2.2.3 土地处理系统
国内外土地处理的含义和概念存在一些差异，反映在分类系统也不一致。以美国为代表将土地处理定义为：将污水有控制地投配到土地表面，通过“植物-土壤-水”体系中自然的物理、化学和生物作用，使污水达到设计的净化程度。根据美国国家环保局（US EPA）城市污水土地处理设计手册的分类，主要的土地处理工艺有慢速渗滤（SR）、快速渗滤（RI）和地表漫流（OF）。我国针对土地处理直接用于城市原污水的处理，而国外多数情况下是用于城市二级处理或一级处理出水、暴雨径流废水、分散性农户生活污水等的处理；同时，根据我国农村土地资源远低于国外的实际情况，在美国为代表将土地处理定义的基础上，进行更详细的定义。例如云南省楚雄市土地处理定义为：在严格执行行业污水排放标准、控制重点污染的基础上，对城市污水做简单预处理如做一级处理或强化一级处理后，使污水水质多数指标符合国家农田灌溉水质标准，最大限度地减少有毒有害物质危害土壤、农作物和地下水的可能性，并在土壤环境容量允许范围内，通过多样化生态结构的土壤-植物系统多功能代谢和同化自净过程以及物理、化学净化过程，使污水和污水含有的营养物质进行多级利用，使有机污染物得以净化降解，从而实现污水的无害化、资源化和再利用，并促进农作物、畜牧业和渔业的增产。在分类系统中，我国在1991年中国标准出版社出版的《城市污水土地处理利用设计手册》中，将慢速渗滤、快速渗滤、地表漫流、地下毛细管渗滤、湿地与人工湿地5种类型均纳入土地处理工艺内。在本书中，将慢速渗滤、快速渗滤、地表漫流、地下毛细管渗滤与土壤渗滤内容纳入土地处理讨论的范畴，而湿地与人工湿地作为另一种处理工艺单独进行讨论。
2.2.3.1 土地处理
有计划地全面推广应用城市污水土地处理系统的国家是美国。在第二次世界大战后为解决工业化引起的水污染问题，美国兴建大量一级污水处理厂、二级污水处理厂甚至三级污水处理厂，花费了巨额的建设投资、运行费用和能源消费，然而并不能解决本国的水环境问题。实践证明这种水污染控制的技术路线存在明显问题。美国政府在20世纪70年代开始察觉到上述问题，从1970年开始，美国环保局组织全国范围的污水土地处理系统的大规模和系统研究，并在1972年10月18日颁布的《联邦水污染控制法》修改案中，修改了污水处理的老概念，对营养物通过土地应用进行回收利用给予了新的强调，指出土地处理系统是“最经济实用的污水处理技术”；1976年2月颁发的文件对慢速渗滤、快速渗滤和地表漫流这三种土地处理方法的技术要领做了明确的规定。1981年美国环境保护局等公布了城市污水土地处理工艺设计指南，使该技术的设计施工进入规范化阶段，在短短的十多年的时间里，修建了数千个三种类型的污水土地处理系统。前苏联、澳大利亚、加拿大、波兰、德国、印度、英国、墨西哥、南非、以色列等国家也都积极研究和大力推行城市污水土地处理与利用，从而替代三级处理。其中，最典型、最著名的工程是澳大利亚威里比（Werribee）土地处理系统，自1890年建立至今已有一百多年的历史，现已发展成土地处理-氧化塘复合系统，依然承担墨尔本市西部258.5万人口、55万立方米/天的生活污水的处理。污水土地处理系统不同于我国传统的污灌，主要区别如下。
①土地处理系统要求对污水进行必要的预处理，对污水中的有害物质进行控制，使污水水质达到土地处理系统允许的进水水质标准，以保证系统常年稳定运行而不至于对周围环境造成污染；污灌对污水不进行任何预处理。
②土地处理系统是能够全年连续运行的污水处理设施，即使在冬季、非灌溉季节和雨季，污水也能得到适当处理和储存；污灌是按照农作物的需要进行灌溉，冬季、非灌溉季节和雨季的污水则直接排入地表水体，造成环境污染。
