第十二章稳定塘和污水的土地

第十二章稳定塘和污水的土地处理河北工业大学郭振华第一节稳定塘一、概述稳定塘的研究和应用始于上世纪初，当已有五十多个国家采用稳定塘技术处理城市污水和有机工业废水。我国到80年代进展才较快。据统计，1985年我国有稳定塘38座，至1990年已有118座，处理水量约189．8X104m3／d。稳定塘多用于处理中、小城镇的污水，可用作一级处理、二级处理，也可以用作三级处理。自然条件下的生物处理法主要有水体净化法和土壤净化法两类。属于储存的有氧化塘和养殖塘，统称为生物稳定塘，其净化机理与活性污泥法相似；属于后者的有土壤渗滤和污水灌溉，统称为废水的土地处理，其净化机理与生物膜法相似。自然条件下的生物处理法不但费用低廉、运行管理简便，而且对难生化降解有机物、氮磷营养物和细菌的去除率都高于常规二级处理，达到部分三级处理的效果，而其基建费用和处理成本只分别为二级处理厂的l／5～l／3和l／20～l／10。此外，在一定条件下，生物稳定塘还能作为养殖塘加以利用，污水灌溉则可将废水和其中的营养物质作为水肥资源利用，获得除害兴利、一举两得的效果。所以，近十多年来，这类方老的废水处理技术又恢复了生机，并在国内外得到迅速发展。二、稳定塘的种类和功能稳定塘又称氧化塘，是一种天然的或经过一定人工修整的有机废水处理池塘。按照占优势的微生物种属和相应的生化反应，可分为好氧塘、兼性塘、曝气塘和厌氧塘四种类型。(一)好氧塘好氧塘是一种主要靠塘内藻类的光合作用供氧的氧化塘。它的水深较浅，一般在0.3～0.5m，阳光能直接射透到池底，藻类生长旺盛，加上塘面风力搅动进行大气复氧，全部塘水都是好氧状态。按照有机负荷的高低，好氧塘可分为高速率好氧塘、低速率好氧塘和深度处理塘。高速率好氧塘用于气候温暖、光照充足的地区处理可生化性好的工业废水，可取得BOD去除率高、占地面积少的效果，并副产藻类饲料。低速率好氧塘是通过控制塘深来减小负柯，常用于处理溶解性有机废水和城市二级处理厂出水。深度处理塘(精制塘)，主要用于接纳已被处理到二级出水标准的废水，因而其有机负荷很小。（二）兼性塘水深一般在l.5～2m，塘内兼有好氧和厌氧生化反应。在上部水层中，白天藻类光合作用旺盛，塘水维持好氧状态，其净化机理和各项运行指标与好氧塘相同；在夜晚，藻类光合作用停止，大气复氧低于塘内耗氧，溶解氧急剧下降至接近于零。塘底：由可沉团体和藻、菌类残体形成了污泥层，由于缺氧而进行厌氧发酵，称为厌氧层。兼性层：好氧层和厌氧层之间。兼性塘是氧化塘中最常用的池型，常用于处理城市一级沉淀或二级处理出水。在工业废水处理中，常在曝气塘或厌氧塘之后作为二级处理塘使用，有的也作为难生化降解有机废水的储存塘和间歇排放塘(污水库)使用。由于它在夏季的有机负荷要比冬季所允许的负荷高得多，因而特别适用于处理在夏季进行生产的季节性食品工业废水。（三）曝气塘为了强化塘面大气复氧作用，可在氧化塘上设置机械曝气或水力曝气器，使塘水得到不同程度的混合而保持好氧或兼性状态。曝气塘有机负荷和去除率都比较高，占地面积小，但运行费用高，且出水悬浮物浓度较高，使用时可在后面连接兼性塘来改善最终出水水质。(四)厌氧塘厌氧塘的水深一般在2.5m以上，最深可达4—5m。当塘中耗氧超过藻类和大气复氧时，就使全塘处于厌氧分解状态。因而，厌氧塘是一类高有机负荷的以厌氧分解为主的生物塘。其表面积较小而深度较大，水在坡中停留20—50d。它能以高有机负荷处理高浓度废水，污泥量少，但净化速率慢、停留时间长，并产生臭气，出水不能达到排放要求，因而多作为好氧塘的预处理塘使用。(五)深度处理塘深度处理塘又称三级处理塘或熟化塘，属于好氧塘。其进水有机污染物浓度很低，一般BOD5≤30mg/L常用于处理传统二级处理厂的出水，提高出水水质，以满足受纳水体或回用水的水质要求。除上述几种常见的稳定塘以外，还有水生植物塘(塘内种植水葫芦、水花生等水生植物，以提高污水净化效果，特别是提高对磷、氮的净化效果)、生态塘(塘内养鱼、鸭、鹅等，通过食物链形成复杂的生态系统，以提高净化效果)、完全储存塘(完全蒸发塘)等也正在被广泛研究、开发和应用。