（环境工程专业论文）塘湿地组合处理系统中污染物去除效能及作用机制研究.pdf

摘要 = ! = = = = = ! ! ! = = = = ! = = = = = = = = = = = = = = ! = = = = = ! = = = = = = = = = = = = = 摘要 目前，国内绝大多数湖泊和河流污染严重，急需短时期内迅速提高污水 处理能力，但常规活性污泥污水处理厂高昂的建设和运行费用阻碍了其在面 积广袤的经济欠发达地区广泛推广和应用，而高效低耗的稳定塘和湿地生态 处理技术可以在一定程度上解决这个问题。生态塘是以生态学的原理为指导 思想，将生态系统结构及其功能的理论应用于污水净化而出现的新型稳定塘 发展模式。这种生态处理工艺具有污水资源化和污水净化相结合的特点，代 表了国内水处理的发展方向之一，但目前这种新型工艺在实际生产中应用相 对较少，因而缺乏进一步完善理论和优化运行的基础。 本论文主要对塘湿地组合生态处理工艺中特征污染物的去除规律、迁 移过程、变化机制、环境影响因素等方面进行了系统研究。同时，对生态处 理系统中水体和底泥间磷的迁移转化过程、溶解性有机物的组成变化和氮的 归趋模式进行了深入探讨，得出以下主要结论： 该塘湿地组合生态处理工艺能有效的去除污水中的藻类、b o d ，、 t s s 、粪大肠杆菌和细菌总数，而对c o d 、t p 和1 n 的去除率季节差异明 显。通过在系统内悬挂生物膜填料、2 3 月清理复合兼性塘前1 4 单元底 泥能提高系统对n 、p 以及有机物的去除能力，保持系统处理效果稳定。研 究发现塘湿地组合生态系统各处理单元中n 、p 以及有机物的去除效果受 底泥污染物吸收及释放影响明显，而藻类的吸收作用对污染物的直接去除贡 献较小。采用湿地作为最终处理单元能有效防止生态处理系统藻类大量生长 而导致的受纳水体二次污染。 确定了水体中磷主要通过钙磷 铁磷 碱可提取有机磷 铝磷的形式去 除；从系统前端到后端，钙磷对水体中磷的去除贡献明显增大，铁磷的去除 贡献保持相对稳定，碱可提取有机磷和铝磷的去除贡献逐渐减小；生态处理 系统底泥中磷的释放集中在每年3 6 月，主要释放单元为复合兼性塘，而 各处理单元底泥中磷的主要释放形态为碱可提取有机磷和铝磷；泥龄超过 1 3 y r 后，底泥中磷的含量和分布趋于稳定，其中相对活泼的碱可提取有机 磷和铝磷超过9 5 会释放，而铁磷和钙磷含量保持相对的稳定，并最终成 为底泥中磷的主要存在形态，因而长期看碱可提取有机磷和铝磷不是水体中 磷的理想去除形态。 揭示了生态处理系统能有效去除亲水中性、碱性和亲水酸性有机物，而 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 对疏水酸性和疏水中性有机物的去除率较低。高温期系统进水亲水中性和碱 性有机物所占比率减小直接导致处理系统对d o m 的去除率降低。系统出水 主要由难降解的疏水酸性和亲水酸性有机物组成，与受纳水体d o m 组成类 似，因而生态系统出水不会造成受纳水体有机物构成的改变，也不会对水体 d o 产生较大影响。确定了底泥释放是水体中d o m 组成变化的主要来源。 底泥的释放会导致水体中疏水酸性、亲水酸性、疏水中性、碱性有机物所占 比率的相应改变，水体中难降解有机物所占比率明显增长，系统c o d 的去 除率降低； 提出一种新的包含6 种n 组成形态及1 2 个反应历程的生态处理系统氮 归趋迁移模式，并利用数学模型对该循环迁移模式在不同水环境中的应用普 遍性进行了验证。结果表明，该模型能够适应兼性厌氧、好氧等多种水环境 以及藻类、浮萍水生植物种类变化的要求，对不同生态处理单元中氮的循环 转化过程均有较好的模拟结果。复合兼性塘水体中t n 主要通过有机氮 ( o n ) 沉降作用去除，氮的流动主要集中在o n 、氨氮和底泥有机氮 ( o n 刚) 之间；曝气养鱼塘中t n 主要通过硝化反硝化作用去除，2 4 月 藻类吸收对氨氮的去除贡献也较大，在该处理单元中氮的流动主要集中在氨 氮、n o x 、藻类有机氮( o n a l a g 。) 和o n ，同之间；水生植物塘中t n 也主要 通过硝化反硝化作用去除，氮的物质流动集中在氨氮和n o x 之间。浮萍吸 收对t n 去除率的直接促进能力有限，浮萍主要通过间接影响系统的硝化和 反硝化速率来提高t n 去除率。在曝气养鱼塘和水体植物塘中影响t n 去除 的主要限制因子为硝化反应，通过在单元内添加填料能有效促进硝化反应迸 程，促进系统对t n 的去除能力。 