摘要:介紹了國內外穩定塘污水處理技術研究和運用方面的最新進展,指出了穩定塘作為一項高效實用的環保技術的優勢和發展趨勢.
關鍵詞:穩定塘;廢水處理;資源化利用
1 穩定塘技術在國內外的發展
1901年,世界第一個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.其后的一段時間,該項技術的發展幾乎處于停滯狀態,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,穩定塘的最大優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得到較快發展.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、造紙等工業廢水。
我國于20世紀50年代就開始了對穩定塘污水處理技術的研究.20世紀80年代,國家環保局主持了被列為國家“七五”和“八五”科技攻關項目的氧化塘技術研究,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,取得了許多有價值的研究成果.目前,我國規模較大的穩定塘有:
日處理20萬m3城市污水的齊齊哈爾穩定塘、日處理17萬m3城市污水的西安漕運河穩定塘、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 穩定塘技術的應用現狀
隨著研究和實踐的逐步深入,在原有穩定塘技術的基礎上,發展了很多新型塘和組合塘工藝.這些技術或者進一步強化了穩定塘的優勢,或者彌補了原有技術的不足.
2.1 新型的穩定塘技術
針對穩定塘存在諸如水力停留時間較長、占地面積過大、積泥嚴重和散發臭味等問題,人們不斷地對穩定塘進行改良,出現了許多新型塘.
2.1.1 活性藻系統
以色列Shelef&Azov等人系統研究并發展了這項技術.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和藻類,利用藻類供氧以減少人工供氧量,從而進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行污水凈化、再生和副產藻類蛋白,這類穩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)是美國加州大學伯克利分校的Oswald提出并發展的,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較短的停留時間,一般為4～10d左右,比一般的穩定塘的停留時間短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.這樣的構造可以很好地配合塘中的連續攪拌裝置,促進污水的完全混合,調節塘內氧和CO2的濃度,均衡池內水溫以及促進氨氮的吹脫作用.以上四種特征創造了有利于藻類和細菌生長繁殖的環境,強化藻類和細菌之間的相互作用,所以高效藻類塘內有著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,除去水中的有機毒物及微量重金屬.研究表明,生長速度最快和改善水質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,發展了太陽能水生植物塘.
2.1.4 懸掛人工介質塘
在穩定塘內懸掛比表面積大的人工介質,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去除有機質的反應,從而改善塘的出水水質.
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,受溫度影響小的優點.有先例表明,在AIPS系統中深6m厭氧坑運行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”(AIPS)中,在兼性塘內設置6m深的厭氧坑.污水從坑底進入塘內,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轉,可縮短氧分子擴散所需時間,含氧水也隨著移動式曝氣器的移動而遷移,進一步縮短氧分子擴散所需時間.曝氣器的移動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型:一是與生物濾池或生物轉盤、活性污泥法組合,作為二級處理的補充;二是各類塘型的組合,這里主要介紹后者.
2.2.1 多級串聯塘[3]
串聯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等人提出串聯穩定塘可以提高水處理效率.研究表明,串聯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間.人們通過染料試驗證實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塘,其流態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,從微生物的生態結構看,多級串聯有助于污水的逐級遞變,減少了反混現象,使有機物降解過程趨于穩定.由于不同的水質適合不同的微生物生長,串聯穩定塘各級水質在遞變過程中,會產生各自相適應的優勢菌種,因而更有利于發揮各種微生物的凈化作用.因此,確定合適的串聯級數,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和局限性影響了其推廣和應用.從20世紀70年代末開始,美國著手研究和開發了一些新型的單元塘和塘系統.由美國加州大學W.J.Oswald教授研究開發的由高級兼性塘、高負荷藻塘、藻沉淀和熟化塘4種塘串聯組成高級綜塘系統,每一個塘為達到預期目的而被專門設計.高級綜合塘系統與普通塘系統相比,具有如下一些優點:水力負荷率和有機負荷率較大,而水力停留時間較短;節省能耗;基建和運行費用較低;能實現水的回收和再用,以及其它資源的回收.
2.2.3 生態綜合系統塘[5-6]
利用生態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能為初始能源,利用食物鏈(網)中各營養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系統的食物鏈(網)中的物質轉化和能量傳遞過程中實現的.生態塘的核心是食物鏈(網),而食物鏈(網)中的核心是生物種屬的合理構成.生態塘系統采用天然和人工放
養相結合,對生態塘系統中的生物種屬進行優化組合,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)中進行降解和去除.在生態塘中,還可以以水生作物、水產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 穩定塘的發展趨勢
針對穩定塘技術中存在的不足,從節約占地、提高效率上進行革新,使穩定塘技術越來越成為一種實用高效的污水處理工藝.未來的穩定塘污水處理技術將會有以下特點.
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,一般事先都經過精確的設計,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預處理,使運行過程中底泥淤積嚴重,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題,改善處理效果和環境衛生條件.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的理論作為指導,長期以來,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,建立了關于兼性塘的24個動力學模型公式,包括理論方程和經驗方程等,并已由美國Tennessee大學的E.JoeMiddlebrooks教授驗證認為可行.我國通過大量的試驗,已取得了不同地區、不同塘型的工藝參數,對設計有著重要的參考價值.近來還開發了“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穩定塘研究的主要目的.如前所述,現在發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[7],通過改善微生物生存環境和利用生物的綜合效應,提高穩定塘的有機負荷,減少污水停留時間.
3.3 系統化
自從人們認識到串聯塘的優越性之后,各種組合塘工藝應運而生.先是普通塘之間的組合,接著又出現了高級綜合塘系統,現在則是流行生態綜合塘系統.高效化的穩定塘決不是一個大面積的水塘,未來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、生態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由細菌、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,各種塘型組合之后,又形成一個更為復雜的系統.因此,人們開始逐步重視用系統科學的分析方法去研究和解決穩定塘的問題,將系統工程原理應用于研究穩定塘的實踐之中.
3.4 生態化與資源化[6,8]
穩定塘中,容易出現藻類過量繁殖,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.我國的研究已經突破了菌藻共生塘的界限,發展成生態系統塘.經研究發現,生態塘出水中的浮游生物的生物量對穩定塘的水質凈化效率有很大的影響.在生態塘中通過建立菌、藻→浮游動物→魚→鴨、藻→貝、螺、水草→鵝、鴨等各種食物鏈,使之具有穩定的生態結構,不僅對污水中的污染物進行有效的凈化,而且便于綜合利用.
發展生態塘系統,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,可以實現污水處理資源化和水的良性循環;另一方面,以水生作物、水產(如魚、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”.生態塘與當地的生態農業相結合,成為生態農業的一個組成部分,即污水回收與再用的生態農業.生態塘還作為城市污水資源化生態工程的形式之一,符合生態學規律,改變了原有污染物的流轉途徑,達到了新的符合人類需要的動態平衡和良性循環.生態塘是生態化和資源化的結合體,它特別適合我國國情,具有良好的發展前景.因此,走生態化和資源化相結合的道路是穩定塘發展的最終出路.
現在,人們從生態學角度出發,走生態化和資源化相結合的路子,明確以生態學的基本思想為指導,考慮綜合利用,研究和解決穩定塘的問題.生態學的重要思想之一是其整體性觀含,強調必要的相互關系、相互儲存及因果關系.從這一思想出發,在穩定塘的研究中,以菌、藻的活動為主體,以主要營養元素C、N、P的遷移為線索,建立系統內各種生物、化學反應之間的聯系,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,使穩定塘技術有更大的發展.
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