地下渗流系统的除污功能研究

吴耀国1， 王 超2， 王惠民2， 李云峰3
(1.西北工业大学化学工程系，陕西西安710072；2.河海大学环境工程系，江苏南京210098；
3.长安大学水资源与环境工程系，陕西西安710054)

　　摘 要：在徐州奎河的试验结果表明，河流—地下水渗流系统对城市污水中的有机质、氮与挥发酚等具有高效、稳定的去除效果，其COD去除率＞95%、挥发酚去除率＞99%、氮去除率＞95%，且未引起土壤及地下水的污染。
　　关键词： 地下渗流系统； 自净能力； 城市污水
　　中图分类号：X505
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2002)01-0057-04

1 概况

　　研究场地为徐州市奎河流域。奎河发源于云龙湖，流经十里铺、徐村和黄桥，向东南方向流入安徽境内，全长约22km。徐州市南部几乎全部工业、居民生活污水汇入该河，纳污量为8.0×10⁴m³/d左右，为典型的城市排污河。河水长期处于缺氧状态，其COD、NH+4-N与挥发酚污染严重，且奎河水质沿水流方向基本无变化，说明该段河流已失去了自净功能。多年的水质监测结果见表1。

表1 奎河水质监测资料　　mg/L 年份 DO CODCr BOD₅ 挥发酚 总氮 NH₄+-N NO₃^--N NO₂-N Cl^- 1990 0.0 427 225 0.339 　 　 　 　 　 1991 0.1 716 294 0.452 　 　 　 　 　 1992 0.1 560 255 0.211 　 　 　 　 　 1993 0.1 548 248 0.231 　 　 　 　 　 1994 0.0 646 310 0.248 　 　 　 　 　 1995 0.0 379 160 0.106 17.66 17.09 0.57 0 160

　　奎河两岸为第四系地层，一般为粘土、亚粘土及粉砂土，其中含有孔隙地下水，且富水性均匀，其埋深一般为0.5～4m，属重碳酸钙镁型水，其Cl-浓度大致为26～30mg/L，是当地农村人畜用水的主要水源。在自然状态下由地下水补给河水，但由于农业用水的需要，沿河设置了多道节制闸蓄水，抬高了河水位，导致河水补给地下水，即地下水的补给源主要为大气降水与奎河河水。在徐村以北，河水以非饱和流形式补给地下水；以南则以饱和流形式补给地下水。

2 地下水水质监测

　　为研究该系统对城市污水的净化作用，沿奎河在徐村与黄桥布置了两个断面，分别布置3个地下水监测井，井深均为10 m左右，各井与河流的距离见表2。 表2 断面监测井与奎河的距离m 断面位置 徐村 黄桥 监测井的符号 Ⅰ1 Ⅰ2 Ⅰ3 Ⅱ1 Ⅱ2 Ⅱ3 垂向河流的距离 19 36 55.5 40 62.6 138.6

　　1995年2、4、6和8月在各监测井分别采样，将其分析结果与《污水综合排放标准》(GB 8978—88)对比可见(见表3)，尽管奎河污染严重，但其沿岸地下水的所有水质指标均优于一级排放标准；再与《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—85)比较，除黄桥断面的硬度超标外，其他项目均符合饮用水水质标准。这表明该系统具有很高的净化城市污水的功能。从污染现状看，徐村处仅在距河流约19m范围内的地下水中NH+4-N与Cl-浓度大于其相应的背景值，表现为呈沿河的窄带状污染；而黄桥断面处地下水中的Cl-浓度则远大于其背景值，在距河岸138.6m处是其背景值的一倍以上，Cl^-与硬度污染呈沿河较宽的带状污染晕。可见，河水为河沿岸地下水的补给源，在饱和渗流形式下河流对地下水水质与水量的影响均大于非饱和渗流。