关键词生态塘；芦苇湿地；磷迁移转化；有机物组成；n 循环过程比较 - i i a b s t r a c t m o s tl a k e sa n dr i v e r si nc h i n aa r ef a c i n ga l li n c r e a s i n gp o l l u t i o nc r i s i sd u e t ol o t so ff a c t o r sr e s u l t i n gf r o mi n d u s t r i a l ，a g r i c u l t u r a l ，a n dm u n i c i p a la c t i v i t i e s t oe l i m i n a t et h ec r i s i sc a u s e db yp o l l u t i o n ，t h ew n s t e w a t e rt r e a t m e n tc a p a c i t y m u s tb ei n c r e a s e ds u b s t a n t i a l l yi nn e x td e c a d e s h o w e v e r , t h eh i g hc a p i t a la n d o p e r a t i o nc o s t so ft r a d i t i o n a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t sb a s e do na c t i v a t e d s l u d g ep r o c e s sa r eah e a v yb u r d e nt om o s tc o m m u n i t i e s ，w h i c hr e s t r a i ni t s d e v e l o p m a n ti n0 1 3 7c o u n t r y u n d e rs u c hc o n d i t i o n s ，s t a b i l i z a t i o np c n d sa n d c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ，c h a r a c t e r i z e db yl o w - c o s t sa n dh i g hp e r f o r m a n c e b e c o m c ar e a s o n a b l ec h o i c e t h ee c o l o g i c a lp o n ds y s t e mi san o v e li n t e g r a t e dt r e a t m e n t p r o c e s s ，w h i c hr e a l i z e st h ec o m b i n a t i o no fw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n du t i l i z a t i o n ， a n dr e p r e s e n t so n eo ft h em o s ti m p o r t a n td e v e l o p m e n tt r e n d so fw 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 y h o w e v e r , a tp r e s e n t ，d u et ol a c ko fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n d a t af o rf u r t h e ro p t i m i z i n gd e s i g na n do p e r a t i o n ，t h ed e v e l o p m e n to fe c o l o g i c a l p o n ds y s t e mh a sb e e nh i n d e r e d an o v e lk i n do fi n t e g r a t e de c o l o g i c a lp o n d w e t l a n dt r e a t m e n ts y s t e mh a s b e e np u ti n t oo p e r a t i o ni nd o n g y i n gc i t y , s h a n d o n gp r o v i n c es i n c en o v e m b e r 2 0 0 0 t h ep e r f o r m a n c e ，m e c h a n i s m s ，i f l f l u e n c ef a c t o r so ft h ep r o c e s sw e r e s t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y i na d d i t i o n , t h et r a n s f o r m a f i o no f p h o s p h a t eb e t w e e nb u l k w a t e ra n ds e d i m e n t ，t h ec o m p o s i t i o nv a r i a t i o no fd i s s o l v e do r g a n i cm a t t e r sa n d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f n i t r o g e nt r a n s f o r m a t i o nw e r ed i s c u s s e dt h o r o u g h l y i nt h ec o m b i