摘要:介绍了国内外稳定塘污水处理技术研究和运用方面的最新进展,指出了稳定塘作为一项高效实用的环保技术的优势和发展趋势.
关键词:稳定塘;废水处理;资源化利用
1 稳定塘技术在国内外的发展
1901年,世界第一个有记录的稳定塘系统修建于美国得克萨斯州的圣安东尼奥市.1920年,欧洲最早的稳定塘修建于德国巴伐利亚州的慕尼黑市.其后的一段时间,该项技术的发展几乎处于停滞状态,主要原因在于稳定塘占地面积较大.但是,相对于其它污水处理技术,稳定塘的最大优势在于建设费用和运行成本很低,受全球能源危机的影响,近三四十年,能耗较低且运行稳定的稳定塘技术得到较快发展.目前,美国有7000多座稳定塘,德国有2000多座稳定塘,法国有1500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.稳定塘除了能够很好地处理生活污水,对各种废水也都表现出优异的处理效果,广泛应用于处理石油、化工、纺织、皮革、食品、制糖、造纸等工业废水。
我国于20世纪50年代就开始了对稳定塘污水处理技术的研究.20世纪80年代,国家环保局主持了被列为国家“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、设计运行参数等方面,取得了许多有价值的研究成果.目前,我国规模较大的稳定塘有:
日处理20万m3城市污水的齐齐哈尔稳定塘、日处理17万m3城市污水的西安漕运河稳定塘、日处理3万m3城市污水的山东胶州氧化塘和日处理8万m3化工废水的湖北鸭儿湖氧化塘等.
2 稳定塘技术的应用现状
随着研究和实践的逐步深入,在原有稳定塘技术的基础上,发展了很多新型塘和组合塘工艺.这些技术或者进一步强化了稳定塘的优势,或者弥补了原有技术的不足.
2.1 新型的稳定塘技术
针对稳定塘存在诸如水力停留时间较长、占地面积过大、积泥严重和散发臭味等问题,人们不断地对稳定塘进行改良,出现了许多新型塘.
2.1.1 活性藻系统
以色列Shelef&Azov等人系统研究并发展了这项技术.活性藻系统是根据藻菌共生原理,在系统内培养合适的菌类和藻类,利用藻类供氧以减少人工供氧量,从而进一步降低污水处理能耗和运行成本.而且,还可以用大量繁殖菌藻的方式进行污水净化、再生和副产藻类蛋白,这类稳定塘又称为高速率氧化塘.
2.1.2 高效藻类塘[1]
高效藻类塘(highratealagepond)是美国加州大学伯克利分校的Oswald提出并发展的,高效稳定塘不同于传统稳定塘的特征主要表现在四方面:①较浅的塘的深度,一般为0.3～0.6m,而传统的稳定塘的深度,根据其类型塘内深度一般在0.5～2.0m;②有一垂直于塘内廊道的连续搅拌的装置;③较短的停留时间,一般为4～10d左右,比一般的稳定塘的停留时间短7～10倍;④高效藻类塘的宽度较窄,且被分成几个狭长的廊道.这样的构造可以很好地配合塘中的连续搅拌装置,促进污水的完全混合,调节塘内氧和CO2的浓度,均衡池内水温以及促进氨氮的吹脱作用.以上四种特征创造了有利于藻类和细菌生长繁殖的环境,强化藻类和细菌之间的相互作用,所以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.现在高效稳定塘在美国、法国、德国、南非、以色列、菲律宾、泰国、印度、新加坡等国都有应用.
2.1.3 水生植物塘
利用高等水生植物,主要是水生维管束植物提高稳定塘处理效率,控制出水藻类,除去水中的有机毒物及微量重金属.研究表明,生长速度最快和改善水质效果最好的水生维管植物有水葫芦、水花生、美国爵床和宽叶香蒲.
此外,国外在此项基础上,发展了太阳能水生植物塘.
2.1.4 悬挂人工介质塘
在稳定塘内悬挂比表面积大的人工介质,如纤维填料,为藻菌提供固着生长场所,提高其浓度来加速塘内去除有机质的反应,从而改善塘的出水水质.
