（环境工程专业论文）高效藻类塘处理农村生活污水的研究.pdf

a bs t r a c t d u et ot h el o we c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，t h e mi sn e a r l yn oc o l l e c t i o no rt r e a t m e n t f a c i l i t i e sf o rd o m e s t i cw a s t e w a t e ri nr u r a la r e ai nc h i n a t h es e w a g et h u sb e c o m e sa r e m a r k a b l yn o n p o i n tp o l l u t i o ns o u r c et ot h es e r i o u se u t r o p h i c a t i o np r o b l e mi nl o c a l w a t e rb o d i e s i no r d e rt os o l v et h ee u t r o p h i c a t i o np r o b l e m ，ac o s t - e f f i c i e n tw a s t e w a t e r t r e a t m e n tt e c h n o l o g yn e e dt ob ef o u n da n da p p l i e di nt h er u r a la r e a s a san u t r i e n t r e m o v a lt e c h n o l o g y ，h i g hr a t ea l g a lp o n d ( h r a p ) i sf a m o u sf o ri t sl o wc o s ta n d s i m p l eo p e r a t i o n t h e s ef e a t u r e sm a d ei te s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rs e w a g et r e a t m e n ti n s m a l lt o w n sa n dr u r a la r e a s h o w e v e r ，t h er e m o v a lp e r f o r m a n c ea n do p e r a t i o n p a r a m e t e r so fh r a ps t i l ln e e dt ob es y s t e m i c a l l ys t u d i e dt op r o m o t ei t sa p p l i c a t i o n a n df u r t h e rd e v e l o p m e n t w i t ht h i sa i m ，b o t hl a b - s c a l em o d e la n dp i l o t - s c a l e e x p e r i m e n t a lm o d e l so fh r a pw e r ec o n s t r u c t e di n y a n g z h uv i l l a g e ，d a p ut o w n ， y i x i n gc i t y ，w h i c hi sl o c a t e di nt a i h uc a t c h m e n tb a s i n t h er e m o v a lp e r f o r m a n c e u n d e rd i f f e r e n to p e r a t i o nc o n d i t i o n sw a si n v e s t i g a t e da sf o l l o w f i r s t l y , t h eq u a n t i t ya n dq u a l i t yo fr u r a ls e w a g ew e r ei n v e s t i g a t e dw i t ht h e i n q u i s i t i o n a ls a m p l i n gi ny a n g z h uv i l l a g e t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a ts e w a g ed i s c h a r g e w a sa b o u t5 0 o fw a t e ru s a g ei nq u a n t i t y , a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fc o d ，a m m o n i a n i t r o g e n ，t o t a ln i t r o g e nf i n ) a n dt o t a lp