③土地处理系统是按照要求的出水标准精心设计和施工，有完整的工程系统，可以人为调控的污水处理系统；污灌不具备这些条件。
④土地处理田上种植的植物以有利于污水处理为主，一般不种植直接食用的农作物；污灌的土地常以蔬菜、粮食等农作物为主。
在3种土地处理类型中，需要的工艺运行条件和典型设计参数存在一定的差异（表2-15）。通常认为如下。
表2-15 土地处理工艺的典型设计性能对比（US EPA，2005）
①包括垄沟和坡畦灌水。
②灌溉面积以公顷计，不包括缓冲区、道路和沟渠等，表中数值是处理3785m3/d（1×106gal/d）的污水流量所需面积。
③范围包括原污水到二级处理的出水，对于较高的预处理水平，其负荷率也较高。
④限制公众出入，作物不直接供人类消费。
⑤限制公众出入。
①污染物去除性能：三种处理工艺对有机污染物（BOD和COD）和SS都具有很高的去除能力，但对氮、磷的去除性能而言，慢速渗滤有更高的去除效果。
②经济性能：从占地面积来看，慢速渗滤占地面积最大，只适合土地资源丰富的地区使用；与传统的污水处理厂相比，快速渗滤有最经济的单位面积处理能力，地表漫流次之。
③污染物去除途径：投配污水的去向在三种工艺类型中还是有所不同，但不管是土壤水分的蒸发、土壤的渗滤还是地表径流的方式，在设计过程都要考虑将土壤-植物系统不能消耗的多余的处理水收集进行集中达标排放到指定水体。
④不管何种处理工艺，都必须设置预处理系统以满足土地处理的进水要求，以保证处理系统的长效稳定运行。
美国曾经对建成投产运行的污水土地处理系统做过大量的深入调查，认为只要严格按照工艺要求对场地条件进行设计，三种土地处理类型通常有较好的去除有机物染物、氮、磷等的能力，具体效果如表2-16所列。
表2-16 土地处理不同工艺对几种污水成分的去除效率（US EPA，2005） 单位： %
2.2.3.2 土壤渗滤
（1）土壤毛管渗滤系统（也称地下渗滤系统）
日本最先针对农村污水处理提出污水土壤毛管渗滤处理系统，这是一种将污水投配到具有一定构造的土壤与混合基质组成的渗滤沟内，在土壤毛细管的作用下，污染物通过物理、化学、微生物的降解和植物的吸收利用得到处理和净化（图2-10）。美国、前苏联、澳大利亚、以色列和西欧等国家和地区一直十分重视该系统的开发研究和应用，在工艺流程、净化方法和构筑设施等方面做到了定型化和系列化，并编制了相应的技术规范。
图2-10 土壤毛管渗滤浸润型渗滤沟工程示意
地下渗滤处理法较传统二级生物处理法具有以下优点：
①整个处理装置放在地下，不损害景观；
②净化出水水质良好、稳定，可用于农业灌溉；
③对进水负荷的变化适应性强，能耐受冲击负荷；
④不受外界气温影响或影响很小；
⑤不易堵塞；
⑥在去除BOD的同时，能去除氮、磷；
⑦污泥产生量少，污泥处置或处理费用低；
⑧建设容易，维护简便，基建投资少，运行费用低；
⑨由于覆盖土壤，故不产生臭气等。
土壤毛管渗滤系统正常运行的关键性问题如下。
1）土壤的选择与配比 土壤的颗粒组成、结构等性质和渗滤土层厚度决定了地下渗滤系统的处理能力和净化效果，因此，正确的土壤选配措施是地下渗滤系统成功的前提；国外各国对土壤配比的配方通常采用专利进行保护。
2）水力负荷的选取 合适的水力负荷可以维持土壤中污染物质的投配和降解之间良好的平衡，保证系统连续运行状态下的处理效果，防止土壤的堵塞。地下渗滤系统一般根据经验数值确定设计水力负荷，而由此方法确定的水力负荷还应用以下方程式进行校核［32］。
在湿润地区，计算公式为：
LW=ET-Pr+PW （2-1）
式中 LW——最大允许污水水力负荷率，cm/a；
ET——土壤水分蒸发损失率，cm/a；
