土地处理系统

废水的土地利用可能是最古老的处理废水的方法。早期的系统在英国被用作

“土地农场”，从附近社区接收未经处理的废水和夜土。今天，土地申请制度已适用于食用和非食用作物、牧场、森林和木材种植园、包括公园和高尔夫球场在内的娱乐场所，以及诸如矿山废弃地等受干扰的土地。

废水的土地利用也对地下水和土壤的补充有一定的作用回收淡水。平均而言，使用一次然后排入海洋的水在大约2600年内不会以降雨的形式返回陆地。这一事实引起了人们对废水回用问题的关注。农业和其他领域的废水回用并不新鲜;然而,越来越多的环保意识使得废水的回用，即使经过精心的处理，也是一个污染的前景。考虑到世界各地人类发展过程中废水处理的曲折历史，对废水再利用的这种关注程度并非不合理。但是，随着废水处理技术的进步和经过处理的废水质量的稳步提高，将经过处理的粮食和农业废水在土地上应用，成为向地表水(包括海洋)排放的一种具有成本效益的替代办法。

在世界范围内，废水的再利用主要有两类:饮用水利用和非饮用水利用。废水的饮用水利用主要包括向污水处理厂注入再生水饮用水经过多级处理后的供应，或使用自然系统(包括土地应用)直接处理废水。Nonpotable废水的用途有许多:农田直接灌溉使用食品废水BOD5和TSS较低;用低负荷废水灌溉公园、森林或高尔夫球场;和使用for水产养殖是最有希望的例子。在世界上许多地区，废水回用已经采用了一种处理技术的组合，以达到非常高的处理程度。在过去的20年里，美国西部的许多州一直在把废水处理成三级处理标准，然后允许废水重新用于灌溉或补充到地下含水层。虽然这对美国西部的许多干旱地区来说是一种有效的方法，但它非常昂贵，在世界其他地区很少采用。

在土地上使用废水并非没有污染土壤和地下水的风险。我们面临的挑战是利用土壤的物理化学和生物特性作为废水流的受体，而不会对将要种植的作物或土地所属的生态系统、土壤的特性产生不当影响，

图6.6。废水的土地应用示意图。

Sub&oil，。瓷砖流

深层渗透

图6.6。废水的土地应用示意图。

地下水和地表水的质量。废水和废水所施用的土壤应作为一个综合系统进行管理，以获得最佳的施用效果。

废水的土地利用包含有机和无机材料进入土壤进行回收和再利用。土壤的同化能力取决于它的特性和环境条件。土壤的最大容量表示土壤的最大废水负荷。对于未经处理的废水和处理过的废水都是如此。每个应用地点都有一个控制参数，这取决于所应用的废水的特征和土壤的特征，最重要的是，环境的影响。在大多数情况下，将废水排放到土地上需要许可证。

图6.6是一个原理图用于种植和处理废水的土地使用情况。如图所示，影响整体效果的因素有很多水循环在工厂，包括废水的土地应用。在大多数情况下，经过处理的废水通过沟灌、喷灌或滴灌施用于地表。BOD5、TSS和粪便大肠菌群(FC)在常规中被部分去除

表6.5。土地废水处理系统的特点(改编自美国环保局，1981,1984)。

功能	缓慢的速度	坡面流	快速渗透
应用程序	喷水灭火系统或	喷水灭火系统或	通常表面
技术	Surfacea	表面
年度加载	0.5 6	3 -	6 - 125
率,米
场地面积	23 - 280	-44 - 6.5	3-23
笔替代性,想吃汉堡
典型的每周	-10 - 1.3	6-40c	10 - 240
装载速率，厘米
最低preap -	主要沉积-	勇气删除而且	主要沉积-
皱纹,	tationd	筛选	tatione
视频中
美国
处置	Evapotranspira -	主要是表面	渗滤
应用浪费,	Tion和perco	径流和évapo
水	副调制	蒸腾作用
需要	要求	要求	可选
植被

