2.2.3　土地處理系統

國內外土地處理的含義和概念存在一些差異，反映在分類系統也不一致。以美國為代表將土地處理定義為：將污水有控制地投配到土地表面，通過“植物-土壤-水”體系中自然的物理、化學和生物作用，使污水達到設計的凈化程度。根據美國國家環保局（US EPA）城市污水土地處理設計手冊的分類，主要的土地處理工藝有慢速滲濾（SR）、快速滲濾（RI）和地表漫流（OF）。我國針對土地處理直接用于城市原污水的處理，而國外多數情況下是用于城市二級處理或一級處理出水、暴雨徑流廢水、分散性農戶生活污水等的處理；同時，根據我國農村土地資源遠低于國外的實際情況，在美國為代表將土地處理定義的基礎上，進行更詳細的定義。例如云南省楚雄市土地處理定義為：在嚴格執行行業污水排放標準、控制重點污染的基礎上，對城市污水做簡單預處理如做一級處理或強化一級處理后，使污水水質多數指標符合國家農田灌溉水質標準，最大限度地減少有毒有害物質危害土壤、農作物和地下水的可能性，并在土壤環境容量允許范圍內，通過多樣化生態結構的土壤-植物系統多功能代謝和同化自凈過程以及物理、化學凈化過程，使污水和污水含有的營養物質進行多級利用，使有機污染物得以凈化降解，從而實現污水的無害化、資源化和再利用，并促進農作物、畜牧業和漁業的增產。在分類系統中，我國在1991年中國標準出版社出版的《城市污水土地處理利用設計手冊》中，將慢速滲濾、快速滲濾、地表漫流、地下毛細管滲濾、濕地與人工濕地5種類型均納入土地處理工藝內。在本書中，將慢速滲濾、快速滲濾、地表漫流、地下毛細管滲濾與土壤滲濾內容納入土地處理討論的范疇，而濕地與人工濕地作為另一種處理工藝單獨進行討論。

2.2.3.1　土地處理

有計劃地全面推廣應用城市污水土地處理系統的國家是美國。在第二次世界大戰后為解決工業化引起的水污染問題，美國興建大量一級污水處理廠、二級污水處理廠甚至三級污水處理廠，花費了巨額的建設投資、運行費用和能源消費，然而并不能解決本國的水環境問題。實踐證明這種水污染控制的技術路線存在明顯問題。美國政府在20世紀70年代開始察覺到上述問題，從1970年開始，美國環保局組織全國范圍的污水土地處理系統的大規模和系統研究，并在1972年10月18日頒布的《聯邦水污染控制法》修改案中，修改了污水處理的老概念，對營養物通過土地應用進行回收利用給予了新的強調，指出土地處理系統是“最經濟實用的污水處理技術”；1976年2月頒發的文件對慢速滲濾、快速滲濾和地表漫流這三種土地處理方法的技術要領做了明確的規定。1981年美國環境保護局等公布了城市污水土地處理工藝設計指南，使該技術的設計施工進入規范化階段，在短短的十多年的時間里，修建了數千個三種類型的污水土地處理系統。前蘇聯、澳大利亞、加拿大、波蘭、德國、印度、英國、墨西哥、南非、以色列等國家也都積極研究和大力推行城市污水土地處理與利用，從而替代三級處理。其中，最典型、最著名的工程是澳大利亞威里比（Werribee）土地處理系統，自1890年建立至今已有一百多年的歷史，現已發展成土地處理-氧化塘復合系統，依然承擔墨爾本市西部258.5萬人口、55萬立方米/天的生活污水的處理。污水土地處理系統不同于我國傳統的污灌，主要區別如下。

①土地處理系統要求對污水進行必要的預處理，對污水中的有害物質進行控制，使污水水質達到土地處理系統允許的進水水質標準，以保證系統常年穩定運行而不至于對周圍環境造成污染；污灌對污水不進行任何預處理。

②土地處理系統是能夠全年連續運行的污水處理設施，即使在冬季、非灌溉季節和雨季，污水也能得到適當處理和儲存；污灌是按照農作物的需要進行灌溉，冬季、非灌溉季節和雨季的污水則直接排入地表水體，造成環境污染。