n e dp o n d w e t l a n de c o l c g i c a tt r e a t m e n ts y s t e m ，b o d s ，t s s ， a l g a ea n dt o t a lb a c t e r i ac a nb ee f f e c t i v e l yr e m o v e d ，w h i l et h er e m o v a l e f f i c i e n o i c sf o rc o d ，t pa n 4t nr e p r e s e n ts i g n i f i c a n ts e a s o n a lv a r i a t i o n s t h e r e m o r a le f f e c t i v e n e s so fn lp a n do r g a n i cm a t t e r sm a yb ee n h a n c e dt h r o u g h a d d i n gb a f f l e sa n dr e m o v i n gs e d i m e n t si l lt h ef a s tq u a r t e ro fh y b r i df a c u l t a t i v e p o n d i nt h ep o n d w e t l a n ds y s t e m s ，c o m p a r e dt 0t h eu p t a k eo fa l g a e ，t h e a d s o r p t i o na n dr e l e a s eo fp o l l u t a n t si ns e d i m e n t si st h em a j o rf a c t o rc o n t r i b u t i n g t ot h e s ep o l l u t a n t sr e m o r a lp e r f o r m a n c e w e t l a n di sa p p r e c i a b l ea su l t i m a t eu n i t t op r e v e n ts e c o n d a r yp o l l u t i o nd u et ot h eo v e r w h e l m i n gr e p r o d u c t i o n ， p h o s p h a t er e m o v a li sr e a l i z e di nt h ef o r mo fc a l c i u m p h o s p h o r u s ( c a p ) ， i i 卜 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 l i k eh y d r o x y a p a t i t e ，f e r r i cp h o s p h o r u s ( f e p ) ，a l u m i n u mp h o s p h o r u s ( a 1 一p ) a n d o r g a n i cp h o s p h o r u s ( o p a l k ) f r o mt h ef r o n t t oe n du n i t ，c a - pc o n t r i b u t e st o h i g h e rpr e m o v a l ；f e - pc o n t r i b u t e st o r e l a t i v es t a b l epr e d u c t i o nw h e r e a so p a l k a n da 1 pr e s u l t si nl e s spr e m o v a l t h epr e l e a s e df r o ms e d i m e n t sn o r m a l l y o c c u r sf r o mm a r c ht h r o u g hj u n e m a i n l yi nt h eh y b r i df a c u l t a t i v ep o n da n di n t h ef o r mo fo p a l ka n da i - p w j 也i n1 3y e a r t h ec o n t e n ta n df r a c t i o n a t i o no f p h o s p h o r u si ns e d i m e n tr e a c hs t a b l ew i t hm o r et h a n9 5 o fr e l a t i v e l yr e a c t i v e o p a l ka n da l pw o u l db er e l e a s e dt ob u l kw a t e r a n dm o r es t a b l ef e - pa n dc a - p w e r et h em a i nu l t i m a t ef r a c t i o n si ns e d i m e n t s t h ee c o l o g i c a ls