污水处理与利用生态系统的研究与工程实践

王宝贞 王 琳 杨鲁豫
（哈尔滨建筑大学） （建设部城市建设司）

　　一、污水处理与利用生态系统的由来与发展

　　随着我国经济的不断增长和人民生活水平的不断提高，工业、农业、服务业和人民生活用水量在不断增加，相应产生的污水和废水量也不断增加，加以我国污水处理设施相当落后，据1998年统计，我国城市污水处理普及率约为12%，亦即大部分城市污水和相当一部分工业废水未经处理便排于附近水体，污染了环境，破坏了水资源，目前中国在水方面面临两大问题：一是水环境的污染，二是水资源的短缺。
　　为了防止水污染的不断加剧并逐步减轻水环境的污染，建造和运行污水处理设施，尤其是集中的大中型的城市污水处理厂是最有效的措施，例如德国鲁尔河、英国的泰晤士河等全河流域的统筹优化治理，尤其是整条河流根据污水量和污染负荷，优化布置许多座污水处理厂的位置，处理规模和处理程度，有效地控制了水环境的污染和保护了水资源。
　　我国为了防止水环境污染的继续恶化，加速了污水处理设施的建设，例如广东省珠江三角洲地区计划到2000年达到40%的污水处理普及率，广州规划建设12座污水处理厂；山东省济南、青岛、潍坊、泰安等一些城市也建造了多座污水处理厂。但是目前已建成和运行的污水处理厂还远不能控制水环境污染的继续加剧。因此，还必须建造和运行更多的污水处理厂，根据国外的经验，要有效地控制水环境的污染，污水处理普及率应达到80%以上。目前我国的污水处理普及率（按城市市政建设和工企业部分建设的污水处理厂处理能力的总合计）约为23%。要达到80%的普及率估计需要20-30年的时间、上千亿的投资。
　　目前在大城市的污水处理厂都采用以活性污泥法为处理工艺。这对于可用土地短缺、地价昂贵的大城市是可行的，因为这种处理方法称为高负荷生物处理系统，其占地面积小，节省占用土地和土地购置费。但是这种方法也有其缺点，如基建和运行费用昂贵；例如使用这种方法的污水处理厂每天处理1m³污水能力的基建单价在东北为1600-2000元/m³/d；在西南地区为1200-1500元/m³/d，在山东据说为1000-1200元/m³/d，如果利用国外贷款，引进国外设备等，则这一费用还要增加20-30%，运行费单价为每处理1m³污水的费用，不考虑折旧费，只考虑电耗、药耗和人工费约为0.20-0.30元/m³；而要考虑折旧费，则为0.5-0.8元/m³，一座活性污泥法的年运行费约为其基建投资的10%左右，例如一座10万吨/日的污水处理厂，其基建投资为1.5亿元，则其年运行费用约为1200-1500万元；所以我国一些城市建起了污水处理厂，却运行不起来，或者不能完全运行。其原因是缺乏运行资金。
　　活性污泥法处理厂的另一个缺点是运行维护技术难度大，尤其是中小型污水处理厂，由于其水量水质变动大，容易产生冲击负荷，造成污泥膨胀，而使运行失效。此外，我国许多城市其污水BOD浓度很低，<100mg/L，使活性污泥法尤其是氧化沟法无法正常运行。
　　美国一些小城镇曾建了一些小型活性污泥法处理厂，但由于种种原因，运行效果不好，现在美国、德国等一些经济发达的国家，在许多中小城镇采用稳定塘或氧化塘的处理方法，例如美国有稳定塘1.1万多座，德国3000多座，法国2000余座。近年来，用人工湿地处理生活污水也获得了迅速发展，例如英国Severn Trent水公司，其人工湿地污水处理系统从80年代末的3处迅速发展为现在的100余处。
　　在国外，即使一些大的城市也使用塘系统和土地处理利用系统来处理与利用污水而获得成功，例如澳大利亚的墨尔本市的Werribee农场，就接受处理和利用了该市3/4的污水，用厌氧塘、曝气塘，最后净化塘处理，并用于牧场灌溉，使牧草增产，使每座牧场的牛的养殖量从原来的1头增至6头。德国慕尼黑市污水在污水处理厂中经一级处理后与附近的河水按1：3至1：6的比例混合进入数百公顷的养鱼塘中进行鲤科鱼类的养殖，既净化了污水，又获得了可观的经济收益。目前国外采用的氧化塘，大都是普通的氧化塘，亦即所谓藻菌共生系统塘，其中细菌将进入塘中的污水氧化降解为二氧化碳和水、氨氮、硝酸盐和磷酸盐等最终产物；藻类摄取上述物质进行光合作用，使藻类增殖，同时释出氧供好氧菌氧化降解有机物质，这种塘是一种不完全的生态塘，其中只有分解者和生产者两类生物，而没有消费者生物，致使在藻菌共生系统的循环中产生的多余的藻类和菌类，不能去除而使出水的总悬浮固体（TSS）和BOD₅偏高，有时达不到排放标准，从而限制了它们的推广应用。
　　我们通过20多年的试验研究，开发了污水处理与利用生态塘和生态工程，可使出水水质达到常规二级处理厂出水水质；而生态塘与湿地或土地生态系统相结合的复合式污水处理与利用生态系统，可使最后出水达到地表水3-4级标准。