2.1.5 超深厌氧塘[2]
超深厌氧塘是另一种稳定塘新工艺,与常规厌氧塘相比,具有BOD5容积负荷大,占地面积小,受温度影响小的优点.有先例表明,在AIPS系统中深6m厌氧坑运行25a而不需清淤,说明底泥消化完全.美国OsMald提出的“高级综合塘系统”(AIPS)中,在兼性塘内设置6m深的厌氧坑.污水从坑底进入塘内,坑内污水上升流速很小,大约污水的全部SS和70%BOD5在坑中被去除.英国Mara等人研究的超深厌氧塘,深达15m.
2.1.6 移动式曝气塘
普通曝气塘多为固定式曝气.移动式曝气近似于有多个曝气器同时运转,可缩短氧分子扩散所需时间,含氧水也随着移动式曝气器的移动而迁移,进一步缩短氧分子扩散所需时间.曝气器的移动还有利于保持塘内溶解氧均匀分布而避免死角.
2.2 组合塘工艺
组合塘工艺可分为两大类型:一是与生物滤池或生物转盘、活性污泥法组合,作为二级处理的补充;二是各类塘型的组合,这里主要介绍后者.
2.2.1 多级串联塘[3]
串联稳定塘是目前国外普遍采用的一种稳定塘设计方式.Mara和R.S.Ramalho等人提出串联稳定塘可以提高水处理效率.研究表明,串联稳定塘较之单塘不仅出水藻菌浓度低,BOD、COD、N和P的去除率高,而且只需较短的水力停留时间.人们通过染料试验证实了单塘结构的氧化塘短路现象严重,存在很多死水区,将单塘改造成多级串联塘,其流态更接近于推流反应器的形式,从而减少了短流现象,提高了单位容积的处理效率.其次,从微生物的生态结构看,多级串联有助于污水的逐级递变,减少了反混现象,使有机物降解过程趋于稳定.由于不同的水质适合不同的微生物生长,串联稳定塘各级水质在递变过程中,会产生各自相适应的优势菌种,因而更有利于发挥各种微生物的净化作用.因此,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特别重要.典型的串联方式如“厌—兼—好”组合塘工艺,可比“兼—好”塘系统节省占地40%.
2.2.2 高级综合塘系统(AIPS)[4]
普通塘系统(或常规塘系统)由兼性塘、厌氧塘、曝气塘、好氧塘4种普通形式的塘以多种不同的组合方式组成.但是,普通塘系统的一些缺点和局限性影响了其推广和应用.从20世纪70年代末开始,美国着手研究和开发了一些新型的单元塘和塘系统.由美国加州大学W.J.Oswald教授研究开发的由高级兼性塘、高负荷藻塘、藻沉淀和熟化塘4种塘串联组成高级综塘系统,每一个塘为达到预期目的而被专门设计.高级综合塘系统与普通塘系统相比,具有如下一些优点:水力负荷率和有机负荷率较大,而水力停留时间较短;节省能耗;基建和运行费用较低;能实现水的回收和再用,以及其它资源的回收.
2.2.3 生态综合系统塘[5-6]
利用生态系统处理污水与现在通用的生物处理概念不同,其工作原理是以太阳能为初始能源,利用食物链(网)中各营养级上多种多样的生物种群的分工合作来完成污水的净化.具体是在污水处理生态系统的食物链(网)中的物质转化和能量传递过程中实现的.生态塘的核心是食物链(网),而食物链(网)中的核心是生物种属的合理构成.生态塘系统采用天然和人工放
养相结合,对生态塘系统中的生物种属进行优化组合,使污水中能量得以高效地利用,使有机污染物得以最大限度地在食物链(网)中进行降解和去除.在生态塘中,还可以以水生作物、水产和水禽形式作为资源回收,净化的污水可作为再生水资源予以回收再用.
3 稳定塘的发展趋势
针对稳定塘技术中存在的不足,从节约占地、提高效率上进行革新,使稳定塘技术越来越成为一种实用高效的污水处理工艺.未来的稳定塘污水处理技术将会有以下特点.
3.1 正规化
现代的稳定塘不象以往直接利用天然的坑、塘、洼地稍加修整而成,一般事先都经过精确的设计,不仅重视作为工艺主单元的塘体设计,而且配备包括预处理、附属设备等其它常规设施.