y s t e ms h o w sg o o dp o t e n t i a lo fr e m o v i n gh y d r o p h i l i c n e u t r a l sd o m ( d o m h in ) 、b a s e sd o m ( d o m a l k ) a n dh y d r o p h i l i ca c i d sd o m ( d o m h ia c ) ，b u tl e s sc a p a b i l i t yo fr e m o v i n ga q u a t i ch u m i es u b s t a n c e s ( d o m h o a o ) a n dh y d r o p h o b en e u t r a l sd o m ( d o m h i n ) t h ep r o p o r t i o no fi n f l u e n td o m h i n a n dd o m a i kw a sr e l a t i v el o w e ri nh i g h e rt e m p e r a t u r ep e r i o d s ，w h i c hr e s u l t si n d e c r e a s e dd o mr e m o v a lf o rt h es y s t e m s t h ed o m c o m p o s i t i o no fe f f l u e n t ， m a i n l yc o m p o s e do fd o m h o a ca n dd o m h ia c ，s h o w st h es i m i l a rc h a r a c t e r i s t i c sa s r e c e i v i n gw a t e r , w h i c hm e a n st h a tt h ee 扭u e n ts h o w sn os i g n i f i c a n te f f e c t so n o r g a n i cm a t t e rc o n s t i t u t i o na n dd 0c o n t e n t t h ev a r i a t i o no fd o mc o n s t i t u t i o n i nb u l kw a t e ri sm a i n l yd u et ot h er e l e a s eo fs e d i m e n ti nt h es y s t e m s 。w h i c hl e a d s t oh i g h e rr a t i o nf o rr e f r a c t o r yd o ma n dd e c r e a s e dc o dr e m o v a l t h es p e c i a t i o n ，t r a n s f e r r i n ga n dt r a n s f o r m a t i o no fn i t r o g e ni nt h es y s t e mi s p r o p o s e da n dm o d e l e di nt h i ss t u d y , w h i c hi n c l u d e s6n i t r o g e ns p e c i e sa n d12 r e a c t i n g c o u r s e s t h em o d e lw a st h e nv e r i f i e di nd i f f e r e n tu n i t sw i t h m a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n r e s u l t so ft h i s s t u d ys h o wt h a t t h em o d e lm a y s u c c e s s f u l l ya d a p tt os e v e r a lu n i t sa sf a c u l t a t i v ea n da e r a t e dc o n d i t i o n s ，a n d d i f f e r e n ts p e c i e sa sa l g a ea n dd u c k w e e da n ds oo n ，w h i c hs h o w s g o o ds i m u l a t i n g r e s u l t st on i t r o g e nc y c l i n ga n dt r a n s f o r m a t i o nf o rd i f f e r e n tu n i t si nt h ee c o s y s t e m s t h et nr e d u c t i o ni sr e a l i z e dm a i n l yt h r o u g ho np r e c i p i t a t i o ni nh y b r i d f a c u l t a t i v e ， a n dn i t r o g e