③土地處理系統是按照要求的出水標準精心設計和施工，有完整的工程系統，可以人為調控的污水處理系統；污灌不具備這些條件。

④土地處理田上種植的植物以有利于污水處理為主，一般不種植直接食用的農作物；污灌的土地常以蔬菜、糧食等農作物為主。

在3種土地處理類型中，需要的工藝運行條件和典型設計參數存在一定的差異（表2-15）。通常認為如下。

①污染物去除性能：三種處理工藝對有機污染物（BOD和COD）和SS都具有很高的去除能力，但對氮、磷的去除性能而言，慢速滲濾有更高的去除效果。

②經濟性能：從占地面積來看，慢速滲濾占地面積最大，只適合土地資源豐富的地區使用；與傳統的污水處理廠相比，快速滲濾有最經濟的單位面積處理能力，地表漫流次之。

③污染物去除途徑：投配污水的去向在三種工藝類型中還是有所不同，但不管是土壤水分的蒸發、土壤的滲濾還是地表徑流的方式，在設計過程都要考慮將土壤-植物系統不能消耗的多余的處理水收集進行集中達標排放到指定水體。

④不管何種處理工藝，都必須設置預處理系統以滿足土地處理的進水要求，以保證處理系統的長效穩定運行。

美國曾經對建成投產運行的污水土地處理系統做過大量的深入調查，認為只要嚴格按照工藝要求對場地條件進行設計，三種土地處理類型通常有較好的去除有機物染物、氮、磷等的能力，具體效果如表2-16所列。

2.2.3.2　土壤滲濾

（1）土壤毛管滲濾系統（也稱地下滲濾系統）

日本最先針對農村污水處理提出污水土壤毛管滲濾處理系統，這是一種將污水投配到具有一定構造的土壤與混合基質組成的滲濾溝內，在土壤毛細管的作用下，污染物通過物理、化學、微生物的降解和植物的吸收利用得到處理和凈化（圖2-10）。美國、前蘇聯、澳大利亞、以色列和西歐等國家和地區一直十分重視該系統的開發研究和應用，在工藝流程、凈化方法和構筑設施等方面做到了定型化和系列化，并編制了相應的技術規范。

地下滲濾處理法較傳統二級生物處理法具有以下優點：

①整個處理裝置放在地下，不損害景觀；

②凈化出水水質良好、穩定，可用于農業灌溉；

③對進水負荷的變化適應性強，能耐受沖擊負荷；

④不受外界氣溫影響或影響很小；

⑤不易堵塞；

⑥在去除BOD的同時，能去除氮、磷；

⑦污泥產生量少，污泥處置或處理費用低；

⑧建設容易，維護簡便，基建投資少，運行費用低；

⑨由于覆蓋土壤，故不產生臭氣等。

土壤毛管滲濾系統正常運行的關鍵性問題如下。

1）土壤的選擇與配比　土壤的顆粒組成、結構等性質和滲濾土層厚度決定了地下滲濾系統的處理能力和凈化效果，因此，正確的土壤選配措施是地下滲濾系統成功的前提；國外各國對土壤配比的配方通常采用專利進行保護。

2）水力負荷的選取　合適的水力負荷可以維持土壤中污染物質的投配和降解之間良好的平衡，保證系統連續運行狀態下的處理效果，防止土壤的堵塞。地下滲濾系統一般根據經驗數值確定設計水力負荷，而由此方法確定的水力負荷還應用以下方程式進行校核^［32］。

在濕潤地區，計算公式為：

L_W=E_T-P_r+P_W　　（2-1）

式中　L_W——最大允許污水水力負荷率，cm/a；

E_T——土壤水分蒸發損失率，cm/a；

P_W——最大允許滲透速率，cm/a，一般取土壤限制性滲透速率的4%～10%；

P_r——降水量，cm/a。

在干旱和半干旱地區，依據覆蓋植被對灌溉的要求，即地下滲濾系統應以灌溉為主要目的時，最大允許污水水力負荷率計算公式為：

L_W=（E_T-P_r）［1+L_R/100］　　（2-2）

式中　L_R——種植作物的年淋溶率；

其他參數同式（2-1）的說明。

基于土壤-植物對污染負荷同化容量的水力負荷的確定：對于城鎮污水，在保證沒有土壤堵塞問題的前提下，基于BOD、P和SS的負荷率都不會成為水力負荷的限制因素^［32］，氮的去除率和負荷率通常是地下滲濾系統的限制設計參數，并決定系統所需的土地面積。基于氮負荷的最大允許水力負荷率可用下式較精確地計算：

