生態(tài)塘應(yīng)用于污水深度處理的技術(shù)現(xiàn)狀及前景展望

摘要 本文從生態(tài)塘的原理說起，分述了生態(tài)塘的應(yīng)用和技術(shù)現(xiàn)狀，并據(jù)此簡單分析了生態(tài)塘的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞 生態(tài)塘；污水；深度處理技術(shù)；現(xiàn)狀；前景

中圖分類號 X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1673-9671-(2012)051-0134-02

目前，人們越來越重視利用生物技術(shù)的方法來處理污染物，生態(tài)塘就是其中的一種。它的主要特點(diǎn)就是投資和管理費(fèi)用相對低廉、操作方便和對污染水體的凈化效果好等，是經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)治理污水和實(shí)施污水資源化循環(huán)利用的有效途徑。

1 生態(tài)塘的原理

生態(tài)塘的生物作用的過程都是以太陽能為初始能源、以活性蛋白酶為催化劑的酶促反應(yīng)，由于此類蛋白酶的高效催化特性，即使是在常溫常壓以及幾乎中性的溶液環(huán)境條件下都能進(jìn)行徹底的反應(yīng)，其能量的傳遞和轉(zhuǎn)化是通過生態(tài)塘中的食物鏈和食物網(wǎng)得以實(shí)現(xiàn)，不僅大大簡化了污染治理的條件，操作簡便，費(fèi)用低廉，不需要過多投入，而且絕大多數(shù)污染物經(jīng)過這般處理后，最終產(chǎn)物基本都是穩(wěn)定的無毒無害物質(zhì)，如二氧化碳、水和甲烷等，部分產(chǎn)物還可以作為新生的能源物資加以利用，同時還可以獲得大量水產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)客觀，而且對于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展也大有益處。

2 生態(tài)塘的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 生態(tài)塘的國外應(yīng)用現(xiàn)狀

生態(tài)塘在國外包括國外很多發(fā)達(dá)國家的應(yīng)用都是相當(dāng)廣泛的。如美國的最早應(yīng)用可以追溯到1901年，當(dāng)時是在德克薩斯州的圣安東尼奧市建成并投入使用。到目前為止，在美國的中小社區(qū)已經(jīng)建成的生態(tài)塘系統(tǒng)已有12 000多座之多，其發(fā)揮的功能占美國污水處理總量的25%。還比如德國的慕尼黑，該市在1920年就建成了當(dāng)時歐洲最早的污水凈化養(yǎng)魚塘系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)一直沿用到現(xiàn)在，到目前為止，德國建成的生態(tài)塘系統(tǒng)已有3 000多座。還比如法國已有2 000多座。在前蘇聯(lián)，小城鎮(zhèn)污水處理的主要任務(wù)也是由生態(tài)塘系統(tǒng)來完成的。另外，還有很多國家都建有大量的生態(tài)塘系統(tǒng)投入了使用，如加拿大、印度、巴西、沙特阿拉伯、以色列和約旦等等，不勝枚舉。

2.2 生態(tài)塘的國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

和國外相比，我國利用生態(tài)塘系統(tǒng)來進(jìn)行污水的處理起步較晚，發(fā)展也相對比較緩慢。我國對生態(tài)塘系統(tǒng)的最早研究和試驗是在20世紀(jì)50年代末，然而直到70年代才基本上形成一定的規(guī)模。當(dāng)時最大的原因也是迫于污水的排放量隨著城市化進(jìn)程的加快而日益增大，一方面是要解決這個問題，另一方面為解決農(nóng)田的污水灌溉安全問題?；谶@樣的原因，當(dāng)時不僅加大了現(xiàn)成坑塘的利用程度，更是修整了大量的廢舊河道，改造為廢水塘庫加以補(bǔ)充利用。80年代是我國利用生態(tài)塘系統(tǒng)處理污水的高峰期，當(dāng)時相關(guān)的配套技術(shù)也得以突飛猛進(jìn)的發(fā)展，尤其是在農(nóng)村和郊區(qū)應(yīng)用最為廣泛，比較成功的案例如山東的東營、膠州和廣東的番禺等。由于經(jīng)驗的累計，促進(jìn)技術(shù)向更加成熟的方向發(fā)展，涌現(xiàn)了一大批當(dāng)時相當(dāng)具有價值的研究成果，比如對生物處理的機(jī)理有了更深入的掌握、更熟悉其運(yùn)行規(guī)律和優(yōu)化設(shè)計等。發(fā)展到如今，我國大概有幾百個城市都已經(jīng)開始在利用生態(tài)塘系統(tǒng)在進(jìn)行這污水的處理工作，都取得了比較成功的結(jié)果。但與國外的生態(tài)塘系統(tǒng)比較的話，從設(shè)計、建造、運(yùn)行和生態(tài)功能等方面，都還顯得粗糙和落后，未能達(dá)到最理想的狀態(tài)。

