[科普中国]-土地处理系统

土地处理系统（Land treatment system ）又称土地灌溉系统和草地灌溉系统，是指在人工控制的条件下，将污水投配在土地上，通过土壤-植物系统，进行一系列物理、化学、物理化学和生物化学的净化过程，使污水得到净化的一种污水处理工艺。污水的土地处理，即经济有效地净化了污水，又充分利用了污水中的营养物质和水，强化农作物、牧草和林木的生产，促进水产和畜产的发展，是一种环境生态工程1。

简介一般土壤及其中微生物和植物根系对污染物的综合净化能力，可以用来处理城市污水和工业废水；同时，普通污水或废水中的水分和肥料也可利用来促进农作物、牧草或林木的生长，并使其增加产量，凡能达到上述目的的工程设施，即称为土地处理系统。它由污水或废水的预处理设施、贮水湖、灌溉系统、地下排水系统等组成。该系统中，污水或一些废水经过一级处理或生物氧化塘或二级处理后，进入沉淀塘和贮存湖，再根据具体的需要和土地系统的特性（结构与功能），采用地表漫流、灌溉或渗滤等方式排入土地系统，进行最终的处理。土地处理系统的净化效果，对于污染物的去除效率取决于施用负荷、土壤、作物、气候、设计目的和运行条件等多种因素。只要进入土地系统的污染物的数量及种类不超出该土地系统所能负担的限度，土地系统就可将污染物质除去2。

净化机理结构良好的表层土壤中存在土壤-水-空气三相体系。在这个体系中，土壤胶体和土壤微生物是土壤能够容纳、缓冲和分解多种污染物的关键因素。土壤对废水的净化，是一个受多种复杂因素作用的综合过程。其机理可归结为以下几个方面3：

（1）物理过滤

土壤颗粒间的孔隙能截留、滤除废水中的悬浮颗粒。土壤颗粒的大小、颗粒间孔隙形状、大小分布及水流通道性状都影响物理过滤效率。悬浮颗粒过大、太多，有机物生物代谢产物均能造成土壤堵塞。因此，应加强管理、控制灌水与休灌周期及其交替，以恢复土壤截污过滤能力。

（2）物理吸附与沉积

土壤中黏土矿物等能吸附土壤中的中性分子，这是由于非极性分子之间范德华力所致。废水中部分重金属离子在土壤胶体表面由于阳离子交换作用而被置换、吸附并生成难溶态物而被固定于矿物的晶格之中。

（3）物理化学吸附

包括金属离子与土壤中的无机胶体与有机胶体由于螯合作用而形成螯合化合物；有机物与无机物的复合化而生成复合物；重金属离子与土壤进行阳离子交换而被置换吸附；有些有机物与土壤中重金属生成可吸性螯合物而固定于土壤矿物的晶格之中。

（4）化学反应与沉淀

重金属离子与土壤的某些组分进行化学反应生成难溶性化合物而沉淀。如改变土壤的氧化还原电位能生成非溶性硫化物；pH的改变导致金属氢氧化合物的生成；另一些化学反应能生成金属磷酸盐和有机重金属等而沉积于土壤之中。

（5）微生物的代谢与有机物的生物降解

土壤中种类繁多的大量微生物，能与被截留、吸附的污染物一起形成生物膜，对有机物有很强的降解转化能力；在土壤表层，通风条件好，有机物浓度高，生物氧化作用尤为强烈，属于好氧生物处理带，其深度大体在0.2～0.3 m；好气带以下，依次分布着兼性和厌氧生物处理带。在用废水进行水田灌溉时，废水中的可沉悬浮物沉于水底，靠兼性和厌氧土壤微生物进行分解。胶体和溶解性有机物分散于水中，被主要由藻类供氧的好氧微生物转化为无机物，然后被农作物吸收。此外，在接近出水的农田中，浮游生物得到繁殖，参与了对废水的净化，使出水进一步澄清。

工艺类型根据系统中水流运动的速率和流动轨迹的不同，土地处理系统可分为五种类型：慢速渗滤、快速渗滤、地表漫流、地下渗滤和湿地处理系统4。

慢速渗滤慢速渗滤系统是将废水投配到种有作物的土壤表面，废水中的污染物在流经地表土壤-植物系统时得到充分净化的一种土地处理工艺系统。在慢速渗滤系统中，植物可吸收污水中的水分和营养成分，通过土壤-微生物-作物对污水进行净化，部分污水蒸发和渗滤，流出处理场地的水量一般为零，是土地处理技术中经济效益最大、水和营养成分利用率最高的一种类型。

慢速渗滤系统有农业型和森林型两种，适用于渗水性良好的土壤、砂质土壤及蒸发量小、气候润湿的地区，对于村镇生活污水和季节性排放的有机工业污水的处理比较合适。慢速渗滤系统的污水投配负荷一般较低，投配方式可采用畦灌、沟灌及可升降的或可移动的喷灌系统，渗滤速度慢，故污水净化效果好，出水水质优良。

快速渗滤快速渗滤系统是将污水有控制地投配到具有良好渗滤性的土壤表面，污水在向下渗滤过程中，借生物氧化、沉淀、过滤、氧化还原和硝化、反硝化等过程而得到净化的一种污水土地处理系统。