PW——最大允许渗透速率，cm/a，一般取土壤限制性渗透速率的4%～10%；
Pr——降水量，cm/a。
在干旱和半干旱地区，依据覆盖植被对灌溉的要求，即地下渗滤系统应以灌溉为主要目的时，最大允许污水水力负荷率计算公式为：
LW=（ET-Pr）［1+LR/100］ （2-2）
式中 LR——种植作物的年淋溶率；
其他参数同式（2-1）的说明。
基于土壤-植物对污染负荷同化容量的水力负荷的确定：对于城镇污水，在保证没有土壤堵塞问题的前提下，基于BOD、P和SS的负荷率都不会成为水力负荷的限制因素［32］，氮的去除率和负荷率通常是地下渗滤系统的限制设计参数，并决定系统所需的土地面积。基于氮负荷的最大允许水力负荷率可用下式较精确地计算：
LW（N）=［Cp（Pr-ET）+10U］/［（1-f）Cn-Cp］ （2-3）
式中 LW（N）——基于氮负荷的最大允许污水水力负荷率，cm/a；
Cp——渗滤出水中氮的浓度，mg/L；
Cn——进水的氮浓度，mg/L；
U——植物吸收的氮量，kg/（hm2·a）；
f——投配污水中氮素的损失系数，投配污水为一级处理出水时f约为0.8，二级处理出水时为0.1～0.2；
ET和Pr意义同式（2-1）。
3）保持土壤良好的理化性质 Van Cuyk等［33］发现：土壤深度不同，其土壤含水量、Eh（氧化还原电位）、颗粒的比表面积均不同，保持一定厚度的土壤层对地下土壤渗滤系统的净化效果是非常必要的。不同土壤的固定磷素的能力也是极不相同的，通过改良土壤可增加其对磷的吸附与固定能力。Johansson等［34］研究证明在原土中掺加适量富含Fe、Al物质不仅可增强除磷的效果，还能增加系统吸附磷的容量。Stevil等［35］证明土壤粒径、土壤比表面积等对病原菌去除效率影响较大，而土壤的pH值、CEC（离子交换能力）等对其去除效率影响不大。在土壤有机质方面，Adelman等［36］证明高C/N比土壤有利于提高氮的去除率。
（2）土壤渗滤
近几年澳大利亚科学和工业研究组织（CSIRO）提出了“非尔脱（Filter）”高效、持续性污水灌溉技术，其处理方式为用经过预处理的污水进行作物灌溉，通过土地处理，再用地下暗管将处理再生的出水汇集和排出（图2-11）。该处理工艺可满足作物对水分和养分的要求，同时降低污水中的氮、磷等元素的含量并降低有机污染物的含量，使之达到污水排放标准。澳大利亚曾在格林菲斯市进行田间试验：先后两次试验面积分别为8hm2和16hm2，种植小麦、玉米、燕麦、粟米和牧草等作物，田间排水暗管的埋深1.0m，用一级处理后的城市污水进行格田漫灌，每隔14天灌水一次。该系统的试验效果见表2-17。除TP浓度从进水的6.1mg/L降至出水的0.4mg/L的效果值得质疑外，其他污染物的去除效果与许多研究者的结果相似。
图2-11 土地渗滤系统
表2-17 “非尔脱”系统的污水处理效果
2.2.3.3 管理政策
美国的分散污水处理系统源于1972年美国国会颁布的《清洁水法》，该法修改了污水处理的老概念，对营养物通过土地应用进行回收利用给予了新的强调，指出土地处理系统是“最经济实用的污水处理技术”。1987年美国国会通过了《清洁水法》的修正案，并增补了非点源污染控制大纲；该修正案促使人们重视小社区的生活污水处理问题。此外，联邦政府专门拨款以寻找除传统集中处理外的可行的污水分散处理办法，以实现消除污染物排入水环境、改善水质以便鱼类生存和人游泳的最基本的目标。分散污水处理系统主要用于就地、聚集处理来自独户或相对集中的一小片住宅与商业区的小流量生活污水。在人口密度较小的社区或乡村，因输送这些生活污水到一个较远的集中式污水处理厂处理，将要花费格外高的费用。