土壤溝槽處理技術(shù)及其在農(nóng)村生活污水處理中的應(yīng)用

車承丹

摘要：介紹了土壤溝槽處理技術(shù)的原理、污染物去除機理、影響因素、系統(tǒng)堵塞機理及對策等。分析了浙江省某鄉(xiāng)村農(nóng)村生活污水采用土壤溝槽處理技術(shù)處理工程的應(yīng)用實例。實際運行結(jié)果表明：該技術(shù)處理效果好，僅需要一臺水泵作為耗能設(shè)備，無需運行管理，出水水質(zhì)穩(wěn)定達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）的一級B標準。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村生活污水；土壤溝槽；COD污染物

中圖分類號：X703.1

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）12006104

1農(nóng)村生活污水處理的常用技術(shù)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，農(nóng)村生活中廚房、洗滌、洗浴等產(chǎn)生的污水排放總量和污染物含量呈明顯增加趨勢[1，2]。農(nóng)村生活污水中含有機物質(zhì)、氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)、懸浮物等污染成分[3]。若不予處理直接排放至河流、湖泊，將嚴重污染受納水體及周邊生態(tài)環(huán)境，對整個農(nóng)村及周邊溪流、水庫等地表水環(huán)境產(chǎn)生嚴重污染[2，3]。因此，迫切需要對農(nóng)村生活污水進行處理，但由于農(nóng)村地區(qū)技術(shù)經(jīng)濟基礎(chǔ)薄弱，缺少資金和專業(yè)的管理操作人員[3]，因此，運行成本、投資成本以及運行維護管理成為污水處理工藝選擇時的重點[1，3，4]。

目前，農(nóng)村生活污水處理技術(shù)主要分為自然生態(tài)處理工藝和污水一體化處理裝置兩大類[4]。自然生態(tài)處理工藝包括穩(wěn)定塘、人工濕地、土壤溝槽系統(tǒng)等，技術(shù)比較成熟，投資及運行成本較低；污水一體化處理裝置的工藝包括A/O、A2O、MBR、接觸氧化池、生物濾池等在城鎮(zhèn)污水處理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，技術(shù)相對成熟，自控性較高，處理效果好，但投資及運行成本較高，運行和維護管理較復(fù)雜。由表1可知，土壤溝槽處理技術(shù)具有處理效果好，出水水質(zhì)穩(wěn)定，耐沖擊負荷，投資水平低，運行成本低，無需運行管理和維護保養(yǎng)，無二次污染，可美化景觀等優(yōu)點。因此，該技術(shù)成為農(nóng)村污水處理的研究熱點。

2土壤溝槽處理技術(shù)原理

土壤溝槽處理技術(shù)是一種基于自然生態(tài)原理的人工強化污水處理技術(shù)。土壤溝槽系統(tǒng)內(nèi)裝載有砂、土壤等構(gòu)成的介質(zhì)處理層，利用處理層的毛細滲透作用，使污水向四周擴散，通過物理過濾、物理吸附與沉積、污水中的污染組分與復(fù)合材料中有關(guān)組分的理化反應(yīng)、微生物對有機物的降解作用以及植物對有關(guān)組分的利用等過程，使污水得到凈化。

2.1污染物的去除機理

2.1.1COD的去除機理

污水中的COD污染物，通過物理過濾、物理吸附與沉積、化學(xué)吸附與反應(yīng)從污水中轉(zhuǎn)移到土壤溝槽系統(tǒng)中，之后主要通過好氧微生物、厭氧微生物的作用下，轉(zhuǎn)化為簡單的無機鹽、水和CO2，實現(xiàn)礦化，得以去除。