L_W（N）=［C_p（P_r-E_T）+10U］/［（1-f）C_n-C_p］　　（2-3）

式中　L_W（N）——基于氮負荷的最大允許污水水力負荷率，cm/a；

C_p——滲濾出水中氮的濃度，mg/L；

C_n——進水的氮濃度，mg/L；

U——植物吸收的氮量，kg/（hm²·a）；

f——投配污水中氮素的損失系數，投配污水為一級處理出水時f約為0.8，二級處理出水時為0.1～0.2；

E_T和P_r意義同式（2-1）。

3）保持土壤良好的理化性質　Van Cuyk等^［33］發現：土壤深度不同，其土壤含水量、E_h（氧化還原電位）、顆粒的比表面積均不同，保持一定厚度的土壤層對地下土壤滲濾系統的凈化效果是非常必要的。不同土壤的固定磷素的能力也是極不相同的，通過改良土壤可增加其對磷的吸附與固定能力。Johansson等^［34］研究證明在原土中摻加適量富含Fe、Al物質不僅可增強除磷的效果，還能增加系統吸附磷的容量。Stevil等^［35］證明土壤粒徑、土壤比表面積等對病原菌去除效率影響較大，而土壤的pH值、CEC（離子交換能力）等對其去除效率影響不大。在土壤有機質方面，Adelman等^［36］證明高C/N比土壤有利于提高氮的去除率。

（2）土壤滲濾

近幾年澳大利亞科學和工業研究組織（CSIRO）提出了“非爾脫（Filter）”高效、持續性污水灌溉技術，其處理方式為用經過預處理的污水進行作物灌溉，通過土地處理，再用地下暗管將處理再生的出水匯集和排出（圖2-11）。該處理工藝可滿足作物對水分和養分的要求，同時降低污水中的氮、磷等元素的含量并降低有機污染物的含量，使之達到污水排放標準。澳大利亞曾在格林菲斯市進行田間試驗：先后兩次試驗面積分別為8hm²和16hm²，種植小麥、玉米、燕麥、粟米和牧草等作物，田間排水暗管的埋深1.0m，用一級處理后的城市污水進行格田漫灌，每隔14天灌水一次。該系統的試驗效果見表2-17。除TP濃度從進水的6.1mg/L降至出水的0.4mg/L的效果值得質疑外，其他污染物的去除效果與許多研究者的結果相似。

2.2.3.3　管理政策

美國的分散污水處理系統源于1972年美國國會頒布的《清潔水法》，該法修改了污水處理的老概念，對營養物通過土地應用進行回收利用給予了新的強調，指出土地處理系統是“最經濟實用的污水處理技術”。1987年美國國會通過了《清潔水法》的修正案，并增補了非點源污染控制大綱；該修正案促使人們重視小社區的生活污水處理問題。此外，聯邦政府專門撥款以尋找除傳統集中處理外的可行的污水分散處理辦法，以實現消除污染物排入水環境、改善水質以便魚類生存和人游泳的最基本的目標。分散污水處理系統主要用于就地、聚集處理來自獨戶或相對集中的一小片住宅與商業區的小流量生活污水。在人口密度較小的社區或鄉村，因輸送這些生活污水到一個較遠的集中式污水處理廠處理，將要花費格外高的費用。在今天的美國，仍然有1/4的人口和1/3的新建社區在使用這種處理設施。實踐證明在恰當的操作和管理下，分散處理系統在環境和經濟上是可以接受的且技術上是可行的。分散處理系統對貫徹《清潔水法》起到了重要作用，因而受到重視，分散處理系統不再是暫時安裝、而后逐步被集中系統替代，而是作為一種永久性的方法來處理污水和再生利用處理出水，從而起到保護環境的重要作用。尤其是就地處理系統，如果能計劃、設計、安裝、操作和維護得當，更被視為極其重要的污水處理手段^［37］。為此，美國環保局分別于2000年和2003年發布了分散處理系統指南。2003年“指南”明確了5種管理模型：住房者感知模型、維護協議模型、運行許可模型、責任管理實體運行維護模型及責任管理實體所有權模型。這些模型反映了改善管理、減小疏漏及對公共衛生及水資源存在潛在的危害需求。管理模型由州、部落及地方政府選擇：

