摘要:介紹了國內(nèi)外穩(wěn)定塘污水處理技術(shù)研究和運(yùn)用方面的最新進(jìn)展,指出了穩(wěn)定塘作為一項(xiàng)高效實(shí)用的環(huán)保技術(shù)的優(yōu)勢和發(fā)展趨勢.

關(guān)鍵詞:穩(wěn)定塘;廢水處理;資源化利用

1　穩(wěn)定塘技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展
　　
1901年,世界第一個有記錄的穩(wěn)定塘系統(tǒng)修建于美國得克薩斯州的圣安東尼奧市.1920年,歐洲最早的穩(wěn)定塘修建于德國巴伐利亞州的慕尼黑市.其后的一段時間,該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展幾乎處于停滯狀態(tài),主要原因在于穩(wěn)定塘占地面積較大.但是,相對于其它污水處理技術(shù),穩(wěn)定塘的最大優(yōu)勢在于建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行成本很低,受全球能源危機(jī)的影響,近三四十年,能耗較低且運(yùn)行穩(wěn)定的穩(wěn)定塘技術(shù)得到較快發(fā)展.目前,美國有7000多座穩(wěn)定塘,德國有2000多座穩(wěn)定塘,法國有1500多座穩(wěn)定塘,在俄羅斯,穩(wěn)定塘已成為小城鎮(zhèn)污水處理的主要方法.穩(wěn)定塘除了能夠很好地處理生活污水,對各種廢水也都表現(xiàn)出優(yōu)異的處理效果,廣泛應(yīng)用于處理石油、化工、紡織、皮革、食品、制糖、造紙等工業(yè)廢水。
　　
我國于20世紀(jì)50年代就開始了對穩(wěn)定塘污水處理技術(shù)的研究.20世紀(jì)80年代,國家環(huán)保局主持了被列為國家“七五”和“八五”科技攻關(guān)項(xiàng)目的氧化塘技術(shù)研究,在穩(wěn)定塘的生物強(qiáng)化處理機(jī)理、設(shè)施運(yùn)行規(guī)律、設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)等方面,取得了許多有價值的研究成果.目前,我國規(guī)模較大的穩(wěn)定塘有:

日處理20萬m3城市污水的齊齊哈爾穩(wěn)定塘、日處理17萬m3城市污水的西安漕運(yùn)河穩(wěn)定塘、日處理3萬m3城市污水的山東膠州氧化塘和日處理8萬m3化工廢水的湖北鴨兒湖氧化塘等.

2　穩(wěn)定塘技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀
　　
隨著研究和實(shí)踐的逐步深入,在原有穩(wěn)定塘技術(shù)的基礎(chǔ)上,發(fā)展了很多新型塘和組合塘工藝.這些技術(shù)或者進(jìn)一步強(qiáng)化了穩(wěn)定塘的優(yōu)勢,或者彌補(bǔ)了原有技術(shù)的不足.

2.1　新型的穩(wěn)定塘技術(shù)
　　
針對穩(wěn)定塘存在諸如水力停留時間較長、占地面積過大、積泥嚴(yán)重和散發(fā)臭味等問題,人們不斷地對穩(wěn)定塘進(jìn)行改良,出現(xiàn)了許多新型塘.

2.1.1　活性藻系統(tǒng)
　　
以色列Shelef&Azov等人系統(tǒng)研究并發(fā)展了這項(xiàng)技術(shù).活性藻系統(tǒng)是根據(jù)藻菌共生原理,在系統(tǒng)內(nèi)培養(yǎng)合適的菌類和藻類,利用藻類供氧以減少人工供氧量,從而進(jìn)一步降低污水處理能耗和運(yùn)行成本.而且,還可以用大量繁殖菌藻的方式進(jìn)行污水凈化、再生和副產(chǎn)藻類蛋白,這類穩(wěn)定塘又稱為高速率氧化塘.

2.1.2　高效藻類塘[1]
　　
高效藻類塘(highratealagepond)是美國加州大學(xué)伯克利分校的Oswald提出并發(fā)展的,高效穩(wěn)定塘不同于傳統(tǒng)穩(wěn)定塘的特征主要表現(xiàn)在四方面:①較淺的塘的深度,一般為0.3～0.6m,而傳統(tǒng)的穩(wěn)定塘的深度,根據(jù)其類型塘內(nèi)深度一般在0.5～2.0m;②有一垂直于塘內(nèi)廊道的連續(xù)攪拌的裝置;③較短的停留時間,一般為4～10d左右,比一般的穩(wěn)定塘的停留時間短7～10倍;④高效藻類塘的寬度較窄,且被分成幾個狹長的廊道.這樣的構(gòu)造可以很好地配合塘中的連續(xù)攪拌裝置,促進(jìn)污水的完全混合,調(diào)節(jié)塘內(nèi)氧和CO2的濃度,均衡池內(nèi)水溫以及促進(jìn)氨氮的吹脫作用.以上四種特征創(chuàng)造了有利于藻類和細(xì)菌生長繁殖的環(huán)境,強(qiáng)化藻類和細(xì)菌之間的相互作用,所以高效藻類塘內(nèi)有著比一般穩(wěn)定塘更加豐富多樣的生物相,對有機(jī)物、氨氮和磷有著良好的去除效果,從而大大減少占地面積.現(xiàn)在高效穩(wěn)定塘在美國、法國、德國、南非、以色列、菲律賓、泰國、印度、新加坡等國都有應(yīng)用.