2.1.2氮的去除機理

土壤滲濾系統(tǒng)對氮的去除主要是通過微生物的氨化、硝化與反硝化作用實現(xiàn)的。土壤中的硝化作用主要發(fā)生在系統(tǒng)的表層，約150 mm，實現(xiàn)了氨氮的去除?？偟娜コ饕性谏蠈印⒅袑?。在系統(tǒng)底層300 mm范圍內(nèi)總氮含量基本維持不變[12]。氮的去除過程中，氧氣存在與否成為除氮的關(guān)鍵。為此，要保證系統(tǒng)形成好氧與缺氧調(diào)節(jié)，系統(tǒng)中處理層的厚度不超過1 m；可在土壤溝槽系統(tǒng)進水前端增加了復(fù)氧環(huán)節(jié)，也可采用間歇運行方式，強化復(fù)氧，提高系統(tǒng)的硝化能力，提高氮的去除效率。

2.1.3磷的去除機理

除磷的方法主要有化學(xué)除磷和生物除磷兩種方式。土壤溝槽系統(tǒng)中磷的去除主要是通過化學(xué)除磷實現(xiàn)的。化學(xué)除磷的去除效果主要取決于土壤的化學(xué)成分，土壤中的一些金屬以及非金屬的離子有利于磷的去除，比如鈣離子具有較高的吸附磷的能力，鈣離子與磷元素形成磷酸鈣，使得磷元素從液相進入固相，因此，含鈣較多的土壤除磷效果更好。生物除磷是通過微生物的新陳代謝攝入磷然后再釋放的過程實現(xiàn)除磷。但在土壤滲濾系統(tǒng)中，生物作用僅起到形態(tài)轉(zhuǎn)換的作用，使得磷的形態(tài)發(fā)生改變，易于通過物理截留和化學(xué)反應(yīng)得以去除[12]。影響磷的去除的因素很多，較高的pH值、較低的溫度、較高的氧化還原電位均有利于磷的去除，鈣離子、鋁離子、鐵離子等對磷都具有很好的效果。但各地土壤的物理化學(xué)特性不同，而且土壤中吸附磷的鋁、鐵、鈣等鹽離子具有吸附飽和性，所以會出現(xiàn)磷穿透的現(xiàn)象。因此，為了達到穩(wěn)定除磷的目的，在土壤滲濾系統(tǒng)中添加有助于去除磷的物質(zhì)如鐵、鋁、鈣鹽等，以強化除磷，保證處理出水滿足排放標準要求。

2.1.4懸浮物的去除機理

污水中的懸浮固體通過物理截留、吸附、化學(xué)反應(yīng)、微生物作用，原生動物吞噬等作用得以去除。無機懸浮物體一般通過物理過濾、截留、吸附和化學(xué)反應(yīng)而留在土壤溝槽處理系統(tǒng)中，并在相對穩(wěn)定的條件下不再發(fā)生變化。有機懸浮固體在土壤滲濾系統(tǒng)中，會通過好氧、兼氧、厭氧微生物的作用得到分解進而實現(xiàn)礦化，部分有機懸浮物體還可以被原生動物、線蟲等直接吞噬，被植物根系或真菌吸附吸收得以去除[9]。

2.2土壤溝槽系統(tǒng)的微生物學(xué)特性

在土壤溝槽系統(tǒng)中生長著大量的細菌、放線菌、真菌、原生動物、后生動物等。其中，表層土壤中β|變形菌綱占到約40%左右，很多好氧或兼性細菌屬于β|變形菌[10]。變形菌門細菌很多有固氮和吸附氮的功能，所以能吸附污水中的氮，并進一步轉(zhuǎn)化進行徹底礦化。在40 cm與70 cm深度的土壤基質(zhì)中，主要菌種為芽孢桿菌綱和放線菌綱，占比約為50%，還含有α|變形菌綱、β|變形菌綱、γ|變形菌綱，以及嗜酸菌綱[10]。芽孢桿菌屬可以分泌大量的酶，對淀粉類的物質(zhì)降解能力很強。說明土壤滲濾系統(tǒng)中存在好氧、缺氧、厭氧3種菌。 嗜酸菌綱對維持系統(tǒng)的酸堿平衡具有重要作用，保證系統(tǒng)出水水質(zhì)維持中性。

