Question

污水处理

Answer 1

污水处理对地下水产生的污染主要是化学和生物污染，其影响的程度主要取决于污水的处理方法、含水层的水文地质和水文地球化学条件。

污水处理中引起地下水污染的做法主要包括用处理后的污水进行灌溉、用污泥施肥、有意或无意的污水入渗、生活污水管的泄漏以及污水对井的地表污染。

致病微生物是被污水污染的地下水对人体产生的最大威胁，Yates等（1993）综述了细菌和病毒污染对人体健康产生的影响，并对其在地下水中的迁移和最终结局进行了讨论。据此，他们认为20世纪80年代美国由饮用水传染的大约200种疾病中，约1/2是由未处理或消毒不充分的地下水所引起的。

在地下水流系统中，细菌和病毒可存活数月，运移数百米（Yates等，1993）。这两种微生物都是在低温下可存活更长的时间，当温度为8℃时，它们甚至可以无限期地存活。物理性的过滤可阻止细菌的运移，尤其是在细颗粒的土壤中更是如此。但病毒的体积很小，大部分的土壤不能使其含量明显地减少。吸附是使两种微生物含量减少的重要作用，Langmuir和Freundlich吸附等温线均可用来描述地下水运移过程中两种微生物的吸附作用。

污水的化学污染比生物污染的公认程度更高，污水中的许多污染物（如硝酸根）同时还与其他类型的污染相关。在污水中还含有各种类型的其他大量或微量组分，它们或者对人体健康有影响，或者可用来示踪污染晕。几乎所有常见的稳定同位素都可用来研究污水的污染问题。

5.2.3.1 污水处理厂对地下水的污染

污水可使用多种技术进行处理，污水处理的程度可划分为初级、二级和三级（高级）。初级处理是指通过滤网或沉淀池除去其中的固体，二级处理指的是使用微生物除去废水中的有机负荷，三级（高级）处理则是指去除废水中特定化学物质（如硝酸根、磷酸根）的过程。经过二级处理后，废水就允许排泄到天然水道中，或通过渗床渗入地下，或用来灌溉农田、高尔夫球场及其他的植被。其对地下水的影响就是在这些处置过程中发生的，从废水中分离出的固体可进一步进行处理，或者在垃圾填埋场中填埋，或者用于施肥以提高土壤肥力，这样，污泥的淋滤也会对地下水产生影响。

在美国农村地区的小社区，对污水进行二级处理的最常见方法就是氧化池（或污物稳定池）法。氧化池通常由一系列的蓄水池组成，污水依次通过各处理单元时其处理程度逐步加深，氧化池同时使用了好氧和厌氧过程来处理废水中的 BOD。这种方法与其他方法相比要相对经济一些，特别适用于土地面积不受限制的地区。Kehew（1984）和Bulger等人（1989）研究了美国北达科他州McVille污水处理场地对地下水的影响，该处理系统的蓄水池建设在可渗透的冰水沉积物上，要使废水在池中有适宜的停留时间，必须对各处理单元进行衬砌。但三个处理单元只有一个做了衬砌，当废水水位超过衬砌的处理单元时，它就会向未衬砌的处理单元排泄，这时废水便会快速地渗透到浅层潜水含水层中。从第二个处理单元开始向下游方向，地下水中的溶解固体、溶解有机碳、铵、铁以及其他组分都有升高（图5-2-9）。在处理单元附近，地下水的实测pE值很低，随着远离蓄水池，pE值逐渐升高，这与富含有机污染物的污染晕非常类似。该场地中的一个有趣的现象就是，来自上游一个好氧填埋场的污染晕，似乎与废物稳定池下部的还原性污染晕发生了混合，从而使还原成了（Bulger等，1989）。

马萨诸塞州Otis空军基地由于二级处理废水通过渗床入渗所引起的地下水污染问题在文献中报道很多（LeBlane，1984；Barber，1992），该基地的污水处理厂从1936年开始运营，通过它处理废水被排放到了一个24.5英亩的渗床中，在渗床的下游，形成了一个4000 m长、1000 m宽、30 m深的污染晕。可用多种参数来勾画污染晕的范围（图5-2-10），但硼是最有用的一种参数，这是因为硼是一种保守性组分，在运移过程中不怎么发生化学反应，而且在背景地下水中不存在。硼之所以在污染晕中出现，是因为在洗衣粉中过硼酸钠被用作为了漂白剂。在地下水中，硼是以原硼酸（B（OH）₃）的形式存在的，它之所以没有发生离解是因为污染晕的pH值要远低于原硼酸的pK_a值。污染晕还可用电导率、氯浓度以及其他参数来勾画。在二级处理废水中DOC的含量大大减小，同时，大于背景值（2～5 mg/L）的DOC足以在污染晕中形成缺氧（反硝化作用）的条件。向下游方向，污染晕与含氧补给水的混合可导致铵的硝化，尽管地下水中的浓度一般低于5 mg/L。处理后的废水中，磷的浓度通常也相对较高，它在地下水中通常是以正磷酸根的形式存在的。由于磷酸根易于被含水层介质所吸附，或以低溶解度的磷酸铁或磷酸铝的形式沉淀，因此在污染晕中，磷酸根常常被强烈阻滞。