在今天的美国，仍然有1/4的人口和1/3的新建社区在使用这种处理设施。实践证明在恰当的操作和管理下，分散处理系统在环境和经济上是可以接受的且技术上是可行的。分散处理系统对贯彻《清洁水法》起到了重要作用，因而受到重视，分散处理系统不再是暂时安装、而后逐步被集中系统替代，而是作为一种永久性的方法来处理污水和再生利用处理出水，从而起到保护环境的重要作用。尤其是就地处理系统，如果能计划、设计、安装、操作和维护得当，更被视为极其重要的污水处理手段［37］。为此，美国环保局分别于2000年和2003年发布了分散处理系统指南。2003年“指南”明确了5种管理模型：住房者感知模型、维护协议模型、运行许可模型、责任管理实体运行维护模型及责任管理实体所有权模型。这些模型反映了改善管理、减小疏漏及对公共卫生及水资源存在潜在的危害需求。管理模型由州、部落及地方政府选择：
①合适的管理目标来满足废水处理需求；
②评估现有项目的优缺点；
③设计管理项目必须满足当地政府的目标；
④制订项目管理实施计划，提供基准（US EPA，2003）。
2005年，美国环保局发布了分散处理系统管理手册，主要内容为如何选择、评估、发展及实施分散处理系统管理指南中的内容［38］。
2.2.3.4 工程适应性分析
土地处理、土壤渗滤等处理技术通过“植物–土壤–水”体系中自然的物理、化学和生物作用，使污水达到设计的净化程度。其工程实践证明这是一种基建投资低、运行成本低、能耗低、处理效率高的经济实用的工艺，在具备条件的农村地区，是一种优先选择的工艺。
土地处理、土壤渗滤等处理技术由于主体处理单元依赖于自然净化能力，那么土地的场地条件、预处理深度和效果是决定工程运行效果的重要环节。例如，就上海的土壤等条件而言，快速渗滤工艺、土壤渗滤（包括地下毛细管渗滤在内）的工艺不适应，但地表漫流和慢速渗滤工艺比较适合。地表漫流涉及种植结构的改变，慢速渗滤因渗滤速率过慢造成占地面积过大，会使生产性规模应用变得困难。
采用人工土壤的土壤渗滤、地下毛细管渗滤处理技术有助于克服占地面积过大的缺陷。然而，即使这样的改进技术也比传统的污水二级处理厂的单位面积处理能力低。但改进的人工土壤的土壤渗滤、地下毛细管渗滤等处理技术以投资、运行、能耗省，处理效率高，地上部分依然可种植作物的优势，与传统污水处理技术成为一种互补，使农村污水处理工艺更加多样化，这有利于不同条件、不同环境的农村水环境的改善。
2.2.3.5 工程实例
（1）干厕所和洗涤废水分开处理设施
在有干厕所的住房里只需就地处理小水量的洗涤废水，也可以将洗涤废水通过一个混凝土的水池或者石头的排水装置简单地排到地面。这些情况在一些别墅或者老式的房子里比较常见，这些房子没有水管和水泵，所用的水都是提到房间里面的。
在有水管的房子里，用水量就变大了，这就要求至少要建一个二级化粪池在污水进入土地渗滤前作为预处理手段，或者其他的处理系统。
干厕所大多建在单独的房子的室外或者室内。合理使用的话，现代的干厕所是舒适且没有异味的。干厕所也有很多不同的模式，这些模式都基于堆制肥料工艺。堆制肥料的厕所可以划分为两种不同的模式：间歇式系统和连续式处理系统。间歇式系统是一个容器满了之后换一个空的容器，连续式处理系统是维持在堆制肥料的稳定常态，废水进入系统后通过堆肥减少体积并且向下运动，在6～12个月后就完全变成肥料了。
①缺点 在设计中要特别关注堆肥的空出阶段，容器必须是容易得到的，维护和操作尽量简洁，需要有广泛知识和专业知识的人士来进行最佳模式的选择。
②优点 维护的费用相对较低，不需要任何特殊的设备。节省纯水，能使水量减少20%～50%。废水中含有少量的磷和氮，因此可以采用简单的方法来处理。如果有砂滤系统来对废水进行处理就不需要单独的净化磷的处理单元了。这将会产生少量的污泥，而这将使倒空的间隔变长从而节省了费用。
