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土地處理系統

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土地處理系統(land processing system)是利用土地及其中微生物和植物根系對污水(廢水)進行處理,同時又利用其中水分和肥分促進農作物、牧草或樹木生長的工程設施。屬於常年性污水處理工程,常用於中小城市污水二級污水處理之後代替高級處理。由污水的沉澱預處理、貯水塘湖、灌溉系統、地下排水等系統組成。處理方式一般為污水灌溉(通過噴洒或自流將污水排放到土地上以促進植物的生長)、滲濾(將污水排放到粗砂、土壤和砂壤土土地上竟滲濾處理並補充地下水)和地表漫流。

1簡介

利用土地以及其中的微生物和植物根系對污染物的凈化能力來處理污水或廢水,同時利用其中的水分和肥分促進農作物、牧草或樹木生長的工程設施。

2功用

土地處理系統是常年性的污水處理工程。隨著工業化和城市化的迅速發展,廢水中污染物的種類日漸增多,即使經過污水二級處理,仍有一些污染物如氮、磷等營養物質和難以生物降解的物質未被去除,需要進行高級處理(見污水三級處理)。而正規的污水高級處理費用很高,難以普遍實施,因此土地處理系統便作為污水高級處理的代用方法被推廣開來,特別適於處理中小城市的污水。

3組成

由廢水的預處理設施、貯水湖、灌溉系統、地下排水系統等部分組成。在這個系統中,大都使用生物氧化塘或曝氣湖進行二級處理,廢水在曝氣湖一般停留3天,然後進入沉澱塘和貯水湖,後者在非灌溉期貯存污水,容積按非灌溉期的總污水量確定。

4處理方式

處理方式  分為三種:
灌溉
通過噴洒或自流將污水有控制地排放到土地上以促進植物的生長。污水被植物攝取,並被蒸發和滲濾。灌溉負荷量每年約為0.3~1.5米。灌溉方法取決於土壤的類型、作物的種類、氣候和地理條件。通用的方法有噴灌、漫灌和壟溝灌溉(見圖)。   噴灌:採用由泵、乾渠、支渠、升降器、噴水器等組成的噴洒系統將污水噴洒在土地上。這種灌溉方法適用於各種地形的土地,布水均勻,水損耗少,但是費用昂貴,而且對水質要求較嚴,必須是經過二級處理的。
漫灌:土地間歇地被一定深度的污水淹沒,水深取決於作物和土壤的類型。漫灌的土地要求平坦或比較平坦,以使地面的水深保持均勻,地上的作物必須能夠經受得住周期性的淹沒。
壟溝灌溉:靠重力流來完成。採用這種灌溉方式的土地必須相當平坦。將土地犁成交替排列的壟和溝。污水流入溝中並滲入土壤,壟上種植作物。壟和溝的寬度和深度取決於排放的污水量、土壤的類型和作物的種類。
上述三種灌溉方式都是間歇性的,可使土壤中充滿空氣,以便對污水中的污染物進行需氧生物降解。

滲濾

這種方法類似間歇性的砂濾,水力負荷每年約為3.3~150米。廢水大部分進入地下水,小部分被蒸發掉。滲水池一般是間歇地接受廢水,以保持高滲透率。適於滲濾的土壤通常為粗砂、壤土砂或砂壤土。滲濾法是補充地下水的處理方法,並不利用廢水中的肥料,這是與灌溉法不同的。
凈化效能  廢水中的污染物在土地處理系統中是通過許多種過程去除的,包括土壤的過濾截留,物理和化學的吸附,化學分解和沉澱,植物和微生物的攝取,微生物氧化降解以及蒸發等。

5病原微生物的去除

廢水中的病原微生物進入土壤,便面臨競爭環境,例如遇到由其他微生物產生的抗生物質和較大微生物的捕食等。在表層土壤中競爭尤其劇烈,這裡氧氣充足,需氧微生物活躍,在其氧化降解過程中要捕食病原菌、病毒。一般地說,病原菌和病毒在肥沃土壤中以及在乾燥和富氧的條件下,比在貧瘠土壤中以及在潮濕和缺氧的條件下,生存期短,殘留率小。廢水經過一米至幾米厚的土壤過濾,其中的細菌和病毒幾乎可以全部去除掉,僅在地表上層1厘米的土壤中微生物的去除率就高達92~97%。