n t r a n s f e r r i n gn o r m a l l yo c c u r sa m o n go n ，t 锄n ( n h 3 + n h 4 + ) a n do r g a n i cn i t r o g e ni ns e d i m e n t ( o n d ) ；t h et nr e m o v a li n h y d r o p h y t e sp o n di sr e a l i z e dt h r o u g hn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o na n dn i t r o g e n t r a n s f e r r i n gb e t w e e nt 蛐na n dn o x i sp r e d o m i n a n t t h ed i r e c tn i t r o g e nu p t a k e o fd u c k w e e dc a nb en e g l e c t e d ，w h i c hi sf a c i l i t a t e dt h r o u g hi n d i r e c t l ya f f e c t i n g - i v n i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o nr a t et o i m p r o v et h et nr e m o v a l t h em a i nf a c t o r l i m i t i n gt nr e d u c t i o ni na e r a t e df i s hp o n da n dh y d r o p h y t e sp o n di sn i t r i f i c a t i o n p r o c e s s ；t h ee m p l o y m e n to fb a f f l e sm a yf a c i l i t a t en i t r i f i c a t i o np r o c e s s ，t h e r e f o r e e n h a n c i n gt h ep o t e n t i a lo fr e m o v i n gt nf o rt h es y s t e m ， k e yw o r d se c o l o g i c a lp o n d ；c o n s t r u c t e dw e t l a n d ；p h o s p h o r u sf r a e t i o n a t i o n ； d o m c o m p o s i t i o n ；n i t r o g e nt r a n s f o r m a t i o n - v 第1 章绪论 生命从水中诞生，地球因水而生机昂然、生生不息。同时，人类靠水而繁 衍，人类的文明史因水的滋润而丰富多彩、灿烂辉煌! 水如此重要，但并非人人都理解她的珍贵。过去由于认识上的局限，人们 视水为取之不尽、用之不竭的自然资源，这实属误导。科学研究显示，地球表 面虽然有7 1 的面积被水覆盖，但其中海洋咸水占了9 7 5 。除去地球两极冰 山，人类容易利用的淡水只是地球总水量的o 2 t ”。而近几十年来，人类数量 以及工农业用水量的迅速增长导致全球普遍存在淡水资源紧缺问题。据2 0 0 3 年联合国世界水资源开发报告估计到2 0 2 5 年，全世界将有近1 3 的人口 ( 2 3 亿) 缺水，波及的国家和地区达4 0 多个，中国是其中之一【2 】。 1 1 水资源污染及其危害 1 1 - 1 我国水资源危机 中国被联合国认定为世界上1 3 个最贫水的国家之一。2 0 0 3 年世界水资 源开发报告对1 8 0 个国家和地区的水资源丰富状况做出排名，中国以平均每 人每年拥有近2 2 6 0 m 3 用水统计数字排在第1 2 8 位 2 1 。按正常需要和不超采地 下水，我国年缺水总量约为3 4 1 0 1 0 一。每年农田受早面积7 2 0 1 0 。全 国6 6 9 座城市中有4 0 0 座供水不足，1 1 0 座严重缺水。水资源短缺已经成为中 国尤其是北方地区经济社会发展的严重制约因素。除水资源紧缺夕 ，国内淡水 资源的严重污染使缺水问题更加雪上加霜。 据中国环境状况公报显示，2 0 0 3 年度对国内七大水系4 0 7 个重点监测 断面中【3 】，3 8 1 的断面满足i i 类水质要求，3 2 2 的断面属、v 类水 质，2 9 7 的断面属劣v 类水质。在监测的2 8 个重点湖库中，满足类水质的 湖库有1 个，占3 6 ；1 1 1 类水质湖库有6 个，占2 1 4 ：i v 类水质湖库有7 个，占2 5 o ；v 类水质湖库有4 个，占1 4 3 ；劣v 类水质湖库有1 0 个，占 3 5 7 ，绝大多数的湖库都存在中度或重度富营养化的问题。在对全国地下水 水位监测中发现，2 0 0 3 年地下水水质在基本稳定的基础上有恶化趋势，大部分 城市和地区存在一定程度的点状或面状污染，污染区仍然以人口密集和工业化 程度较高的城市中心区为主。