表3 1995年2月—8月地下水水质监测结果 井号 NH4⁺-N
(mg/L) NO₂-N
(mg/L) NO₃-N
(mg/L) TN
(mg/L) CODCr
(mg/L) pH Cl^-
(mg/L) 硬度
(mg/L) 井号 NH4⁺-N
(mg/L) NO₂-N
(mg/L) NO₃-N
(mg/L) TN
(mg/L) CODCr
(mg/L) pH Cl^-
(mg/L) 硬度(mg/L) Ⅰ₁ 00.22 0.004 1.42 1.64 6.2 7.4 32.6 419.8 Ⅱ₁ 0.29 - 0.06 0.35 3.6 7.2 141.8 505.4 0.14 - 3.10 3.69 3.8 7.4 31.3 310.4 0.15 - 0.08 0.23 2.4 7.0 130.2 519.8 0.19 - 2.97 3.27 4.8 7.6 35.2 332.9 0.39 - 0.04 0.43 2.4 7.3 145.7 503.2 0.11 0.008 3.15 3.27 3.3 7.4 35.0 323.1 0.13 - 0.11 0.24 4.8 7.3 145.1 506.1 Ⅰ₂ 0.18 - 1.92 2.1 3.3 7.3 29.3 385.2 Ⅱ₂ 0.28 - 0.07 0.35 3.3 7.2 104.2 539.6 0.14 - 2.46 2.6 3.8 7.3 28.4 349.9 0.14 - 0.04 0.18 2.7 7.6 95.9 493.4 0.20 0.012 0.67 0.88 4.8 7.4 32.3 352.7 0.31 - 0.04 0.35 8.7 7.6 64.6 403.2 0.12 - 2.81 2.93 3.3 7.3 32.9 356.0 0.14 - 0.11 0.25 3.6 7.3 96.2 429.7 Ⅰ₃ 0.23 - 0.61 0.84 4.5 7.4 32.2 405.2 Ⅱ₃ 0.27 - 0.09 0.36 3.0 7.1 73.4 509.6 0.14 0.007 1.18 1.33 2.7 7.6 27.4 343.4 0.15 - 0.04 0.19 1.8 7.5 73.4 413.4 0.35 - 0.90 1.25 4.8 7.5 31.3 336.1 0.34 - 0.04 0.38 5.1 7.4 99.8 450.1 0.85 0.012 1.16 2.02 5.4 7.7 33.0 359.6 0.12 - 0.07 0.19 3.3 7.4 73.8 400.4 注： -表示该组分浓度低于检出值，硬度以CaCO3计，挥发酚 未检出。

3 系统的净化作用

　　① 污水处理能力
　　河流—地下水渗流系统处理污水量(Q)可用下式计算：
　　Q=-k(θ)（ΔH／m）ω　　　　　(1)
　　式中　k(θ)——渗流系统的导水率
　　　　　m——渗流系统的厚度
　　　　　ΔH——厚度为m的渗流系统两侧水头差
　　　　　ω——河床渗流面积
　　在m、ΔH、m及ω相同时，非饱和渗流远小于饱和渗流状态下的渗流量，这也是研究区域地下水污染的特点。从处理能力的角度而言，应多利用饱和渗流处理系统。由式(1)可知，可通过开采地下水降低其水位，或抬高河水位、增大ΔH，来提高系统处理污水的能力。
　　② 系统处理效果
　　奎河沿岸地下水主要来自河水与大气降水。Cl-为保守性离子，可作为示踪剂根据质量守恒原理判断地下水来源于河水的多寡(x)：

　　x=（C₁-C₀）／Cs×100%　　　　　　　(2)
　　式中　C₁ ——观测井地下水示踪剂浓度，mg/L
　　　　　C₀——研究区地下水示踪剂背景值，mg/L
　　　　　Cs——河水中示踪剂的浓度，mg/L
　　　　　x——地下水来源于河水的体积百分比
　　根据式(2)可以判断，Ⅰ1号井地下水中来源于河水的比例大致为20.38%、19.56%、22.0%和21.88%，该井地下水中TN浓度为3.6、3.45、3.89和3.86 mg/L，若再考 虑地表的其他氮污染源，则TN的理论值与实际值(见表3)十分接近，表明河流—地下水渗流系统在非饱和渗流时对氮没有去除作用。同理可以计算出Ⅱ1号井地下水中TN浓度应为15.67、14.35、16.11和16.01 mg/L，而实际上分别仅为0.35、0.23、0.43和0.24 mg /L，表明该系统在饱和渗流时可去除水体中的氮。
　　系统中某点处对污染物的去除率(Rx)表示从进水源点到该处系统对污染物的去除能力，计算公式为：
　　Rx=（Cs-Cx）／Cs　　(3)
　　式中 Cs——污染源处的污染物浓度，mg/L
Cx——系统中沿水流方向上距污染源为x处污染物浓度，mg/L
　　由式(3)可得，Ⅱ1号井处氮的去除率分别为97.78%、98.38%、97.33%和98.5%，表明河流—地下水渗流系统为饱和渗流时对氮去除效果很好。通过表3可知，在徐村河流—地下水非饱和渗流断面地下水中氮以NO₃-N为主，且还有NO₂-N，表明该系统在发生氮转化，且以硝化作用为主，但作用程度不显著；在黄桥河流—地下水饱和渗流断面，地下水中氮以NH+4-N为主，TN浓度远小于入渗水，说明该系统的氮不仅发生了硝化作用，而且也发生了反硝化作用，因而出现了只有河流—地下水饱和渗流系统对氮才有去除作用的现象。
　　同理可以计算出非饱和渗流系统与饱和渗流系统对COD、挥发酚的去除能力(表4、5)。