见图12-1。三、稳定塘有下述优缺点：1．稳定塘的优点(1)基建投资低：当有旧河道、沼泽地、谷地可利用作为稳定塘时，稳定塘系统的基建投资低。(2)运行管理简单经济：稳定塘运行管理简单，动力消耗低，运行费用较低，约为传统二级处理厂的1／3—1／5。(3)可进行综合利用：实现污水资源化，如将稳定塘出水用于农业灌溉，充分利用污水的水肥资源；养殖水生动物和植物，组成多级食物链的复合生态系统。2．稳定塘的缺点(1)占地面积大：没有空闲余地时不宜采用。(2)处理效果受气候影响：如季节、气温、光照、降雨等自然因素都影响稳定塘的处理效果。(3)设计运行不当时，可能形成二次污染：如污染地下水、产生臭气和滋生蚊蝇等。虽然稳定塘存在着上述缺点，但是如果能进行合理的设计和科学的管理，利用稳定塘处理污水，则可以有明显的环境效益、社会效益和经济效益。四、稳定塘的规划设计1）塘址选择稳定塘占地较多，应尽可能利用不宜耕种的土地，如废旧河道、塘坝、低洼地、沼泽和贫瘠地等，若有高差，应充分利用。为了防止春、秋季翻塘时臭气的干扰，塘址应离居民区500一1000m以上，并位于其主导风下风方向。当用于处理城镇污水时，应结合建设规划统一考虑污灌、污养和水的综合利用问题，以求经济、环境、社会效益的统一。2）塘型及其组合塘型的选择应从处理对象的水质特征出发，结合当地气候、地形条件确定。例如，在光照充足，没有持续冰封期的地区，可选用好氧塘；而在处理高浓度有机废水时，应在系统中设置厌氧塘；在处理城市污水和工业废水时，应根据原水性质及处理水的用途和要求，宜采用多糖组合系统。3）水力条件水力条件--废水在塘内的流动特征，如塘内存在沟流、短流和返混，将使废水在塘内混合传质过程受到影响。有机物的去除率将下降。推荐的水力条件：1)塘的个数不少于3个，串联运行；2)塘形如为矩形，长宽比应大于九每个塘的面积以5000m2为度；3)进口距塘底0.5m，以多点进水为栓，出口应尽可能远离进；4)尽量设置导流墙，横向导流墙长度为塘宽的0.8倍，纵向导流墙长度为塘长的0.7倍；5)沿塘长每隔一定距离设置一条横向污泥沟，沟上方设障板，障板伸入水中约0.9m，水面以上部分木大于0.15m；6)塘堤的最大和最小坡度分别为3：1和6：1。4)设计参数我国目前采用的设计参数如表12-2。五、好氧塘1．好氧塘的种类根据在处理系统中的位置和功能，好氧塘有高负荷好氧塘、普通好氧塘和深度处理好氧塘等三种。(1)高负荷好氧塘这类塘设置在处理系统的前部，目的是处理污水和产生藻类。特点是塘的水深较浅，水力停留时间较短，有机负荷高。(2)普通好氧塘这类塘用于处理污水，起二级处理作用。特点是有机负荷较高，塘的水深较高负荷好氧塘大，水力停留时间较长。(3)深度处理好氧塘深度处理好氧塘设置在塘处理系统的后部或二级处理系统之后，作为深度处理设施。特点是有机负荷较低，塘的水深较高负荷好氧塘大。2．基本工作原理好氧塘净化有机污染物的基本工作原理如图12—1所示。塘内存在着菌、藻和原生动物的共生系统。有阳光照射时，塘内的藻类进行光合作用，释放出氧，同时，由于风力的搅动，塘表面’还存在自然复氧，二者使塘水呈好氧状态。塘内的好氧型异养细菌利用水中的氧，通过好氧代谢氧化分解有机污染物并合成本身的细跑质(细胞增殖)，其代谢产物CO2则是藻类光合作用的碳源。塘内菌藻生化反应可用式(12—1)和(12—2)表示：式(12-2)表明，每合成1g藻类，释放1.244g氧。藻类光合作用使塘水的溶解氧和pH值呈昼夜变化。白昼，藻类光合作用释放的氧，超过细菌降解有机物的需氧量，此时塘水的溶解氧浓度很高，可达到饱和状态。夜间，藻类停止光合作用，且由于生物的呼吸消耗氧，水中的溶解氧浓度下降，凌晨时达到最低。阳光再照射后，溶解氧再逐渐上升。好氧塘的pH值与水中CO2浓度有关，受塘水中碳酸盐系统的CO2平衡关系影响.白天，藻类光合作用使CO2降低，pH值上升。