2.1.3　水生植物塘
　　
利用高等水生植物,主要是水生維管束植物提高穩(wěn)定塘處理效率,控制出水藻類,除去水中的有機(jī)毒物及微量重金屬.研究表明,生長速度最快和改善水質(zhì)效果最好的水生維管植物有水葫蘆、水花生、美國爵床和寬葉香蒲.
　　
此外,國外在此項(xiàng)基礎(chǔ)上,發(fā)展了太陽能水生植物塘.

2.1.4　懸掛人工介質(zhì)塘
　　
在穩(wěn)定塘內(nèi)懸掛比表面積大的人工介質(zhì),如纖維填料,為藻菌提供固著生長場所,提高其濃度來加速塘內(nèi)去除有機(jī)質(zhì)的反應(yīng),從而改善塘的出水水質(zhì).

2.1.5　超深厭氧塘[2]
　　
超深厭氧塘是另一種穩(wěn)定塘新工藝,與常規(guī)厭氧塘相比,具有BOD5容積負(fù)荷大,占地面積小,受溫度影響小的優(yōu)點(diǎn).有先例表明,在AIPS系統(tǒng)中深6m厭氧坑運(yùn)行25a而不需清淤,說明底泥消化完全.美國OsMald提出的“高級綜合塘系統(tǒng)”(AIPS)中,在兼性塘內(nèi)設(shè)置6m深的厭氧坑.污水從坑底進(jìn)入塘內(nèi),坑內(nèi)污水上升流速很小,大約污水的全部SS和70%BOD5在坑中被去除.英國Mara等人研究的超深厭氧塘,深達(dá)15m.

2.1.6　移動式曝氣塘
　　
普通曝氣塘多為固定式曝氣.移動式曝氣近似于有多個曝氣器同時運(yùn)轉(zhuǎn),可縮短氧分子擴(kuò)散所需時間,含氧水也隨著移動式曝氣器的移動而遷移,進(jìn)一步縮短氧分子擴(kuò)散所需時間.曝氣器的移動還有利于保持塘內(nèi)溶解氧均勻分布而避免死角.

2.2　組合塘工藝
　　
組合塘工藝可分為兩大類型:一是與生物濾池或生物轉(zhuǎn)盤、活性污泥法組合,作為二級處理的補(bǔ)充;二是各類塘型的組合,這里主要介紹后者.

2.2.1　多級串聯(lián)塘[3]
　　
串聯(lián)穩(wěn)定塘是目前國外普遍采用的一種穩(wěn)定塘設(shè)計(jì)方式.Mara和R.S.Ramalho等人提出串聯(lián)穩(wěn)定塘可以提高水處理效率.研究表明,串聯(lián)穩(wěn)定塘較之單塘不僅出水藻菌濃度低,BOD、COD、N和P的去除率高,而且只需較短的水力停留時間.人們通過染料試驗(yàn)證實(shí)了單塘結(jié)構(gòu)的氧化塘短路現(xiàn)象嚴(yán)重,存在很多死水區(qū),將單塘改造成多級串聯(lián)塘,其流態(tài)更接近于推流反應(yīng)器的形式,從而減少了短流現(xiàn)象,提高了單位容積的處理效率.其次,從微生物的生態(tài)結(jié)構(gòu)看,多級串聯(lián)有助于污水的逐級遞變,減少了反混現(xiàn)象,使有機(jī)物降解過程趨于穩(wěn)定.由于不同的水質(zhì)適合不同的微生物生長,串聯(lián)穩(wěn)定塘各級水質(zhì)在遞變過程中,會產(chǎn)生各自相適應(yīng)的優(yōu)勢菌種,因而更有利于發(fā)揮各種微生物的凈化作用.因此,確定合適的串聯(lián)級數(shù),考慮分隔效應(yīng),找到最佳的容積分配比特別重要.典型的串聯(lián)方式如“厭—兼—好”組合塘工藝,可比“兼—好”塘系統(tǒng)節(jié)省占地40%.