3 生態(tài)塘的技術(shù)現(xiàn)狀

現(xiàn)目前，生態(tài)塘對污水處理的主要任務(wù)體現(xiàn)在脫氮除磷和資源再生循環(huán)利用兩個方面，包括三方面的關(guān)鍵技術(shù)，一是遴選出具有高效污水凈化能力的水生植物；二是更加優(yōu)化菌藻配伍降污能力；三是優(yōu)化高效曝氣復(fù)氧技術(shù)等。

3.1 高效凈化植物的遴選細(xì)化

水生凈化植物的選擇直接影響生態(tài)塘的凈化效果，在選擇的時候要結(jié)合當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境條件，綜合考慮各方面的因素。具體的遴選方法可參照以下原則。

1）首先應(yīng)該考慮的就是水生凈化植物自身的生態(tài)適應(yīng)能力。其適應(yīng)能力最直接的表現(xiàn)就是能在能夠在需要凈化的水體環(huán)境當(dāng)中正常地生長，在植物引種的時候特別應(yīng)注意這樣的問題，植物對不同環(huán)境有不同的適應(yīng)能力，因此要做到因地制宜，保證植物的正常生長。

2）凈化植物具有發(fā)達(dá)的根系。發(fā)達(dá)的根系不僅有利于降低水體的富營養(yǎng)程度，更能為微生物提供足夠的寄生場所，而增加微生物的種群群落能更進(jìn)一步提高對污水的凈化能力。

3）凈化植物的選擇應(yīng)該充分考慮塘系的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行費(fèi)用。這方面可以盡量優(yōu)先考慮本地植物，一是方便管理，二是也能有效控制成本和日常管理工作量，另外就是本地的植物更強(qiáng)的適應(yīng)性也能增加其抗惡劣氣候災(zāi)害和病蟲害的能力。

4）選用對溫差喜好不同的植物進(jìn)行配伍種植，以免在季節(jié)交替后出現(xiàn)水生凈化植物的空白期而導(dǎo)致水質(zhì)變化大幅落差。

5）選擇生長周期更長的多年生水生植物。這樣能盡量減少植物的更換頻率從而降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

在滿足以上基本要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)充分考慮植物的種群特性、去污能力、營養(yǎng)需求以及景觀美學(xué)等多方面的因素合理配伍，形成最佳的脫氮去磷效果。

3.2 優(yōu)化菌藻配伍提高降污能力

菌藻共生方式處理污水的基本原理就是，首先污水中的需氧菌通過氧化分解的作用，把污水中的有機(jī)污染物分解，通過代謝產(chǎn)生出二氧化碳、無機(jī)氮和磷化合物等，而這些物質(zhì)恰好正是藻類可以利用到的營養(yǎng)物質(zhì)，通過光合作用，藻類物質(zhì)再把這些物質(zhì)充分吸收為自己的組分，同時釋放出氧氣供需氧菌繼續(xù)氧化分解有機(jī)物。整個過程是一個循環(huán)式的過程，以此形成菌藻共生去污的特殊效果。

1）活性藻系統(tǒng)。對活性藻系統(tǒng)的研究源于以色列人ShelefAZOV等人，他們在這個領(lǐng)域做了大量的工作并使該技術(shù)得以發(fā)展?；钚栽逑到y(tǒng)本質(zhì)上也是依據(jù)菌藻共生的原理，首先是合理選擇菌藻的種類，在此基礎(chǔ)上，通過控制菌類和藻類的比例關(guān)系，充分利用藻類的自身供氧來減少人工供氧量，這樣在很大程度上降低了污水處理的成本。本系統(tǒng)還可以采用菌藻大量繁殖的方式來凈化污水，同時提高了水生副產(chǎn)品的產(chǎn)量，因此又被稱為高速氧化塘。此系統(tǒng)的缺點(diǎn)就是菌類和藻類的比例控制上，首先就是確定最佳比例要進(jìn)行大量繁雜的復(fù)配過程，另外就是即使確定了比例，維系該比例也存在一定的技術(shù)難度。

