污水的自然生物处理

第六节污水的生态处理一、稳定塘二、人工湿地三、土地处理1稳定塘又名氧化塘或生物塘。稳定塘对污水的净化过程与自然水体的自净过程相似，是一种利用天然净化能力处理污水的生物处理设施。稳定塘多用于小型污水处理，可用作一级处理、二级处理，也可用作三级处理。概述一、稳定塘2按塘内的微生物类型、供氧方式和功能等划分好氧塘兼性塘厌氧塘曝气塘深度处理塘水生植物塘生态塘完全储存塘常见其他稳定塘的分类3好氧塘兼性塘好氧塘的深度较浅，阳光能透至塘底，全部塘水内都含有溶解氧，塘内菌藻共生，溶解氧主要是由藻类供给，好氧微生物起净化污水作用。兼性塘的深度较大，上层是好氧区，藻类的光合作用和大气复氧作用使其有较高的溶解氧，由好氧微生物起净化污水作用；中层的溶解氧逐渐减少，称兼性区（过渡区），由兼性微生物起净化作用；下层塘水无溶解氧，称厌氧区，沉淀污泥在塘底进行厌氧分解。4厌氧塘曝气塘深度处理塘厌氧塘的塘深在2m以上，有机负荷高，全部塘水均无溶解氧，呈厌氧状态，由厌氧微生物起净化作用，净化速度慢，污水在塘内停留时间长。曝气塘采用人工曝气供氧，塘深在2m以上，全部塘水有溶解氧，由好氧微生物起净化作用，污水停留时间较短。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。5稳定塘的优点基建投资低当有旧河道、沼泽地、谷地可用作稳定塘时，稳定塘系统的基建投资低。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。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。稳定塘的缺点占地面积大没有空闲余地时不宜采用。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。设计不当时，可能形成二次污染如污染地下水、产生臭氧和滋生蚊蝇等。稳定塘的优缺点6好氧塘基本工作原理

塘内存在着菌、藻和原生动物的共生系统。塘内的藻类进行光合作用，释放出氧，塘表面的好氧型异氧细菌利用水中的氧，通过好氧代谢氧化分解有机污染物并合成本身的细胞质（细胞增殖），其代谢产物CO2则是藻类光合作用的碳源。

好氧塘内的生物种群主要有藻类、菌类、原生动物、后生动物、水蚤等微型动物。7好氧区对有机污染物的净化机理与好氧塘相同。兼性区的塘水溶解氧较低。异氧型兼性细菌，它们既能利用水中的溶解氧氧化分解有机污染物，也能在无分子氧条件下，以NO3-、CO32-作为电子受体进行无氧代谢。厌氧区无溶解氧。污泥层中的有机质由厌氧微生物对其进行厌氧分解，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。兼性塘不仅可去除一般的有机污染物，还可以有效地去除磷、氮等营养物质和某些难降解的有机污染物。

兼性塘工作原理兼性塘的有效水深一般为1.0～2.0m。89

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，控制有机污染物的投配率，以保持产酸菌和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。

厌氧塘基本工作原理10曝气塘是在塘面上安装有人工曝气设备的稳定塘。曝气塘

曝气塘出水的悬浮固体浓度较高，排放前需进行沉淀，沉淀的方法可以用沉淀池，或在塘中分割出静水区用于沉淀。若曝气塘后设置兼性塘，则兼性塘要在进一步处理其出水的同时起沉淀作用。曝气塘的水力停留时间为3～10d，有效水深2～6m。曝气塘一般不少于3座，通常按串连方式运行。

完全混合曝气塘中曝气装置的强度应能使塘内的全部固体呈悬浮状态，并使塘水有足够的溶解氧供微生物分解有机污染物。

部分混合曝气塘不要求保持全部固体呈悬浮状态，部分固体沉淀并进行厌氧消化。其塘内曝气机布置较完全混合曝气塘稀疏。完全混合曝气塘部分混合曝气塘曝气塘的两种类型11完全混合曝气塘部分混合曝气塘12法国南部某镇（MeZe），氧化塘污水处理系统13MeZe氧化塘处理系统中曝气塘14水生植物塘15稳定塘系统的工艺流程稳定塘处理系统的组成稳定塘进水的预处理：

为防止稳定塘内污泥淤积，污水进入稳定塘前应先去除水中的悬浮物质。常用设备为格栅、普通沉砂池和沉淀池。若塘前有提升泵站，而泵站的格栅间隙小于20mm时，塘前可不另设格栅。原污水中的悬浮固体浓度小于100mg/L时，可只设沉砂池，以去除砂质颗粒。原污水中的悬浮固体浓度大于100mg/L时，需考虑设置沉淀池。设计方法与传统污水二级处理方法相同。预处理系统稳定塘后处理设施16