h o s p h o r u s ( t p ) w e r e6 6 5 4 1 6 9 m g 】已 2 1 8 - 1 0 8 3 m g l 2 4 7 - 1 3 3 2 m g la n d1 3 - 8 1 m 叽r e s p e c t i v e l y s e w a g eq u a n t i t y v a r i e ds i g n i f i c a n t l yw i t hs e a s o n s t h er e s u l t so ft w ol a b s c a l eh i 曲r a t ea l g a lp o n d ss h o w e dt h a tc o d c o n c e n t r a t i o no ft r e a t e de f f l u e n tw a si n f l u e n c e db ya l g a lc o n c e n t r a t i o ni nt h ep o n d s t h em a x i m a la v e r a g er e m o v a lr a t eo fd i s s o l v e dc o d ，t na n dt fw e r e7 5 ，5 3 a n d5 5 ，r e s p e c t i v e l y , a n dt h em a x i m a lr e m o v a lr a t eo fa m m o n i an i t r o g e nw a su pt o 9 7 t h em a i nr e m o v a lm e c h a n i s m so fa m m o n i a - nw o u l db e v o l a t i l i z a t i o n ， a s s i m i l a t i o no fa l g a ea n dn i t r i f i c a t i o n ，a n dt h em a i nr e m o v a lm e c h a n i s m so f p h o s p h a t ew o u l db ea s s i m i l a t i o no fa l g a ea n dp h o s p h a t ep r e c i p i t a t i o n i nt h ep i l o t s c a l em u l t i p l e u n i t ss y s t e m ，ah y d r o p h y t ep o n dw a sa d d e di nt h e e n do ft h ef l o ws h e e tt or e m o v et h ea l g a ef r o mt h et r e a t e de f f l u e n to fh r a p t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed o m i n a n ta l g a es p e c i e sa l t e r n a t e dw i t hs e a s o n s s c e n e d e s m u s a n dc y c l o t e l l ad o m i n a t e di nt h ep o n d si na u t u m na n di nw i n t e r , r e s p e c t i v e l y d e s p i t e t h er e m o v a lo fa l g a e ，h y d r o p h y t ep o n da l s oe x h i b i t e ds o m er e m o v a li nc o da n d n u t r i e n t s t h e r e f o r e ，t h et o t a la v e r a g er e m o v a lr a t e so fc o d ，t na n dt po ft h e p i l o t s c a l ep o n d ss y s t e mw e n5 6 ，5 8 a n d5 6 ，r e s p e c t i v e l y f i n a l l y ，c o m p a r i n gt h er e m o v a le f f i c i e n c i c so ft h el a b - s c a l ea n dp i l o t s c a l e m o d e l si nd i f f e r e n to p e r a t i o nc o n d i t i o n s ，i tw a sf o u n dt h a tt h er e t e n t i o nt i m eo f4 di n w a r ms e a s o n sa n d8 di nc o l ds e a s o n s ，a n ds h a l l o ww a