2）高效藻類塘。高效藻類塘是美國加州大學(xué)伯克利分校的Oswald提出并發(fā)展的。它主要有四方面的主要特征以區(qū)別于傳統(tǒng)的生態(tài)塘：①較淺的深度，一般在0.3 m～0.6 m之間，而傳統(tǒng)生態(tài)塘為0.5 m～2.0 m；②安裝有連續(xù)攪拌設(shè)備；③停留時間短，比普通生態(tài)塘短7倍～10倍；④塘寬度小，分有狹長廊道，能很好配合攪拌設(shè)備，提高污水混合的均勻度，很好調(diào)節(jié)塘液的溫度以及氧和CO2濃度，使脫氮的效果更加理想。以上的所有特征不僅大大減少了生態(tài)塘的占地面積，而且非常有利于菌藻的繁殖和生長，增加了生態(tài)塘生物相的多樣性，對氮磷的去除效果理想。目前，此類生態(tài)塘在美國、法國、德國、南非、以色列、印度、新加坡等國都有應(yīng)用，但目前在我國尚無應(yīng)用實(shí)例。此系統(tǒng)的缺點(diǎn)是不太適合大型污水處理廠的需要。

3）固定化菌藻共生系統(tǒng)。近年來，在污水的處理中，比較廣泛地采用的技術(shù)就是固定化微生物和固定化藻類。它最大的優(yōu)點(diǎn)就是能夠保持較高的微生物濃度，很方便做固液分離的處理、不容易受到有毒物質(zhì)的影響和污泥的制造量少等特點(diǎn)，對污染物能有很好的凈化作用。此系統(tǒng)的缺點(diǎn)是不能維持生態(tài)塘的多樣生物相，處理污水的種類相對單一。

以上三種菌藻配伍系統(tǒng)根據(jù)其自身特點(diǎn)，可以在不同的環(huán)境和條件下選擇性采用。

3.3 曝氣復(fù)氧技術(shù)的優(yōu)化

生態(tài)塘水體的氧份主要從空氣或者是水生植物的光合作用來獲得。但即使是兩者的合力效果很多時候都很難滿足水體的凈化過程。因此需要采用人工曝氣的方式來加快水體的復(fù)氧速度，增加好氧菌的活力從而實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的改善。

1）微孔曝氣系統(tǒng)。微孔曝氣系統(tǒng)由供氧裝置和微孔布?xì)夤軜?gòu)成，該系統(tǒng)無需提供動力，不會產(chǎn)生噪聲。如德國Messer公司開發(fā)的Biox-N，該工藝純氧曝氣的微氣泡是由一種特殊橡膠材料制成的軟管加輸氧氣墊產(chǎn)生，微細(xì)小孔均勻分布在管壁上，氧氣通過時可產(chǎn)生直徑小于2 mm的微氣泡，這等同是擴(kuò)大了氣、液接觸面積，縮短了反應(yīng)時間，將氧的利用率提高到了80%。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是利用純氧會增加成本投入，微孔容易堵塞，所以建議在小型且泥沙含量少的生態(tài)塘使用。

2）混流增氧系統(tǒng)?；炝髟鲅跸到y(tǒng)的組成部分有供氧裝置、水泵、混流器和噴射機(jī)等。其工作原理是：增壓管上的文氏管能夠?qū)⒀鯕馀莘鬯楹腿芙?，再與水泵抽吸加壓后的水混合，最后通過噴射機(jī)噴射注入水體。該系統(tǒng)運(yùn)用在3.5 m水深的位置，其充氧效率可到70%左右。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)也有利用純氧會增加成本投入，而且水泵需要動力，有噪音，所以建議在小型且遠(yuǎn)離人居地的生態(tài)塘使用。

3）水質(zhì)改良增氧系統(tǒng)。此系統(tǒng)的工作原理是將塘底的淤泥吸到水面再噴射散開，使淤泥中的有機(jī)質(zhì)得以充分氧化，所以它本身會隨有機(jī)質(zhì)的氧化反而消耗水體的氧份，但如果是在大好的晴天，配合浮游水生植物的光合作用就能大大提升水體的含氧量。本系統(tǒng)的特點(diǎn)是對天氣的依賴性強(qiáng)，所以建議在多晴天陽光充足的地區(qū)采用。