夜间光合作用停止，细菌降解有机物的代谢没有中止，CO2累积，pH值下降。3．好氧塘内的生物种群好氧塘内的生物种群主要有藻类、苗类、原生动物、后生动物。4．好氧塘的设计好氧塘工艺设计的主要内容是计算好氧塘的尺寸和个数。目前，对好氧塘的设计尚没有较严密的理论计算方法和设计方法，多采用经验数据进行设计。表12-1是好氧塘的典型设计参数。好氧塘主要尺寸的经验值如下：(1)好氧塘多采用矩形，表面的长宽比为3:1-4:1，一般以塘深的1／2处的面积作为计算塘面。塘堤的超高为0．6～1．0m。单塘面积不宜大于4ha。(2)塘堤的内坡坡度为1：2-1:3(垂直：水平)，外坡坡度为1:2～1:5(垂直：水平）。（3）一般好氧塘不少于2-3座。六、兼性塘1．兼性塘的基本工作原理兼性塘的有效水深一般为1．0～2.0m，通常由三层组成，上层好氧区、中层兼性区和底部厌氧区，如图12—2所示。①好氧区对有机污染物的净化机理与好氧塘基本相同。②兼性区的塘水溶解氧较低，且时有时无。这里的微生物是异养型兼性细菌，它们既能利用水中的溶解氧氧化分解有机污染物，也能在无分子氧的条件下，以NO3-、CO32-作为电子受体进行无氧代谢。③厌氧区无溶解氧。可沉物质和死亡的藻类、菌类在此形成污泥层，污泥层中的有机质由厌氧微生物对其进行厌氧分解。与一般的厌氧发酵反应相同，其厌氧分解包括酸发酵和甲烷发酵两个过程。发酵过程中未被甲烷化的中间产物(如脂肪酸、醛、醇等)进入塘的上、中层，由好氧菌和兼性菌继续进行降解。而CO2、NH3等代谢产物进入好氧层，部分逸出水面，部分参与藻类的光合作用。④范围：由于兼性塘的净化机理比较复杂，因此兼性塘去除污染物的范围比好氧处理系统广泛，它不仅可去除一般的有机污染物，还可有效地去除磷、氮等营养物质和某些难降解的有机污染物，如木质素、有机氯农药、合成洗涤剂、硝基芳烃等；⑤用途：不仅用于处理城市污水，还被用于处理石油化工、有机化工、印染、造纸等工业废水。2.兼性塘的设计（无设计规范）12-2是我国“七五”国家科技攻关成果建议的主要设计参数。兼性塘主要尺寸的经验值如下：(1)兼性塘一般采用矩形，长宽比3:1～4:1。塘的有效水深为1.2-2.5m，超高为0.6-1.0m，储泥区高度应大于0.3m。(2)兼性塘堤坝的内坡坡度为1:2—1:3(垂直：水平)，外坡坡度为1:2-1:5。(3)兼性塘一般不少于三座，多采用串联，其中第一塘的面积约占兼性塘总面积的30％一60％，单塘面积应小于4ha，以避免布水不均匀或波浪较大等问题。七、厌氧塘1.基本工作原理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，是由两类厌氧菌通过产酸发酵和甲烷发酵两阶段来完成的。即先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)，再由绝对厌氧菌(甲烷菌)将有机酸转化为甲烷和二氧化碳等。由于甲烷菌的世代时间长，增殖速度慢，且对溶解氧和pH敏感，因此厌氧塘的设计和运行，必须以甲烷发酵阶段的要求作为控制条件，控制有机污染的投配率，以保持产酸菌与甲烷菌之间的动态平衡。应控制塘内的有机酸浓度在3000mg/L以下，pH值为6.5-7.5，进水的BOD5:N:P=100:2.5:1，硫酸盐浓度应小于500mg／L，以使厌氧塘能正常运行。2．厌氧塘的设计和应用①设计：厌氧塘的设计通常是用经验数据，采用有机负荷进行设计的。设计的主要经验数据如下:(1)有机负荷有机负荷的表示方法有三种：BOD5表面负荷(KgBOD5／ha·d)、BOD5容积负荷(KgBOD5／m3·d)、VSS容积负荷(KgVSS/m3·d)，我国采用田BOD5表面负荷。处理城市污水的建议负荷值为200一600kg／ha·d.对于工业废水，设计负荷应通过试验确定。VSS容积负荷用于处理VSS很高的废水，如家禽粪尿废水、猪粪尿废水、菜牛屠串废水等。(2)厌氧塘一般为矩形，长宽比为2:1-2.5:1。单塘面积