t e rd e p t ho fp o n d sw o u l db e a p p l i c a b l et ou p g r a d et h er e m o v a le f f i c i e n c i e so ft h ep i l o t s c a l es y s t e m k e yw o r d s ：h i g i lr a t ea l g a lp o n d ( i - m m ) ，r u r a ls e w a g e ，h y d r o p h y t ep o n d ， n n t r i e n tr e m o v a l m 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：沁j 、霹 坷年专月t 。e t 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 臀燧名：蝴善硼学位论文作者躲、砗 x 盯年弓月l oe t为j 年弓月f 。e l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：泌羔、译 加五年哆具t o e t 1 1 研究背景及意义 1 1 1 湖泊污染及其污染源 第1 章引言 近二十年来，随着乡镇工业和农业的发展，人们生活水平的提高，大量营 养盐型污染物随污水和地表径流进入水环境，导致了许多湖泊呈现富营养化。 2 0 0 0 年对全国1 3 0 多个湖泊的调查资料统计显示l i j ：富营养化湖泊占调查总数 的4 3 5 ，中营养湖泊占调查总数的4 5 1 ，两者合计达8 8 6 。大型湖泊如滇 池、巢湖、南四湖、洪泽湖、太湖、洞庭湖、白洋淀等因富营养化和污染严重， 已经失去资源价值，无法利用，且情况仍在恶化。 从发生的类型来看，污染源可分为点源污染与面源污染两大类。点源污染 主要指工业生产过程中和城市生活中产生的污染物。它具有排污点位集中、排 污途径明确等特征。面源污染是一种分散的污染源，如降雨的冲击作用及地表 径流冲刷而产生的土壤颗粒、土壤有机物、化肥、农药、有机肥料或城市街面 堆积物等随地表径流进入受纳水体、引起的水质污染。它的主要特征表现为： 发生区域的随机性、排放途径及排放污染物的不确定性及污染负荷空间分布的 差异性f 2 1 。 对面源污染的认识及重视始于7 0 年代的美国。在水体污染综合整治的实践 中，人们逐渐在更正“工业造成了环境污染而农业是环境污染的受害者 的传 统观点。目前，面源污染已成为当今世界普遍存在的一个严重的环境问题，并 成为水体保护的主要障碍因子。 1 1 2 太湖水污染现状 太湖流域位于长江三角洲南缘，北临长江、东临东海、南滨钱塘江，西以 天日山、界岭、茅山等分别与钱塘江、水阳江、秦淮河等流域毗邻，面积3 6 ，5 0 0 k i n 2 ， 其中江苏省占5 2 5 ，浙江省占3 3 4 ，上海市占1 3 5 ，安徽省占约0 1 。太湖 湖面面积2 ，3 3 8 k m 2 ，是我国五大淡水湖之一，是一座天然调蓄水库，也是流域内 1 第1 章引言 上海、无锡、苏州等城市最重要的供水水源地。且集供水、蓄洪、灌溉、航运、 养殖、旅游等多种功能于一体，其水环境状况直接影响着流域的经济发展状况。 太湖流域河网密布，成为水产养殖废水，农村生活污水甚至是生活垃圾的 蓄纳场所。从全流域总氮排放的负荷来看，工业废水占1 5 7 ，生活污水占2 5 1 ， 农业面源污染( 含畜禽养殖) 占3 7 5 ，水产养殖污染占1 6 5 ，生活垃圾和农业 生产废弃物中的营养物质分别占5 2 ；从总磷排放的负荷来看，工业废水占 1 0 4 ，生活污水占6 0 0 ，农业面源污染占1 5 1 ，水产养殖污染占9 4 ；生活 垃圾和农业生产废弃物中的营养物质占5 1 t 引。农村生活污水是太湖流域面源 污染的重要组成部分，因而对农村生活污水进行集中收集处理，削减污染负荷， 是当前改善太湖水质面临的迫切任务。 1 1 3 农村生活污水处理技术 考虑到农村的经济基础和管理水平现状，农村生活污水的治理不能走大中 城市污水处理的技术路线，这是因为大中城市污水处理所采用的二级生物处理 技术虽然有较高的有机物、氮、磷去除率，但其基建成本高，运行费用高，管 理要求也高。例如一个日处理1 万吨的城市污水处理厂，投资约1 ，5 0 0 万元，年 运行费用约为1 5 0 - 2 0 0 万元【4 1 。这样的污水处理厂在农村就算建得起，也运行 不起。所以对于我国广大的农村地区来说，应该充分利用当地的自然环境，因 地制宜的采用去除效果好，投资省，能耗低，管理简便的技术，以确保建成的 污水处理厂能长期稳定运行。稳定塘技术作为一种低成本、易操作维护的污水 处理技术，其基建费单价仅为常规二级处理厂的惦v 3 ，运行维护费单价为常 规二级处理的1 2 0 - - 1 1 0 t 5 1 ，因此在农村生活污水的处理中具有较好的应用前景。 其中高效藻类塘是一种可承担高有机负荷的好氧稳定塘，不仅具有稳定塘低费 用，易维护的特点，还具有较好的氮磷去除效果。 