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实践指南
创新农村污水管理
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4.3.5.土地渗滤系统
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4.3.5.土地渗滤系统

概要:
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  土地渗滤系统

  土地渗滤系统(SWIS,也称为渗滤场)接收经过化粪池预处理后的污水,并在污水渗入非饱和土壤进入地下水的过程中,通过生物、物理和化学反应对其进行净化。

  处理过程

  随着污水渗透或通过土壤向下移动,各种复杂的物理、生物和化学过程结合起来对污水进行处理。主要渗透表面是基坑的底部和侧壁。安装穿孔管或地下滴灌管将污水分布在渗透表面上。在传统系统中,多孔介质,通常是砾石或碎石,需放置在分配管道下方和周围,以支撑管道并将来自分配管道的局部流动扩散到开挖的沟槽或床层。在开挖回填之前,将可透水的土工织物或其他合适的材料铺设在多孔介质上,以防止回填土壤中的细颗粒迁移到多孔介质中。污水中的颗粒被土壤过滤、粘附、化学结合或与土壤反应。土壤中的细菌和其他生物会消耗污水中的残留有机物。

  设计配置

  土地渗滤系统有多种配置,是非常适合小村庄的污水处理系统。

  • 污水可以通过重力流或定量分配分配到系统中。

  • 渗透表面可以在天然土壤或进口填充材料中创建。这两种方法的主要区别在于,在自然填充土壤界面处创建了次要渗透表面。

  • 渗透表面可以设计在地下沟槽中,在斜坡上,或在升高的土墩中。

  设计标准:

  一般要求

  • 土地渗滤系统的选址不得有交通或重型设备使用,也不得用作驯养动物的牧场。

  • 该场地必须有不饱和渗透区,以处理系统进水。渗透表面下方应是有氧条件。

  • 土地渗滤系统必须与过于陡峭的斜坡、滑坡和/或浅层地下水和基岩保持足够的距离。也要保持与各种人工建造物之间的距离,包括供水井和泉水、水线和建筑地基。

  • 入渗面底部与地下水之间的最小垂直间距取决于进入系统的污水水质。如果污水经过初步处理(BOD大于30 mg/L),则最小间距应为1m。对于处理过的污水(BOD、TSS 和< 30 mg/L 和总氮 (TN) < 25 mg/L),最小间距为 0.6米。

  • 任何在持久降雨期经常被淹没的倾斜场地都应考虑安装截水帷幕,以保持渗滤区的不饱和条件。

  • 应避免使用侧壁区域作为主要活跃渗透表面。

  • 应设计多个沟槽,以提供定期休息、备用容量和未来维修或更换的空间。通常,土地渗滤系统应设计为具有日流量的 100% 至 200% 的水力容量,以允许土地渗滤系统的部分沟槽定期休息。

  • 最小渗透表面面积取决于每日设计流量和水力负荷。

  沟槽/床的尺寸:

  • 为充分恢复土壤层含氧量,渗透表面的最大深度不应超过最终地坪以下 0.9-1.2 m。在缓慢渗透的土壤中,渗透表面深度应该更小。在寒冷的气候中,可能需要 0.3 到 0.6 m 的最小深度来防止冻结。

  • 在渗透表面狭窄的地方,渗透表面堵塞和由此产生的渗透能力损失较小。因此,沟槽的性能优于床。大多数沟槽宽度范围为 0.3 m 至 0.9 m,不推荐大于 3 m 的床宽。当坡度大于 15% 时,沟槽宽度应减小到 0.3 – 0.5 m。

  • 在重力流系统中,沟槽长度不应大于 30 m,较短的沟槽长度(小于 15 m)更适合加压系统。

  • 侧壁的最小高度应能覆盖分配管道或满足峰值流量存储的要求。

  • 沟槽间距应至少为 1 至 2 m。坡地应加大间距。当坡度大于 15% 时,水平间距需要增加到3 m。

  • 支管的直径不应大于 50 毫米或小于 38 毫米,以便于清洁。

  配水系统:

  • 分配箱和排水箱必须水平放置在牢固、防冻的基础上,以使水量在各出水口之间均匀分配。

  • 分配箱和排水箱中间槽与化粪池之间必须间隔至少 60 厘米的原状土壤。

  • 分配箱的内部尺寸应不超过 30 厘米,并易于检查和维修。

  • 配水管(支管)应放置在沟渠的中心线上。

  • 配水管(支管)应水平安装或沿流动方向倾斜,倾斜坡度30 m 内不超过

  • 5 cm。

  • 配水管末端应加盖。

  • 穿孔管应放置在地表以下至少 15 厘米处,以防止污水渗出。

  • 对于重力流系统,穿孔管的直径应大于 7.5 厘米。最常用的直径为 10 厘米。

  • 对于重力流系统,穿孔应大于 1.25 厘米且不超过 2.5 厘米。

  • 对于重力流系统,穿孔的起点和终点应距沟槽端壁不小于 30 cm。

  • 分配箱(D-box)和配水管之间连接的最小斜率为 1%。

  • 在加压系统中,污水在分配前应使用孔径大于 2 毫米的过滤器进行过滤。

  • 管道中的流速应大于 0.6 m/s 且小于 3 m/s。

  • 根据土壤类型,加压系统的推荐配水量和配水频次如下:

土壤类型

最小配水频次

粗砂、砾石、沙丘等

定时配水

中砂、细砂、壤质砂

每天4次

砂质壤土、壤土、粉砂壤土、粘壤土

每天2次

结构良好的砂质粘土、粉质粘土或粘土

每天4次

  (来源:世界银行,2009)

  • 当坡度大于 25% 时,建议采用窄沟加压系统。

  回填

  • 天然土壤通常用于回填,回填的表面通常略微隆起并种草。

  • 如果沟槽处于地坪水平,则回填层的厚度应至少为 30 厘米。

  特殊情况

特殊条件

高透水土
(场地是砾石或砾石砂和粗碎屑含量高的土壤)

  • 增加垂直间距。

  • 增加配水频次并减少配水水量。

  • 每次配水时的污水分布要一致。

  • 降低水力负荷率,从而扩大处理面积。

  • 使用土壤结构,包括水力容量降低的土壤层,例如土堆或沙衬沟。

渗透性极低的土
(场地是粘土和粘土质地土壤,或不利结构和稠度的土壤)

  • 降低水力负荷率,从而扩大处理面积。

  • 每次配水时的污水分布要一致。

  • 增加配水频率并减少配水水量。

  • 提高利用极低渗透性土壤处理的污水水质。

  • 降低管道负荷率。

特殊土壤
(棱柱状、柱状或板状土壤结构)

通过增加测试坑的数量和完成额外的土壤测试来充分了解现场的土壤。

  (资料来源:萨斯喀彻温省政府,2018)

  (a) 渗透面的设置。渗透表面和限制条件(浅层地下水、岩层或其他水力限制层)之间的垂直分离取决于水力负荷率、污水水质、配水方式和土壤特性。在较粗的土壤中均匀、频繁地配水(超过 12 次/天)可能会减少所需的间隔距离(EPA,2002 年)。通常使用地下或地面水平沟槽。在地下水位高、土壤深度较浅或基岩较浅的地方,可以使用异地材料(例如土壤或沙子)建造土丘,以提高渗透表面并根据需要增加垂直分离。

  (b) 流量分配。经过化粪池预处理后,出水通过重力或加压系统流入土地渗滤区进行处理。污水分布均匀可以保障渗透面得到更充分利用。

  • 重力流。重力流可以应用于化粪池出口和土地渗滤区之间有足够高差的简单地形区域。虽然简单且便宜,但它是效率最低的分配方法(EPA,2002)。大部分出水在沟槽开始处渗入土壤,导致渗入表面分布不均匀,并可能进一步导致局部超负荷和系统故障。

