現(xiàn)代傳統(tǒng)廣泛應(yīng)用的污水處理系統(tǒng)是污水處理廠，在一個(gè)復(fù)雜和大量耗能的機(jī)械設(shè)備內(nèi)通過物理、化學(xué)和生物的過程對污水進(jìn)行處理。然而，這種處理系統(tǒng)不僅耗資巨大而且在消耗大量化石燃料的同時(shí)，還會產(chǎn)生新的固體廢物和污泥[1]。若采用污水處理廠處理分散型的污染，還需要修建各種管網(wǎng)，在某種程度上也會造成浪費(fèi)，在這種情況下污水就地處理系統(tǒng)也就成為需要，污水土壤滲濾處理系統(tǒng)恰好能夠解決此類問題，這種生態(tài)型的污水就地處理方法既廉價(jià)又有效，已經(jīng)成為一種很有前途的污水處理方法。

　　污水土壤滲濾就地處理系統(tǒng)由前處理化糞池和土壤滲濾兩部分耦合而成，在國內(nèi)這種污水處理系統(tǒng)的研究始于20 世紀(jì)80 年代初，主要任務(wù)是通過利用自然生態(tài)系統(tǒng)的功能，發(fā)展低成本、低能耗的生活污水土地處理技術(shù)[2]。“ 八五”期間，中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所孫鐵珩等在沈陽工業(yè)大學(xué)宿舍區(qū)主持修建了處理規(guī)模為50m3/d 的地下滲濾示范工程； “ 九五” 期間對該項(xiàng)技術(shù)工藝進(jìn)行了改進(jìn)，并在遼河油田茨榆坨采油廠家屬區(qū)主持修建了處理規(guī)模為300m3/d 的示范工程，其一次性投資相當(dāng)于二級生化處理工程的1/2，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)僅為其1/5，出水實(shí)現(xiàn)了回用[3]。進(jìn)入20 世紀(jì)90 年代以來，國內(nèi)該技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。在國外利用土壤滲濾系統(tǒng)處理污水的應(yīng)用相當(dāng)普遍，目前，美國、日本、法國、以色列等發(fā)達(dá)國家都在大力推行土壤滲濾技術(shù)。

1 工藝原理與污染物的去除機(jī)制

1.1 基本原理

污水土壤滲濾就地處理系統(tǒng)是基于生態(tài)原理基礎(chǔ)上，揉進(jìn)現(xiàn)代的厭氧、好氧的污水處理技術(shù)，而形成的一種生態(tài)工程水處理技術(shù)。其基本原理是生活污水在化糞池中經(jīng)過沉淀、厭氧、處理后，流入各土壤滲濾管中，管中流出的污水均勻地向好氧濾層滲濾，再通過表面張力作用上升，越過好氧濾層出口堰之后，通過虹吸現(xiàn)象連續(xù)地向上層好氧濾層滲透。在土壤- 微生物- 植物系統(tǒng)的綜合凈化功能作用下，使水與污染物分離，水被滲濾并通過集水管道收集，污染物通過物化吸附被截留在土壤中，碳和氮由于厭氧及好氧過程，一部分被分解成為無機(jī)碳、氮留在土壤中，一部分變成氮?dú)夂投趸家萆⒃诳諝庵?，磷則被土壤物理化學(xué)吸附，截留在土壤中，為草坪或者其它植物所利用。

1.2 污染物去除機(jī)制

日常生活污水包括兩部分：一部分是洗滌水和洗澡水，亦稱“ 灰水”，其排量占污水的75%～80%；另外一部分為糞便水，亦稱“ 黑水”，屬于重污染水，在住宅用水中占20%～25%。此外，還有一部分空調(diào)排污水，此部分屬優(yōu)質(zhì)雜排水。因此生活污水是一些無毒有機(jī)物，如糖類、淀粉、纖維素、油脂、蛋白質(zhì)、尿素等組成；其中含氮、磷、硫較高。另外還伴有各種洗滌劑，這一類污染源，它們對人體有一定危害。而且在生活污水中，還含有相當(dāng)數(shù)量的微生物，其中有一些病原體，如病菌、病毒、寄生蟲等，都對人的健康有較大危害。由于生活污水主要由有機(jī)物、氮、磷等組成，所以有機(jī)物、氮、磷的去除也就成了人們研究的重點(diǎn)。土壤對污水的凈化作用是一個(gè)十分復(fù)雜的綜合過程，土壤的凈化過程既包括物理、化學(xué)和生物的作用；又包括物理化學(xué)和生物化學(xué)的作用，即有土壤的過濾、截留、滲透、物理吸附、化學(xué)吸附、化學(xué)分解、中和、揮發(fā)、生物氧化以及微生物及植物的攝取等過程。