2.2.2　高級綜合塘系統(tǒng)(AIPS)[4]
　　
普通塘系統(tǒng)(或常規(guī)塘系統(tǒng))由兼性塘、厭氧塘、曝氣塘、好氧塘4種普通形式的塘以多種不同的組合方式組成.但是,普通塘系統(tǒng)的一些缺點(diǎn)和局限性影響了其推廣和應(yīng)用.從20世紀(jì)70年代末開始,美國著手研究和開發(fā)了一些新型的單元塘和塘系統(tǒng).由美國加州大學(xué)W.J.Oswald教授研究開發(fā)的由高級兼性塘、高負(fù)荷藻塘、藻沉淀和熟化塘4種塘串聯(lián)組成高級綜塘系統(tǒng),每一個塘為達(dá)到預(yù)期目的而被專門設(shè)計(jì).高級綜合塘系統(tǒng)與普通塘系統(tǒng)相比,具有如下一些優(yōu)點(diǎn):水力負(fù)荷率和有機(jī)負(fù)荷率較大,而水力停留時間較短;節(jié)省能耗;基建和運(yùn)行費(fèi)用較低;能實(shí)現(xiàn)水的回收和再用,以及其它資源的回收.

2.2.3　生態(tài)綜合系統(tǒng)塘[5-6]
　　
利用生態(tài)系統(tǒng)處理污水與現(xiàn)在通用的生物處理概念不同,其工作原理是以太陽能為初始能源,利用食物鏈(網(wǎng))中各營養(yǎng)級上多種多樣的生物種群的分工合作來完成污水的凈化.具體是在污水處理生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈(網(wǎng))中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量傳遞過程中實(shí)現(xiàn)的.生態(tài)塘的核心是食物鏈(網(wǎng)),而食物鏈(網(wǎng))中的核心是生物種屬的合理構(gòu)成.生態(tài)塘系統(tǒng)采用天然和人工放
養(yǎng)相結(jié)合,對生態(tài)塘系統(tǒng)中的生物種屬進(jìn)行優(yōu)化組合,使污水中能量得以高效地利用,使有機(jī)污染物得以最大限度地在食物鏈(網(wǎng))中進(jìn)行降解和去除.在生態(tài)塘中,還可以以水生作物、水產(chǎn)和水禽形式作為資源回收,凈化的污水可作為再生水資源予以回收再用.

3　穩(wěn)定塘的發(fā)展趨勢
　　
針對穩(wěn)定塘技術(shù)中存在的不足,從節(jié)約占地、提高效率上進(jìn)行革新,使穩(wěn)定塘技術(shù)越來越成為一種實(shí)用高效的污水處理工藝.未來的穩(wěn)定塘污水處理技術(shù)將會有以下特點(diǎn).

3.1　正規(guī)化
　　
現(xiàn)代的穩(wěn)定塘不象以往直接利用天然的坑、塘、洼地稍加修整而成,一般事先都經(jīng)過精確的設(shè)計(jì),不僅重視作為工藝主單元的塘體設(shè)計(jì),而且配備包括預(yù)處理、附屬設(shè)備等其它常規(guī)設(shè)施.
　　
以前,國內(nèi)大多數(shù)穩(wěn)定塘由于預(yù)處理不當(dāng)或根本無預(yù)處理,使運(yùn)行過程中底泥淤積嚴(yán)重,導(dǎo)致塘有效容積急劇縮小或塘失效.以預(yù)處理、附屬設(shè)備等作為穩(wěn)定塘的配套措施,可以克服塘中的污泥淤積問題,改善處理效果和環(huán)境衛(wèi)生條件.例如,在氧化塘前設(shè)置水解池作為預(yù)處理構(gòu)筑物,水解池SS的去除率高達(dá)78%,強(qiáng)化了對有機(jī)污染物的去除,有效地減輕了后續(xù)氧化塘
的淤積程度.
　　
現(xiàn)在穩(wěn)定塘的設(shè)計(jì)有了扎實(shí)的理論作為指導(dǎo),長期以來,積累了大量對穩(wěn)定塘的污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、凈化機(jī)理、氧傳遞規(guī)律、水力學(xué)特性、容積分配、生物群落演變、塘型組合的研究成果.例如,建立了關(guān)于兼性塘的24個動力學(xué)模型公式,包括理論方程和經(jīng)驗(yàn)方程等,并已由美國Tennessee大學(xué)的E.JoeMiddlebrooks教授驗(yàn)證認(rèn)為可行.我國通過大量的試驗(yàn),已取得了不同地區(qū)、不同塘型的工藝參數(shù),對設(shè)計(jì)有著重要的參考價值.近來還開發(fā)了“穩(wěn)定塘輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)”應(yīng)用軟件.