　　二、生态塘系统的运行原理

　　通过水生植物种植和水产养殖，如养鱼、养鸭、养鹅等，在塘中形成人工生态系统，其中由分解者生物（细菌、真菌），生产者生物（藻类和其它水生植物）和消费者生物（如浮游动物、鱼、鸭、鹅等）组成，由它们形成许多条食物链，并由此构成食物网。其主要特点是：
　　* 太阳能作为生态塘的初始能源，推动生态塘的运行。
　　* 进入塘中的污水，其中的有机污染物和营养物质以及太阳入射的能量被水吸收和生物摄取，在食物链中逐级传递、迁移和转换。
　　* 细菌和真菌作为降解者将有机污染物降解为最终产物：CO₂，NH₄-N，NOx-N，PO₄-P等。
　　* 藻和其它水生植物作为生产者摄取上述物质进行光合作用。
　　* 鱼、鸭等作为消费者食用藻类和其它水生植物以及低营养级的消费者生物，如浮游动物，虾、螺等，使其个体成长而成为产品回收，既有效地净化了污水，又回收了资源。

　　三、生态塘系统的典型处理流程

　　为了保证生态塘中产品的清洁，生态塘系统必须实现处理与利用相结合，先处理后利用，亦即污水首先经预处理单元和处理塘的处理，使出水不含有毒有害污染物后，再进行利用，其典型的处理流程为：
　　预处理：→原生污水→格 栅（去除大块污泥）→沉砂池（去除砂和其它无机杂粒）
　　处理塘：→厌氧塘（去除COD、BOD、有机N、NHx-N、重金属等）兼性→（曝气）塘（进一步去除COD、BOD₅、NH₃-N，去除难降解有机化合物）→水生植物塘（进一步去除有机物和重金属）
　　综合利用塘：→养鱼塘（养鱼，其排泄物使SS、BOD、COD、TN等有所增高）→养鸭、鹅塘（养鸭、鹅，其排泄物造成二次污染 ）→荷藕塘（消除增生的污染物并生产藕、莲子等）→芦苇塘（进一步净化污水，生产芦苇）
　　农田灌溉系统：→做农作物的水源和肥源，并进一步净化污水，出水水质可达地表水3-4级→补充地下水