2.3土壤溝槽處理技術(shù)的影響因素

2.3.1填料

土壤溝槽系統(tǒng)的填料是其核心組成部分，是去除污染物的主體部件，顯著影響系統(tǒng)的水力負荷、去除效果和穩(wěn)定性，以及是否會發(fā)生堵塞，可見，填料的選擇決定了系統(tǒng)的成敗。填料的成分、物理化學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、滲透系數(shù)等是填料選擇的重要參數(shù)。系統(tǒng)滲透系數(shù)大，可增大水力負荷，減少占地面積，但滲透系數(shù)過大，會縮短水利停留時間，影響出水水質(zhì)[11]。

2.3.2水力負荷

土壤溝槽系統(tǒng)水力負荷增大對COD、BOD5、NH3-N、TN、TP的去除率影響不大，但對系統(tǒng)的飽和滲透系數(shù)影響顯著，隨著水力負荷的增大，飽和滲透系數(shù)明顯下降[12]，這是由于污染物總量增加，導(dǎo)致吸附的污染物和快速繁殖的微生物堵塞系統(tǒng)填料空隙，使得系統(tǒng)透水能力下降，易引發(fā)系統(tǒng)堵塞的發(fā)生。

2.3.3有機負荷

土壤溝槽系統(tǒng)對進水的有機負荷有很大的緩沖能力，進水COD濃度波動較大時，出水COD濃度保持穩(wěn)定[13，17]。但有機負荷增大，會促進微生物的大量繁殖，堵塞填料空隙，使得飽和滲透系數(shù)下降，嚴重時甚至因其系統(tǒng)堵塞。

2.3.4溶解氧

在系統(tǒng)調(diào)試期，增大污水中的溶解氧，有利于好氧微生物的馴化培養(yǎng)，可縮短調(diào)試周期[16]。在系統(tǒng)運行期，污水中的溶解氧含量可提高污染物的去除效果，提高出水穩(wěn)定性。增大污水的溶解氧含量，可顯著提高氨氮的去除效果和穩(wěn)定性，這是由于氨氮的去除需要硝化和反硝化作用，而硝化過程是需要硝化細菌在有氧條件下的將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮。但溶解氧過大，也會抑制反硝化菌在無氧或缺氧條件下反硝化作用，從而降低TN的去除率[10，12]。

2.3.5溫度

土壤溝槽處理系統(tǒng)去除污染物主要是依靠微生物的作用，微生物作用受溫度影響較大。微生物都具有最適溫度范圍，超過這個范圍，溫度過高會使微生物處于受抑制狀態(tài)甚至死亡，溫度過低會使大部分微生物的新陳代謝作用受到抑制。溫度過高或過低時僅少量嗜高溫菌或嗜低溫菌具有較高的活性，降低了污水的處理效果。寒冷地區(qū)，對土壤滲濾系統(tǒng)進行保溫是是否必要的，以減少冬季時的低溫對處理效果的不利影響。

2.3.6運行方式

土壤溝槽系統(tǒng)采用間歇方式運行時，具有兩方面的好處：一是有利于系統(tǒng)表層的復(fù)氧，形成好氧環(huán)境，有利于好氧菌的生長和繁殖，顯著提高氨氮的去除率。 二是防止系統(tǒng)堵塞。系統(tǒng)停止進水期間，有利于減輕生物堵塞，恢復(fù)系統(tǒng)滲透系數(shù)，提高系統(tǒng)透水性能的長期穩(wěn)定性。但落干時間太長，會破壞系統(tǒng)內(nèi)部的生物群落[14]。