铁、锰和“三氮”污染在全国各地区均比较突出， 氨化度、总硬度、硝酸盐超标主要分布在东北、华北、华东、中南和西北地 区。 水环境的污染不仅严重危害人体健康，还导致工业、农业、水资源价值、 一丝鳖些篁冀些型鲨垒一 = = ：- ! = = = = = = = = = = = = = = ! ! = = = = = ! ! = = = = ! = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 城镇供水、市政投资等方面巨大的经济损失，仅以黄河为例，2 0 0 4 年黄河流域 水资源保护局对黄河水污染经济损失进行量化分析后得知：黄河水污染每年造 成的经济损失约1 1 5 亿至1 5 6 亿元。其中每年因水污染导致工业用水成本增 高、产品质量下降带来的损失约2 3 3 2 亿元；黄河水污染不仅造成农作物品 质下降，还使一些农田水利设施报废，给农业造成的损失每年商达3 3 亿元。 水污染对人体健康产生危害是多途径和多方面的，水中有毒物质可以通过饮 用、皮肤接触、蒸发后被人吸入，也可以通过被污染的食品被人吸收，据初步 测算，黄河流域内每年人体健康损失达2 2 2 7 亿元。黄河水污染同时还带来 水资源价值损失、城镇供水损失、水利工程损失，并增加了处理污水的市政额 外投资，每年总损失近6 0 亿元【4 j 。 为了减小水环境污染对社会造成的危害，除建立污染物排放总量控制体 系、抓紧重点流域治理外，还必须积极推进城镇污水处理与资源化，提高污水 的处理率和资源化水平，这就要求必须加快我国污水处理厂的建设速度。 1 1 2 生态处理工艺的优势 随着人们对水环境污染的日益重视，国家对环境治理的投资逐年增大，污 水治理规模和处理率也相应增长，但高昂的建设和运行成本仍然限制了我国污 水处理能力的进一步迅速提高。例如，天津市纪庄子污水处理厂1 9 8 6 1 9 9 2 年一直保持良好运行，共处理了6 5 3 亿i n 3 污水，运行费用为人民币9 0 7 0 万 元，相当于污水处理厂的总投资费用1 5 l 。以此推算，如果建设一座处理量为 1 0 0 0 0 0 m a d 的城市污水处理厂其投资为1 0 亿元的话，那么该厂每年的运行费 约需1 5 0 0 万元，这对我国顽积广袤的经济欠发达地区以及农村地区而言是一 笔沉重的财政负担。 2 0 0 0 年，总氮和总磷入河量中非点源污染贡献率分别为6 7 和6 3 ，这表 明我国河流中总氮和总磷污染主要由非点源污染造成1 6 】。国家环保总局的调查 也显示规模化畜禽养殖造成的有机污染已接近于全国工业污染的总量，成为我 国当前最严重的污染源之一1 7 】。而非点源或畜禽养殖污染严熏地区常处于我国 经济水平相对薄弱的农村及中西部地区。常规活性污泥污水处理工艺昂贵的处 理费用阻碍了水处理设施在这些地区的大力发展。为提高我国的污水处理能 力，创造良好的自然环境，在全国，尤其是在经济欠发达地区推广应用高效低 耗处理技术和工艺已经成为当前我国污水处理中需着重实现的问题。 目前，并不存在明确的数值来界定“高效低耗”污水处理技术和工艺。高效 低耗污水处理技术和工艺特征必定会随时间的不同、技术的进步以及应用条件 2 第1 章绪论 的不同而有所不同。从目前国内技术水平和经济水平的情况来看，这类技术或 工艺应具备以下特征m j ： ( 1 ) 投资应该控制在10 0 0 元r n 3 以下( 不包括征地和特殊的地基处理费 用) 。 但) 直接运行费( 主要包括工艺能耗、药剂费和人工费) 应该控制在o 3 0 元m 3 以下( 如考虑脱氮除磷直接运行费应该控制在o 4 0f r m 3 以下) ，其中每 吨水处理能耗在0 2 0k w h m j d 左右。 f 3 ) 尽量减少操作管理人员数量，操作管理人员数量为现有污水厂人员的 1 4 1 3 。 从当前污水处理工艺和技术研究、开发和应用的现状看，在采用国内工艺 设备、日处理规模小于1 0 00 0 0 m 3 的前提下，采用稳定塘和湿地技术应是符合 国情，切实可行，并能在经济欠发达地区迅速推广应用，正常运行的高效低耗 污水处理技术。 1 2 稳定塘处理工艺的发展 稳定塘系统是利用水生生物系统( 菌藻共生系统和水生生物系统) 对污水 进行自然处理的工程设旌。这种污水处理系统具有基建投资和运转费用低、维 护和维修简单、便于操作、能有效去除污水中的有机物和病原体、带有厌氧塘 或兼性塘的塘系统无需污泥处理等优点，是实现经济欠发达地区污水处理迅速 发展，实施污水资源化利用的有效方法，因而稳定塘处理工艺是近年来我国着 力推广的一项新技术 9 1 。 有记载的稳定塘工艺最早出现在1 9 0 1 年，修建于美国得克萨斯州的圣安东 尼奥市【1 0 】；而欧洲最早的稳定塘于1 9 2 0 年出现在德国巴伐利亚州的慕届黑市， 该市将一级处理后的污水稀释后引入鱼塘进行处理撮h 】。其后的一段时间，高 负荷处理技术的迅速发展以及稳定塘占地面积较大、异昧明显等因素导致该项 技术的发展几乎处于停滞状态【9 】。近三四十年，受全球能源危机的影响，稳定 塘建设费用和运行成本较低的优势逐渐凸现出来，通过各国研究者对此工艺的 不断完善，稳定塘技术再次取得长足发展 1 2 - 1 4 】，出现了多种形式和功能的稳 定塘。这些稳定塘在实际应用中可以针对环境和水质的变化，优化搭配，使之 能够处理多种污水。