1 1 4 课题研究的意义 本课题是国家8 6 3 计划太湖水污染控制与水体修复技术及工程示范项目 中河网区面源污染控制成套技术的子专题一一农村生活污水处理技术及示范工 程的一部分，旨在研究高效藻类塘处理太湖流域农村生活污水的处理效果并获 得较优的运行参数，通过加深对高效藻类塘去除营养盐的机理认识，促进太湖 2 第1 章引言 流域农村地区生活污水处理实用技术的开发和推广。 1 2 废水稳定塘处理技术现状 1 2 1 稳定塘发展历史及特点 稳定塘( s t a b i l i z a t i o np o n d ) 是一类利用天然净化能力的生物处理构筑物的总 称。废水在塘内经较长时间的停留、贮存，通过微生物( 细菌、真菌、藻类及 原生动物等) 的代谢活动，以及相伴随的物理的、化学的和物理化学的过程， 使废水中的有机污染物、营养元素和其他污染物质进行多级转换、降解、去除， 从而实现废水的无害化，资源化和再利用的目的。 稳定塘净化废水的历史悠久。首次有记录可查的是1 9 0 1 年美国德克萨斯州 修建的经科学设计与运行管理的稳定塘，即圣安东尼稳定塘；欧洲最早的稳定 塘是建于1 9 2 0 年在西德巴伐利亚州幕尼黑市：澳大利亚最早的稳定塘系统是在 墨尔本市1 9 2 8 年投入使用的沃尔比稳定塘。2 0 世纪5 0 年代，美国已发展有6 0 0 多座城市污水稳定塘，6 0 年代达2 5 0 0 余座。1 9 7 1 年密西西比州就有2 1 6 个城 市污水系统采用单级塘或多级塘处理废水，塘总面积达7 3 4 2 x1 0 4 m 2 ，其中福列 斯特是最大的单级塘，面积达8 8 9 2 1 0 4 m 2 。7 0 年代初美国稳定塘总数增至4 5 0 0 座，到8 0 年代初已超过7 0 0 0 余座，其中9 0 的稳定塘用于处理人口在5 0 0 0 入 以下的城镇污水【刚。稳定塘使用的地区涵盖了热带、亚热带、温带、亚寒带的广 大地域。如美国的寒冷地区阿拉斯加州，地处高纬度的瑞典、加拿大等也大量 采用稳定塘处理城市污水。目前全世界已有近5 0 个国家上万座塘系统在运行【5 1 。 稳定塘具有一系列较为显著的优缺点【7 j 。其优点主要表现在：( 1 ) 能够充分 利用地形，工程简单，基建投资省。( 2 ) 能够实现污水资源化，使污水处理与 利用相结合。( 3 ) 污水处理能耗少，维护方便，成本低廉。但是稳定塘也具有 一些值得注意的弊端，主要有：( 1 ) 占地面积大；( 2 ) 污水净化效果受季节、 气温、光照等自然条件的影响；( 3 ) 如果防渗处理不当，则地下水可能遭到污 染：( 4 ) 可能散发臭气并易于滋生蚊蝇等。 3 第1 章引言 1 2 2 常见的稳定塘类型 ( 1 ) 好氧塘 好氧塘承受的有机负荷较低，塘内存在着菌一藻及原生动物的共生系统。 水深一般在0 s i n 左右，阳光能透入池底，白天，塘内生长的藻类在光合作用下， 释放出大量的氧；同时塘表面也由于风力的搅动进行自然复氧，这一切可使塘 水保持好氧状态。在水中繁殖生长的异养微生物通过其本身的代谢活动对有机 物进行氧化分解，其分解、代谢的产物二氧化碳及氮、磷等无机盐类又可以为 藻类利用，通过光合作用合成新的藻类细胞，并释放出氧。其功能模式如图1 1 所示| 8 。 风 阳光 水面 口心 玲 污囹唯一 l 降l 解卜黼倘卜一 图1 1 好氧塘工作原理示意图 好氧塘内的溶解氧浓度呈现周期变化。白昼，藻类光合作用放出氧的速率 远远超过藻类和细菌利用的速率，塘水中氧的含量上升，甚至可达到饱和状态； 晚间，光合作用停止，由于微生物对有机物的氧化分解，水中溶解氧浓度下降， 在凌晨时最低：日出后，光合作用又开始，水中溶解氧再次上升。藻类光合作 用不仅使d o 浓度呈周期变化，也造成塘水的p h 值周期性变化，白昼因光合作 用消耗水中c 0 2 p h 值上升，夜晚因光合作用停止p h 值又下降。 好氧塘内的细菌数可高达1 0 8 5 1 0 9 个划7 j 。 好氧塘的优点是净化效率较高，有机污染物降解速率高，污水在塘内停留 时间短。但进水需进行比较彻底的预处理去除可沉悬浮物，以防形成污泥沉积 层，造成塘内缺氧环境。好氧塘的缺点是占地面积大，需进行除藻处理，去除 出水中含有的藻类，同时对细菌的去除效果也较差。 4 第1 章引言 ( 2 ) 兼性塘 兼性塘一般深1 0 - 2 o m ，在塘的上层，阳光能够照射透入的部位，为好氧 区，各项水质指标的变化和生化反应与好氧塘相同，由好氧异养微生物对有机 物进行氧化分解，藻类的光合作用旺盛，释放大量的氧。塘的底部是由沉淀的 悬浮固体和衰死的藻类和菌类形成污泥区，由于缺氧，污泥区进行由厌氧微生 物起主导作用的厌氧发酵，从而称为厌氧层。好氧层与厌氧层之间还存在着一 个兼性层，在这层中溶解氧浓度很低，一般在白昼有溶解氧存在，而在夜间又 处于厌氧状态，在这层里存活的是兼性微生物，这一类微生物既能够利用水中 游离的氧，也能够在缺氧条件下，利用n 0 3 一和s 0 4 2 - 中的化合氧。其净化功能模 式如图1 2 所示【8 l 。 