穩定塘污水處理技術(shù)的應用現狀與發(fā)展

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

關(guān)鍵詞:穩定塘;廢水處理;資源化利用

1　穩定塘技術(shù)在國內外的發(fā)展
　　
1901年,世界第一個(gè)有記錄的穩定塘系統修建于美國得克薩斯州的圣安東尼奧市.1920年,歐洲最早的穩定塘修建于德國巴伐利亞州的慕尼黑市.其后的一段時(shí)間,該項技術(shù)的發(fā)展幾乎處于停滯狀態(tài),主要原因在于穩定塘占地面積較大.但是,相對于其它污水處理技術(shù),穩定塘的最大優(yōu)勢在于建設費用和運行成本很低,受全球能源危機的影響,近三四十年,能耗較低且運行穩定的穩定塘技術(shù)得到較快發(fā)展.目前,美國有7000多座穩定塘,德國有2000多座穩定塘,法國有1500多座穩定塘,在俄羅斯,穩定塘已成為小城鎮污水處理的主要方法.穩定塘除了能夠很好地處理生活污水,對各種廢水也都表現出優(yōu)異的處理效果,廣泛應用于處理石油、化工、紡織、皮革、食品、制糖、造紙等工業(yè)廢水。
　　
我國于20世紀50年代就開(kāi)始了對穩定塘污水處理技術(shù)的研究.20世紀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)項目的氧化塘技術(shù)研究,在穩定塘的生物強化處理機理、設施運行規律、設計運行參數等方面,取得了許多有價(jià)值的研究成果.目前,我國規模較大的穩定塘有:

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

2　穩定塘技術(shù)的應用現狀
　　
隨著(zhù)研究和實(shí)踐的逐步深入,在原有穩定塘技術(shù)的基礎上,發(fā)展了很多新型塘和組合塘工藝.這些技術(shù)或者進(jìn)一步強化了穩定塘的優(yōu)勢,或者彌補了原有技術(shù)的不足.

2.1　新型的穩定塘技術(shù)
　　
針對穩定塘存在諸如水力停留時(shí)間較長(cháng)、占地面積過(guò)大、積泥嚴重和散發(fā)臭味等問(wèn)題,人們不斷地對穩定塘進(jìn)行改良,出現了許多新型塘.

2.1.1　活性藻系統
　　
以色列Shelef&Azov等人系統研究并發(fā)展了這項技術(shù).活性藻系統是根據藻菌共生原理,在系統內培養合適的菌類(lèi)和藻類(lèi),利用藻類(lèi)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(lèi)蛋白,這類(lèi)穩定塘又稱(chēng)為高速率氧化塘.

2.1.2　高效藻類(lèi)塘[1]
　　
高效藻類(lèi)塘(highratealagepond)是美國加州大學(xué)伯克利分校的Oswald提出并發(fā)展的,高效穩定塘不同于傳統穩定塘的特征主要表現在四方面:①較淺的塘的深度,一般為0.3～0.6m,而傳統的穩定塘的深度,根據其類(lèi)型塘內深度一般在0.5～2.0m;②有一垂直于塘內廊道的連續攪拌的裝置;③較短的停留時(shí)間,一般為4～10d左右,比一般的穩定塘的停留時(shí)間短7～10倍;④高效藻類(lèi)塘的寬度較窄,且被分成幾個(gè)狹長(cháng)的廊道.這樣的構造可以很好地配合塘中的連續攪拌裝置,促進(jìn)污水的完全混合,調節塘內氧和CO2的濃度,均衡池內水溫以及促進(jìn)氨氮的吹脫作用.以上四種特征創(chuàng )造了有利于藻類(lèi)和細菌生長(cháng)繁殖的環(huán)境,強化藻類(lèi)和細菌之間的相互作用,所以高效藻類(lèi)塘內有著(zhù)比一般穩定塘更加豐富多樣的生物相,對有機物、氨氮和磷有著(zhù)良好的去除效果,從而大大減少占地面積.現在高效穩定塘在美國、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定塘處理效率,控制出水藻類(lèi),除去水中的有機毒物及微量重金屬.研究表明,生長(cháng)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,國外在此項基礎上,發(fā)展了太陽(yáng)能水生植物塘.

2.1.4　懸掛人工介質(zhì)塘
　　
在穩定塘內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(zhù)生長(cháng)場(chǎng)所,提高其濃度來(lái)加速塘內去除有機質(zhì)的反應,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定塘新工藝,與常規厭氧塘相比,具有BOD5容積負荷大,占地面積小,受溫度影響小的優(yōu)點(diǎn).有先例表明,在A(yíng)IPS系統中深6m厭氧坑運行25a而不需清淤,說(shuō)明底泥消化完全.美國OsMald提出的“高級綜合塘系統”(AIPS)中,在兼性塘內設置6m深的厭氧坑.污水從坑底進(jìn)入塘內,坑內污水上升流速很小,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15m.