图5-2-9 McVille污水处理场地中溶解有机碳的分布

Otis空军基地污染晕的一个有趣现象是其含有来自家用洗洁剂中的化合物，根据测试这些物质所采用试剂的名称（Methylene Blue Active Substances-亚甲蓝活性物质），其在地下水中的含量通常用MBAS来表示。这些化合物一般由阴离子型表面活性剂组成，它们在地下水中的迁移性很强。洗洁剂在美国的使用大约始于1946年，1953年它们的使用量超过了肥皂。1964年之前，洗洁剂中最常用的表面活性剂是烷基苯磺酸盐（ABS），它基本上是不可生物降解的。1964年，它开始被较易生物降解的表面活性剂——线性烷基磺酸盐（LAS）所代替。MBAS在污染晕中的分布保存了洗洁剂使用的这一历史，MBAS的最大浓度出现在污染晕的最前端（图5-2-11），这些较高的浓度范围反映了ABS的存在，而接近污染源的较低的浓度表明了污染晕中的LAS通过生物降解作用被去除了。

在污染晕中还检测到了多种类型的其他合成挥发性和半挥发性化合物，它们均来源于家用洗洁剂及其他各种类型的产品，其中含量最大的是三氯乙烯（TCE）和四氯乙烯（PCE），它们在污染晕中的浓度已超过限制界限（Barber，1992）。

图5-2-10 马萨诸塞州Otis空军基地硼在地下水垂直剖面中的分布（1978.5～1979.5）

5.2.3.2 化粪池系统

在北美缺乏下水道的大部分地区，化粪池系统是废物处置的首选方法。据估计，美国三分之一的废水是通过化粪池系统处理的。在该系统中，废水在一个水池中通过沉淀作用与固体废物分离，然后被排放到多孔排泄瓦筒中，进而释放到滤床，在这里，废水很快地渗入了土壤。另一种方法是在表层土壤中垂直安装多孔下水管，用以代替滤床。化粪池系统的原理是，通过土壤的过滤，可除去废水中的污染物。很遗憾的是，很多化粪池系统都在浅层潜水中形成了污染晕，它可对附近的水井和地表水体产生影响。

对化粪池系统污染晕水文地球化学过程的研究是近年来研究工作的一个焦点（Harman等，1996；Robertson等，1991，1998；Tinker，1991；Aravena and Robertson，1998；Robertson，1995；Robertson and Cherry，1995），其中最受关注的污染组分是硝酸根和磷酸根。硝酸根有时可导致婴儿发生致命性的疾病——高铁血红蛋白症，这主要是由于婴儿血携氧能力的减弱而造成的。硝酸根也是水体富营养化的养分元素，地下水则是这些水体的补给源。磷酸根虽然比硝酸根的迁移能力弱，它也是水体富营养化的主要诱因之一。致病微生物的迁移也是可渗透性含水层值得关注的问题。

Harman等（1996）研究了加拿大安大略省一个学校的化粪池系统，该系统位于一个浅层潜水含水层之中。在化粪池中，废水是一种强还原性的溶液，具有很高的DOC，其中的氮主要以铵的形式存在。它在从滤床向地下水面运动的过程中发生了很大的变化，氧化过程使得DOC减少了90%，铵则全部转化成了硝酸根。污染晕中硝酸根的浓度表示在图5-2-12中，有机碳的氧化形成了CO₂，当含水层中没有碳酸盐矿物时，这将使地下水的pH值降低。当含水层中存在碳酸盐矿物时，它们将发生溶解，对水溶液的pH值产生缓冲作用，使污染晕中Ca²⁺、Mg²⁺的浓度增大。

图5-2-11 1983年Otis空军基地地下水中MBAS的平面（a）和剖面（b）分布

Robertson等（1998）对比了安大略省各种水文地球化学环境下，10个化粪池系统污染晕中磷酸根的迁移能力。其中，—P平均浓度的变化范围为0.03～4.9 mg/L，污染晕的延伸长度从1 m变化到70 m。这与此前人们的一般认识是矛盾的，通常认为磷酸根被强烈地吸附到了含水层固体表面上，对地下水不构成威胁。但这一观测结果表明磷酸根在地下水中的迁移可成为一个重要的问题，尤其当小型湖泊周围的住宅中具有独立化粪池系统时更是如此。Robertson等得出结论认为，磷酸根在包气带中通过矿物的沉淀作用发生了衰减，这些矿物主要是蓝铁矿（Fe₃（PO₄）₂· 8H₂O）、红 磷 铁 矿（FePO₄·2H₂O）及磷铝石（AlPO₄· 2H₂O）。水中磷酸根的平衡浓度受到了pH值的控制，在低pH值条件下的非钙质含水层中，磷酸根的浓度受矿物溶解度的控制而保持在一个很低的水平上.在中等pH值条件下（这主要是由于含水层中含有碳酸盐矿物而引起的），磷酸根的浓度可以很高。废水一旦到达潜水面，尤其是当含水层中的金属氧化物具有表面正电荷时，磷酸根含量的减少则主要是由含水层固体的吸附作用所控制的。由于吸附和沉淀作用的影响，磷酸根的迁移速度约为地下水的流速的二十分之一。氮、碳、氧、硫的稳定同位素在示踪化粪池系统污染晕及相关的地球化学转化作用中是非常有用的（Aravena等，1993；Aravena and Robertson，1998）。