包括垄沟和边条。

b油田面积(公顷)，不包括缓冲区、道路或沟渠，流量为3,785 m3/d (l Mgal/d)。

cRange包括原始废水到二级废水，高水平的应用前处理。

d限制公众进入;不直接供人类食用的作物。e限制公众进入。

污水处理步骤；土地利用系统去除额外的BOD5、TSS和FC以及氮和磷。

人们开发了各种土地利用系统的设计，包括利用慢速、地上流和快速入渗土地处理系统将废物施用于土壤表面，以及利用淋滤场和吸收床将废物施用于地下。一个特定系统的适宜性取决于地点的特征，包括土壤性质、地面地形(如斜坡和地形起伏)、当地水文、地下水深度和质量、土地利用、气候因素(如温度、降水、蒸散、风、生长期，以及预期的废物装卸率，并考虑可能的社会和经济因素

表6.6。土地处理过程的场地特征比较(改编自美国环保局，1981,1984)。

地表水流流速慢入渗快

坡

土壤通透性

地下水深度

气候限制

耕地不足20%;在非耕地中，中等慢和中等快的比例低于40%

通常需要存储寒冷的天气在严重的精确

完成斜坡

慢(用于冷粘土，粉砂，有不透水屏障的土壤)不严重0

寒冷天气需要储存

不重要的;过高的坡度需要大量的土方工程

急流(砂土、砂壤土)

洪水周期1 m;干燥周期1.5-3米无(可能需要在寒冷天气下修改储存)

pitation

在降低液压负荷时，坡度更陡可能是可行的。地下排水渠可用于维持高水位地下水位．

对于渗透性较强的土壤，应考虑对地下水的影响。

约束。表6.5和6.6列出了三种主要土地利用系统的特征，以及自然系统的场地特征的比较。

在设计任何土地申请系统时，通常会考虑土地申请系统的几个共同属性:

•公共卫生

•地下水问题

•场地评估和选择

•作物选择和管理，如有需要

•应用前处理

•分销方式

•设计液压加载速率

•申请率

•气候考虑和储存

•如果需要，BOD5加载速率

•脱氮

•如果需要，限制氮气加载速率

•悬浮固体删除

•除磷

•土地需求

•如果可能，从土地应用中回收污水慢速(SR)系统

慢速系统是目前使用的土地应用系统的主要形式，包括将预处理废水应用于植被土壤，以提供废水处理，并通过蒸散和渗透满足现有植被的生长需求(见图6.7)。该系统与常见的农业灌溉系统相似。系统的年加载速率为0.5 ~ 6m /年。根据慢速系统的应用目标，大致有三种类型的慢速系统(Parany-chianakis et al.， 2006):

•第一类是基于废水回用用于作物和植被生长的目标。预处理废水的应用可以通过使用喷头、垄沟灌溉、边带灌溉和其他地表或地下方法来实现。

•第二类侧重于废水的处理，而不是废水的再利用。当SR过程的主要目标是处理时，水力负荷通常受到土壤水力能力或土壤-植被基质脱氮能力的限制。地下排水渠有时需要在地下水位高的地方进行发展，或在地下水位高或不透水层防止深层渗透的地方进行发展。多年生草本植物因其氮素吸收量高，废水施用季节较长，且可避免一年生种植和栽培，常被选择作为植被。玉米和其他具有较高市场价值的作物也生长在以处理为主要目标的系统中。

PERC9LATION

(a)应用途径

图6.7。(a) (b) (c)原理图慢速废水处理系统(美国环保局，1981年)。

图6.7。(a)(b)(c)慢速废水处理系统示意图(美国环保局，1981年)。

•滤床利用床层的渗滤作用处理废水。经过处理的废水由一个巨大的地下排水系统收集。过滤床系统是有效的营养物去除并适用于城市等人口密集地区。经过专门改造的过滤床可用于处理各种工业废水，如畜牧业和乳业废水(Jayawardane等人，1997年)。

SR系统设计

慢速系统必须与其他工艺相结合才能产生完整的废水处理。应用前处理通常需要确保保护公共卫生、妨害控制和分配系统的约束。主要关注的是废水中的病原体含量。有几种常见的方法可以使用:精细筛选，主要沉积,pH值调整，以及生物过程，如稳定的池塘．

作物选择对于预处理废水应用的慢速土地系统也很重要，特别是对于水的回用。单个作物的选择取决于I型系统的氮含量和收益，以及II型系统的最大养分吸收。如玉米、大豆、甜菜、大麦和小麦等创收作物都是不错的选择。对于饲料作物，紫花苜蓿，麦草，黑麦草，果园草，雀麦草和肯塔基蓝草是最适合去除营养物质的作物。