①合適的管理目標來滿足廢水處理需求；

②評估現有項目的優缺點；

③設計管理項目必須滿足當地政府的目標；

④制訂項目管理實施計劃，提供基準（US EPA，2003）。

2005年，美國環保局發布了分散處理系統管理手冊，主要內容為如何選擇、評估、發展及實施分散處理系統管理指南中的內容^［38］。

2.2.3.4　工程適應性分析

土地處理、土壤滲濾等處理技術通過“植物–土壤–水”體系中自然的物理、化學和生物作用，使污水達到設計的凈化程度。其工程實踐證明這是一種基建投資低、運行成本低、能耗低、處理效率高的經濟實用的工藝，在具備條件的農村地區，是一種優先選擇的工藝。

土地處理、土壤滲濾等處理技術由于主體處理單元依賴于自然凈化能力，那么土地的場地條件、預處理深度和效果是決定工程運行效果的重要環節。例如，就上海的土壤等條件而言，快速滲濾工藝、土壤滲濾（包括地下毛細管滲濾在內）的工藝不適應，但地表漫流和慢速滲濾工藝比較適合。地表漫流涉及種植結構的改變，慢速滲濾因滲濾速率過慢造成占地面積過大，會使生產性規模應用變得困難。

采用人工土壤的土壤滲濾、地下毛細管滲濾處理技術有助于克服占地面積過大的缺陷。然而，即使這樣的改進技術也比傳統的污水二級處理廠的單位面積處理能力低。但改進的人工土壤的土壤滲濾、地下毛細管滲濾等處理技術以投資、運行、能耗省，處理效率高，地上部分依然可種植作物的優勢，與傳統污水處理技術成為一種互補，使農村污水處理工藝更加多樣化，這有利于不同條件、不同環境的農村水環境的改善。

2.2.3.5　工程實例

（1）干廁所和洗滌廢水分開處理設施

在有干廁所的住房里只需就地處理小水量的洗滌廢水，也可以將洗滌廢水通過一個混凝土的水池或者石頭的排水裝置簡單地排到地面。這些情況在一些別墅或者老式的房子里比較常見，這些房子沒有水管和水泵，所用的水都是提到房間里面的。

在有水管的房子里，用水量就變大了，這就要求至少要建一個二級化糞池在污水進入土地滲濾前作為預處理手段，或者其他的處理系統。

干廁所大多建在單獨的房子的室外或者室內。合理使用的話，現代的干廁所是舒適且沒有異味的。干廁所也有很多不同的模式，這些模式都基于堆制肥料工藝。堆制肥料的廁所可以劃分為兩種不同的模式：間歇式系統和連續式處理系統。間歇式系統是一個容器滿了之后換一個空的容器，連續式處理系統是維持在堆制肥料的穩定常態，廢水進入系統后通過堆肥減少體積并且向下運動，在6～12個月后就完全變成肥料了。

①缺點　在設計中要特別關注堆肥的空出階段，容器必須是容易得到的，維護和操作盡量簡潔，需要有廣泛知識和專業知識的人士來進行最佳模式的選擇。

②優點　維護的費用相對較低，不需要任何特殊的設備。節省純水，能使水量減少20%～50%。廢水中含有少量的磷和氮，因此可以采用簡單的方法來處理。如果有砂濾系統來對廢水進行處理就不需要單獨的凈化磷的處理單元了。這將會產生少量的污泥，而這將使倒空的間隔變長從而節省了費用。