2.1.6　移動(dòng)式曝氣塘
　　
普通曝氣塘多為固定式曝氣.移動(dòng)式曝氣近似于有多個(gè)曝氣器同時(shí)運轉,可縮短氧分子擴散所需時(shí)間,含氧水也隨著(zhù)移動(dòng)式曝氣器的移動(dòng)而遷移,進(jìn)一步縮短氧分子擴散所需時(shí)間.曝氣器的移動(dòng)還有利于保持塘內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(lèi)型:一是與生物濾池或生物轉盤(pán)、活性污泥法組合,作為二級處理的補充;二是各類(lèi)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)穩定塘是目前國外普遍采用的一種穩定塘設計方式.Mara和R.S.Ramalho等人提出串聯(lián)穩定塘可以提高水處理效率.研究表明,串聯(lián)穩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(shí)間.人們通過(guò)染料試驗證實(shí)了單塘結構的氧化塘短路現象嚴重,存在很多死水區,將單塘改造成多級串聯(lián)塘,其流態(tài)更接近于推流反應器的形式,從而減少了短流現象,提高了單位容積的處理效率.其次,從微生物的生態(tài)結構看,多級串聯(lián)有助于污水的逐級遞變,減少了反混現象,使有機物降解過(guò)程趨于穩定.由于不同的水質(zhì)適合不同的微生物生長(cháng),串聯(lián)穩定塘各級水質(zhì)在遞變過(guò)程中,會(huì )產(chǎn)生各自相適應的優(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,考慮分隔效應,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”塘系統節省占地40%.

2.2.2　高級綜合塘系統(AIPS)[4]
　　
普通塘系統(或常規塘系統)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,普通塘系統的一些缺點(diǎn)和局限性影響了其推廣和應用.從20世紀70年代末開(kāi)始,美國著(zhù)手研究和開(kāi)發(fā)了一些新型的單元塘和塘系統.由美國加州大學(xué)W.J.Oswald教授研究開(kāi)發(fā)的由高級兼性塘、高負荷藻塘、藻沉淀和熟化塘4種塘串聯(lián)組成高級綜塘系統,每一個(gè)塘為達到預期目的而被專(zhuān)門(mén)設計.高級綜合塘系統與普通塘系統相比,具有如下一些優(yōu)點(diǎn):水力負荷率和有機負荷率較大,而水力停留時(shí)間較短;節省能耗;基建和運行費用較低;能實(shí)現水的回收和再用,以及其它資源的回收.

2.2.3　生態(tài)綜合系統塘[5-6]
　　
利用生態(tài)系統處理污水與現在通用的生物處理概念不同,其工作原理是以太陽(yáng)能為初始能源,利用食物鏈(網(wǎng))中各營(yíng)養級上多種多樣的生物種群的分工合作來(lái)完成污水的凈化.具體是在污水處理生態(tài)系統的食物鏈(網(wǎng))中的物質(zhì)轉化和能量傳遞過(guò)程中實(shí)現的.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成.生態(tài)塘系統采用天然和人工放
養相結合,對生態(tài)塘系統中的生物種屬進(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　穩定塘的發(fā)展趨勢
　　
針對穩定塘技術(shù)中存在的不足,從節約占地、提高效率上進(jìn)行革新,使穩定塘技術(shù)越來(lái)越成為一種實(shí)用高效的污水處理工藝.未來(lái)的穩定塘污水處理技術(shù)將會(huì )有以下特點(diǎn).

3.1　正規化
　　
現代的穩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(guò)精確的設計,不僅重視作為工藝主單元的塘體設計,而且配備包括預處理、附屬設備等其它常規設施.
　　
以前,國內大多數穩定塘由于預處理不當或根本無(wú)預處理,使運行過(guò)程中底泥淤積嚴重,導致塘有效容積急劇縮小或塘失效.以預處理、附屬設備等作為穩定塘的配套措施,可以克服塘中的污泥淤積問(wèn)題,改善處理效果和環(huán)境衛生條件.例如,在氧化塘前設置水解池作為預處理構筑物,水解池SS的去除率高達78%,強化了對有機污染物的去除,有效地減輕了后續氧化塘
的淤積程度.
　　
現在穩定塘的設計有了扎實(shí)的理論作為指導,長(cháng)期以來(lái),積累了大量對穩定塘的污染物遷移轉化規律、凈化機理、氧傳遞規律、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(gè)動(dòng)力學(xué)模型公式,包括理論方程和經(jīng)驗方程等,并已由美國Tennessee大學(xué)的E.JoeMiddlebrooks教授驗證認為可行.我國通過(guò)大量的試驗,已取得了不同地區、不同塘型的工藝參數,對設計有著(zhù)重要的參考價(jià)值.近來(lái)還開(kāi)發(fā)了“穩定塘輔助設計系統”應用軟件.