广卜 风 一坠翌查亘凸竺兰2 一 好辛警黧淼篆娄二瓣 阜 好氧分解有机物+ 氧气一c 0 2 + 釉旷 兼气层可沉物斌 l 厌磊葚( 污泥葚了1 甄丽犷= = i 鬲菱夏孬= = = 耳诿夏蔼r 二：了气再f 焉 t 锄r 嘲气矿丐薷气矿矿物搽摭 图1 2 兼性塘工作原理示意图 厌氧区与一般的厌氧发酵反应相同，是在产酸、产氢产乙酸和产甲烷三种 细菌的连续作用下，相继经过产酸、产氢产乙酸和产甲烷三个阶段的反应。液 态代谢产物如h 2 0 、氨基酸、有机酸等与塘水混和，而气态的代谢产物，如c 0 2 、 c h 4 等则逸出水面，或在通过好氧区时为细菌所分解，为藻类所利用。厌氧区也 有降解b o d 5 的功能，据估算，进水中约有2 0 左右的b o d 5 是在厌氧区去除的 f l ，此外，在厌氧区，通过厌氧发酵反应可以使沉泥得到一定程度的降解，减少 塘底的污泥量。但由于污水在兼性塘的停留时间长，好氧层有可能生长繁育各 种种属的微生物，其中包括世代时间较长的硝化菌等。因此，除降解有机物外， 5 第1 章引言 这里还可能进行更为复杂的反应，如硝化反应等。 兼性塘的主要优点是对水量、水质的冲击负荷有一定的适应能力；在达到 同等的处理效果条件下，其建设投资与维护管理费用低于其他生物处理工艺； 同时能够比较有效地去除某些较难降解的有机化合物，如木质素、合成洗涤剂、 农药以及氮、磷等植物性营养物质等。 ( 3 ) 厌氧塘 厌氧塘的塘深在2 m 以上，可承担较高的有机负荷，塘水均无溶解氧，呈厌 氧状态，由厌氧微生物起净化作用，净化速度慢，停留时间长。厌氧塘对有机 污染物的降解，与所有的厌氧生物处理设备相同，是由兼性厌氧产酸菌将复杂 的有机物水解，转化为简单的有机物( 如有机酸、醇、醛等) ，再由绝对厌氧的 甲烷菌将有机酸转化为甲烷和二氧化碳等。其示意图如图1 3 所示i 剐。 由于甲烷菌的世代时间长，增殖速度慢，且对溶解氧，p h 和毒物敏感，因 此厌氧塘的设计和运行，必须以产甲烷阶段的要求来控制有机污染物的投配率， 以保持产酸菌与甲烷菌之间的动态平衡。一般控制塘内有机酸浓度在3 , 0 0 0 m g l 以下，p h 值为6 5 7 5 ，进水的b o d 5 ：n ：p = 1 0 0 ：2 5 ：1 ，硫酸盐浓度应小于 5 0 0 m g li 引。 厌氧塘可以承受较高的有机负荷，深度大，占地面积少，但污染物去除率 不高，出水水质不能达标，而且产生臭气，对温度变化敏感。厌氧塘适用于高 浓度有机废水的处理，在制革、造纸、石油化工、罐头、肉类、制塘等工业废 水处理中都有应用。 - 、弋7 j 、非 弋 一 3 - 5 m 兰入一渝一 图1 3 厌氧塘示意图 小于0 6 m 水 ( 4 ) 曝气塘 曝气塘是经过人工强化的稳定塘，有效水深为2 - 6 m ，采用人工曝气装置 向塘内污水充氧，并搅动塘水。人工曝气装置有表面机械曝气器和鼓风曝气系 6 第1 章引言 统。曝气塘有两种类型：完全混合曝气塘和部分混合曝气塘。从操作上看，塘 内生长的活性污泥，可回流也可不回流。有污泥回流的曝气塘实质上是活性污 泥法的一种变形。塘中供微生物生长的氧源主要来自人工曝气。完全混合曝气 塘中曝气装置的强度应能保证塘内固体全部呈悬浮状态，并使塘水有足够的溶 解氧以供微生物分解有机物。部分混合曝气塘不要求保持所有固体呈悬浮状态， 沉淀的固体在塘内进行厌氧消化，因此其塘内曝气器布置较完全混合曝气塘稀 疏。两者的工作示意图如图1 4 所示i 引。 曝气塘出水的悬浮固体浓度较高，排放前需进行沉淀处理，可在塘中分割 出静水区用于沉淀。若曝气塘后设置兼性塘，则兼性塘在进一步处理其出水的 同时也起到沉淀作用。 曝气嚣 、 图1 4 曝气塘工作示意图 厌氧 ( 5 ) 深度处理塘 深度处理塘又称三级处理塘或熟化塘。深度处理塘的处理对象是常规二级 处理工艺的出水以及处理效果与二级处理技术相当的稳定塘出水；处理目标是 使出水能满足排放受纳水体或回用的标准，深度处理塘能够在污水处理厂和受 纳水体之间起缓冲作用。 通过深度处理塘的处理，水中的b o d 5 、c o d 、细菌、藻类以及氮、磷等植 物性营养物质进一步降低。 ( 6 ) 控制出水塘i 7 l 一般用于北方寒冷地区，当冬季水温很低时，生物降解功能极度低下，处 理出水水质难于达到排放要求，因而在这个季节处理出水不能排放，应加以贮 存，待天气转暖，降解功能恢复正常，再开始正常运行，这种稳定塘就是控制 出水塘。 控制出水塘多是兼性塘类型，很少是好氧塘和厌氧塘，其特点有：a 控制出 7 第1 章引言 水塘在低温季节按贮存塘考虑，不排放处理水，这个期间的具体时间和长短根 据当地的具体条件确定；b 为了保证冬贮容量，在冰封前或处理水质达不到排放 标准前，必须将塘水排空或排放到塘内某一特定水深。为此，应提前作好准备， 在处理出水达标的期间加大排放量；c 在冰封期，冰层下的水温仍可保持2 - 5 ，在耐低温的某些微生物的作用下，有机污染物仍可降解，若塘的有效水深 在2 5 m 以上，冰层全部融化后测定，b o d 5 去除率可达5 0 左右；d 从冰融到 塘的净化功能完全恢复期间，仍不能排放处理水，稳定塘应提供足够容量收纳 这个期间的污水；e 在冬贮期间，在进水区应设一定范围的活水区，使流入污水 能够漫流在结冰区的冰层上；在夏季，控制出水塘可按一般稳定塘设计，用于 处理城市污水的控制塘，在夏季运行期间均可达到排放要求。 ( 7 ) 水生生物塘 水生生物塘是在受控条件下应用水生植物或水生动物处理废水的塘系统。 水生生物能从废水中吸收营养物及其他溶解性化合物，并使生物体增殖及产生 多种有益物质。 在该类塘处理系统中可利用单一水生植物或水生动物，也可利用多种水生 植物及水生动物对废水进行净化或物质转换。可用于废水处理的水生植物有浮 水植物，如凤眼莲( h y c i n t he i c h h o r n i ac r a s s i p e s ) 、浮萍及蕨类植物等；沉水植 物，如裴氏眼子菜，金鱼藻等；挺水植物，如水葱( s c i r p u sl a c u s t r i s ) 及芦苇 ( p h r a g m i t e sc o m m u n i s ) 等。用于废水处理的水生动物如水蚤、盐水卤虫等1 6 1 。 水生生物塘具有季节性，特别是生物塘中的水生植物的生长具有季节性， 不能全年利用( 有些在北方不能自然越冬) ，而且日常管理十分重要，如不经常 及时地收获，枯老的根叶会在水中不断脱落腐烂，引起水质二次污染【叭。 1 2 3 新型稳定塘 随着稳定塘规模由的迅速发展，应用范围也越来越广泛，国内外学者为了 改善传统稳定塘的不足，尝试着作一些改进，提出了一些新型塘。 ( 1 ) 移动式曝气器曝气塘 普通曝气塘多用固定式曝气器，以曝气器为圆心，依靠物理扩散作用，将 氧分子从中心往外围传递，因此曝气器附近的溶解氧必然较高。这对于曝气器 的继续充氧不利，白白消耗掉一部分电能而增加了运行费用。将固定曝气器改 8 第1 章引言 为移动式曝气器即可克服上述弊病。此外，曝气器的移动还可使塘中各处的d o 充分均匀，基本保持一致，避免死角。 苏州城建学院进行了移动式曝气器曝气塘的中试研究，移动式曝气器由表 曝器和推进器组成。在日处理水量为5 3 2 5 6 m 3 ，停留时间1 9 d 的条件下，原污水 的c o d 、b o d 5 值分别为1 9 4 - - 6 2 m g l 和1 4 0 - - 5 0 m g l ，处理后出水的平均c o d 、 b o d 5 值分别为7 9 2 7 m l 和3 3 7 m g 刖1 0 j 。考虑到机械曝气、大气复氧及藻类 光合作用产氧的优化组成，进一步提出了间歇曝气的运转方式以节约能耗。为 使塘中d o 保持在2 3 m g l ，表曝器在白天只开动一段时间或完全不开，依靠光 合作用、大气复氧及推进器的往复变动为塘水充氧，夜间则同时开动表曝器和 推进器，间歇曝气可节约电耗3 8 , - - - 2 5 f l u 。 ( 2 ) 超深厌氧塘 将深度超过正常值范围( 3 - - 5 m ) 的厌氧塘称为超深厌氧塘。从理论上分析， 加大塘深除了可减少占地面积外，还可减少进入塘中的氧气及减少冬季塘中热 量的散失，从而有利于塘中厌氧微生物的生存。 然而加大塘深势必增加施工费用。经过经济分析得出当流量小于1 万i l l 3 d ， 地价小于1 5 1 元m 2 时，常规深度塘最为经济；在其它条件下，超深塘的造价均 低于常规搪，而且随着流量和地价的增加，超深塘的优势更为显著【1 2 l 。例如英 国m a r a 1 3 l 提出使用深1 5 m 的厌氧储存塘在非灌溉季节储存污水，用厌氧超 深厌氧塘系统将污水中含粪便大肠杆菌数量处理至1 0 0 0 个1 0 0 m l 的灌溉水标 准，占地面积比一般的厌氧兼氧熟化塘系统节省5 2 。 1 3 高效藻类塘 1 3 1 高效藻类塘基本概念 高效藻类塘是一种可承担高有机负荷的好氧稳定塘，由美国加州大学伯克 利分校的o s w a l d 提出的【1 4 】。高效藻类塘与传统稳定塘相比有以下4 个方面的区 别【1 5 l ：( 1 ) 塘深较浅，一般为0 2 , - , 0 6 m ，而传统稳定塘的深度根据其类型不同 一般在o 5 2 o m ：( 2 ) 有连续搅拌装置，促进塘内的污水与藻类完全混和并推 动水流作环状流动，而传统稳定塘一般没有搅拌装置；( 3 ) 停留时间较短，随 季节变化一般4 1 0 天，比传统稳定塘停留时间短7 - 1 0 倍；( 4 ) 高效藻类塘 o 第1 章引言 一般分成几个狭长的廊道，所以廊道的宽度较窄，而传统稳定塘不设挡板和狭 长的廊道。 高效藻类塘的基本工艺流程如图1 5 所示。对于不同的废水有不同的预处理 方法，对于生活污水来说，常用的预处理方法是沉淀。根据不同的出水水质要 求，可采用不同的除藻方法，内容详见1 3 5 。 图1 5 高效藻类塘基本工艺流程图 1 3 2 高效藻类塘的工作原理 藻类在水中经自然筛选存活并大量繁殖，同时藻类又相互粘结交联或通过 细菌的作用形成一种类似于活性污泥的可絮凝结构，称之为菌藻共生体【1 6 1 。菌 藻共生体的共生关系如图1 6 所示【9 l 。 图1 6 高效藻类塘内菌藻共生系统示意图 它以塘内生长的藻类光合作用释氧供给好氧异养型微生物进行代谢活动， 从而对有机污染物进行氧化分解，代谢产物c 0 2 又供给藻类光合作用所需的碳 源，如此循环，使水质得以净化。