稳定塘的流程组合依当地条件和处理要求不同而异，下图为几种典型的流程组合。稳定塘的流程组合17塘的位置

稳定塘应设在居民区下风向200m以外，以防止塘散发的臭气影响居民区。此外，塘不应设在距机场2km以内的地方，以防止鸟类（如水鸥）到塘内觅食、聚集，对飞机航行构成危险。防止塘体损害

为防止浪的冲刷，塘的衬砌应在设计水位上下各0.5m以上。若需防止雨水冲刷时，塘的衬砌应做到堤顶。衬砌方法有干砌块石、浆砌块石和混凝土板等。在有冰冻的地区，背阴面的衬砌应注意防冻若筑堤土为黏土时，冬季会因毛细作用吸水而冻胀，因此，在结冰水位以上位置换为非黏性土。塘体防渗

稳定塘的渗漏可能污染地下水源；若塘体出水再考虑回用，则塘体渗漏会造成水资源损失，因此，塘体防渗是十分重要的。但某些防渗措施的工程费用较高，选择防渗措施时应十分谨慎。防渗方法有素土夯实、沥青防渗衬面、膨胀土防渗衬面和塑料薄膜防渗衬面等。塘的进出口

进出口的形式对稳定塘的处理效果有较大影响。设计时应注意配水、集水均匀，避免短流、沟流及混合死区。主要措施为采用多点进水和出水；进口、出口之间的直线距离尽可能大；进口、出口的方向避开当地主导风向。

稳定塘塘体设计要点

18二人工湿地19湿地是地球上一种重要的生态系统，享有“地球之肾”的美誉，处于陆地生态系统(森林和草地)与水生生态(如深水湖和海洋)之间。世界上对湿地的定义有很多，其中国际上比较公认的是1971年由苏联、加拿大、澳大利亚、英国等36国在伊朗签署的拉姆萨尔条约—《湿地公约》，其定义为“天然或人工、长久或暂时性的沼泽地、泥炭地或浅水域地带、静止或流动、淡水、半咸水、咸水体，包括低潮时水深不超过6m的水域。”湿地不仅可以调蓄水量，调节气候，为珍奇动物提供良好栖息地，而且还可以净化污水。湿地系统一般可以分为2大类:天然湿地和人工湿地。人工湿地的设计建造是通过对湿地自然生态系统中的物理、化学和生物作用的优化组合来实现对废水的有效处理。20若尔盖湿地（四川省阿坝）21巴音布鲁克（新疆天山）22三江平原湿地(黑龙江)23黄河三角洲(山东)24辽河三角洲湿地（渤海辽东湾）25优点投资费用低，建设、运行成本低；处理过程能耗低；污水处理效果稳定可靠；污水处理系统的组合具有多样性和针对性等优点；良好的景观效应；可持续的经济效益；运行管理简单。缺点受气候条件限制较大；设计，运行参数不精确；占地面积相对较大；容易产生淤积、饱和现象；对恶劣气候条件抵御能力弱；净化能力受作物生长成熟程度的影响大；此外，可能需要控制蚊蝇孳生。人工湿地技术的优缺点26人工湿地的组成绝大多数人工湿地由五部分构成：①基质，具有透水性，如土壤、砂、砾石；②水体（在基质表面上或下流动的水）；③植物，适于在饱和水和厌氧基质中生长，如芦苇；④无脊椎或脊椎动物；⑤好氧或厌氧微生物种群。27

凤眼莲浮萍/浮莲槐叶萍水鳖28

灯心草香蒲菖蒲29矮化美人蕉茭白黄花鸢尾30人工湿地净化废水的机理人工湿地是由基质、水体、植物、动物和微生物组成的生态系统。生活在土壤中的微生物（细菌和真菌）在有机物的去除中起主要作用，湿地植物的根系将氧气带入周围的土壤，但远离根部的环境处于厌氧，形成处理环境的变化带，这就加强了人工湿地去除复杂污染物的难处理污染物的能力。大部分有机物的去除是靠土壤中的微生物，但某些污染物如重金属、硫、磷等依赖于土壤和植物的作用。3132悬浮物去除

污水中的悬浮物含有大量的污染物质，例如有机物、氮磷、重金属和病原菌等，因此去除悬浮物可以提高污水的去除率。悬浮物主要通过过滤、沉淀、湿地介质表面的吸附及微生物生长等作用从水中去除。湿地对悬浮物的去除非常有效，悬浮固体出水值一般低于10mg/L。为防止在进水口附近发生堵塞，进水前必须设置预处理以降低总固体浓度，一般设置沉淀池即可。33有机物的去除湿地床对有机物的去除作用是物理的截留沉淀和生物的吸收降解共同作用的结果。污水中的有机物包括包括颗粒性有机物和溶解性有机物。前者通过沉淀和过滤可迅速去除，而后者则通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程被分解而去除。微生物降解有机物又分为好氧降解和厌氧降解。通过对填料床的定期更换及对湿地植物的收割而将新生的有机体从系统中去除。

