目前污水地下滲濾系統面臨的主要挑戰。

4 污水地下滲濾系統的改進措施

4.1 運行方式和參數的改進

為了解決污水地下滲濾系統脫氮效率相對較低的問題，不同的運行方式和參數被應用在污水地下滲濾系統中。常見的提高脫氮的運行方式是干濕交替運行、分流進水、曝氣（可以在進水中微曝氣，也可以在污水地下滲濾系統中添加曝氣裝置）。常見的提高污水地下滲濾系統脫氮效果的運行參數是選擇合適的運行周期、水力負荷、進水C/N、表層植物。

4.2 滲濾基質的改良

為了改善污水地下滲濾系統對污染物的整體去除性能和延長其使用年限，可選擇性添加一些沸石、廢渣、泡沫、生物炭等功能性物質，提高土壤基質的滲透系數和吸附能力。如零價鐵被廣泛應用于反硝化反應器中，依賴于其化學還原和物理吸附特性可去除污水中的NO3－N［27］。多孔黏土材料可作為吸附劑吸附污水中的污染物，或作為固相載體固定化微生物，促進微生物對污水的處理效果［28］。

4.3 微生物功能強化

在污水地下滲濾系統中微生物對污染物的去除發揮著重要作用，因此生物強化不僅可提高污水地下滲濾系統的污染物去除能力和使用年限，還可提高污水地下滲濾系統的脫氮能力。不同土壤基質的微生物對環境具有不同的適應性，因此最好的接種微生物的方式是在同樣的污染環境和工藝的土壤中篩選需求的功能微生物，再重新接種到類似的污染環境和工藝當中［29］。