高效藻类塘由于水深较浅，太阳光能直射到 塘底，所以有利于藻类的大量繁殖。高效藻类塘中藻类对污染物的去除起着直 接和间接两种作用。直接的作用是藻类光合作用产生的氧供好氧菌降解有机物 之用，同时藻类的生长繁殖需要吸收氮、磷的营养盐，有利于氮、磷等营养盐 1 0 第1 章引言 的去除。间接作用是藻类光合作用吸收水中c 0 2 ，导致水中的p h 值升高，从而 有利于形成n h 3 的挥发和金属磷酸盐的沉淀。 1 3 3 高效藻类塘的影响因子 高效藻类塘内藻类的生长繁殖受很多因素的制约，主要的环境因子有以下 几种f 1 7 1 。 ( 1 ) 光 光的主要来源是太阳。光的影响涉及光周期、光质( 波长) 和光强。光是 藻类光合作用的能源，而光又有着明显的时( 日、季节) 空( 经度、纬度) 变 化，因此光经常是藻类生长的限制因子。在水中，光强随深度的增加而呈指数 下降，光谱组成也发生变化，最先被吸收的是红外线，紫外线和波长较长的红 光，最后被吸收的是波长较短的青色和蓝色光线，所以藻类的许多辅助色素在 吸收光能上起着很大的作用。 光合作用随光照强度而变化，一定光强范围内，光合作用率随光强增加而 增加。在达到饱和光强后，光合作用率保持平稳而不再随光强的增加而增加。 如果光强再进一步提高，则反而产生抑制作用，光合作用率下降。光强对藻类 数量增长的影响也与此相似。所以藻类最适宜的光强范围一般在2 0 0 0 - - 1 0 0 0 0 l u x 之间，水体的表面光强在晴天可达几万勒克斯，故可产生光抑制现象， 使水表层的光合作用速率下降。 ( 2 ) 温度 藻类对温度也有一定的忍受限，不同的藻类有不同的最适温度。对于大多 数藻类来说，最适的生长温度大约是1 8 - 2 5 c 。表1 1 是由室内试验得到的几 种藻的最适温度。 表1 1 不同藻类的生长的最适温度【1 7 1 种类 最适温度 冰岛直链藻 黄群藻 美丽星杆藻 克氏脆杆藻 镰形纤维藻 栅藻、小球藻、盘星藻、空球藻 约5 c 约5 1 0 2 0 约1 5 约2 5 2 0 2 5 1 1 第1 章引言 一般说来，蓝藻，绿藻的温度适应范围偏高，故多出现于夏、秋季；金藻、 硅藻等则喜欢低的温度，故多出现于早春、晚秋和冬季。温度除直接影响藻类 的季节变化和地区分布外，还会导致塘内表层和底层水温的差别，造成水层的 垂直运动，对藻类生长和分布起很大的影响。 ( 3 ) 营养 除c 、n 、p 等必需的元素以外，藻类生长还需要其它的微量元素。一般说 来，当p 0 4 3 。大于1 z m o l l 和n h 4 + 大于1 0 # m o l l 时营养盐不会成为生长限制因 子。如果低于这些数值，p 0 4 3 和n i - h + 是否成为限制因子与其他限制因子的存在 与否以及p 0 4 3 - 和n 】时的周转速度等因素有关。另外，藻细胞内的营养物组成也 可作为是否存在营养限制的一种指示。当藻类细胞接近于饱和营养生长时，其c 、 n 、p 的比为1 0 6 ：1 6 ：1 ( 称为r c d f i c d 比) 。因此，高氮磷比( 3 0 ) 可能为p 限制，而低氮磷比( 5 ) 可能为n 限制。 氮和磷的化合物在水中的存在形态、数量变化和藻类利用氮磷的情况都很 复杂。藻类对三种无机态氮化合物都能利用。从理论上讲，藻类的生长首先利 用n h 3 一n 作为氮源，而不是硝酸盐，少数藻类还可利用有机态氮，一些蓝藻 还可利用分子态氮( 固氮蓝藻) 。正磷酸盐( p 0 4 3 - - p ) 是藻类生长中唯一的， 重要的无机磷来源。但是藻类也能利用有机磷源，多数藻类还可贮存过量的磷。 在其他元素中，硅藻对硅有特殊的需要，其利用形态为正硅酸盐( s i ( o h ) 4 ) ， 用于硅质细胞壁的形成和d n a 合成。可能成为潜在限制因子的其他元素还有 f e ，m n ，m o ，c o ，z n 等。它们的限制作用可能是缺少，也可能是由于过量而 产生毒性。 ( 4 ) 吞食 吞食是影响藻类数量的一个主要生物作用。许多水生生物是以藻类为食的。 吞食影响到藻类的种群数量的变化和演替。但它们间的关系不是简单的静态关 系，而是具有反馈机制的，在自然界中，往往表现为数量上的相互消长。复杂 的吞食关系形成了生态系统中的食物链，起着传递物质和能量的作用。 ( 5 ) 竞争、拮抗 竞争和拮抗可表现在藻类本身，也可表现在藻类和其它生物间。竞争包括 对光、营养的竞争。例如在湖泊中，由于水下光线有限，营养物质也常不足， 浮游藻类和水生高等植物间就存在剧烈的竞争，在水生高等植物茂盛的湖区， 浮游植物数量就很低；反之，如果浮游植物大量生长，水生高等植物的生长就 第1 章引言 受到抑制。藻类的不同种类间也存在竞争，其结果是造成某些种类在群落中占 优势。拮抗指一种生物的代谢产物能抑制其他生物的生长。 1 3 4 高效藻类塘内的优势藻类 藻类的种类取决于高效藻类塘内营养物的种类和浓度，废水温度以及搅拌 的速度。高效藻类塘中常见的优势藻类有小球藻、栅藻、微芒藻、小环藻，硅 藻等。