2.4土壤溝槽處理系統(tǒng)的堵塞問題及對策

堵塞問題已成為限制土壤溝槽系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用的瓶頸，在土壤溝槽系統(tǒng)運行過程中，由于物理、化學(xué)以及生物的共同作用，使得土壤的空隙率變小，嚴重時出現(xiàn)堵塞，甚至系統(tǒng)表面發(fā)生溢流現(xiàn)象。土壤溝槽系統(tǒng)堵塞的主要原因可分為物理堵塞和生物堵塞。污水的懸浮固體是造成系統(tǒng)物理堵塞的主要元兇。懸浮固體堵塞土壤中的空隙，致使系統(tǒng)滲透率降低，滲濾過程阻力增大，導(dǎo)致系統(tǒng)堵塞。生物堵塞是指土壤溝槽系統(tǒng)中的微生物在分解污水中的污染物質(zhì)的過程中，自身體積增大，數(shù)量增多，并且代謝過程中可能生成胞外聚合物，堵塞土壤空隙。對于生物堵塞，可采用間歇運行方式解決[10，12]。當(dāng)系統(tǒng)處于停止配水時，土壤中的微生物處于內(nèi)源呼吸狀態(tài)，形成芽孢或其他休眠體，消耗內(nèi)在儲存的物質(zhì)，使得微生物自身體積和菌膠團體積減小，釋放空隙。由于污水中存在較多的污染物，為土壤中的細菌提供了富足的營養(yǎng)，所以表層土壤中微生物處于對數(shù)增長期，由于微生物的過度生長使得土壤中的細菌增多。根據(jù)研究顯示，物理堵塞和生物堵塞都主要發(fā)生在配水層與土壤層的分界處，也就是淺表層。隨著深度的增加，物理堵塞將會大大減小。但系統(tǒng)內(nèi)的微生物量最終會達到動態(tài)平衡，因此，微生物增長造成的堵塞不會像物理堵塞那樣持續(xù)增加，所以，相較于物理堵塞，生物堵塞對系統(tǒng)堵塞的貢獻相對小些，有時甚至可以忽略不計[15]。

2.5土壤溝槽處理系統(tǒng)的特點

處理效果好，出水穩(wěn)定：抗堵塞土壤溝槽處理技術(shù)處理生活污水的處理效果好，耐沖擊負荷，出水穩(wěn)定達標[16]。處理出水水質(zhì)穩(wěn)定達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）的一級B排放標準。

節(jié)能：該技術(shù)在地勢條件允許的條件下，可在無動力條件下，利用污水重力自流進入處理場地，在不消耗任何電能的情況下，使污水達到符合環(huán)保要求的處理。當(dāng)無地勢條件，在運行時，僅采用1臺水泵，可使出水達標。

構(gòu)建成本低：可節(jié)約昂貴的污水管網(wǎng)收集與輸送費用，其設(shè)施成本僅相當(dāng)于普通生物法污水處理廠建設(shè)費用1/3～1/2。

污泥產(chǎn)生量極少：主體處理設(shè)施（滲濾系統(tǒng)）沒有污泥產(chǎn)生[16]；污泥僅為厭氧池的少量沉渣。

無臭味，不滋生蚊蟲[16]，無環(huán)境污染問題。

維護方便：系統(tǒng)基本上不需專人管理，日常維護、管理工作量很少。

設(shè)施運行穩(wěn)定：設(shè)施對污水的處理效果好，運行穩(wěn)定，出水能優(yōu)于一級B排放標準，且具有良好的脫氮除磷效能。

設(shè)施美觀：處理設(shè)施淺埋于地下（約1.0 m），地表可種植草坪以及一些淺根系的經(jīng)濟作物和觀賞性植物；還可作為人們的活動休息場地。

3幾種土壤溝槽系統(tǒng)填料組分及其處理效果

USEPA（1991）建議純土壤填料的土壤溝槽系統(tǒng)的水力負荷不宜超過土壤飽和滲透系數(shù)的10%，一般在1.0～4.0 cm/d左右[16]。因此，為了提高水力負荷，通過改變土壤溝槽系統(tǒng)填料的配方，改變填料結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)飽和滲透系數(shù)，增大水力負荷。表2中列舉了幾種土壤溝槽系統(tǒng)填料及其處理效果。從表2可知，土壤溝槽處理系統(tǒng)的填料對CODCr、NH3-N、TN、TP的去除效果和水力負荷影響很大。復(fù)合填料以及分層填料可提高污染物去除效果，也可提高水力負荷?？梢?，土壤溝槽系統(tǒng)填料的選擇和投配方式是系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。