1.2.1 生化作用

1.2.1.1 土壤微生物的生物降解、轉(zhuǎn)化及固定作用土壤為細(xì)菌、放線菌、真菌、藻類及原生動(dòng)物等提供了適宜的生活環(huán)境，它們不斷的進(jìn)行各種代謝活動(dòng)，維持土壤環(huán)境內(nèi)以及土壤與其它環(huán)境介質(zhì)之間的物質(zhì)循環(huán)。土壤中的有機(jī)質(zhì)及土壤水可以作為微生物所需的碳源和水分來源。而在一定水力負(fù)荷率條件下，土壤可以保持好氧環(huán)境，為好氧微生物生存提供了氧氣來源。在土地處理系統(tǒng)中，廢水中的有機(jī)污染物進(jìn)入環(huán)境后，無疑可增大土壤的有機(jī)碳來源，導(dǎo)致土壤微生物加速繁殖，使有機(jī)質(zhì)降解同化作用大大加快，廢水中的大部分有機(jī)污染物在幾天之內(nèi)可被去除。在土壤環(huán)境中，微生物不僅通過其異養(yǎng)化過程降解污染物，還可分泌胞外酶等進(jìn)入周邊環(huán)境，這些胞外酶可以作為催化劑誘導(dǎo)生化反應(yīng)的發(fā)生。當(dāng)然，廢水中的有毒有害物質(zhì)超過一定濃度時(shí)會對土壤微生物產(chǎn)生不良的毒理反應(yīng)，導(dǎo)致微生物死亡。因此，在土地處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中必須控制污染物負(fù)荷率，保證任何一種單一污染物濃度不超過對微生物引起毒害作用的閥值。在某些情況下，污染物會引起土壤微生物種類和數(shù)量的下降，一些對污染物毒性敏感的種類將會被淘汰。但那些適合這些污染物的種類將加速生長和繁殖，形成系統(tǒng)中的優(yōu)勢種類。其它一些種類則可經(jīng)一個(gè)時(shí)期的適應(yīng)過程或通過污染物誘導(dǎo)基因組成的變化適應(yīng)新的環(huán)境。這是一個(gè)微生物生態(tài)系統(tǒng)在人為脅迫作用下的“ 自然選擇” 過程。經(jīng)過這個(gè)適應(yīng)過程后微生物降解將達(dá)到很高的速率，并對突然的大量污染物質(zhì)負(fù)荷的沖擊具有較強(qiáng)的緩沖能力。

1.2.1.2 植物的吸收、轉(zhuǎn)化、降解與合成

在植物生長季節(jié)，土壤中植物根系活動(dòng)非?；钴S。一方面，植物通過根系吸收土壤及廢水中的水分和N、P 等營養(yǎng)元素，作為構(gòu)造植物體所需物質(zhì)，一些非植物生長必需物質(zhì)如金屬離子和部分有機(jī)物也可以隨植物體蒸騰拉力被植物吸收并積累。通過這一過程可以去除廢水中大量的營養(yǎng)型污染物和部分有機(jī)物。另一方面，根際土壤由于土質(zhì)疏松及植物根系的傳導(dǎo)作用，具有充分的氧氣，同時(shí)根系所分泌的酶、氨基酸等為微生物的生存提供了必要的養(yǎng)分，因此為污染物的降解提供了有利條件。根系分泌物中的酶還可以為廢水中污染物的轉(zhuǎn)化與固定提供催化機(jī)制，加速其降解及固定速率。