对于I型系统的水力加载，采用水平衡方程确定水力速率(式6.4):

Lw = ET -Pr + Pw其中:

Lw =基于土壤渗透性的废水水力负荷率ET =蒸散速率，in/mo Pr =降水速率，in/mo Pw =渗流，in/mo

蒸散发量通常是选定作物的月平均蒸散发率，由历史蒸发数据(至少连续15年)确定。Pr值应根据比正常年份湿润的频率分析(以10年为基础)确定。根据干湿比，设计渗流率Pw估计为现场实测试验数据或公布数据的4-10%，由式6.5确定:

Pw(日)= K(24小时/天)(调整因子)

地点:

Pw =设计渗滤率，cm/d或in/d K =限制土层渗透性，cm/h或in/h调整因子= 4% ~ 10%，考虑干湿比，保证废水入渗的保守安全值

对于基于限氮的水力加载，SR系统的氮平衡为(式6.6):

地点:

Ln =氮的质量负荷，kg/ha-yr或lb/ac-yr U =作物吸收量，kg/ha-yr或lb/ac-yr f =施氮损失在反硝化、挥发和土壤储存中的比例

A =单位换算系数，公制单位为0.1，英制单位为2.7 Cp =渗透氮浓度，mg/l，由于限制氮浓度Pw =渗透速率，cm/yr或ft/yr，通常设置为10mg /l

作物摄取量可以从文献中找到，f值基于废水的特点气候:Braybet雷竞技最新OD5:氮比大于或等于5时为0.5 ~ 0.8，城市污水处理厂一级处理出水为0.25 ~ 0.5，城市污水处理厂二级处理出水为0.15 ~ 0.25;0.1的值用于从污水深度处理流程。

对于II型慢速系统，水力加载速率以水量平衡为基础，表达式为(式6.7):

Lw =液压加载速率

作物灌溉需求

Pr =降水量，厘米/年，米/年或年

作物灌溉需求取决于作物ET、灌溉效率和淋滤需求。将这三个因素代入式6.7得到(式6.8):

Lw = (ET - Pr)(1 + LR)(100/E)

地点:

LR =浸出需要量Pr =降水量，cm/yr, m/yr或in/yr ET =蒸散速率，英寸/月E =灌溉系统效率

浸出系数根据作物、降水量和废水中溶解固体总量的不同，从0.05到0.30不等。对于总溶解固体400 mg/l或以上，LR在0.1 ~ 0.2范围内。灌溉系统的效率，地表灌溉系统为0.65 ~ 0.75，喷灌系统为0.7 ~ 0.8，喷灌系统为0.9 ~ 0.95滴灌系统．

地面水流系统

地上流本质上是一种生物处理过程，其中废水在流经斜坡梯田的上游时进行处理，并允许其流经植被覆盖的地表，流入径流收集沟渠。与慢速系统不同，地面流系统的设计是为了促进废水的径流。为了保证径流，斜坡上的土壤要么不透水，要么缓慢渗透，以限制渗透。

地面流处理示意图如图6.8(A)所示，典型系统的图示如图6.8(b)所示。如图6.8(a)所示，由于土壤的不透水或地下屏障的存在，渗透作用相对较小。废水可以通过洒水器喷洒、风扇喷洒或表面喷洒(例如，门控管道)到坡顶。废水的处理发生在水流流经分级土地时。斜坡坡度通常为2-8%，长度为30-61米(100-200英尺)，如表6.5和表6.6所示。