以前,国内大多数稳定塘由于预处理不当或根本无预处理,使运行过程中底泥淤积严重,导致塘有效容积急剧缩小或塘失效.以预处理、附属设备等作为稳定塘的配套措施,可以克服塘中的污泥淤积问题,改善处理效果和环境卫生条件.例如,在氧化塘前设置水解池作为预处理构筑物,水解池SS的去除率高达78%,强化了对有机污染物的去除,有效地减轻了后续氧化塘
的淤积程度.
现在稳定塘的设计有了扎实的理论作为指导,长期以来,积累了大量对稳定塘的污染物迁移转化规律、净化机理、氧传递规律、水力学特性、容积分配、生物群落演变、塘型组合的研究成果.例如,建立了关于兼性塘的24个动力学模型公式,包括理论方程和经验方程等,并已由美国Tennessee大学的E.JoeMiddlebrooks教授验证认为可行.我国通过大量的试验,已取得了不同地区、不同塘型的工艺参数,对设计有着重要的参考价值.近来还开发了“稳定塘辅助设计系统”应用软件.
3.2 高效化
节省占地、提高处理效率是近年来稳定塘研究的主要目的.如前所述,现在发展了很多高效新型塘,在这些塘中,有的是通过改善塘型,对天然塘型进行精确修整、分隔组合,使之更加符合高效反应器的合理构造;有的引入了人工强化技术[7],通过改善微生物生存环境和利用生物的综合效应,提高稳定塘的有机负荷,减少污水停留时间.
3.3 系统化
自从人们认识到串联塘的优越性之后,各种组合塘工艺应运而生.先是普通塘之间的组合,接着又出现了高级综合塘系统,现在则是流行生态综合塘系统.高效化的稳定塘决不是一个大面积的水塘,未来的稳定塘必然是包括预处理措施、合理的塘型组合、放养去污能力强的水生植物或设置人工强化基质、生态养殖和污水综合利用等组成的更为复杂的系统工程.
由于塘本身就是一个由细菌、藻类、微型动物(原生动物和后生动物)、水生植物以及其它水生动物组成的系统,各种塘型组合之后,又形成一个更为复杂的系统.因此,人们开始逐步重视用系统科学的分析方法去研究和解决稳定塘的问题,将系统工程原理应用于研究稳定塘的实践之中.
3.4 生态化与资源化[6,8]
稳定塘中,容易出现藻类过量繁殖,使受纳水体二次污染,往往需采用较复杂和昂贵的除藻技术.我国的研究已经突破了菌藻共生塘的界限,发展成生态系统塘.经研究发现,生态塘出水中的浮游生物的生物量对稳定塘的水质净化效率有很大的影响.在生态塘中通过建立菌、藻→浮游动物→鱼→鸭、藻→贝、螺、水草→鹅、鸭等各种食物链,使之具有稳定的生态结构,不仅对污水中的污染物进行有效的净化,而且便于综合利用.
发展生态塘系统,将污水净化、出水资源化和综合利用相结合,一方面净化后的污水可作为再生水资源予以回收再用,使污水处理与利用结合起来,可以实现污水处理资源化和水的良性循环;另一方面,以水生作物、水产(如鱼、虾、蟹、蚌等)和水禽(如鸭、鹅等)形式作为资源回收,提高稳定塘的综合效益,甚至做到“以塘养塘”.生态塘与当地的生态农业相结合,成为生态农业的一个组成部分,即污水回收与再用的生态农业.生态塘还作为城市污水资源化生态工程的形式之一,符合生态学规律,改变了原有污染物的流转途径,达到了新的符合人类需要的动态平衡和良性循环.生态塘是生态化和资源化的结合体,它特别适合我国国情,具有良好的发展前景.因此,走生态化和资源化相结合的道路是稳定塘发展的最终出路.
现在,人们从生态学角度出发,走生态化和资源化相结合的路子,明确以生态学的基本思想为指导,考虑综合利用,研究和解决稳定塘的问题.生态学的重要思想之一是其整体性观含,强调必要的相互关系、相互储存及因果关系.从这一思想出发,在稳定塘的研究中,以菌、藻的活动为主体,以主要营养元素C、N、P的迁移为线索,建立系统内各种生物、化学反应之间的联系,必将有助于全面认识稳定塘的机理,提高稳定塘设计的合理性,使稳定塘技术有更大的发展.
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