1.2.2 物理化學(xué)作用

1.2.2.1 土壤的離子交換作用

　　土壤膠體與腐殖質(zhì)表面具有負(fù)電性吸附位點(diǎn)，可以以不同能級水平的吸引力吸附不同價(jià)態(tài)的陽離子。這種吸附是一個(gè)動(dòng)態(tài)的可逆過程，根據(jù)周邊環(huán)境中離子濃度的變化可以不斷進(jìn)行離子交換。在正常中性土壤中，主要吸附離子為Ca2+、Mg2+ 、K+ 和Na+；在酸性土壤中，H+ 和Al3+ 占據(jù)大量吸附位點(diǎn)，而在堿性土壤中，Na+ 為主要吸附離子。通常狀況下，吸附離子與游離態(tài)離子數(shù)量保持動(dòng)態(tài)平衡。但廢水中離子進(jìn)入土壤后，這種動(dòng)態(tài)平衡將被破壞，一些吸附能力較弱的離子將被取代，產(chǎn)生離子的凈轉(zhuǎn)移。

1.2.2.2 土壤的機(jī)械阻留及物化阻留作用土壤顆粒間的孔隙具有截留、濾除水中懸浮顆粒的性能。污水流經(jīng)土壤，懸浮物被截留，污水得到凈化。影響土壤物理過濾凈化效果的因素有土壤顆粒的大小、顆粒間孔隙的形狀和大小、孔隙的分布及污水中懸浮顆粒的性質(zhì)、多少、大小等。在非極性分子之間的范德華力的作用下，土壤中粘土礦物顆粒能夠吸附土壤中的中性分子。污水中的部分重金屬離子在土壤膠體表面，因陽離子交換作用而被置換吸附并生成難溶性的物質(zhì)被固定在礦物的晶體中。金屬離子與土壤中的無機(jī)膠體和有機(jī)膠體顆粒，由于螯合作用而形成螯合化合物；有機(jī)物與無機(jī)物的復(fù)合化合而生成復(fù)合物；重金屬離子與土壤顆粒之間進(jìn)行陽離子交換而被置換吸附；某些有機(jī)物與土壤中重金屬生成可吸性螯合物而固定在土壤礦物的晶體中。

1.3 污染物的去除途徑

1.3.1 BOD 的去除

BOD 的去除機(jī)理包括土壤吸附和生物氧化作用。在慢速、快速和漫流系統(tǒng)中，BOD 的去除基本上都在土壤表層進(jìn)行的，微生物的生長和表層中形成的生物膜對污水中有機(jī)物的去除起主要作用，其主要反應(yīng)為氧化反應(yīng)。Amy[4]認(rèn)為，在土壤滲濾過程中，有機(jī)物在滲流區(qū)內(nèi)的去除機(jī)理主要是生物降解，吸附只是小部分。同時(shí)室內(nèi)土壤滲濾模擬試驗(yàn)結(jié)果也表明，以參數(shù)DOC 表明的有機(jī)物通過降解作用可以減少50%～60%；Quanrud[5]的研究還表明對于二級和三級進(jìn)水(美國標(biāo)準(zhǔn)，相當(dāng)于我國二、三級出水標(biāo)準(zhǔn))而言，經(jīng)過土壤滲濾處理系統(tǒng)的有機(jī)物出水濃度基本上是一致的，說明穩(wěn)定的出水濃度并不依靠進(jìn)水的濃度，土壤滲濾系統(tǒng)有很大的緩沖能力。Gary Amy 和Wilson 等研究了在美國野外實(shí)驗(yàn)條件下，運(yùn)用土壤滲濾系統(tǒng)去除二級和三級污水的可能性。結(jié)果表明，DOC 和TOX(總有機(jī)鹵化物)的平均去除率分別為90%和80%[6]。

