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第八章 废水天然生物处理工艺

第一节 稳定塘

一、概述
1、稳定塘的发展及应用
稳定塘(Stabilization Ponds)［旧称氧化塘(Oxidation Ponds)或生物塘］是一种利用天然净化能力处理废水的生物处理工艺，其对废水的净化过程与自然水体的自净过程类似。
稳定塘的研究与应用始于20世纪初期，在50~60年代之间稳定塘技术的发展较迅速，目前已有五十多个国家采用稳定塘技术处理城市废水或有机工业废水。但占城市废水处理的比例很低；目前，在美国、加拿大、澳大利亚等有一定发展。我国的环境保护技术政策规定：“城市废水处理，应推行废水处理厂与氧化塘、土地处理系统相结合的政策”；1985年，38座稳定塘；1988年，80多座；1990年，113座，处理水量190万m3/d；多用于处理中、小城镇的生活废水。

2、稳定塘的分类
1) 稳定塘内的生物学过程
主要利用菌藻共生系统来处理废水中的有机污染物；

2) 稳定塘的分类：
主要是根据塘中微生物反应的类型来划分；分为好氧塘、兼性塘、厌氧塘、曝气塘、深度处理塘、综合生物塘等。

3) 优缺点及采用条件
① 优点：在条件合适时，基建投资少；运行管理简单，耗能少，运行费用低(为传统人工处理厂的1/3～1/5)；可进行综合利用，形成复合生态系统，可产生明显的经济、环境和社会效益。
② 缺点：占地面积过多；处理效果受气候影响较大，如过多问题，春、秋季翻塘问题等；如设计或运行不当，可能形成二次污染(如污染地下水、产生臭气等)。
③ 适于采用稳定塘的必要条件：土地；气候：气温、日照条件、风力等

3、常用工艺流程
1) 处理城市废水的传统工艺流程
进水
兼性塘
出水
兼性塘与好氧塘串联的处理工艺
好氧塘

进水
好氧塘
出水
以好氧塘为主的处理工艺

2) 有厌氧塘的工艺流程
3) 有曝气塘工艺流程

4) 有综合生物塘工艺流程

二、好氧塘
1、定义：
全塘皆为好氧区；为使阳光能达到塘底，好氧塘的深度较浅。

2、分类
又可分为普通好氧塘、高负荷好氧塘和深度处理好氧塘；
1) 高负荷好氧塘：
有机负荷较高，HRT较短；出水中藻类含量高；运行技术较复杂，只适用于气候温暖且阳光充足的地区；处理废水的同时又产生藻类。
2) 普通好氧塘：
有机负荷低，HRT长；处理废水为主要目的。
3) 深度处理好氧塘：
有机负荷短，HRT也短；目的是串联在二级处理系统之后，进行深度处理。

3、应用：
好氧塘多应用于串联在其他稳定塘后做进一步处理，不用于单独处理。

4、主要尺寸：
(1)长宽比：多采用矩形塘，L：W=3:1～4:1
(2)塘深：有效水深：高负荷好氧塘：0.3～0.45m；普通好氧塘：0.5～1.5m；深度处理好氧塘：0.5～1.5m；超高：0.6～1.0m
(3)堤坡：塘内坡坡度1：2～1:3；塘外坡坡度1:2～1:5
(4)单塘面积：单塘面积介于0.8～4.0×104m2；好氧塘不得少于3座(至少2座)

5、好氧塘的典型设计参数
设计参数
高负荷好氧塘
普通好氧塘
深度处理好氧塘
BOD表面负荷
80-160
40-120
< 5
HRT
4-6
10-40
5-20
有效水深
0.30-0.45
0.5-1.5
0.5-1.5
PH值
6.5-10.5
6.5-10.5
6.5-10.5
温度范围
5-30
0-30
0-30
BOD去除率
80-95
80-95
60-80
藻类浓度
100-260
40-100
5-10
出水SS
150-300
80-140
10-30

三、兼性塘
1、定义：
兼性塘的上层由于藻类的光合作用和大气复氧作用而含有较多溶解氧，为好氧区；中层则溶解氧逐渐减少，为过渡区或兼性区；塘水的下层则为厌氧层；塘的最底层则为厌氧污泥层。

2、预处理及对进水水质的要求：
如果兼性塘作为第一级，则要求一定的预处理措施(与厌氧塘相同)；兼性塘要求BOD5:N:P=100:5:1

3、构造及主要尺寸：
(1)长宽比：多采用矩形塘，长宽比为3：1～4:1
(2)塘深：有效水深：1.2～2.5m；储泥厚度：≥0.3m；超高：0.6～1.0m
(3)单塘面积：一般介于0.8～4.0×104m3；系统中兼性塘一般不少于3座，多串联