工程進水為浙江省某鄉(xiāng)村農(nóng)村生活污水，經(jīng)格柵自流進入調(diào)節(jié)池，污水經(jīng)水泵提升至厭氧池，經(jīng)砂濾后自流到土壤溝槽系統(tǒng)。土壤溝槽系統(tǒng)自上至下由三層組成。第一層為配水層，穿孔配水管置于礫石和粗砂中，穿孔配水管實現(xiàn)一級配水，礫石和粗砂實現(xiàn)二級配水，通過兩級配水實現(xiàn)均勻配水的目的。第二層為填料層，填充由土壤、砂、高分子聚氨酯材料，鐵礦石，麩皮等復(fù)配的填料。高分子聚氨酯材料具有輕質(zhì)、多孔、耐腐蝕、持水性好的特性。高分子聚氨酯材料和砂的添加可增加系統(tǒng)的空隙率和滲透率，防止堵塞的發(fā)生。高分子聚氨酯材料的添加還具有增加微生物活性的作用，給微生物提供良好的棲息地。鐵礦石的添加起到強化除磷的作用。麩皮在系統(tǒng)啟動階段有利于微生物的繁殖，促進系統(tǒng)形成穩(wěn)定的微生物群落。填料層是微生物的棲息地，通過微生物作用、物理截留、化學(xué)反應(yīng)、離子交換等作用實現(xiàn)對污水中COD、氮、磷等污染物質(zhì)的去除，使得出水達標。填料層是系統(tǒng)實現(xiàn)污染去除的主體部分。第三層為排水層，由礫石和粗砂組成，實現(xiàn)處理后污水的收集和排出作用。

處理設(shè)施由格柵、調(diào)節(jié)池、厭氧池、砂濾、土壤溝槽系統(tǒng)、排水井等組成，構(gòu)筑物均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。格柵與調(diào)節(jié)池合建，設(shè)在調(diào)節(jié)池進水口處，設(shè)置一道粗格柵。調(diào)節(jié)池內(nèi)設(shè)置2臺水泵，1備1用。厭氧池水力停留時間為24 h，利用厭氧微生物的作用，對污水中的有機物進行部分分解，降低有機負荷，增加污水中速養(yǎng)分的含量。厭氧池出水端設(shè)置砂濾，填充礫石和粗砂，去除對污水中的懸浮物，水流方向為向下流，采用人工清掏方式去除表層的截留的漂浮物。土壤溝槽系統(tǒng)承接砂濾出水，土壤溝槽系統(tǒng)設(shè)置2座，單座面積為70 m2，配水層厚度為20 cm，填料層厚度為70 cm，排水層厚度為20 cm，水力負荷為25 cm/d。處理后出水經(jīng)排水井排放。

本工程于2016年7月建成并投入使用。工程運行費用僅為電費，折算到噸水運行成本為0.07元/m3。2016年8～9月對系統(tǒng)出水進行了監(jiān)測，出水CODCr、NH3-N、TN、TP均能達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物綜合排放標準》（GB18918-2002）的一級B標準。出水CODCr、NH3-N、TN、TP平均濃度分別為28.5、1.9、6.4、0.2 mg/L。