6BOD的去除

廢水中的BOD(生化需氧量)大部分是在10~15厘米厚的表層土中去除的。BOD、COD(化學需氧量)和 TOC(總有機碳)的物理(過濾)去除率為30~40%。廢水中的大多數有機物都能被土壤中的需氧微生物氧化降解,但所需的時間相差很大,從幾分鐘(如葡萄糖)到數百年(如稱為腐殖土的絡合聚結體)。廢水中的單糖、澱粉、半纖維、纖維、蛋白質等有機物在土壤中分解較快,而木質素、蠟、單寧、角質和脂肪等有機物則分解緩慢。如果水力負荷或 BOD負荷超過了土壤的處理能力,這些難分解的有機化合物便會積累下來,使土壤孔隙堵塞,發生厭氧過程。如發生這種情況,應減少灌溉負荷,使土壤表層恢復富氧的狀況,逐漸將積累的污泥和多糖氧化降解掉。在厭氧過程中形成的硫化亞鐵沉澱,也會被氧化成溶解性的硫酸鐵,從而使堵塞得到消除。

7磷和氮的去除

在廢水中以正磷酸鹽形式存在的磷,通過同土壤中的鈣、鋁、鐵等離子發生沉澱反應,被鐵、鋁氧化物吸附和農作物吸收而有效地除去。因此廢水土地處理系統的地下水或地下排水系統的水中含磷濃度一般為 0.01~0.1毫克/升。磷在酸性條件下生成磷酸鋁和磷酸鐵沉澱,而在鹼性條件下則主要生成磷酸鈣或羥基磷灰石沉澱。除了純砂土以外,大多數土壤中的磷在0.3~0.6米厚的上層便幾乎被全部除去。
廢水中的氮在土地上有四種形式:有機氮、氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮。亞硝酸鹽氮在氧氣存在的條件下易被氧化為硝酸鹽氮。土地上的氮不管呈何種形態,如不揮發,最後都會礦化為硝酸鹽氮。硝酸鹽氮可通過作物的根部吸收和反硝化(脫硝)作用去除,在深入到根區以下的土層中,由於缺氧條件,部分硝態氮(10~80%)發生脫硝反應;最後總有一部分硝態氮進入地下水中。

8有機毒物的去除

二級處理出水中含的微量有機毒物,如鹵代烴類、多氯聯苯、酚化物以及有機氯、有機磷和有機汞農藥等。它們的濃度一般遠低於 1毫克/升,在土壤中通過土壤膠體吸附,植物攝取,微生物降解,化學破壞揮發等途徑而被有效地去除。

9微量金屬的去除

一般認為粘土礦、鐵、鋁和錳的水合氧化物這四種土壤組分以及有機物和生物是控制土壤溶液中微量金屬的重要因素。它們去除微量金屬的方式有:①層狀硅酸鹽以表面吸附或以形成表面絡合離子穿入晶格和離子交換等方式吸附;②不溶性鐵、鋁和錳的水合氧化物對金屬離子的吸附;③有機物如腐植酸對鎘、汞等重金屬的吸附;④形成金屬氧化物或氫氧化物沉澱;⑤植物的攝取和固定。微量重金屬的去除以吸附作用為主;常量重金屬的去除往往以沉澱作用為主。
在廢水所含的金屬中,鎘、鋅、鎳和銅在作物中的濃縮係數最高,因而對作物以及通過食物鏈對動物和人的危害也最大。
處理效率  土地處理系統處理效率取決於廢水負荷、土壤、作物、氣候,以及運行狀況等許多因素。根據土地處理系統的實際運行經驗,設計和運行良好的各種處理方式的效率估計如表。

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