　　四、生态塘实例

　　1 齐齐哈尔生态塘系统
　　齐齐哈尔是黑龙江省第二大城市，在50年代末和60、70年代，其产生的大量的生活污水和工业废水排于嫩江后造成严重的污染，导致大量死鱼。为此在70年代修建了一座大型污水库，占地面积约800公顷，实行冬贮夏排。每日容纳污水量15万m³/d。在运行的过程中发现，它在温暖季节具有很强的净化能力，从入口到出口，塘中污水的颜色变化为：灰→黑→墨绿→深绿→绿→淡绿→清澈透明；在塘中呈现绿色的塘水中生长有大量的微型藻类，在岸边附近水中有大量的浮游动物，如轮虫、水蚤等，有一些鱼和鸭、水鸟等来捕食它们；在塘的后部水质清澈，水中生长有大量的潜水植物，如金鱼藻、茨藻、黑藻等，附近农民放养一些鹅、鸭，食用它们生长迅速，羽毛光洁，塘的最后出水SS和BOD₅达到5-10mg/L，在8、9、10月份出水BOD₅约为2-3mg/L。
　　齐齐哈尔污水净化塘的运行结果给我们一个重要的启发，就是在日照充足而提供充足太阳能的条件下，通过鱼和水禽的养殖形成多条食物链，通过污水中污染物和能量在食物链中的逐级传递和转化，不仅能有效地净化污水，而且能回收有有用的资源。
　　2 安达生态塘
　　安达市在哈尔滨以北约100公里，为一小城市，其城镇的污水总量约为1.5万m³/d，为了解决其污水处理问题，因地制宜，在其附近的一个天然水泡中设计和建造了两处塘系统，即东塘系统，由厌氧塘或强化厌氧塘，兼性塘和最后净化塘组成；西塘系统，则由兼性塘和最后净化塘组成，总占地面积100公顷，总基建投资为120万元（1985年）。
　　原来的泡子为碱水泡，其中无任何生物，但建成塘系统并投产运行以后，进入塘中的污水主要为生活污水，乳品加工，毛纺、食品加工等废水，有机物和营养物质含量丰富，经细菌氧化降解后为藻类和其它水生动植物提供了丰富的营养源，促进了藻类、浮游动物和鱼类的生长，塘中野生的鲫鱼很多，浮萍（鸭草）也很多，塘中放养了一些鸭子，生长良好。
　　在这一系统中我们设计和建造了两个形式的厌氧塘，一为普通厌氧塘，一为强化厌氧塘，即在塘中加设填料，在其上形成生物膜以增加生物量，运行结果证明强化厌氧塘的净化效果明显高于普通厌氧塘，在冬季尤为突出。
　　3 高浓度有机废水处理生态塘系统
　　广东省番禺市尖峰山养猪场是珠江三角洲上万座养猪场中的一座，其养猪废水为高浓度有机废水，其COD浓度为8000-10000mg/L，BOD₅ 4000-6000mg/L，总氮500-1000mg/L，不经处理直接排入附近的水环境造成严重的污染，造成死鱼等事故。
　　在番禺市环保局的邀请下，我们帮助该养猪厂设计和指导建造了养猪废水处理与利用生态塘系统，其处理流程如下：原生污水→格栅→沉淀池→调节池→高效厌氧塘→厌氧转化塘→藻菌共生塘→养鱼塘。
　　投产运行后效果非常好，各个单元塘的功效明显，高效厌氧塘去除COD高达85%以上，BOD₅ 90%以上，厌氧转化塘其去除BOD₅和COD的效果分别约为10%和20%，但其主要的功能是将一些难降解的有机化合物转化为易降解的有机化合物，而使BOD₅/COD的比值有所提高。
　　其出水进入其后的藻菌共生塘中，通过细菌的氧化降解BOD₅和COD均有大幅度的下降，其去除率分别为70%和50%，通过藻类的光合作用，TN，NH₄-N和TP都有大量的去除，去除率为60%左右，而TSS却大幅度升高。
　　出水进入养鱼塘中，藻类作为鱼的铒料而被鱼食用并完成净化过程，在其中COD和BOD₅分别达到40%和50%的去除率，而氨氮，总氮分别达到90%和80%的去除率，总磷和磷酸盐达到75%和90%的去除率。
　　同时，鱼塘中放养的鱼放养一年，就从0.1-0.2kg的鱼苗成为1.2-1.5kg的成鱼，亩产鱼达400kg。
　　4 胶州市城市污水处理与利用生态工程
　　胶州市城镇污水由生活污水和工业废水（包括制药、造纸、化工、食品加工、纺织印染等废水组成）组成，其浓度偏高，BOD₅ 250-300mg/L，COD 600-800mg/L，TN 60-80mg/L，TP 10-15mg/L。该市严重缺水，污水经处理后需加以回收利用，主要是灌溉农田。