表4 非饱和渗流系统的除污效果(徐村Ⅰ断面处)　% 井号 COD去除率 挥发酚去除率 Ⅰ1 61.18 100.00 69.73 100.00 77.97 100.00 84.52 100.00 Ⅰ2 57.76 100.00 33.16 100.00 67.84 100.00 79.81 100.00 Ⅰ3 69.36 100.00 61.77 100.00 67.77 100.00 67.43 100.00

表5 饱和渗流系统的除污效果(黄桥Ⅱ断面处) % 井号 TN去除率 COD去除率 挥发酚去除率 Ⅱ1 97.78 98.93 100.00 98.38 99.22 100.00 97.33 99.31 100.00 98.50 98.60 100.00 Ⅱ1 96.98 98.12 100.00 98.30 96.71 100.00 95.09 94.48 100.00 97.65 96.50 100.00 Ⅱ3 95.56 98.25 100.00 97.65 97.18 100.00 96.55 96.92 100.00 97.67 96.92 100.00

　　无论是非饱和渗流系统还是饱和渗流系统，对COD、挥发酚均具有一定的去除作用，挥发酚的去除率高达100%，但非饱和渗流系统对COD去除率＜80%，而饱和渗流系统＞95%。
　　挥发酚具有挥发性与较高的固液分配系数，以致河床沉积物对其具有较高的吸附作用，因而 非饱和渗流系统与饱和渗流系统对其均具有较高的去除作用。饱和渗流系统中同时存在的好 氧环境与厌氧环境，不仅利于氮转化、实现脱氮作用，也利于有机物的生物降解，其COD去除率高。
　　综上可知，从对污染物的处理效果优劣来讲，应多利用河流—地下水饱和渗流系统，因此以下提到的河流—地下水渗流系统均指饱和渗流系统。
　　③ 系统特点
　　表5中计算氮、COD、挥发酚去除率时，均假设其在地下水中背景值为零。实际上地下水的氮、COD、挥发酚背景值不可能为零，即河流—地下水渗流系统对相应组分的去除率应该更高。由表5知，系统对污染物的去除率高效稳定，且不随季节而变化，可常年运行。
　　这是由于研究区冻土层厚度小，在地下10 m左右的土壤温度受气候影响小，系统处于相对恒温状态，有利于生物作用的进行，保证了该系统具有稳定的污染物去除率。

4 对土壤环境的影响

　　对该区域土样的监测结果见表6(研究区地下水埋深为0.5 m)。

表6 土壤监测资料 土壤层埋深(cm) 有机质(%) 全氮(%) 有效氮(%) 总磷(%) 0～2 1.45 0.107 6.33 0.057 20～40 0.62 0.054 4.53 0.050 40～60 0.38 0.036 5.42 0.043 60～80 0.22 0.028 3.84 0.045 80～100 0.20 0.027 5.87 0.047

　　由表6可知，在埋深大于0.5 m的土层中有机质等含量基本相同，且明显小于上部，说明不可能形成有机质等在该系统土壤中的积累。由于河流沉积层及浅层土壤对重金属具有吸附作用，姜翠玲等研究发现，在奎河两岸的土壤中也无铬、铅及镉等重金属的积累。上述结果说明，奎河河流—地下水渗流系统没有引起系统内土壤环境的污染。

5 结论

　　① 河流—地下水渗流系统对城市污水的有机物、氮、磷及重金属等的处理能力明显优于其他污水自然生物处理系统，且不引起土壤及地下水污染，不受季节变化的影响。
　　② 河流—地下水渗流系统可弥补其他污水自然生物处理系统的缺点，充分利用土壤的渗透性能与土系统、水系统的净化作用，若设计、规划合理，完全可避免土壤、地下水污染等问题。
　　③ 河流—地下水渗流系统是一种集城市污水处理、污水资源化、水资源的合理利用与开发于一体的集成污水处理技术，具有很好的推广价值。

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　　收稿日期：2001-10-11