吳耀國1， 王 超2， 王惠民2， 李云峰3
(1.西北工業大學化學工程系，陜西西安710072；2.河海大學環境工程系，江蘇南京210098；
3.長安大學水資源與環境工程系，陜西西安710054)

　　摘 要：在徐州奎河的試驗結果表明，河流—地下水滲流系統對城市污水中的有機質、氮與揮發酚等具有高效、穩定的去除效果，其COD去除率＞95%、揮發酚去除率＞99%、氮去除率＞95%，且未引起土壤及地下水的污染。
　　關鍵詞： 地下滲流系統； 自凈能力； 城市污水
　　中圖分類號：X505
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2002)01-0057-04

1 概況

　　研究場地為徐州市奎河流域。奎河發源于云龍湖，流經十里鋪、徐村和黃橋，向東南方向流入安徽境內，全長約22km。徐州市南部幾乎全部工業、居民生活污水匯入該河，納污量為8.0×10⁴m³/d左右，為典型的城市排污河。河水長期處于缺氧狀態，其COD、NH+4-N與揮發酚污染嚴重，且奎河水質沿水流方向基本無變化，說明該段河流已失去了自凈功能。多年的水質監測結果見表1。

表1 奎河水質監測資料　　mg/L 年份 DO CODCr BOD₅ 揮發酚 總氮 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

　　奎河兩岸為第四系地層，一般為粘土、亞粘土及粉砂土，其中含有孔隙地下水，且富水性均勻，其埋深一般為0.5～4m，屬重碳酸鈣鎂型水，其Cl-濃度大致為26～30mg/L，是當地農村人畜用水的主要水源。在自然狀態下由地下水補給河水，但由于農業用水的需要，沿河設置了多道節制閘蓄水，抬高了河水位，導致河水補給地下水，即地下水的補給源主要為大氣降水與奎河河水。在徐村以北，河水以非飽和流形式補給地下水；以南則以飽和流形式補給地下水。

2 地下水水質監測

　　為研究該系統對城市污水的凈化作用，沿奎河在徐村與黃橋布置了兩個斷面，分別布置3個地下水監測井，井深均為10 m左右，各井與河流的距離見表2。 表2 斷面監測井與奎河的距離m 斷面位置 徐村 黃橋 監測井的符號 Ⅰ1 Ⅰ2 Ⅰ3 Ⅱ1 Ⅱ2 Ⅱ3 垂向河流的距離 19 36 55.5 40 62.6 138.6

　　1995年2、4、6和8月在各監測井分別采樣，將其分析結果與《污水綜合排放標準》(GB 8978—88)對比可見(見表3)，盡管奎河污染嚴重，但其沿岸地下水的所有水質指標均優于一級排放標準；再與《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—85)比較，除黃橋斷面的硬度超標外，其他項目均符合飲用水水質標準。這表明該系統具有很高的凈化城市污水的功能。從污染現狀看，徐村處僅在距河流約19m范圍內的地下水中NH+4-N與Cl-濃度大于其相應的背景值，表現為呈沿河的窄帶狀污染；而黃橋斷面處地下水中的Cl-濃度則遠大于其背景值，在距河岸138.6m處是其背景值的一倍以上，Cl^-與硬度污染呈沿河較寬的帶狀污染暈。可見，河水為河沿岸地下水的補給源，在飽和滲流形式下河流對地下水水質與水量的影響均大于非飽和滲流。

表3 1995年2月—8月地下水水質監測結果 井號 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) 井號 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： -表示該組分濃度低于檢出值，硬度以CaCO3計，揮發酚 未檢出。

3 系統的凈化作用

　　① 污水處理能力
　　河流—地下水滲流系統處理污水量(Q)可用下式計算：
　　Q=-k(θ)（ΔH／m）ω　　　　　(1)
　　式中　k(θ)——滲流系統的導水率
　　　　　m——滲流系統的厚度
　　　　　ΔH——厚度為m的滲流系統兩側水頭差
　　　　　ω——河床滲流面積
　　在m、ΔH、m及ω相同時，非飽和滲流遠小于飽和滲流狀態下的滲流量，這也是研究區域地下水污染的特點。從處理能力的角度而言，應多利用飽和滲流處理系統。由式(1)可知，可通過開采地下水降低其水位，或抬高河水位、增大ΔH，來提高系統處理污水的能力。
　　② 系統處理效果
　　奎河沿岸地下水主要來自河水與大氣降水。Cl-為保守性離子，可作為示蹤劑根據質量守恒原理判斷地下水來源于河水的多寡(x)：