目前，稳定塘工艺在国际上广泛应用，其中美国有1 10 0 0 多座稳定塘，德国有3 0 0 0 多座稳定塘，法国有20 0 0 多座稳定塘；在俄罗斯，稳 定塘已成为小城镇污水处理的主要方法【1 5 ，阍。 我国稳定塘污水处理技术的研究开始于2 0 世纪5 0 年代f 9 ，”】，自6 0 年代 哈尔滨工业大学t 学博十学位论文 起，陆续建成了一批稳定塘污水处理系统 1 8 1 9 o8 0 9 0 年代是我国污水处理 塘系统迅速发展的时期，国家环保局主持了被定为国家“七五”和“八五”科技攻 关项目的氧化塘技术研究，在稳定塘的生物强化处理机理、设施运行规律、设 计优化等方面取得了许多有价值的研究成果，开发出复合塘系统、高效塘系 统、塘和土地复合生态系统，哈尔滨工业大学水污染治理中心在污水处理与生 态利用方面进行了较多研究，首次提出生态塘( e c o - p o n d ) 的概念，并将其研 究成果广泛应用于城镇污水处理【9 ，2 0 , ”】。目前，国内分散存在着大量稳定塘处 理工艺，它们被广泛应用于城市生活污水处理，以及石油、化工、纺织、皮 革、食品、制糖、造纸等工业废水阻矧，对各种废水都表现出优异的处理效 果。 1 2 1 稳定塘技术发展现状 传统的稳定塘系统为菌一藻共生体系，在该类处理系统中仅存在生产者和 分解着两类生物，而没有消费者，这常导致藻类和微生物大量存在于出水中从 而引起受纳水体的二次污染。此外，常规的稳定塘工艺还存在氮、磷去除率 低、占地面积大、散发臭味等问题1 9 ，硼。为解决这类问题，在对稳定塘处理机 制和污染物去除过程科学认识的基础上，近二十年来发展出了许多新型稳定塘 技术及其组合工艺。 1 2 1 1 新型稳定塘技术新型塘技术主要针对传统稳定塘出现的问题进行完 善，通过提高微生物、藻类和水生植物的生物量或完善运行条件，来直接或间 接强化系统对n 、p 和有机物的去除效果。目前，有以下几个代表发展方向： ( 1 ) 强化微生物生物量传统的稳定塘即使在d o 充足的条件下，硝化和有 机物的降解速率也远低于常规处理工艺，其主要原因在于稳定塘水体内微生物 密度低，微生物绝大部分集中于底泥表层和岸壁处口5 1 ，因而强化提高稳定塘处 理效果，提高微生物的生物量就成为人们的研究目标之一。人工介质塘就是通 过在稳定塘内悬挂比表面积较大的人工介质( 如纤维填料) ，为藻菌提供固着 生长场所，提高其生物量来加速塘内污染物的去除速率，从而改善塘的出水水 质 2 6 1 。 ( 2 ) 强化藻类生物量提高稳定塘内藻类生物量不仅可以提高水体内d o 水 平、强化n 、p 去除效果，还可通过提供微生物生长所需的载体来提高微生物 数量【2 7 j 。目前强化藻类生长的稳定塘代表形式为高效藻类塘( h i g hr a t e 口i g a e p o n d ) ，它是美国加州大学伯克利分校的w j o s w a l d 教授提出并发展的1 2 b 】。该 系统通常具有一个缓慢搅拌的低能耗浆板轮，它使水体维持最佳流速约 第1 章绪论 皇= ! = = = = ! = ! ! = 詈! = = 皇! 芒= = = 皇詈= ! 皇= = = = = ! 毒= = = = = = = = = = = = = 毫 1 5 c 州s ，并能保证藻类和细菌絮体分别悬浮在塘上部和塘的底部。这种线性混 合有助于抗捕食的藻种处于再悬浮和再增殖状态，这不仅能够增强水体中藻类 光合产氧速率，降低机械曝气电耗，还可防止塘中的藻类被捕食生物破坏；而 细菌在塘底部悬浮也可避免在p h 值较高的h r p 表层水体中细菌增殖受到抑制e 在高效藻类塘内有着比一般稳定塘更加丰富多样的生物相，对有机物、氨氮和 磷有着良好的去除效果，从而大大减少占地面积2 2 ”。 ( 3 ) 强化水生植物生物量水生植物不仅能够大量吸收水体中的n 、p ，还 可降低出水藻类含量并提高塘内微生物生物量，富集去除水体中的有机毒物及 微量重金属，因而成为目前稳定塘研究中的热点内容之一i ”j 。近几年，关于 永生植物塘的报道和研究逐渐增多，应用于处理污水的水生植物种类也明显增 长，目前大量采用的有水葫芦、水莲、水花生、美国爵床和宽叶香蒲，而浮萍 和芦苇等高产量水生植物更是人们的研究热点【3 4 ”j 。 ( 4 ) 强化藻类去除生态处理系统出水中藻类生物量通常较高，当藻类大量 进入受纳水体，常会导致“水华”现象，并引起二次污染 9 1 。目前常采用在稳定 塘出水单元内种植浮叶植物( 如浮萍) ，通过浮叶檀物对藻类生长的抑制作用 来控制出水藻类含量p q 。此夕卜，在稳定塘出口处设置微孔过滤装置、溶气上浮 或砂滤层也是有效控制出水藻类的途径，但藻类去除成本较高1 3 口。 ( 5 ) 高负荷塘针对处理高浓度有机废水造成的稳定塘占地面积大、臭味明 显等问题，英国m a r a 等研究了超深厌氧塘。这种稳定塘深达1 5 m ，具有b o d ， 负荷大，占地面积小，受温度影响小等优点。此外，该工艺还可以运行超过2 5 年而不需清淤，具有底泥消化完全的优点【3 8 】。 1 2 1 2 新型稳定塘工艺稳定塘组合工艺是指各类不同类型稳定塘之间的组 合，通过这种组合有助于发挥各种单元的特定去除优势，协同去除多种污染 物。