3.2　高效化
　　
節(jié)省占地、提高處理效率是近年來穩(wěn)定塘研究的主要目的.如前所述,現(xiàn)在發(fā)展了很多高效新型塘,在這些塘中,有的是通過改善塘型,對天然塘型進(jìn)行精確修整、分隔組合,使之更加符合高效反應(yīng)器的合理構(gòu)造;有的引入了人工強(qiáng)化技術(shù)[7],通過改善微生物生存環(huán)境和利用生物的綜合效應(yīng),提高穩(wěn)定塘的有機(jī)負(fù)荷,減少污水停留時間.

3.3　系統(tǒng)化
　　
自從人們認(rèn)識到串聯(lián)塘的優(yōu)越性之后,各種組合塘工藝應(yīng)運(yùn)而生.先是普通塘之間的組合,接著又出現(xiàn)了高級綜合塘系統(tǒng),現(xiàn)在則是流行生態(tài)綜合塘系統(tǒng).高效化的穩(wěn)定塘決不是一個大面積的水塘,未來的穩(wěn)定塘必然是包括預(yù)處理措施、合理的塘型組合、放養(yǎng)去污能力強(qiáng)的水生植物或設(shè)置人工強(qiáng)化基質(zhì)、生態(tài)養(yǎng)殖和污水綜合利用等組成的更為復(fù)雜的系統(tǒng)工程.
　　
由于塘本身就是一個由細(xì)菌、藻類、微型動物(原生動物和后生動物)、水生植物以及其它水生動物組成的系統(tǒng),各種塘型組合之后,又形成一個更為復(fù)雜的系統(tǒng).因此,人們開始逐步重視用系統(tǒng)科學(xué)的分析方法去研究和解決穩(wěn)定塘的問題,將系統(tǒng)工程原理應(yīng)用于研究穩(wěn)定塘的實(shí)踐之中.

3.4　生態(tài)化與資源化[6,8]
　　
穩(wěn)定塘中,容易出現(xiàn)藻類過量繁殖,使受納水體二次污染,往往需采用較復(fù)雜和昂貴的除藻技術(shù).我國的研究已經(jīng)突破了菌藻共生塘的界限,發(fā)展成生態(tài)系統(tǒng)塘.經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),生態(tài)塘出水中的浮游生物的生物量對穩(wěn)定塘的水質(zhì)凈化效率有很大的影響.在生態(tài)塘中通過建立菌、藻→浮游動物→魚→鴨、藻→貝、螺、水草→鵝、鴨等各種食物鏈,使之具有穩(wěn)定的生態(tài)結(jié)構(gòu),不僅對污水中的污染物進(jìn)行有效的凈化,而且便于綜合利用.
　　
發(fā)展生態(tài)塘系統(tǒng),將污水凈化、出水資源化和綜合利用相結(jié)合,一方面凈化后的污水可作為再生水資源予以回收再用,使污水處理與利用結(jié)合起來,可以實(shí)現(xiàn)污水處理資源化和水的良性循環(huán);另一方面,以水生作物、水產(chǎn)(如魚、蝦、蟹、蚌等)和水禽(如鴨、鵝等)形式作為資源回收,提高穩(wěn)定塘的綜合效益,甚至做到“以塘養(yǎng)塘”.生態(tài)塘與當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)農(nóng)業(yè)相結(jié)合,成為生態(tài)農(nóng)業(yè)的一個組成部分,即污水回收與再用的生態(tài)農(nóng)業(yè).生態(tài)塘還作為城市污水資源化生態(tài)工程的形式之一,符合生態(tài)學(xué)規(guī)律,改變了原有污染物的流轉(zhuǎn)途徑,達(dá)到了新的符合人類需要的動態(tài)平衡和良性循環(huán).生態(tài)塘是生態(tài)化和資源化的結(jié)合體,它特別適合我國國情,具有良好的發(fā)展前景.因此,走生態(tài)化和資源化相結(jié)合的道路是穩(wěn)定塘發(fā)展的最終出路.
　　
現(xiàn)在,人們從生態(tài)學(xué)角度出發(fā),走生態(tài)化和資源化相結(jié)合的路子,明確以生態(tài)學(xué)的基本思想為指導(dǎo),考慮綜合利用,研究和解決穩(wěn)定塘的問題.生態(tài)學(xué)的重要思想之一是其整體性觀含,強(qiáng)調(diào)必要的相互關(guān)系、相互儲存及因果關(guān)系.從這一思想出發(fā),在穩(wěn)定塘的研究中,以菌、藻的活動為主體,以主要營養(yǎng)元素C、N、P的遷移為線索,建立系統(tǒng)內(nèi)各種生物、化學(xué)反應(yīng)之間的聯(lián)系,必將有助于全面認(rèn)識穩(wěn)定塘的機(jī)理,提高穩(wěn)定塘設(shè)計(jì)的合理性,使穩(wěn)定塘技術(shù)有更大的發(fā)展.

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