生态工程与污水处理系统

生态工程与污水处理系统 讨论生态工程与污水处理系统，首先要了解生态工程，生态工程从本质上就是生态系统的思想加上工程设计，讨论生态工程我们先从生态系统开始，让我们简单回顾一下生态系统。 一、生态系统概述 1. 生态系统的基本概念 生态系统可以定义为一定空间内生物和非生物成分通过物质的循环、能量的流动和信息的交换而相互作用、相互依存所构成的生态功能单元。 生态系统的生物组织层次是生物群落，所以生态系统也可以定义为：研究生物群落与其环境间相互作用关系及其作用规律功能单位。 生态系统可以是一个很具体的概念，一个池塘、一座别墅、一片森林或一块草地都是一个生态系统。同时，它又是在空间范围上抽象的概念。生态系统和生物圈只是研究的空间范畴及其复杂程度不同。小的生态系统联合成大的生态系统，简单的生态系统组合成复杂的生态系统，而最大、最复杂的生态系统就是生物圈。 总之，生态系统可以概括为：自然界一定空间的生物与环境之间相互作用、相互制约、不断演变，达到动态平衡、相对稳定的统一整体，是具有一定结构和功能的单位。生态系统的核心问题是结构、功能及其调节机制。 2. 生态系统组成成分和结构 （ 1）生态系统的组成成分 生态系统由两部分、四个基本成分所组成。两大部分就是生物和非生物环境，或称之为生命系统和环境系统。四个基本成分是指生产者、消费者、还原者和非生物环境。 非生物环境 包括气候因子和营养因子以及生物赖以生存的无机介质。 生产者 是生物成分中能利用太阳能等能源，将简单无机物合成复杂有机物的自养生物，如陆生的各种植物、水生的高等植物和藻类，还包括一些光能细菌和化能细菌。 消费者 是靠自养生物或其他生物为食而获得生存能量的异养生物，主要是各类动物。 还原者 亦称分解者，这类生物也属异养生物，故又称小型消费者，包括细菌、真菌、放线菌和原生动物。光照 绿色植物食草动物寄生动物食腐动物食渣动物食肉动物分解者光合作用转换者营养盐类无生命部分基本成分生产者有生命的成份消费者非基本成分 （ 2）生态系统的结构 生态系统的结构包括营养结构、物种结构、空间结构和时间结构。 营养结构 生态系统各组成成分之间建立起来的营养关系，构成了生态系统的营养结构，它是生态系统中能量流动和物质循环的基础。生产者（主要是绿色植物）消费者（主要是动物）还原者（各种微生物）非生物环境(空气、水、土壤 ) 物种结构 生态系统内的物种组成结构，不同的生态系统差异巨大，如水生生态系统与陆生生态系统就有很大的差异。 一些学者把生态系统中的物种按其资源利用方式划分为同资源功能组（ guild，相当于同业工会）和异质功能组。 空间结构 是生物群落的空间格局状况，包括群落的垂直结构（成层现象）和水平结构（种群的水平配置格局）。 时间结构 主要是指物种的时间变化关系和发育特征，构成一个完整的季相。 3. 生态系统的基本功能 生态系统中生物的生产、物质循环以及相应的能量流动和信息传递过程，是生态系统的四大基本功能。 （ 1）生物生产 生态系统中的生物生产包括初级生产（ primary production）和次级生产（ secondary production）两个过程。前者是生产者（主要是绿色植物）把太阳能转变为化学能的过程，故又称为植物性生产。后者是消费者（主要是动物）的生命活动将初级产品转化为动物能，故称为动物性生产。 （ 2）物质循环 生态系统中的物质主要是指维持生命活动正常进行所必须的各种营养元素，包括 C、 H、 O、 N、 P和S等。这些物质也是通过食物链各营养级传递和转化的，从而构成了生态系统的物质流动。 （ 3）能量流动 生态系统中的能量流动（ energy flow）是指能量通过食物网在系统内的传递和耗散过程，即能量在生态系统中的行为。它始于生产者的初级生产止于还原者功能的完成，整个过程包括着能量形态的转变，能量的转移、利用和耗散。 （ 4）信息传递 生态系统的功能除体现在生物生产过程、能量流动和物质循环方面外，还表现在系统中各生命成分之间存在着信息的输入、输出和传递。 包括： 营养信息：即通过营养交换的形式或以食物链的关系，把信息从一个种群（或个体）传递给另一个种群（或个体）； 物理信息，由生态系统物种本身赋予的颜色、光和发出的声音等构成。 化学信息：是指在某些特定条件下，生物体分泌出某种特殊的化学物质，借以传递某种信息； 行为信息，如鸟类发情期的 “舞蹈 ”动作，燕子求偶时在空中的特殊飞行格式等。 4. 生态系统基本特征 （ 1）生态系统是动态功能系统 生态系统具有有机体的一系列生物学特性，如发育、代谢、繁殖、生长和衰老等。任何一个生态系统总是处于不断发展、进化和演变之中，即生态系统的演替。 （ 2）生态系统具有一定的区域特征 生态系统都与特定的空间相联系，包含一定地区和范围的空间概念。 （ 3）生态系统是开放的 “自持系统 ” 在自然生态系统中，通过生产者对光能的转化，消费者取食植物，而动植物残体以及它们的代谢物通过分解者作用，使结合在复杂有机物中的矿质元素又归还到环境中，重新供植物利用。 （ 4）生态系统具有自动调节功能 自然生态系统若未受到人类或者其他因素的严重干扰和破坏，其结构和功能是非常和谐的，这是因为生态系统具有自动调节功能，当生态系统受到外来干扰而使稳定状态改变时，系统靠自身内部的机制再返回稳定、协调状态的能力。 5. 生态系统类型划分 （ 1）空间环境性质划分法 按生态系统空间环境性质，可把生态系统分为： 淡水生态系统； 海洋生态系统； 陆地生态系统。 （ 2）组分 价值划分法 按生态系统的组分或应用价值，生态系统可以分为： 农田生态系统； 森林生态系统； 草地生态系统； 果园生态系统； 水生生态系统； 聚落或城市生态系统； 道路生态系统。 （ 3）人为影响划分法 按人类对生态系统的影响性质和大小分为： 自然生态系统； 人工生态系统； 受干扰生态系统； 污染生态系统。 二、生态工程 1. 生态工程的定义及其应用 生态工程一般指人工设计的，以生物种群为主要结构组分，具有一定功能的、宏观的、人为参与调控的工程系统。 生态工程可以是人工设计的一个群落，一个生态系统或一个更为宏观的地域性的生态空间。 生态工程主要是以生物种群、生物群落、生态系统为构成的组分，所以生态学的基本原理是生态工程构建和运行的主要理论依据。 在应用于环境科学研究中的生态工程设计中，按其目的，有：污水处理的生态工程、防风固沙的生态工程、城市垃圾处理生态工程、湖泊或水源地治理生态工程。 2. 生态工程类型 生态系统有两个起主要作用的基本功能。一是通过一定相互协调的结构所形成的动态平衡。二是以多层营养结构为基础进行物质转化、分解、富集与再生。 根据生态工程的性质及其主要目标，大致可分为： （ 1）物质能量多层次利用生态工程 （ 2）物质转化与再生生态工程 （ 3）无污染生态工程 （ 4）污染自净多功能生态工程 复杂的自然生态系统内部具有缓冲能力和调节能力，即使由于某处物质积累，损坏系统的原来结构，也会出现适应新情况的生物更新，此种现象称为自净。模拟如此复杂功能的工艺体系，可建立防治和处理污染的多功能生态工程。 （ 5）工农业联合生态工程 三、污水处理生态工程 污水处理生态工程可以理解为生态学原理和工程处理设施相结合的污水处理方法。由于这种处理方法和污水的资源化密切相关，因此也称为污水资源化生态工程。一般说来这种处理方法包括：稳定塘、土地处理系统、人工湿地系统、水生植物处理系统等。 1. 稳定塘 过去称为氧化塘（ oxidation pond）现在称为稳定塘（ stabilization pond） （ 1）概述 国家 “七五 ”攻关课题，武汉市墨水湖中试氧化塘平面图： * 厌：厌氧塘 兼：兼性塘兼 兼 兼 兼兼 兼 兼兼厌综合生物塘污水 泵 沉淀池 定义：稳定塘又称氧化塘，是利用藻类和细菌两类生物间功能上的协同作用处理污水的一种生态系统。 