　　我们为该市设计了污水处理与利用生态工程，它由一级处理，塘处理与利用系统和土地处理与利用系统组成，其处理流程为：原水污水→格栅→沉砂池→斜板沉淀池→厌氧塘→多级兼性塘→最后净化塘（放养鱼、鸭）→农田灌溉→补充地下水。预处理＋塘系统的处理效果是：COD去除80%，BOD₅ 80-85%，TSS60-70，TN87%，TP 85-90%。
　　出水用于农田灌溉后（种植小麦和玉米）其收成增产15%，而其渗滤水水质很好，BOD₅和TSS≤3mg/L，COD≤20mg/L，TN≤5mg/L，NH₄-N≤2mg/L，TP≤0.01mg/L，达到或接近地表水的Ⅲ与Ⅳ级标准，可用于补充地下水。
　　5 东营市污水处理与利用生态工程
　　该市位于黄河三角洲，是新兴的石油和盐化工工业城市，是胜利油田所在地。该市严重缺水，水成为该市经济发展的制约因素，因此污水处理必须与回收再用相结合，将污水作为一种再生的水资源来处理，将其作为辅助的水资源来开发利用。我们经过半年多的现场调研和考察，发现该市有大量的盐碱荒废土地可以用来建造污水处理与利用生态工程，再考虑到当地有水产养殖，种植荷藕，种植芦苇、水稻、小麦、疏菜等的经验，亦即只要有污水灌入塘中或灌溉农田，就能将土地中的盐碱压下去，将其变成良田，获得水产和农产品的好收成。
　　我们通过对四处污水处理工程厂址的对比，最后选定了胜利油田原来的第七农场，建立东营污水处理与利用生态工程。该农场原来引黄河水进行水产养殖，种稻及其它农作物，已建有水库、养鱼塘、稻田、麦田等。近年来因黄河断流天数剧增，如96、97年都超过200天，难以保证农业用水，致使该农场废弃。但水库、养鱼塘、农田等都保存良好。将污水引入该农场，并将水库改造成处理塘系统，用以处理污水，然后将净化的污水依次进行养鱼、种藕、种苇等多级综合利用，不仅能收获鱼、藕、芦苇等产品，而且污水又得到了进一步的净化。我们设计的污水处理与利用生态工程的流程为：原生污水→格栅→沉砂池→复合式高效厌氧塘→曝气塘→曝气养鱼塘→养鱼塘→藕塘→苇塘→人工湖或水库→农田灌溉。
　　其设计处理规模为10万m³/d，在该系统中高效厌氧塘、曝气塘和曝气养鱼塘为主要处理塘系统，其中复合式高效厌氧塘负责去除大部分（80%以上）有机污染物，难降解有机污染物和去除重金属，同时使污泥进行厌氧消化和减容；曝气塘是将厌氧塘出水中的中间产物以及剩余的BOD和COD进行强化的氧化降解，同时在同化过程中产生活性污泥凝絮，其出水进入其后的曝气养鱼塘后通过养鱼将其捕食消耗，而不必进行剩余污泥的处理。
　　曝气养鱼塘出水，即使冬季也要达到排放标准；其出水在温暖季节流入养鱼塘，通过养殖适量的鱼，在其中通过藻菌共生系统的作用，产生藻类及浮游动物，供鱼作饵料，通过鱼的捕食消耗而使污水得到进一步净化；同时鱼的排泄物也增加了污染，其出水进入藕塘，鱼的粪便等排泄物沉入塘底作为底肥，使藕增长，同时使污水得到净化。最后藕塘出水进入苇塘，芦苇具有很强的和广谱的净化效果，其淹没于水中的茎、叶、根是微生物附着生长的活载体，在其上形成生物膜，能对水中剩余的有机物进行有效的生物氧化降解；芦苇的根、茎通过吸收能有效地去除重金属和盐类，因此其出水水质良好，出水TSS、BOD₅和COD分别达到5-10mg/L，5-10mg/L和20-30mg/L。

　　5. 结论

　　1、污水处理与利用生态工程，通常由预处理设施（格栅和沉砂池），处理塘系统，利用塘系统和农田灌溉系统组成。
　　2、预处理设施用以去除大块污物和砂、煤、炉渣等无机杂粒，以防止后续处理塘的管道堵塞和底部的沉积。
　　3、处理塘用以去除大部分有机污染物，有毒、有害的难降解有机化合物和重金属，以防止其进入食物链中污染鱼和农作物。
　　4、养鱼、种藕、种芦苇，是常用和有效地多级综合利用塘，同时污水也得到进一步的净化。
　　5、利用塘出水进行农田灌溉，即可以使农田增产，又能使污水得到深度净化。使其出水达到三级处理出水的水质，即可补充地下水，又可用作工业用水和生活杂用水和市政用水等。
　　6、污水处理与利用生态工程的基建投资约为相当规模的常规污水处理厂的1/3甚至1/2，而其运行费仅为后者的1/5-1/3。如果考虑综合利用的收入，可能达到收支平衡，甚至有所盈余。