  • 压力流(剂量分布)。如果场地地形平坦,或入渗面海拔高于化粪池出口(如土墩系统),污水将按一定时间间隔泵入分配管线,而不是依靠重力。 “配水和休息”循环允许沟槽周围的土壤重新通气,从而降低土壤堵塞率并更有效地保持底土中的不饱和条件。与重力流管相比,压力计量管通常有更小的直径和更小的穿孔。

  配水量设置。建议采用定时配水并在高峰时储水调节水量的方式。如果采用按需配水,污水排放将集中在污水产生高峰期前后,有可能导致积水。配水量应至少为每日设计流量的 67%。

  (c) 如果采用压力泵系统,将包括高水位紧急警报,在水位升至正常运行水位以上时提醒操作员系统内可能发生问题。报警器电路应与泵的电路分开。

  (d) 沟槽设计。沟槽可以采用并行、顺序或串行配置构建(图 4.13 和表 4.4)。具体配置的选择取决于地形和土壤条件。

图4.13不同沟槽设计示意图

(来源:WERF,2010)

 

表4.10不同沟槽配置的比较

 

平行沟

顺序沟槽

串行沟槽

过程

化粪池的污水首先流入分配箱。一旦分配箱填满至出口,等量的污水就会流到每个沟渠

污水直接流入海拔最高的第一个沟渠。随着沟渠逐渐填满到最高设计水位,出水随后依次流向下一个较低的沟渠。

污水流入第一个沟渠,直到前一个沟渠完全积水后才会进入下一个沟渠。

地形

地势平坦的场地

坡地

坡地

沟槽长度

每个沟槽具有相同的长度和相同的高度。

不需要每个沟槽的长度相等。

不需要每个沟槽的长度相等。

操作

经常出现分布不均。会有倾斜现象,有时选用堰分配装置改善水分配。

在污水流入下一个沟渠之前,一个沟渠必须完全积水。个别沟渠可以停止使用以进行休息。

由于沟渠不断被污水淹没,系统将更快地堵塞,因为渗透表面无法恢复其渗透能力。

  (e) 常规砾石沟和无砾石沟。在传统的砾石系统中,穿孔管被尺寸均匀的水洗砾石包围。将土工织物或类似材料放置在顶部以防止小颗粒进入并堵塞干净的砾石层。砾石之间的空隙空间为污水提供储存空间,避免污水过快淹没土壤。砾石的最佳尺寸在 1.9 厘米至 6.3 厘米之间。由于砾石间空隙中的土壤压实和生物膜发育的共同作用,砾石系统的渗透速率受到一定的限制。

  典型的无砾石系统指没有底部和塑料侧壁的箱室系统。由于污水直接与土壤接触,渗透面积可能比砾石系统高 50% 以上,因为砾石总会掩盖土壤表面。箱室系统还具有比砾石系统更高的储水能力。

  砾石系统适用于当地有大片土地和砾石的场地。砾石的运输会增加建设成本。在砾石稀缺且可用土地有限的地区,无砾石系统更适合,因为材料易于输送且系统占用空间小。

  操作和维护:

  土地渗滤系统几乎不需要操作员干预。典型的操作和维护活动包括:

  • 定期检查压力系统的泵、开关和定时器的功能。

  • 每半年或每一年将污水引导至备用沟渠,以便让运行的沟渠休息。夏季是让沟渠休息的好时机,因为温暖的土壤温度会缩短恢复处理能力所需的时间。

  • 定期检查土地渗滤区域,观察是否有表面积水或其他凹陷或损坏迹象。

  为保护土地渗滤系统,树木或根深的植物应远离土地渗滤区域。禁止在渗滤场建设灌溉系统,任何灌溉水不得流向渗滤场。

  建设成本和运维成本:

  • 一般来说,土地渗滤系统是被动的、有效的和廉价的处理系统。

  • 建设成本和运营成本低。但通常需要专家来评估土壤、设计系统和监督施工。

        适用性:

        • 适用于有大量可用土地的地区;

        •  不适用于环境保护敏感区及地下水水位较高的地区;

        •  该处理系统负荷较低,不适合人口集中、污水量较大的地区。

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