5結(jié)語

土壤溝槽系統(tǒng)處理農(nóng)村生活污水，對COD、NH3-N、TN、TP都具有良好的去除效果，出水水質(zhì)滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）的一級B排放標準。但土壤溝槽系統(tǒng)的填料和水力負荷是該技術(shù)的關(guān)鍵，對處理效果和系統(tǒng)滲透系數(shù)影響極大，不當(dāng)填料配方和水力負荷可能會導(dǎo)致滲透系數(shù)急劇下降，嚴重時甚至出現(xiàn)堵塞。土壤溝槽系統(tǒng)動力消耗少，操作管理要求低，適于在農(nóng)村地區(qū)生活污水處理領(lǐng)域工程中推廣應(yīng)用。

參考文獻：

[1]

葉亮.農(nóng)村生活污水收集與處理技術(shù)現(xiàn)狀及進展[J]. 環(huán)境工程， 2016（6）：163～164.

[2]胡紅旗， 楊勇， 胡紅斌， 等. 兩種高效農(nóng)村生活污水處理技術(shù)的實際應(yīng)用分析[J]. 黑龍江環(huán)境通報， 2016， 40（1）： 20～24.

[3]馮寧， 蘇雷， 李亞峰， 等. 農(nóng)村生活污水處理技術(shù)與發(fā)展趨勢[J]. 節(jié)能， 2016， 35（8）： 53～55.

[4]申國澤， 唐志堅， 鄧非凡， 等. 農(nóng)村生活污水處理工藝優(yōu)選方法研究[J]. 環(huán)境工程， 2016， 34（6）：10～13，45.

[5]金樹權(quán)， 周金波， 李洋， 等. AO一體化工藝處理農(nóng)村生活污水效果分析研究[J]. 寧波農(nóng)業(yè)科技， 2016 （1）：15～17.

[6]周艷欣， 劉宏， 王志， 等. 人工濕地處理農(nóng)村生活污水存在問題及對策研究[J].文摘版：工程技術(shù)（建筑），2016（5）：171， 181.

[7]沈琴琴， 宋穎， 鐘永梅， 等.厭氧-潛流型人工濕地處理農(nóng)村生活污水工程實例效果分析[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2016， 57（7）：1100～1104， 1111.

[8]劉洪濤，韓長勝. 一個農(nóng)村生活污水處理的典型案例[J]. 水科學(xué)與工程技術(shù)， 2016（1）：6～8.

[9]封丹.土壤溝槽系統(tǒng)去除生活污水總氮的研究[D]. 南昌：江西理工大學(xué)，2009.

[10]聶俊英.改良的地下滲濾系統(tǒng)處理污水及相關(guān)機理研究[D]. 上海：上海交通大學(xué)，2011.

[11]盧會霞，孫紅文，傅學(xué)起.土壤溝槽系統(tǒng)處理生活污水的研究[C]∥中國環(huán)境學(xué)會.農(nóng)村污水處理及資源化利用學(xué)術(shù)研討會論文集.北京：環(huán)境出版社，2008（10）：34～36.

[12]林克明.化糞池出水的土壤溝槽處理技術(shù)研究[D]. 上海：上海交通大學(xué)，2009.

[13]賴蘭萍.土壤溝槽系統(tǒng)處理村鎮(zhèn)生活污水的實驗研究[D]. 南昌：江西理工大學(xué)，2008.

[14]徐華亭，劉慧，張銀新，等. 土壤溝槽系統(tǒng)對造紙廢水深度處理的研究[J]. 遼寧化工，2011，40（5）：464～465.

[15]何江濤，馬振民，張金炳，等. 污水滲濾土地處理系統(tǒng)中的堵塞問題[J]. 中國環(huán)境科學(xué)，2003，23（1）：85～89.

[16]楊健，嚴群，吳一蘩.分層填料土地毛管滲濾系統(tǒng)處理生活污水的研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2008，31（6）：107～111.

[17]羅仙平，封丹. 分層填料土壤溝槽系統(tǒng)處理生活污水[J]. 土木建筑與環(huán)境工程，2009，31（6）：132～136.