另一个定义：是经过设计施工的，具有围堤和防渗层的污水处理塘。 由于一般稳定塘均是由不同类型单元塘优化组合而成的一个整体，因此稳定塘又称为稳定塘系统，它是一种构造简单，管理维修容易，处理效果稳定可靠的污水处理方法。 定位：稳定塘是二级生物处理。 处理效果：相关于常规的二级处理。 应用：在缺水和有大量土地可供利用的地方可以应用。 优点：构造简单，投资较低，节约能源，处理效果稳定。 缺点：主要占地面积大。 （ 2）稳定塘处理过程净化污水的原理 原理：是利用藻菌共生关系和食物链分解污水中污染物的生物净化作用和物理的、化学的净化作用，使污水得到净化。 稳定塘中的生物组成 活跃在稳定塘中并对污水净化起作用的生物主要有细菌、藻类、原生动物及后生动物、水生植物及其它高等水生动物。 A. 细菌 细菌是稳定塘中数量最多，作用最大的一类微生物。 种类：好氧菌 兼性厌氧菌 厌氧菌 主要作用：污染物的生物降解 B. 藻类：主要有蓝藻、绿藻、硅藻 主要作用：光合放氧，补充塘中氧是主要功能，也有生物降解作用，特别是一些异养藻类。 C. 原生动物及后生动物 原生动物：肉足类，鞭毛类，纤毛类 后生动物：轮虫类，甲壳类，技角类及水生昆虫。 主要作用：捕食微生物及藻类，吞食有机颗粒，改善水质。 D. 水生植物 包括：浮水植物、沉水植物、挺水植物 主要作用：可以光合放氧，吸收利用有机物，净化水体。 E. 高等水生动物 主要是鱼、螺蚌、鸭、鹅等水禽。 作用：捕食水生植物、低等动物，净化水体。 稳定塘生态系统及其特点： 稳定塘的生态系统与湖泊生态系统有很多相似之处，但稳定塘是一种半人工的生态系统，因此又有独特的特点。 稳定塘生物类群的生态关系： a. 藻菌共生关系 b. 食物链中的吞食关系 稳定塘对污水的净化作用原理 A. 稀释作用 B. 沉淀和絮凝沉淀作用 C. 有机物的好氧分解 氧的消耗 氧的补充 D. 有机物的厌氧消化 E. 浮游生物的净化作用 F. 水生维管束植物的净化作用 （ 3）稳定塘系统单元塘的种类及特点： 按稳定塘的微生物优热群体类型以及塘的充氧状况，可以分为好氧塘、兼性塘、厌氧塘和曝气塘，以及精制塘、综合生物塘。 好氧塘 兼性塘 厌氧塘 曝气塘 精制塘（深度处理塘） 综合生物塘 （ 4）影响稳定塘处理过程的因素 温度、光照、混合、营养物质、微量元素、有毒物质、蒸发量和降雨量。 2. 水生植物塘（水生植物处理污水系统） 水生植物处理污水系统可以与稳定塘前面的处理系统联用，也可以单独使用。 （ 1）水生植物处理污水的净化作用和原理 水生植物对氮、磷等污染物的吸收和去除。 水生植物对重金属的吸收和积累。 水生植物对有毒有害有机污染物的吸收和降解。 （ 2）水生植物处理污水的系统 单一水生植物系统 复合水生植物处理系统 藻类处理系统 光生物反应器 3. 污水土地处理系统 土地处理就是人工可控的条件下将污水投配到土壤上，通过土壤 植物系统自然地完成一系列物理、化学和生物净化过程，达到设计所要求的净化程度的一种污水处理方法。 利用土地以及其中的微生物和植物根系对污染物的净化能力来处理已经过预处理的污水或废水，同时利用其中的水分和肥分促进农作物、牧草或树木生长的工程设施称为土地处理系统。 (1) 土地处理系统的组成 (2) 土地处理的净化机理 土地处理系统的净化机理包括土壤的过滤截留，物理和化学的吸附、化学分解、生物氧化以及植物和微生物的摄取等作用。 (3) 净化能力及负荷 (4) 不同处理类型 快速渗滤系统（ Rapid infilteration Land treatment RI） 地表漫流系统（漫灌系统） 慢速渗滤系统（ slo