34湿地对氮的去除

人工湿地处理系统对氮的去除作用包括基质的吸附、过滤、沉淀以及氨的挥发，植物的吸收和微生物硝化、反硝化作用。在土壤—植物系统中，有机氮首先被截留或沉淀，然后在微生物的作用下转化为氨态氮，由于土壤颗粒带有负电荷，氨离子很容易被吸附，土壤微生物通过硝化作用将氨离子转化为NO3ˉ，土壤又可恢复对氨离子的吸附功能。同时污水中的无机氮可作为植物生长过程中不可缺少的物质而直接被植物摄取，并合成植物蛋白质等有机氮，通过植物的收割而从废水和湿地系统中去除。但氮的去除主要还是通过湿地中微生物的硝化和反硝化作用。另外，人工湿地中的填料也可通过一些物理和化学的途径如吸收、吸附、过滤、离子交换等去除一部分污水中的氮。35人工湿地对磷的去除

人工湿地对磷的去除是由植物吸收、微生物去除及基质的物理化学作用而完成的。废水中的无机磷在植物吸收及同化作用下，可变成植物的有机成分（如ATP，DNA，RNA等），通过植物的收割而得以去除。基质的物理化学作用主要是填料对磷的吸收、过滤和与磷酸根离子的化学反应，因填料不同而存在差异。但填料对磷的这种吸附和沉淀作用并不是永久性的，而是部分可逆的。植物的生长状况也直接影响到去除效果的好坏，在春季和夏季，植物生长迅速，生物量增加，对磷的吸收加快，出水中磷含量减少，而在秋季植物枯萎后，吸收速度放慢，冬季死亡的植株会释放磷到湿地中，致使出水磷含量上升，无机磷含量甚至高于进水。生物对磷的去除，包括对磷的正常同化作用和对磷的过量积累。一般二级污水处理中，当进水磷含量为10mg/l时，微生物对磷的正常同化去除，仅是进水总量的4.5%~19%，所以，微生物除磷主要是通过强化后对磷的过量积累来完成的。36重金属去除人工湿地对重金属也有很强的去除能力。金属离子去除机理主要有：植物的吸收和富集作用、土壤胶体颗粒的吸附、悬浮颗粒的过滤和沉淀，人工湿地对污水中重金属去除是通过植物、微生物、土壤基质等组成成分共同起作用的。37人工湿地对悬浮物及病原菌的去除对于潜流式人工湿地，对悬浮物的去除主要是通过湿地填料的吸附和截流，其原理类似于砂滤，所以具有较高的去除率。也正是因为这样，为防止堵塞潜流式人工湿地对于进水的无机悬浮物要求较高（小于20mg/L）。研究发现，像大多数自然处理技术一样，人工湿地可以去除污水中的病原菌，其原理尚不清楚，去除率不确定，但很有效。38人工湿地分类根据湿地中主要植物形式人工湿地可分为:1.浮游植物系统：此系统中水生植物漂浮于水面；根系呈淹没状态。浮水植物目前主要用于N和P的去除和提高稳定塘的效率。2.沉水植物系统：此系统水生植物完全淹没于水中。系统中水的浊度不能太高，否则会影响植物的光合作用。该系统还处于试验阶段，主要用于初级处理与二级处理后的精处理。3.挺水植物系统：以挺水植物为主，植物根系发达，可通过根系向基质送氧，使基质中形成多个好氧、兼性厌氧、厌氧小区，利于多种微生物繁殖，便于污染物的多途径降解；目前人工湿地主要指挺水植物系统。3940人工湿地分类

根据水的流动状态，该系统分为如下类型：自由水面系统（FWS），又称表面流湿地；潜流系统（SFS），又称潜流湿地。潜流湿地又分为水平流潜流系统（HFS）和垂直流潜流系统（VFS）。