3.2　高效化
　　
節省占地、提高處理效率是近年來(lái)穩定塘研究的主要目的.如前所述,現在發(fā)展了很多高效新型塘,在這些塘中,有的是通過(guò)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器的合理構造;有的引入了人工強化技術(shù)[7],通過(guò)改善微生物生存環(huán)境和利用生物的綜合效應,提高穩定塘的有機負荷,減少污水停留時(shí)間.

3.3　系統化
　　
自從人們認識到串聯(lián)塘的優(yōu)越性之后,各種組合塘工藝應運而生.先是普通塘之間的組合,接著(zhù)又出現了高級綜合塘系統,現在則是流行生態(tài)綜合塘系統.高效化的穩定塘決不是一個(gè)大面積的水塘,未來(lái)的穩定塘必然是包括預處理措施、合理的塘型組合、放養去污能力強的水生植物或設置人工強化基質(zhì)、生態(tài)養殖和污水綜合利用等組成的更為復雜的系統工程.
　　
由于塘本身就是一個(gè)由細菌、藻類(lèi)、微型動(dòng)物(原生動(dòng)物和后生動(dòng)物)、水生植物以及其它水生動(dòng)物組成的系統,各種塘型組合之后,又形成一個(gè)更為復雜的系統.因此,人們開(kāi)始逐步重視用系統科學(xué)的分析方法去研究和解決穩定塘的問(wèn)題,將系統工程原理應用于研究穩定塘的實(shí)踐之中.

3.4　生態(tài)化與資源化[6,8]
　　
穩定塘中,容易出現藻類(lèi)過(guò)量繁殖,使受納水體二次污染,往往需采用較復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)系統塘.經(jīng)研究發(fā)現,生態(tài)塘出水中的浮游生物的生物量對穩定塘的水質(zhì)凈化效率有很大的影響.在生態(tài)塘中通過(guò)建立菌、藻→浮游動(dòng)物→魚(yú)→鴨、藻→貝、螺、水草→鵝、鴨等各種食物鏈,使之具有穩定的生態(tài)結構,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,將污水凈化、出水資源化和綜合利用相結合,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合起來(lái),可以實(shí)現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(yú)、蝦、蟹、蚌等)和水禽(如鴨、鵝等)形式作為資源回收,提高穩定塘的綜合效益,甚至做到“以塘養塘”.生態(tài)塘與當地的生態(tài)農業(yè)相結合,成為生態(tài)農業(yè)的一個(gè)組成部分,即污水回收與再用的生態(tài)農業(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)規律,改變了原有污染物的流轉途徑,達到了新的符合人類(lèi)需要的動(dòng)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)化和資源化相結合的道路是穩定塘發(fā)展的最終出路.
　　
現在,人們從生態(tài)學(xué)角度出發(fā),走生態(tài)化和資源化相結合的路子,明確以生態(tài)學(xué)的基本思想為指導,考慮綜合利用,研究和解決穩定塘的問(wèn)題.生態(tài)學(xué)的重要思想之一是其整體性觀(guān)含,強調必要的相互關(guān)系、相互儲存及因果關(guān)系.從這一思想出發(fā),在穩定塘的研究中,以菌、藻的活動(dòng)為主體,以主要營(yíng)養元素C、N、P的遷移為線(xiàn)索,建立系統內各種生物、化學(xué)反應之間的聯(lián)系,必將有助于全面認識穩定塘的機理,提高穩定塘設計的合理性,使穩定塘技術(shù)有更大的發(fā)展.

參考文獻:
[1]　許春華,周　琪.高效藻類(lèi)塘的研究與應用[J].環(huán)境保護,2001,(8):41243.
[2]　汪慧貞,吳俊奇,曹秀芹.超深厭氧塘的技術(shù)特性[J].環(huán)境工程,1997,(3):16218.
[3]　沈勁風(fēng).氧化塘的系統研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),1995,(2):6210.
[4]　向連城.新型穩定塘污水處理技術(shù)AIPS[J].環(huán)境科學(xué)研究,1995,(1):48250.
[5]　王寶貞,王　琳,祁佩時(shí).生態(tài)塘系統分析及生物種屬合理組成的設想[J].污染防治技術(shù),2000,(2):74276.
[6]　文湘華,錢(qián)　易.生物穩定塘生態(tài)系統的研究現狀評述[J].環(huán)境污染與防治,1992,(1):22226.
[7]　李捍東,王慶生,張國寧,等.優(yōu)勢復合菌群用于城市生活污水凈化新技術(shù)的研究[J].環(huán)境科學(xué)研究,2000,(5):142
[8]　李劍超,褚君達,豐華麗,等.我國穩定塘處理的研究與實(shí)踐[J].工業(yè)用水與廢水,2002,(1):123.來(lái)源：谷騰水網(wǎng) 作者: 劉華波,楊海真