1.3.2 N 的去除

生活污水中的氮以多種形式存在，主要由有機(jī)氮、銨態(tài)氮、硝酸態(tài)和亞硝酸態(tài)氮等。對于一般生活污水而言，通過土地處理和植物吸收，污水中硝態(tài)氮幾乎可被全部去除[7]。硝態(tài)氮在隨滲水向下遷移時(shí),可通過反硝化作用最終而變?yōu)榈獨(dú)?。反硝化作用、揮發(fā)和植物吸收是土地處理去除氮的主要途徑[8]。土壤滲濾對有機(jī)物和氨氮的去除可以不斷地進(jìn)行下去，土壤含水層相當(dāng)于一個(gè)由好氧、缺氧、厭氧組合的生物反應(yīng)器[9]。Kopchynski 認(rèn)為氮在各種情況下都能夠被有效的消化，但是即使為土壤滲濾系統(tǒng)提供反硝化后的進(jìn)水，反硝化也不能自動(dòng)進(jìn)行，因此土壤滲濾適合處理反硝化出水，這樣其出水總氮低于8mg/L，有機(jī)碳濃度低于6mg/L[10]。雖然植物生長也需要一定的氮，但是由于植物吸收形成的總氮去除率一般不會超過20%。靠提高植物吸收的氮總量以提高系統(tǒng)的除氮能力其上升空間不大，為系統(tǒng)提供良好的硝化、反硝化條件才是提高地下滲濾系統(tǒng)除氮能力的根本出路[11]。

1.3.3 P 的去除

土地處理系統(tǒng)中磷的去除主要通過土壤吸附固定與植物吸收實(shí)現(xiàn)，在土地處理系統(tǒng)中，土壤作為一個(gè)磷的儲存庫，對磷具有極大的吸附固定能力，污水中99%的磷可吸附而貯存于土壤中。土壤對磷的吸附容量與土壤所含的黏土成分與鋁、鐵、鈣等金屬離子數(shù)量以及土壤pH 值有關(guān)。一般說來，含有礦物質(zhì)多并具有團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的土壤對磷具有更大的吸附固定能力。地溝式污水土地處理系統(tǒng)除磷過程中BOD5/TP 和COD/TP 值都是有一定范圍的，其中最佳范圍分別為15～30 和20～40[12]。地溝式土地處理系統(tǒng)除磷工藝主要是在缺氧及厭氧過程條件下運(yùn)行的，因此缺氧及厭氧過程中土壤微生物對基質(zhì)的利用率是該工藝在低碳源情況下正常運(yùn)行的主要因素，控制進(jìn)水的BOD5/TP 和COD/TP 以及污水在土壤中的停留時(shí)間，是提高除磷的關(guān)鍵[13]。

1.3.4 痕量有機(jī)物的去除

近年來，人們對痕量有機(jī)物在環(huán)境中的生態(tài)行為、歸宿以及對人體健康的短期、長期影響尤為關(guān)注。美國EPA 所列的優(yōu)先污染物有88%是痕量有機(jī)物，我國也很重視該類物質(zhì)的研究與監(jiān)測工作。痕量有機(jī)物在土地處理系統(tǒng)中的去除主要是由于揮發(fā)、光解和生物降解。一般說來，各種類似的土地處理系統(tǒng)對痕量有機(jī)物均有很高而且穩(wěn)定的凈化效果。但此類物質(zhì)在土壤- 植物系統(tǒng)中的累積和長期生態(tài)效應(yīng)一直是人們所關(guān)注的焦點(diǎn)問題之一。通過點(diǎn)源控制和預(yù)處理措施，盡量避免此類物質(zhì)進(jìn)入土地處理系統(tǒng)，仍然是土地處理系統(tǒng)長期安全運(yùn)行的保證條件。

1.3.5 土地處理系統(tǒng)對病原體的去除

土壤滲濾就地處理系統(tǒng)作為一種生態(tài)處理系統(tǒng)，除了對以上污染物的去除外，對某些微量元素和病原微生物也有一定的去除效果[14]，病原體的去除通過土壤- 植物系統(tǒng)的吸附、干燥、輻射、過濾、生物性吞噬等作用實(shí)現(xiàn)，其中慢速滲濾和地下滲濾對病原體的去除最為有效。19 世紀(jì)中期，科學(xué)家和醫(yī)生們就發(fā)現(xiàn)，采用河水作飲用水源的城市比用地下水作水源的城市霍亂等傳染病的發(fā)病率高很多[15]。