图5-2-12 一个化粪池系统污染晕中心线处硝酸根浓度等值线剖面图

对化粪池系统致病细菌和病毒污染危害的评估，目前所作的研究工作还相对较少（Bitton and Gerba，1984；Bales等，1995；Canter and Knox，1985；Yates，1985）。很多微生物的分析和检测都比较困难且昂贵，当前所进行的研究工作主要集中在确定指示性微生物的迁移特征上，它能够间接地表明相应致病微生物的潜在迁移特性。大肠杆菌常被用作为指示性细菌，人类的肠道病毒以及大肠杆菌噬菌体（一种能够感染肠道大肠杆菌的病毒）常被用作为指示性病毒。

DeBorde等（1998）在研究美国蒙大拿州一个中学的化粪池系统时，阐述了其微生物的运移情况。该研究包括了对化粪池及污染晕中人类肠道病毒和大肠杆菌噬菌体的监测，以及在含水层中注入大肠杆菌噬菌体。虽然人类肠道病毒在化粪池和含水层中很少被检测到，但在观测孔中却一直能够检测到大肠杆菌噬菌体。尽管含水层具有强烈的吸附作用，但在距注水井30 m之外的观测孔中仍检测到了细菌。由于含水层性质的变化多种多样，因此对所有条件下致病微生物迁移的准确预测几乎是不可能的。

5.2.3.3 污水灌溉

来自污水处理厂的污水及污泥经常被用来灌溉或施肥，这种处理方法对地下水化学成分的影响与化粪池系统是类似的，但其在含水层中的影响范围要更大一些。用污水及污泥灌溉或施肥时对环境影响最大的污染物是硝酸根。如果场地下部具有好氧包气带，废物中的有机氮或铵将被氧化为硝酸根。在饱水带中，只要保持氧化性条件，硝酸根在迁移过程中将不发生任何转化作用。Spalding等（1993）研究了内布拉斯加州的一个场地，在这里，一块玉米田使用污泥进行施肥，从而在其下游方向形成了一个很大的硝酸根污染晕（图5-2-13）。浓度大于10 mg/L的的范围在地下水位之下延伸了大约15 m，尽管一细粒沉积物透镜体阻止了其进一步下渗。氮同位素分析证实氮的来源是动物排泄物。

地下水化学成分的其他变化是由于废物中的DOC引起的，若大量的DOC到达了潜水面，地下水中将发生氧的消耗作用。在以色列，人们在一块用废水灌溉的耕地之下达30 m深的含水层中发现了厌氧过程的存在（Ronen等，1987），在这种条件下，有机碳通过包气带的迁移过程将长达15年。在前述内布拉斯加州的场地中，DOC在含水层深部引起了反硝化作用发生。地下水中其他主要离子的浓度也随着硝酸根和DOC含量的增大而增加。污泥中金属的含量一般很大，但吸附和沉淀作用通常限制了它们在地下水中的迁移。

图5-2-13 使用污泥施肥形成的硝酸根污染晕

Answer 2

污水主要指生活污水，生活污水是居民日常生活中排出的废水，主要来源于居住建筑和公共建筑，如住宅、机关、学校、医院、商店、公共场所及工业企业卫生间等。生活污水中的污染物多为有机物和大量病原微生物等。
生活污水包括城市生活中的各种洗涤用水、污水以及粪便等，多为无毒的无机盐类，成分比较固定，主要含有碳水化合物、蛋白质、氨基酸、脂肪等有机物，同时，生活污水中氮、磷等植物营养物质含量较多，容易造成水体的富营养化，是水体的主要污染源之一，故需对生活污水进行处理并使其达标后，才能将其排放至江河湖泊中去。
MBR膜一体化设备对生活污水处理效果明显，出水COD、pH值、NH3-N、浊度均符合城市杂用水水质标准。处理后的出水可回用于城市绿化、道路清扫、洗车、冲厕所等。与传统的处理系统相比，省去了二沉池，节省了50%的占地面积，有效截留个体小、生长缓慢的硝化菌，在保证出水水质优质稳定的前提下，满足了杂用水回用的要求，应用MBR膜一体化设备后，生活污水将得到有效治理，居民生活环境得到大力提升。

Answer 3

看污水如何化腐朽为神奇？

Answer 4

多种污水处理工艺

Answer 5