s c a i l o v d l 8 】等在法国南部m b z e 的高效藻类塘处理生活污水的研究发现 小球藻和栅藻是塘内的优势藻，春季以栅藻为主，秋季和冬季以小球藻为主。 陈鹏【1 9 】在上海的高效藻类塘处理生活污水的中试实验中发现春季的典型藻类为 硅藻、裸藻、衣藻等；夏季的优势藻为微茫藻，此外栅藻和小环藻也较常见； 秋季的优势藻为小环藻；冬季则为耐寒的硅藻。许春华1 2 0 l 在上海的高效藻类塘 处理氨氮废水的中试实验中发现春季的优势藻为栅藻，小球藻和盘星藻也较常 见：夏秋季节微茫藻是塘内的优势藻；冬季的优势藻为微茫藻和小球藻。 1 3 5 高效藻类塘出水的除藻技术 高效藻类塘是一种基建费用和运行费用比较低，操作维护简便，对有机物， 营养盐污染物和病原菌都有较好处理效果的技术，但是由于高效藻类塘中藻类 的大量繁殖，出水s s 浓度很高，如果不加以去除而直接排入受纳水体，会引起 受纳水体中藻类的过度生长，甚至发生“水华 ，因此必须对高效藻类塘的出水 进行藻类分离。 目前藻类的分离方法包括自然沉淀、絮凝、气浮、离心、过滤、生物收集 等。高效藻类塘后置自然沉淀塘可以去除5 0 8 0 的藻类叫，然而由于常规 的重力沉降器去除藻类所能达到的满流速率太低，y a k u pn u r d o g a n 冽等根据浅池 理论研究管式沉淀除藻，目的在于提高沉降器的满流速率。如果对于出水的s s 和藻类的去除率要求较高，那么目前认为最经济有效的方法是溶气气浮法，向 水体中投加2 0 一- - 3 0 m g l l 的明矾，5 m i n 便可以去除9 9 的藻类【2 3 i 。 高效藻类塘后置高等水生生物塘也是一种有效的去除藻类的方法。用来除 藻的水生植物不但要有长而密集的根，还要有很大的叶片。因此，具有发达根 系和茎叶的漂浮植物( 如水葫芦和水花生) 适合于种植在水生生物塘内，而且 水葫芦、水花生都有较好的克藻效应【矧。然而水葫芦由于生长过于迅速，有时 第1 章引言 甚至达到了失去控制的地步，因而会导致生态系统的又一种破坏。同时近年来 的研究证明，水花生不仅具有较高的生长率、能够快速分解和吸收水中的氮、 磷等营养物质，而且植株漂浮水面，易移出水体，既可作为牛、猪、鸭的营养 饲料，又可讴制绿肥，能带来可观的经济效益【2 5 1 。陈鹏f 1 9 】采用水花生塘对高效 藻类塘出水进行除藻，研究发现，经过水生生物塘处理后叶绿素一a 的去除率为 6 5 左右，c o d 的去除率为5 0 ，氨氮的去除率为7 0 ，磷酸盐的去除率为 4 1 。 1 3 6 国内外研究进展 b p i c o t 2 6 】等在法国建立了高效藻类塘去除营养盐的实验装置。实验装置所 在地为地中海气候，冬季和夏季的平均气温分别是9 2 和2 3 4 ，冬季和夏季 的平均太阳辐射能通量分别为1 0 2 兰勒日和6 0 0 兰勒日。实验所建的高效藻类 塘长为1 2 4 0 m ，宽为3 8 0 m ，表面积为4 8 m 2 ，水深0 3 5 m 。采用搅拌浆搅拌， 搅拌浆垂直于廊道放置，塘内的流速为1 5 - - 2 0 c m s 。其工艺流程如图1 7 所示。 由于冬天气温变低，太阳辐射能量变小，采用增加停留时间来弥补反应速率下 降。夏天和冬天的停留时间分别是4 d 和8 d 。研究结果表明，在进水c o d 浓度 为2 8 5 m g l ，氨氮为1 8 1 7 m g l ，磷酸盐浓度为5 8 m g l 时，它们的去除率分别 是8 0 ，9 2 和7 1 。 高效藻类塘 图1 7 高效藻类塘去除营养盐的工艺流程图 由于高效藻类塘的出水含有大量的藻类，需要对出水中藻类加以去除，故 又产生了不同塘联合的塘系统，如图1 8 所示。 1 4 第1 章引言 图1 8 浮萍塘和藻类塘联合塘系统去除氮的工艺流程图 图1 8 的工艺是p e t e rv a i ld e rs t e e n z 7 j 等在以色列建立了利用浮萍塘和藻类塘 的联合工艺来去除氮的试验性规模的处理装置。实验装置所在地夏天午后的最 高气温为3 0 3 5 ，冬天午后的最高气温为2 0 以上，平均每日辐射为4 5 0 - 6 0 0 w m 2 。该塘系统有1 0 个单塘组成，每个单塘的体积是6 3 l 水深0 2 9 m ，表 面积0 2 4 m 2 ，平均流量为6 2 m ，总停留时间是4 2 d 。这1 0 个单塘串联组成3 段，分别是2 个浮萍塘，3 个藻类塘和5 个浮萍塘。分成1 0 个串联的单塘的目 的是使水流形成推流，有利于病原菌的去除。进水通过u 峪b 预处理后，进入 第一个浮萍塘，然后流入后续塘处理，最后出水排放。 该塘系统中，浮萍塘1 是利用收割浮萍获得有价值的副产品，回收营养盐， 产生一定的经济利益：藻类塘是除了能去除氮以外，还能去除病原菌，而浮萍 塘则不能，因为浮萍阻挡了阳光的辐射；浮萍塘2 的主要作用是去除藻类塘出 水中含有的藻类，浮萍塘中的浮萍阻挡了阳光的辐射，抑制藻类的生长，从而 使藻类死亡，沉淀，分解。研究发现第一个塘浮萍的产量为7 4 - 1 6 4 9 湿重m 2 d ， 而最后一个塘的浮萍产量为2 7 8 2 9 湿重= m 2 d ：在这个联