目前主要存在3 种代表性的稳定塘组合工艺： ( f ) 多级串联塘串联稳定塘是屋外采用较早的种稳定塘设计方式。m a r a 和l gr i c h 等人对单塘的示踪试验显示，单塘结构的稳定塘短路现象严重，存 在较多死水区，而将单塘改造为多塘的形式，水体的流态更接近于推流状态， 单位容积的处理效率明显升高【3 9 ，“。其次，从微生物的生态结构看，多级串联 的稳定塘有助于污水的逐级递变，减少了反滢现象，污染物处理效果更加稳 定。由于分级后各处理单元水环境差异明显，不同的水质适合不同类型的微生 物生长，这就会在各处理单元中产生不同的微生物傀势种属，因而能够提高微 生物的净化效率【9 ，4 “。因此，采用串联稳定塘工艺能够较单塘系统明显降低出 水病原菌的浓度，b o d 、c o d 、氮和磷的去除率也明显升高。在多级串联塘中 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 确定合适的串联级数，考虑分隔效应，找到最佳的容积分配比尤其重要。典型 的串联方式如“厌一兼一好”组合塘工艺，可比“兼一好”塘系统节省占地 4 0 t 2 3 1 。 ( 2 ) 高效组合塘系统常规稳定塘系统通常由厌氧塘、兼性塘、好氧塘等不 同形式的单元串联而成，这种组合常存在出水藻类含量高，占地面积大等问 题。针对这种情况，美国加州大学伯克利分校的形j ：o s w a ，嫩授研发出高效组 合塘系统( a i p s ) 【4 2 4 3 1 。这种系统主要由高级兼性塘、高负荷藻塘、藻类沉淀塘 和熟化塘组成而成，每个塘为达到预期目标而专门设计，塘系统的选择必须符 合现场的特定设计目标。二级处理可以由位于最前的高级兼性塘及后面的高负 荷藻塘完成；营养物的去除及生物回收由各塘间的优化组合实现。这种工艺存 在基建和运行费用低，能去除藻类、占地面积小、臭味低等优势，能够适用于 城市、农业和工业废水。a i p s 对污染物的去除效果较好，其对生活污水的去除 率可达b o d 59 5 9 7 、c o d9 0 9 5 、i n9 4 、t p6 7 、大肠菌群最大 可能数9 9 9 9 9 ，超过一般的二级污水处理厂【9 ，4 4 。 ( 3 ) 生态塘系统根据实际生产运行中出现的稳定塘系统出水中藻类等生产 者含量过高等问题，哈尔滨工业大学王宝贞教授首次提出了生态塘( e c o p o n d ) 工艺，这种工艺是班生态学的原理为指导思想，将生态系统结构及其功 能的理论应用于污水净化而出现的新型稳定塘发展模式，典型处理流程为 9 1 ： 图l - 1 生态塘系统的典型处理流程 f i g 1 1r e p r e s e n t a t i v ef l o wc h a r to f e c o l o g i c a lp o n ds y s t e m 生态塘主要通过在塘内建立完善的食物链，通过分解者( 细菌和真菌) 、 生产者( 藻类和其他水生植物) 和消费者( 原生动物、后生动物、鱼、虾、 贝、水禽等) 之间的物质转化和能量传递，实现污水中的有机污染物和营养物 在食物链中最大限度的降解和去除1 9 。此外，在生态塘处理系统中还可以以水 生作物、水产和水禽等形式回收乖用资源，实现了污水的资源化；净化后的污 水也可作为水资源予以回用【4 5 | 4 6 1 。 第1 苹绪论 1 2 2 稳定塘研究发展现状 i 2 2 1 有机物去除研究在稳定塘中有机物主要通过微生物降解、有机物吸 附、有机颗粒的沉降和截滤作用去除，其中异养菌的氧化降解作用对有机物的 去除贡献最大1 4 7 l 。稳定塘对b o d 5 的去除率通常较高，hem a y n a r d 的调查资 料显示即使在三级处理塘中，b o d 5 的去除率也常高达8 0 ，而在整个塘系统 中b o d ，的去除更常高达9 0 p ) , i - 9 ，4 8 1 。然而，高温期在多级塘系统内常出现 b o d 5 先降低再升高的现象。m a r a 的研究显示生态塘系统b o d 5 含量的增长有 5 0 9 0 是由藻类的生长引起；m a y o 的研究也发现在三级处理塘中出水 b o d 5 增幅高达1 6 0 2 4 0 ，且b o d 5 含量的升高与水体内藻类等有机颗粒的 增长具有较高的相关性，因而他也认为b o d 5 的升高主要是受藻类释放有机物 的影响【4 9 ，5 0 1 。但目前有关藻类生长对稳定塘b o d 5 变化贡献的报道相对较 少，因而藻类对有机物变化过程的具体影响不能确定。 1 2 2 2 氮去除研究在稳定塘系统中，人们普遍接收硝化反硝化、水生植物吸 收、n h 3 挥发这3 个过程为丁n 的主要去除机制【5 ”。但由于随温度、p h 等环境因 子变化，这3 个去除机制的变化规律相接近，较难确定何种去除机制在t n 的去 除过程中起决定性作用，因而目前对塘系统中t n 的主导去除机制仍存在较多 分歧 5 1 - 5 3 】。 由于稳定塘内缺乏微生物生长所需的基质i ! t n 0 3 。浓度偏低，以往研究认为 硝化反硝化对t n 的去除贡献较低，因而绝大部分对t n 去除过程的研究集中于 n h 3 挥发和水生植物吸收沉降机制两方丽。m u t t a m a r a 和p u e t p a i b o o n 研究显示 尽管挥发速率相对较低