　　x=（C₁-C₀）／Cs×100%　　　　　　　(2)
　　式中　C₁ ——觀測井地下水示蹤劑濃度，mg/L
　　　　　C₀——研究區地下水示蹤劑背景值，mg/L
　　　　　Cs——河水中示蹤劑的濃度，mg/L
　　　　　x——地下水來源于河水的體積百分比
　　根據式(2)可以判斷，Ⅰ1號井地下水中來源于河水的比例大致為20.38%、19.56%、22.0%和21.88%，該井地下水中TN濃度為3.6、3.45、3.89和3.86 mg/L，若再考 慮地表的其他氮污染源，則TN的理論值與實際值(見表3)十分接近，表明河流—地下水滲流系統在非飽和滲流時對氮沒有去除作用。同理可以計算出Ⅱ1號井地下水中TN濃度應為15.67、14.35、16.11和16.01 mg/L，而實際上分別僅為0.35、0.23、0.43和0.24 mg /L，表明該系統在飽和滲流時可去除水體中的氮。
　　系統中某點處對污染物的去除率(Rx)表示從進水源點到該處系統對污染物的去除能力，計算公式為：
　　Rx=（Cs-Cx）／Cs　　(3)
　　式中 Cs——污染源處的污染物濃度，mg/L
Cx——系統中沿水流方向上距污染源為x處污染物濃度，mg/L
　　由式(3)可得，Ⅱ1號井處氮的去除率分別為97.78%、98.38%、97.33%和98.5%，表明河流—地下水滲流系統為飽和滲流時對氮去除效果很好。通過表3可知，在徐村河流—地下水非飽和滲流斷面地下水中氮以NO₃-N為主，且還有NO₂-N，表明該系統在發生氮轉化，且以硝化作用為主，但作用程度不顯著；在黃橋河流—地下水飽和滲流斷面，地下水中氮以NH+4-N為主，TN濃度遠小于入滲水，說明該系統的氮不僅發生了硝化作用，而且也發生了反硝化作用，因而出現了只有河流—地下水飽和滲流系統對氮才有去除作用的現象。
　　同理可以計算出非飽和滲流系統與飽和滲流系統對COD、揮發酚的去除能力(表4、5)。

表4 非飽和滲流系統的除污效果(徐村Ⅰ斷面處)　% 井號 COD去除率 揮發酚去除率 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 飽和滲流系統的除污效果(黃橋Ⅱ斷面處) % 井號 TN去除率 COD去除率 揮發酚去除率 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

　　無論是非飽和滲流系統還是飽和滲流系統，對COD、揮發酚均具有一定的去除作用，揮發酚的去除率高達100%，但非飽和滲流系統對COD去除率＜80%，而飽和滲流系統＞95%。
　　揮發酚具有揮發性與較高的固液分配系數，以致河床沉積物對其具有較高的吸附作用，因而 非飽和滲流系統與飽和滲流系統對其均具有較高的去除作用。飽和滲流系統中同時存在的好 氧環境與厭氧環境，不僅利于氮轉化、實現脫氮作用，也利于有機物的生物降解，其COD去除率高。
　　綜上可知，從對污染物的處理效果優劣來講，應多利用河流—地下水飽和滲流系統，因此以下提到的河流—地下水滲流系統均指飽和滲流系統。
　　③ 系統特點
　　表5中計算氮、COD、揮發酚去除率時，均假設其在地下水中背景值為零。實際上地下水的氮、COD、揮發酚背景值不可能為零，即河流—地下水滲流系統對相應組分的去除率應該更高。由表5知，系統對污染物的去除率高效穩定，且不隨季節而變化，可常年運行。
　　這是由于研究區凍土層厚度小，在地下10 m左右的土壤溫度受氣候影響小，系統處于相對恒溫狀態，有利于生物作用的進行，保證了該系統具有穩定的污染物去除率。

4 對土壤環境的影響

　　對該區域土樣的監測結果見表6(研究區地下水埋深為0.5 m)。

表6 土壤監測資料 土壤層埋深(cm) 有機質(%) 全氮(%) 有效氮(%) 總磷(%) 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的土層中有機質等含量基本相同，且明顯小于上部，說明不可能形成有機質等在該系統土壤中的積累。由于河流沉積層及淺層土壤對重金屬具有吸附作用，姜翠玲等研究發現，在奎河兩岸的土壤中也無鉻、鉛及鎘等重金屬的積累。上述結果說明，奎河河流—地下水滲流系統沒有引起系統內土壤環境的污染。

5 結論

　　① 河流—地下水滲流系統對城市污水的有機物、氮、磷及重金屬等的處理能力明顯優于其他污水自然生物處理系統，且不引起土壤及地下水污染，不受季節變化的影響。
　　② 河流—地下水滲流系統可彌補其他污水自然生物處理系統的缺點，充分利用土壤的滲透性能與土系統、水系統的凈化作用，若設計、規劃合理，完全可避免土壤、地下水污染等問題。
　　③ 河流—地下水滲流系統是一種集城市污水處理、污水資源化、水資源的合理利用與開發于一體的集成污水處理技術，具有很好的推廣價值。

參考文獻：

［1］ 張自杰.排水工程［M］.北京：中國建筑工業出版社，1996.
［2］ 程樹培.環境生物技術［M］.南京：南京大學出版社，1994.
［3］ 高拯民，李憲法.城市污水土地處理利用手冊［M］.北京：中國標準出版社，1990.
［4］ J Stauffer.水危機—尋找解決淡水污染的方案［M］.北京：科學出版社，2000.
　　［5］ 唐受印.水處理工程師手冊［M］.北京：化學工業出版社，2000.
［6］ 劉兆昌，張蘭生，聶永豐，等.地下水系統的污染與控制［M］.北京：中國環境科學出版社，1991.
　　［7］陳勇生，莊源益，戴樹桂.對氯酚的生物降解及其污染土壤的生物探索［J］.環境化學，199 9，18(1)：82-86.
［8］吳耀國，王惠明，王超.徐州市奎河河流—地下水滲流系統處理水體中氮［J］.上海環境科學，2000，19(1)：23-25.
［9］姜翠玲，夏自強，劉玲.污灌對奎河兩岸土壤和地下水環境要素的影響［J］.河海大學學報，1997，25(5)：114-116.
［10］張清敏，胡國臣.強化土壤生態系統凈化機能的研究進展［J］.環境科學進展，1999，7(1)：18-24.

　　E-mail:wuygal@pub.xaonline.com
　　收稿日期：2001-10-11