③費用　平均10年的費用為2000～7000美元（包括干廁所+土地滲濾/埋入的砂濾系統或者密封裝置或者是封閉的化糞池）。

（2）近自然廢水凈化設施（匈牙利）

主要方法有樹林（快速滲濾）、池塘（氧化塘）、栽種水生植物（建立濕地）。上述方法聯合起來使用。

2002年環保局與調查員合作，2004年與布達佩斯科技大學合作，對匈牙利的純自然廢水處理方法的應用情況進行了調查。盡管調查結果與純自然廢水處理廠的數量不完全一致，因為這些處理廠多數在那時還沒有應用，但是這個數量是不斷在增加的。63%的樹林種植楊樹，27%是氧化塘，10%是濕地。49%的植物是為了處理從食品加工廠流出的廢水，38%的植物針對公共廢水，9%的植物針對液體肥料。只有70%的處理廠充分運作，只有兩家運行得非常好，這兩家都是位于多瑙河的下游，而建在蒂薩河的上游純自然廢水處理廠中有35%的處理廠都運行良好。

沒有完全運行的最主要的原因是缺乏運行維護、電力不足，另外還缺少操作工，但是有事實表明操作故障是因為錯誤的設計和建造導致的，在調查期間普遍的結論是監測系統不完善。城市廢水的隨意排放也危及這些處理廠的運行。

（3）噴灌處置系統（加拿大）

噴灌處置系統是一個敞開排水的污水處置方法。出水從化糞池用泵排出后通過管道將出水排入空氣中然后散落到地面上。其功能是廢水噴灌系統應用在草地或是森林地區，比較少見。植被和土壤中的微生物的新陳代謝需要的大部分營養物質和有機化合物都是留在廢水過濾過程中穿過的最初幾英寸土壤里。清潔的水通過深處的根系來吸收，或者透過土壤進入地下水。

設計如下：在薩斯克徹溫省有兩種基本的噴灌處理形式：一種是噴射器系統；另一種是表面排放系統（圖2-12）。

在噴射器系統中，污水排放系統由化糞池、泵、延伸到污水處置場的地下管路和一個地面上的排水點構成。在這個系統中廢水的出水在地面排放點噴射到地表，被周圍的土壤過濾。同時也會發生蒸發作用，蒸發的量受溫度的影響。盡管沒有強制規定，仍推薦在排水點周圍建砂濾床來減小腐蝕作用以及氣味的擴散。排水點周圍應安裝柵欄以免孩子、寵物和家畜進入。值得注意的是，污水噴灌系統僅能在農村和無人的地方加以考慮，因此發展空間很小。

污水處理的最高目標是污染物去除過程中實現資源消耗減量化（reduce）、產品價值再利用（reuse）和廢棄物質再循環（recycle）。我國對于城鎮污水處理的技術政策是：城鎮污水處理要根據污染源排放的途徑和特點，因地制宜地采取集中處理和分散處理相結合的方式。以湖庫為受納水體的新建城鎮污水處理設施，必須采取脫氮、除磷工藝，現有的城鎮污水處理設施應逐步完善脫氮、除磷工藝，提高氮和磷等營養物質的去除率，穩定達到國家或地方規定的城鎮污水處理廠水污染物排放標準（見《湖庫富營養化防治技術政策》點源排放污染防治）。

事實上，傳統的城市污水處理工藝不能完全適應農村生活污水特別是分散型農村生活污水處理的需求。這是因為，農村生活污水處理工藝與城市污水處理工藝的選擇還存在差異。農村生活污水處理要求在保證有效的工藝基礎上，更強調經濟與實用性。具體地說，農村生活污水處理工藝要求工藝簡單、處理效果有保證、運行維護簡便、具有最佳的綜合效益，提供污水處理和資源化利用、就地處理和營養物回收的可能性。

正是本著上述這些原則，在國內外農村污水處理技術發展過程中，從可供選擇的技術思路出發，盡可能選擇與研究主題相關的、能進行比較的、可篩選出適用于本地使用的處理技術；同時，對國外已積累了許多經驗的生活污水處理技術也做了一些遴選，企圖找到有可能應用于農村污水和分散點污染源的治理中的相關技術。