地上流系统的目标是通过将预处理过的废水应用于地面来达到高出水质量，并去除镍

(ASTEIATiR

iras和

iras和

(ASTEIATiR

渗透(a)液压通道T

(t) MtTllllU IIII如果JPiimEfi IPrLlOITIIjl

图6.8。(a)(b)地面水流废水处理系统示意图(美国环保局，1984年)。

(t) MtTllllU IIII如果JPiimEfi IPrLlOITIIjl

图6.8。(a)(b)地面水流废水处理系统示意图(美国环保局，1984年)。

氮、磷、BOD5和悬浮物。预处理包括粗筛、细筛、初沉、二次处理或池塘系统。对高浓度食品加工废水的处理也是可行的。从沟渠收集的地上流处理水排放到地表水。

有机物和悬浮物的主要去除机制是生化氧化、沉淀、吸附和过滤。脱氮是植物吸收、反硝化和氨氮挥发的结合。特定场所的主要机制将取决于废水中氮的形式、可用碳的数量、温度以及废水应用的加载速率和时间表。只有当作物收获并从田间移走时，植物才能永久去除氮。如果废水的pH值高于7，氨挥发就会显著。氮的去除率通常在75-90%之间，径流氮的形式取决于温度、施用量和时间表。因为微生物的活动由于反硝化作用发生在土壤表层或表层附近，寒冷天气对反硝化反应产生不利影响;同样的问题也影响了植物对氨的吸收，因为大多数作物在年死亡或处于休眠状态寒冷的冬天．在世界上许多非热带或亚热带地区，冬季低温可能导致硝酸盐和铵的去除率较低。

磷通过吸附和沉淀去除。由于废水与土壤中吸附位点之间的接触有限，处理效率受到一定限制。磷的去除率通常在50-70%之间。在斜坡上应用之前，可以通过向废水中添加矾或氯化铁等混凝剂来增加去除率。

坡面流系统设计

土壤渗透性是设计坡面水流系统的一个重要参数，因为需要废水沿坡面径流。地上流系统的最佳地点土壤渗透性小于0.5 cm/h (0.2 in/h)或更低。高渗透性土壤可以通过机械压实将渗透性降低到可接受的水平。低温和降雨会影响地面水流系统，因此，废水的应用可能会减少或停止;废水被储存起来。

废水的水力加载速率经经验选择为2 ~ 10 cm/d (0.8 ~ 4 in/d)。由于渗滤量很小，所以施用量(见下面的定义)是一个比水力更相关的性能参数负载率．这两个速率的关系如下式(式6.9)(Reed et al.， 1995):

Lw =水力加载速率，cm/d或/d q =单位坡度宽度的施用量，m3/h-m或gal/min-ft p =施工期，h/d(范围为每天6 - 12小时;为方便起见，选择8 h/d) z =下坡距离，m或ft(范围为30 ~ 60 m或100 ~ 200 ft;对于地面应用，长度应为30 - 45米或100 - 150英尺。

施用量也与坡长和坡度有关BOD去除通过以下一阶反应方程(式6.10)(Reed et al.， 1995):

(Cz- C)/C0 = A exp[(-kz)/qn]其中:

Cz = BOD5的浓度表面流在下坡距离(z)处，mg/l C =本底BOD5在坡尾处C0 =施用废水中BOD5的浓度，mg/l z =下坡距离，m或ft

A =依赖于q值的经验确定系数q =施用量，m3/h-m或gal/min-ft n =经验确定指数(<1)k =经验确定速率常数

对于某些食品加工废水等高强度工业废水的地上流处理，必须考虑BOD5的负荷。为避免坡面有机物负荷过大，导致土壤表面或土壤表面附近的氧气被耗尽而发生厌氧活动，BOD5的加载速率控制在(式6.11):

lbod = B Lw C0其中:

Lbod = BOD5加载速率，kg/ha-d或lb/ac-d

换算系数B =公制单位为0.1，英制单位为0.225

Lw =液压加载速率，cm/d或in/d

= qPWm/z q =施用量，m3/h-m或gal/min-ft P =施工期，h/d W =施坡宽度，m或ft z =下坡距离，m或ft m =换算系数= 100 cm/m或96.3为英制单位C0 =施废水BOD5浓度，mg/l

当废水BOD5浓度超过800 mg/l时，废水已被稀释，以避免过度的厌氧活动。

地上流系统的土地需求取决于流量、应用速率和应用周期。地上流处理所需的表面积为(式6.12):

地点:

As =所需场地表面积，ha或ac Q =废水流速，m3/d或gal/min z =下坡距离或坡长，m或ft Q =施用量，m3/h-m或gal/min-ft P =施用量，h/d

C =换算因子= 10,000 m2/ha或英制单位为726

如果预期废水存储，则现场面积为(式6.13):

As = (365Q + VS)/(D LWC')

地点:

As =所需场地表面积，ha或ac

Vs =降水、蒸发和渗流导致的库容净损失额或收益，m3/年或ft3/年D =每年运行天数Lw =设计水力负荷，cm/ D或in/ D

换算系数C' =公制单位为100，英制单位为3630

如果BOD5加载是限制因素，场面积表示为(式6.14):