4、设计方法：
一般均采用BOD表面负荷法进行设计，设计参数的选取与冬季平均水温有关，见下表：
冬季平均气温
（°C）
BOD5表面负荷
（kgBOD5/104m2.d）
水力停留时间
(h)
> 15
10 ~ 15
0 ~ 10
-10 ~ 0
-20 ~ -10
< -20
70~100
50~70
30~50
20~30
10~20
< 10
不小于7
20~7
40~20
120~40
150~120
180~150

四、厌氧塘
1、定义：有机负荷高，整个塘无好氧区；常置于塘系统的首端，以承担较高的BOD负荷。
2、预处理：应设置格栅(≤20mm)；应设置沉砂池；如必要，应设置除油池。
3、进水水质：
进水水质与传统二级处理工艺的要求相同；进水硫酸盐浓度不宜大于500mg/L；进水BOD5：N：P=100：2.5：1
4、构造及主要尺寸：
(1)长宽比：一般为矩形，长宽比为2～2.5：1
(2)深度：有效水深：2.0～4.5m(2.5～5.0m)；储泥厚度：≥0.5m；超高：0.6～1.0m
(3)堤坡：堤内坡度1.5：1～1：3；堤外坡度：1：2～1：4
(4)进出水口：
厌氧塘进口设在底部，高出塘底0.6～1.0m；
出水管应在水面下，淹没深度不小于0.6m；
应在浮渣层或冰冻层以下；
进口和出口均不得少于两个。
(6)塘数及单塘面积：
至少应有两座，可并联；单塘面积0.8～4×104m2。

5、设计方法
多采用有机负荷法，即BOD表面负荷，其单位为(BOD5/104m2·d)。我国厌氧塘的最大容许负荷：北方300kgBOD5/(104m2·d)；南方800kgBOD5/(104m2·d)

五、曝气塘
1、定义： 曝气塘采用人工补气供氧，表面叶轮或鼓风补气：
完全混合曝气塘或好氧曝气塘；部分混合曝气塘或兼性曝气塘
2、基本要求：
1)完全混合曝气塘的出水经沉淀后污泥可回流；(2)沉淀是曝气塘的必要组成部分；(3)BOD5表面负荷为1～30kgBOD5/(104m3·d)；(4)好氧曝气塘的HRT为3～10d；兼性曝气塘的HRT有可能超过10d；(5)有效水深为2～6m；
(6)一般不少于3座，通常按串联方式运行；(7)多采用表面曝气机曝气，北方则采用鼓风曝气。

第二节 土地处理系统

一、概述
1、定义：
在人工调控和系统自我调控的条件下，利用土壤——微生物——植物组成的生态系统对废水中的污染物进行一系列物理的、化学的和生物的净化过程，使废水水质得到净化和改善；并通过系统内营养物质和水分的循环利用，使绿色植物生长繁殖，从而实现废水的资源化、无害化和稳定化的生态系统工程，称为废水土地处理系统。

2、历史和现状：
历史悠久；发展迅速：1987年美国有4000多座土地处理系统；原苏联3.6%的城市废水处理系统是土地处理系统；澳大利亚5%的城市废水处理系统是土地处理系统；等。

3、废水灌溉与土地处理
废水土地处理技术是在废水灌溉基础上发展起来的，但二者既有密切的联系，又有显著的差别：
废水土地处理
(Land Treatment of Wastewater)
废水灌溉农田
(Wastewater Irrigation)
1、 以控制水污染、净化污水为目标；
2、 以土地处理构筑物，利用土壤—植物系统净化废水，达到一定的水质目标，实质上是生态工程系统；
3、 对进水的水量、水质有较严格要求，需要一定的预处理；
4、 通过试验研究确定设计运行参数，采用适宜负荷与运行条件；
5、 对系统进行有效管理与维护保证处理效果；
6、 能终年稳定运行；
7、 有收集系统，对出水进行有控的排放与利用；
8、 对周围环境设有监测系统
1、 以作物对水肥资源的利用为目标；
2、 以灌水定额、灌溉制度及废水农田排放标准来控制灌溉水的水量与水质；
3、 无专门的设计运行参数，一般无完整科学的设计；
4、 不能终年运行；
5、 出水不加收集，不能进行有控排放与利用；
6、 无专门的环境监测系统

二、系统的组成、作用机理与工艺分类
1、系统的组成：
废水的预处理设施；废水的调节与贮存设施；废水的输送、布水及控制系统；土地净化田；净化出水的收集与利用系统

2、净化机理：
1) 物理过滤：
土壤颗粒间的孔孙能截留，滤除废水中的悬浮颗粒；
2) 物理吸附和物理沉积：
土壤中粘土矿物具有吸附功能；废水中的部分重金属离子可能会由于被吸附、被置换而沉积于土壤中。
3) 物理化学吸附：
金属离子与土壤中无机或有机胶体反应形成螯合化合物；有机物与无机物反应生成复合物；重金属离子由于阳离子交换而被置换吸附；生成非溶性化合物。
4) 化学反应与沉淀：
5) 微生物的代谢和有机物的分解：
异养型微生物；厌氧型微生物；硝化菌、反硝化菌等