4）鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)。該系統(tǒng)有鼓風(fēng)機(jī)和布有微孔的氣管組成，在城市污水和工業(yè)廢水處理方面采用的非常廣泛。近年來，通過對微孔布?xì)夤艿募夹g(shù)改良，使得該系統(tǒng)的增氧效率有了明顯提高，在水深5 m的條件下基本可達(dá)到30%左右。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是需要足夠的水深才能最大程度提高增氧效果，所以建議在規(guī)模相對大的生態(tài)塘采用。

5）水下射流曝氣系統(tǒng)。該系統(tǒng)的原理其實(shí)很簡單，就是通過潛水泵的作用將水吸入后加壓噴射，在管道的出水口再通過裝置吸入空氣，混合進(jìn)高壓水流一同切入水體。該系統(tǒng)由于是出水口混合空氣的方式，所以建議應(yīng)用于淺水生態(tài)塘。

4 生態(tài)塘應(yīng)用的前景展望

1）目前生態(tài)塘的技術(shù)和工藝已經(jīng)在向著更規(guī)范、更資源化、更生態(tài)美學(xué)化的目標(biāo)前進(jìn)，在現(xiàn)有生態(tài)塘的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖，通過增加水生植物、魚、蝦、鴨、鵝等多物種方式形成具有更豐富食物鏈的人工生態(tài)池塘系統(tǒng)，讓生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者三者充分配合，實(shí)現(xiàn)對污染物的深度處理與利用。由于獲得農(nóng)產(chǎn)品是污水處理的目的之一，所以并不是所有污水都適合用生態(tài)塘的方式來進(jìn)行處理，因此目前多用于城鎮(zhèn)生活污水的處理。

2）經(jīng)過傳統(tǒng)污水處理方法處理的污水一般情況仍含有較高濃度的氮磷或者其他的污染物，如果直接進(jìn)入自然那水體依然容易引起水體的惡化。而運(yùn)用生態(tài)塘對城市二級出水進(jìn)行再次深度脫氮除磷處理的話，可以更進(jìn)一步縮小污水和自然水體的水質(zhì)差異，從而把污染的程度減小到最低。然而，目前將生態(tài)塘用于城市污水的深度處理的實(shí)例幾乎很少見到，原因就在于生態(tài)塘當(dāng)前的規(guī)劃和運(yùn)行指標(biāo)不是很適合城市污水的深度處理，因此，如要把生態(tài)塘運(yùn)用到這一領(lǐng)域來，必將更進(jìn)一步研究生態(tài)塘應(yīng)用于城市污水深度處理相關(guān)的設(shè)計和更高的運(yùn)行效能，并結(jié)合綜合的生態(tài)效益分析，以爭取更優(yōu)質(zhì)的環(huán)境效益。

3）由于生態(tài)塘的脫氮除磷效果確實(shí)要比傳統(tǒng)的污水處理方法要有效得多，因此，生態(tài)塘應(yīng)該能夠成為用于污水深度二級處理的有效代用方法。我國并不是一個水資源豐富的國家，人均水量僅是世界人均水平的1/4，在世界所有國家當(dāng)中排110位。我國共有600多座城市，其中的2/3都是缺水城市，情況特別嚴(yán)重的至少有130多個。然而，很多地區(qū)并不是缺少水，只是缺少能實(shí)際使用的水。據(jù)有關(guān)方面調(diào)查統(tǒng)計顯示，我國每年的污水排放總量高達(dá)560 600億 m3，這里面有80%都是未經(jīng)處理而直接排放，以至于全國的地表水因污染而不能使用的占到所有地表水體的40%，同時還使50%的地下水同樣受到威脅，64%人群的引用水不能達(dá)標(biāo)。因此，要解決水資源嚴(yán)重短缺的現(xiàn)象，不僅僅是需要做到對水資源的節(jié)約使用，同樣重要的是實(shí)施污水的資源化處理，實(shí)現(xiàn)水資源的可循環(huán)利用。所以，我們有理由相信，生態(tài)塘用于污水深度處理的技術(shù)，在我國水資源嚴(yán)重缺乏的大環(huán)境下，有其發(fā)展的意義，更有其發(fā)展的廣闊前景。

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