As = (C0 C" Qa)/LLBOD其中:

As =所需场地表面积，ha或ac C0 =施用废水BOD5浓度，mg/l C" =换算系数=公制单位0.1，英制单位6.24 × 10~5

Llbod =极限BOD5加载速率= 100 kg/ha-d或89 lb/ac-d Qa =到地上流场的设计流量，m3/d或ft3/d

迅速渗透系统

应用快速渗透系统的目的是在地下含水层中补充或储存翻新的水，在某些情况下，利用地下排水管或井将水引到邻近的地表水体内来补充地表水。在快速渗透土地处理中，大部分废水通过土壤渗透，处理后的废水自然排入地表水或加入地下水。废水被用于中等和高渗透性土壤(如沙子和壤沙)，通过在盆地中扩散或喷洒，并在穿过土壤基质时进行处理。通常不规划植被，但也有一些例外，杂草和草的出现通常不会造成问题。

图6.9(a)中的示意图显示了快速渗透系统的典型水力路径。与SR土地处理相比，应用废水渗透到地下水的比例要大得多。植物很少或没有消耗它。对于寒冷地区的中等透水土壤(高透水土壤为2英尺/年)，蒸发范围为0.6英寸/年，对于中等透水土壤(高透水土壤为6英尺/年)，蒸发范围为2英寸/年炎热干旱的地区。这通常只占液压加载速率的一小部分。

在许多情况下，修复水的回收是系统的一个组成部分。如图6.9(b)所示，这可以使用下排水管或井来实现。在某些情况下，水自然排入邻近的地表水体，如图6.9(c)所示。这样的系统可以提供更高水平的检测

(i) mrmiiL rc Ptihiu

41 *CC3T雷竞技csgoI HF1 lirrt

41 *CC3T雷竞技csgoI HF1 lirrt

VMCUtmt(弊病

{9) IL COTE H ilTHiilS

VMCUtmt(弊病

{9) IL COTE H ilTHiilS

FLOOIING ItSIN

FLOOIING ItSIN

(c)自然排水进入地表

图6.9。(a)(b)(c)快速渗透废水处理系统示意图(美国环保局，1984)。

(c)自然排水进入地表

图6.9。(a)(b)(c)快速渗透废水处理系统示意图(美国环保局，1984)。

比大多数机械密集型系统排放到相同地表水的处理。

通过土壤的过滤和过滤作用去除废水成分是极好的。悬浮固体、BOD5和粪便大肠菌群几乎被完全清除。当使用适当的水力负荷循环时，所应用废水的硝化基本完成。因此，对于在排放要求中有氨标准的社区，快速渗透可以提供一种有效的方式来满足这些标准。一般来说，除氮平均为50%，除非建立了特定的操作程序，以最大限度地反硝化。这些步骤包括优化应用周期，回收含有高硝酸盐浓度的翻新水的部分，降低渗透率，并提供额外的碳源。在土壤柱研究中使用这些程序，平均氮去除率达到80%。

磷的去除率在70-99%之间，取决于土壤的物理和化学特性。与慢速系统一样，主要的去除机制是吸附化学沉淀，因此长期容量受到与废水接触的土壤质量和特性的限制。去除也与废水在土壤中的停留时间、流动距离以及其他气候和操作条件有关。

快速渗透系统设计

快速渗透系统的年水力负荷率的设计是基于土壤的渗透性或废水渗透的土壤介质的有效水力传导率。速率表示如下(式6.15)(Metcalf and Eddy, Inc.， 1991):

地点:

Lw =水力加载速率，ft/yr或cm/yr

IR =渗透速率，in/h, cm/h

OD =每年的工作天数，天/年

F =施用因子(如果采用盆地入渗，则为最小测量入渗率的10-15%;如果垂直水力导电性测量，则为最具限制性土层导电性的4-10%)C " ' =换算系数=英制单位为2，公制单位为24

快速渗透系统在污水处理中的应用不是连续的，而是循环的;免施期(旱作期)的目的是让土地重新通气并分解土壤中累积的有机质。因此，可以根据液压速率、运行周期和使用周期来计算施用量。用年废水流量除以式6.15中设计的年水力负荷率，得到快渗系统的用地需求。

继续阅读:湿地系统

这篇文章有用吗?

+ 2 0