3、基本工艺类型
慢速渗滤；快速渗滤；地表漫流；湿地系统；地下渗滤系统

二、慢速渗滤系统
1、概述：
该系统适用于渗水性能良好的壤土、砂质壤土以及蒸发量小、气候湿润的地区；废水经石灌或喷灌后垂直向下缓慢渗滤，其上种有农作物；该系统可充分利用废水中的水分及营养成分，并藉土壤—微生物—农作物复合系统对污水进行净化，部分污水被蒸发和渗滤；使用寿命长。

2、工艺目标：
处理废水；利用水和营养物质生产农作物；节省优质清洁水，(特别是干旱地区)

3、工艺性能：
废水投配负荷一般较低，由于渗滤速度慢，废水在表层土壤（含大量微生物)中的停留时间长，废水净化效率高，出水水质好。

4、预处理
一级处理：初次沉淀或酸化(水解)池处理；
二级处理：稳定塘或传统二级生物处理。

5、作物选择：
处理废水为目标时，可选多年生牧草，其生长期长，对氧利用率高，忍受水力负荷能力强；种植谷物则应以利用、生产为主，对废水的调蓄应加强管理；森林型SR系统

6、应用实例：

四、快速渗滤系统
净化机理类似于间歇“生物砂滤器”；适用于透水性非常良好的土壤，如砂土、壤土砂或砂壤土等；废水周期性地布水(投配或灌入)和落干(休灌)，使快速渗滤池的表层土壤处于厌氧、好氧交替运行的状态，藉不同种群的微生物分解降解废水中的有机物，A-O交替运行有利于去除N、P；该系统的有机负荷与水力负荷比其他土地处理工艺明显地高得多，但其净化效率仍很高。
1、工艺特点：
可将净化水补给地下水；可藉井或地下排回收净化水；可将净化水贮存在地下含水层。

2、工艺性能：
可以直接采用快速渗滤系统处理一级处理(酸化池)出水：该系统对污染物的去除率高：COD＞90%，BOD5＞95%，SS＞98%；系统出水的COD＜40mg/L，BOD＜10mg/L；耐冲击负荷能力强；脱氮能力强。

3、预处理要求
一般情况下，一级处理即可；若对出水水质要求高或滤速高，则应以二级处理作为预处理。

五、地表漫流系统
其净化机制类似于固定膜生物处理法；将废水投配到多年生牧草、坡度和缓、土壤渗透性差的坡面上，废水在沿坡面缓慢流动的过程中得到净化；适用于土壤渗透性低的粘土、亚粘土。
废水要求预处理(如格栅、筛滤)后进入系统，出水水质相当于传统生物处理后的出水；对BOD、SS、N的去除率较高；在处理废水的同时，可收获作物

六、湿地系统(Wet Land)
在一年内的相当长时间里，土壤的渗水面接近于地表面，使土壤处于饱和状态，并维持特定作物在其间生长的地方即为湿地；利用湿地和沼泽地处理污水的方法为湿地系统；湿地可以是天然湿地，也可以是人工湿地。

七、地下渗滤系统
将废水投配到具有一定构造、距地面约0.5m深，有良好渗透性土地层中，藉毛管浸润和土壤渗滤作用，使废水向四周扩散，通过过滤、沉淀、吸附、生物降解等过程使废水得到净化；适用于分散的居民点
工艺特点：处理效果稳定；基建投资省、运行费低。

八、复合污水土地处理系统
实际上是上述各种工艺的组合，如：地表漫流-湿地复合系统、地表漫流-快速渗滤等。
各种土地处理工艺净化效果
废水水质指标
慢速渗滤
快速渗滤
地表漫流
湿地系统
地下渗滤
平均值
最高值
平均值
最高值
平均值
最高值
平均值
最高值
平均值
最高值
BOD5
< 2
< 5
5
< 10
10
< 15
10~20
< 30
< 2
< 5
SS
< 1
< 5
2
< 5
10
< 20
10
< 20
< 1
< 5
TN
3
< 8
10
< 20
5
< 10
10
< 20
3
< 8
NH3-N
< 0.5
< 2
0.5
< 2
< 4
< 8
5~10
<15
< 0.5
< 2
TP
< 0.1
< 0.3
1
< 5
4
< 6
4
<10
< 0.1
< 0.3
大肠菌群
0
< 100
100
<2000
2000
20000
4*105
<4*106
0
< 100

慢速渗滤
快速渗滤
地表漫流
BOD
80/90
85~99
> 92
COD
> 80
> 50
> 80
SS
80/99
> 98
> 92
TN
80/99
80
70~90
TP
80/99
70~90
40~80
病毒
90/98
> 98
> 98
细菌
90/99
99
> 98
金属
> 95
50~95
> 50