快速渗滤的作用机理与间歇运行的“生物砂滤池”相似，通常淹水、干化交替运行，以便使渗滤池处于厌氧和好氧交替运行状态，依靠土壤微生物将被土壤截留的溶解性和悬浮有机物进行分解，使污水得以净化。污水快速渗滤系统是污水土地处理系统的一种基本类型，对BOD5、COD、氨氮及磷的去除率都比较高，而且系统的水力负荷和有机负荷较其他类型的土地处理系统高得多，且投资少，管理方便，土地面积需求量小，可常年运行。但其对水文水质条件的要求更为严格，场地和土壤条件决定了快速渗滤系统的适用性：而且它对总氮的去除率不高，处理出水中的硝态氮可能导致地下水污染，因此污水应进行适当预处理。

地表漫流地表漫流系统是将污水有控制地投配在生长着茂密植物、具有和缓坡度且土壤渗透性较低的土地表面上，污水呈薄层缓慢而均匀地在土表上流经一段距离后得到净化的一种污水处理工艺。

地表漫流系统适用于渗透性低的黏土或亚黏土，用于处理分散居住地区的生活污水和季节性排放的有机工业污水。它对污水预处理程度要求低，出水以地表径流收集为主，对地下水的影响最小，处理过程只有少部分水量因蒸发和渗入地下而损失，大部分径流水汇入集水沟；出水水质可达二级或高于二级处理的出水水质；投资省，管理简单；地表可种植经济作物，处理出水也可回用。但该系统受气候、作物需水量、地表坡度的影响大，气温降至冰点和雨季期间，其应用受到限制，而且通常还需考虑出水在排入水体以前的消毒问题。

地下渗滤地下渗滤系统是将污水有控制地投配到距地表一定深度(约0.5 m)、具有一定构造和良好扩散性能的土层中，使污水在土壤的毛细管浸润和渗滤作用下，向周围运动且达到净化污水要求的土地处理系统。

地下渗滤系统适用于无法接入城市排水管网的小水量污水处理，如分散的居民点住宅、度假村、疗养院等，但污水进入处理系统前须经化粪池或酸化池预处理。该系统处理污水的负荷较低，停留时间长，因此净化效果好且稳定；可与绿化和生态环境的建设相结合，运行管理简单；氮磷去除能力强，处理出水水质好，可用于回用。缺点是受场地和土壤条件的影响较大：如果负荷控制不当，土壤会堵塞；进、出水设施埋设地下，工程量较大，投资相对于其他土地处理系统要高。

工艺类型比较污水土地处理系统各种工艺类型的特性与场地特征如右图所示。在工艺的选择过程中，可根据各种工艺的特性，结合土壤及植物的实际情况，选择适用的污水土地处理工艺。

主要污染物的去除途径BOD5的去除BOD5的去除机理包括过滤、吸附和生物氧化作用。污水进入土地处理系统以后，BOD5经过土壤表层区的过滤、吸附作用被截留下来，然后通过土层中的微生物(如细菌、真菌、原生动物、后生动物等)氧化作用将其降解，并合成微生物新细胞。

氮和磷的去除在土地处理中，氮主要通过植物吸收，微生物脱氮(氨化、硝化、反硝化)，挥发，渗出(氨在碱性条件下逸出、硝酸盐的渗出)等方式被去除，其去除率受作物的类型、生长期、对氮的吸收能力以及土地处理工艺等因素影响。

磷主要通过植物吸收，化学反应和沉淀(与土壤中的钙、铝、铁等离子形成难溶的磷酸盐)，物理吸附和沉积(土壤中的黏土矿物对磷酸盐的吸附和沉积)，物理化学吸附(离子交换、络合吸附)等方式被去除，其去除效果受土壤结构、阳离子交换容量、铁铝氧化物和植物对磷的吸收等因素影响。

悬浮物质的去除污水中的悬浮物质是依靠作物和土壤颗粒间的孔隙截留、过滤去除的。土壤颗粒的大小，颗粒问孔隙的形状、大小、分布和水流通道，以及悬浮物的性质、大小和浓度等都影响对悬浮物的截留过滤效果。

病原体的去除污水经土壤过滤后，水中大部分的病菌和病毒可被去除，去除率可达92%～97%。其去除率与选用的土地处理系统工艺有关，其中地表漫流的去除率略低，但若有较长的漫流距离和停留时间，可达到较高的去除效率。

重金属的去除重金属主要通过物理化学吸附、化学反应与沉淀等途径被去除，重金属离子在土壤胶体表面进行阳离子交换而被置换、吸附，并生成难溶性化合物被固定于矿物晶格中；重金属与某些有机物生成可吸性螯合物被固定于矿物晶格中；重金属离子与土壤的某些组分进行化学反应，生成金属磷酸盐和有机重金属等沉积于土壤中。

优点土地处理系统具有以下优点：

（1）处理成本低廉，基建投资少，运行费用低；

（2）运行简便，易于操作管理，节省能源；

（3）污水处理与农业利用相结合，能够充分利用水肥资源；

（4）能绿化土地，促进生态系统的良性循环：

（5）污泥得到充分利用，二次污染小。

本词条内容贡献者为:

林国庆 - 副教授 - 中国海洋大学