③费用 平均10年的费用为2000～7000美元（包括干厕所+土地渗滤/埋入的砂滤系统或者密封装置或者是封闭的化粪池）。
（2）近自然废水净化设施（匈牙利）
主要方法有树林（快速渗滤）、池塘（氧化塘）、栽种水生植物（建立湿地）。上述方法联合起来使用。
2002年环保局与调查员合作，2004年与布达佩斯科技大学合作，对匈牙利的纯自然废水处理方法的应用情况进行了调查。尽管调查结果与纯自然废水处理厂的数量不完全一致，因为这些处理厂多数在那时还没有应用，但是这个数量是不断在增加的。63%的树林种植杨树，27%是氧化塘，10%是湿地。49%的植物是为了处理从食品加工厂流出的废水，38%的植物针对公共废水，9%的植物针对液体肥料。只有70%的处理厂充分运作，只有两家运行得非常好，这两家都是位于多瑙河的下游，而建在蒂萨河的上游纯自然废水处理厂中有35%的处理厂都运行良好。
没有完全运行的最主要的原因是缺乏运行维护、电力不足，另外还缺少操作工，但是有事实表明操作故障是因为错误的设计和建造导致的，在调查期间普遍的结论是监测系统不完善。城市废水的随意排放也危及这些处理厂的运行。
（3）喷灌处置系统（加拿大）
喷灌处置系统是一个敞开排水的污水处置方法。出水从化粪池用泵排出后通过管道将出水排入空气中然后散落到地面上。其功能是废水喷灌系统应用在草地或是森林地区，比较少见。植被和土壤中的微生物的新陈代谢需要的大部分营养物质和有机化合物都是留在废水过滤过程中穿过的最初几英寸土壤里。清洁的水通过深处的根系来吸收，或者透过土壤进入地下水。
设计如下：在萨斯克彻温省有两种基本的喷灌处理形式：一种是喷射器系统；另一种是表面排放系统（图2-12）。
图2-12 加拿大喷灌处置系统类型
在喷射器系统中，污水排放系统由化粪池、泵、延伸到污水处置场的地下管路和一个地面上的排水点构成。在这个系统中废水的出水在地面排放点喷射到地表，被周围的土壤过滤。同时也会发生蒸发作用，蒸发的量受温度的影响。尽管没有强制规定，仍推荐在排水点周围建砂滤床来减小腐蚀作用以及气味的扩散。排水点周围应安装栅栏以免孩子、宠物和家畜进入。值得注意的是，污水喷灌系统仅能在农村和无人的地方加以考虑，因此发展空间很小。
污水处理的最高目标是污染物去除过程中实现资源消耗减量化（reduce）、产品价值再利用（reuse）和废弃物质再循环（recycle）。我国对于城镇污水处理的技术政策是：城镇污水处理要根据污染源排放的途径和特点，因地制宜地采取集中处理和分散处理相结合的方式。以湖库为受纳水体的新建城镇污水处理设施，必须采取脱氮、除磷工艺，现有的城镇污水处理设施应逐步完善脱氮、除磷工艺，提高氮和磷等营养物质的去除率，稳定达到国家或地方规定的城镇污水处理厂水污染物排放标准（见《湖库富营养化防治技术政策》点源排放污染防治）。
事实上，传统的城市污水处理工艺不能完全适应农村生活污水特别是分散型农村生活污水处理的需求。这是因为，农村生活污水处理工艺与城市污水处理工艺的选择还存在差异。农村生活污水处理要求在保证有效的工艺基础上，更强调经济与实用性。具体地说，农村生活污水处理工艺要求工艺简单、处理效果有保证、运行维护简便、具有最佳的综合效益，提供污水处理和资源化利用、就地处理和营养物回收的可能性。
正是本着上述这些原则，在国内外农村污水处理技术发展过程中，从可供选择的技术思路出发，尽可能选择与研究主题相关的、能进行比较的、可筛选出适用于本地使用的处理技术；同时，对国外已积累了许多经验的生活污水处理技术也做了一些遴选，企图找到有可能应用于农村污水和分散点污染源的治理中的相关技术。