1.表面流人工湿地(FWS)类似于自然湿地，污水从湿地床表面流过，污染物的去除依靠植物根茎的拦截作用以及根茎上生成的生物膜的降解作用。这种湿地造价低，运行管理方便，但是不能充分利用填料以及植物根系的作用，在处理废水的过程中容易产生异味、孽生蚊蝇，在实际应用中一般不采用。2.潜流人工湿地(SFS)系统中，污水在湿地床中流过，因而能充分利用湿地中的填料，并且卫生条件好于表面流人工湿地。41表面流人工湿地潜流人工湿地42水平流人工湿地(HFS)系统：其水流从进口起在根系层中沿水平方向缓慢流动，出口处设水位调节装置，以保持污水尽量和根系接触。43垂直人工湿地(VFS)系统：该系统通常在整个表面设置配水系统，水流方形和根系层呈垂直状态，并周期性进水。通过系统下部出水，水流在系统表面以下。目的是系统可以排空水，以最大程度的进行氧补给。也有部分是连续进水的。44人工湿地处理系统

人工湿地污水处理系统由预处理单元和人工湿地单元组成。通过合理设计可将BOD5、SS、营养盐、原生动物、金属离子和其他物质处理达到二级和高级处理水平。预处理主要去除粗颗粒和降低有机负荷。构筑物包括双层沉淀池、化粪池、稳定塘或初沉池。

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典型的人工湿地工艺46三污水土地处理47

污水土地处理是在农田灌溉的基础上，运用人工调控利用土壤-微生物-植物组成的生态系统使污水中的污染物净化的处理方法。土地处理是以土地作为主要处理系统的污水处理方法，其目的是净化污水，控制水污染，其设计参数（如负荷率）需通过试验研究确定。土地处理技术有四种类型：慢速渗滤、快速渗滤、地表漫流和地下渗滤系统。土地处理系统是由污水预处理设施，污水调节和储存设施，污水的输送、布水及控制系统，土地净化田，净化出水的收集和利用系统等五部分组成。污水土地处理48

BOD大部分是在土壤表层土中去除的。土壤中含有大量的种类繁多的异养型微生物，它们能对被过滤、截留在土壤颗粒空隙间的悬浮有机物和溶解有机物进行生物降解，并合成微生物新细胞。当污水处理的BOD负荷超过让土壤微生物分解BOD的生物氧化能力时，会引起厌氧状态或土壤堵塞。

污水土地处理系统的净化机理十分复杂，它包含了物理过滤、物理吸附、物理沉积、物理化学吸附、化学反应和化学沉淀、微生物对有机物的降解等过程。因此，污水在土地处理系统中的净化是一个综合净化过程。土地处理系统的净化机理BOD的去除磷和氮的去除悬浮物质的去除病原体的去除重金属的去除49土地处理系统的净化机理BOD的去除磷和氮的去除悬浮物质的去除病原体的去除重金属的去除在土地处理中，磷主要是通过植物吸收，化学反应和沉淀（与土壤中的钙、铝、铁等离子形成难溶的磷酸盐）、物理吸附和沉淀（土壤中的黏土矿物对磷酸盐的吸附和沉积），物理化学吸附（离子交换、络合吸附）等方式被去除。其去除效果受土壤结构、阳离子交换容量、铁铝氧化物和植物对磷的吸收等因素的影响。氮主要是通过植物吸收，微生物脱氮（氨化、硝化、反硝化），挥发、渗出（氨在碱性条件下逸出、硝酸盐的渗出）等方式被去除。其去除率受作物的类型、生长期、对氮的吸收能力以及土地处理系统等工艺因素的影响。50BOD的去除磷和氮的去除悬浮物质的去除病原体的去除重金属的去除

污水中的悬浮物质是依靠作物和土壤颗粒间的孔隙截留、过滤去除的。土壤颗粒的大小、颗粒间孔隙的形状、大小、分布和水流通道，以及悬浮物的性质、大小和浓度等都影响对悬浮物的截留过滤效果。若悬浮物的浓度太高、颗粒太大，会引起土壤堵塞。

土地处理系统的净化机理51土地处理系统的净化机理BOD的去除磷和氮的去除悬浮物质的去除病原体的去除重金属的去除

污水经土壤处理后，水中大部分的病菌和病毒可被去除，去除率可达92％～97％。其去除率与选用的土地处理系统工艺有关，其中地表漫流的去除率较低，但若有较长的漫流距离和停留时间，也可以达到较高的去除效率。

52土地处理系统的净化机理BOD的去除磷和氮的去除悬浮物质的去除病原体的去除重金属的去除

重金属主要是通过物理化学吸附、化学反应与沉淀等途径被去除的。重金属离子在土壤胶体表面进行阳离子交换而被置换、吸附，并生成难溶性化合物被固定于矿物晶格中；重金属与某些有机物生成可吸性鳌合物被固定于矿物质晶格中；重金属离子与土壤的某些组分进行化学反应，生成金属磷酸盐和有机重金属等沉积于土壤中。53土地处理基本工艺地表漫流系统快速渗滤系统慢