王寶貞 王 琳 楊魯豫
（哈爾濱建筑大學） （建設(shè)部城市建設(shè)司）

　　一、污水處理與利用生態(tài)系統(tǒng)的由來與發(fā)展

　　隨著我國經(jīng)濟的不斷增長和人民生活水平的不斷提高，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)和人民生活用水量在不斷增加，相應(yīng)產(chǎn)生的污水和廢水量也不斷增加，加以我國污水處理設(shè)施相當落后，據(jù)1998年統(tǒng)計，我國城市污水處理普及率約為12%，亦即大部分城市污水和相當一部分工業(yè)廢水未經(jīng)處理便排于附近水體，污染了環(huán)境，破壞了水資源，目前中國在水方面面臨兩大問題：一是水環(huán)境的污染，二是水資源的短缺。
　　為了防止水污染的不斷加劇并逐步減輕水環(huán)境的污染，建造和運行污水處理設(shè)施，尤其是集中的大中型的城市污水處理廠是最有效的措施，例如德國魯爾河、英國的泰晤士河等全河流域的統(tǒng)籌優(yōu)化治理，尤其是整條河流根據(jù)污水量和污染負荷，優(yōu)化布置許多座污水處理廠的位置，處理規(guī)模和處理程度，有效地控制了水環(huán)境的污染和保護了水資源。
　　我國為了防止水環(huán)境污染的繼續(xù)惡化，加速了污水處理設(shè)施的建設(shè)，例如廣東省珠江三角洲地區(qū)計劃到2000年達到40%的污水處理普及率，廣州規(guī)劃建設(shè)12座污水處理廠；山東省濟南、青島、濰坊、泰安等一些城市也建造了多座污水處理廠。但是目前已建成和運行的污水處理廠還遠不能控制水環(huán)境污染的繼續(xù)加劇。因此，還必須建造和運行更多的污水處理廠，根據(jù)國外的經(jīng)驗，要有效地控制水環(huán)境的污染，污水處理普及率應(yīng)達到80%以上。目前我國的污水處理普及率（按城市市政建設(shè)和工企業(yè)部分建設(shè)的污水處理廠處理能力的總合計）約為23%。要達到80%的普及率估計需要20-30年的時間、上千億的投資。
　　目前在大城市的污水處理廠都采用以活性污泥法為處理工藝。這對于可用土地短缺、地價昂貴的大城市是可行的，因為這種處理方法稱為高負荷生物處理系統(tǒng)，其占地面積小，節(jié)省占用土地和土地購置費。但是這種方法也有其缺點，如基建和運行費用昂貴；例如使用這種方法的污水處理廠每天處理1m³污水能力的基建單價在東北為1600-2000元/m³/d；在西南地區(qū)為1200-1500元/m³/d，在山東據(jù)說為1000-1200元/m³/d，如果利用國外貸款，引進國外設(shè)備等，則這一費用還要增加20-30%，運行費單價為每處理1m³污水的費用，不考慮折舊費，只考慮電耗、藥耗和人工費約為0.20-0.30元/m³；而要考慮折舊費，則為0.5-0.8元/m³，一座活性污泥法的年運行費約為其基建投資的10%左右，例如一座10萬噸/日的污水處理廠，其基建投資為1.5億元，則其年運行費用約為1200-1500萬元；所以我國一些城市建起了污水處理廠，卻運行不起來，或者不能完全運行。其原因是缺乏運行資金。
　　活性污泥法處理廠的另一個缺點是運行維護技術(shù)難度大，尤其是中小型污水處理廠，由于其水量水質(zhì)變動大，容易產(chǎn)生沖擊負荷，造成污泥膨脹，而使運行失效。此外，我國許多城市其污水BOD濃度很低，<100mg/L，使活性污泥法尤其是氧化溝法無法正常運行。
　　美國一些小城鎮(zhèn)曾建了一些小型活性污泥法處理廠，但由于種種原因，運行效果不好，現(xiàn)在美國、德國等一些經(jīng)濟發(fā)達的國家，在許多中小城鎮(zhèn)采用穩(wěn)定塘或氧化塘的處理方法，例如美國有穩(wěn)定塘1.1萬多座，德國3000多座，法國2000余座。近年來，用人工濕地處理生活污水也獲得了迅速發(fā)展，例如英國Severn Trent水公司，其人工濕地污水處理系統(tǒng)從80年代末的3處迅速發(fā)展為現(xiàn)在的100余處。
　　在國外，即使一些大的城市也使用塘系統(tǒng)和土地處理利用系統(tǒng)來處理與利用污水而獲得成功，例如澳大利亞的墨爾本市的Werribee農(nóng)場，就接受處理和利用了該市3/4的污水，用厭氧塘、曝氣塘，最后凈化塘處理，并用于牧場灌溉，使牧草增產(chǎn)，使每座牧場的牛的養(yǎng)殖量從原來的1頭增至6頭。德國慕尼黑市污水在污水處理廠中經(jīng)一級處理后與附近的河水按1：3至1：6的比例混合進入數(shù)百公頃的養(yǎng)魚塘中進行鯉科魚類的養(yǎng)殖，既凈化了污水，又獲得了可觀的經(jīng)濟收益。目前國外采用的氧化塘，大都是普通的氧化塘，亦即所謂藻菌共生系統(tǒng)塘，其中細菌將進入塘中的污水氧化降解為二氧化碳和水、氨氮、硝酸鹽和磷酸鹽等最終產(chǎn)物；藻類攝取上述物質(zhì)進行光合作用，使藻類增殖，同時釋出氧供好氧菌氧化降解有機物質(zhì)，這種塘是一種不完全的生態(tài)塘，其中只有分解者和生產(chǎn)者兩類生物，而沒有消費者生物，致使在藻菌共生系統(tǒng)的循環(huán)中產(chǎn)生的多余的藻類和菌類，不能去除而使出水的總懸浮固體（TSS）和BOD₅偏高，有時達不到排放標準，從而限制了它們的推廣應(yīng)用。
　　我們通過20多年的試驗研究，開發(fā)了污水處理與利用生態(tài)塘和生態(tài)工程，可使出水水質(zhì)達到常規(guī)二級處理廠出水水質(zhì)；而生態(tài)塘與濕地或土地生態(tài)系統(tǒng)相結(jié)合的復合式污水處理與利用生態(tài)系統(tǒng)，可使最后出水達到地表水3-4級標準。

　　二、生態(tài)塘系統(tǒng)的運行原理

　　通過水生植物種植和水產(chǎn)養(yǎng)殖，如養(yǎng)魚、養(yǎng)鴨、養(yǎng)鵝等，在塘中形成人工生態(tài)系統(tǒng)，其中由分解者生物（細菌、真菌），生產(chǎn)者生物（藻類和其它水生植物）和消費者生物（如浮游動物、魚、鴨、鵝等）組成，由它們形成許多條食物鏈，并由此構(gòu)成食物網(wǎng)。其主要特點是：
　　* 太陽能作為生態(tài)塘的初始能源，推動生態(tài)塘的運行。
　　* 進入塘中的污水，其中的有機污染物和營養(yǎng)物質(zhì)以及太陽入射的能量被水吸收和生物攝取，在食物鏈中逐級傳遞、遷移和轉(zhuǎn)換。
　　* 細菌和真菌作為降解者將有機污染物降解為最終產(chǎn)物：CO₂，NH₄-N，NOx-N，PO₄-P等。
　　* 藻和其它水生植物作為生產(chǎn)者攝取上述物質(zhì)進行光合作用。
　　* 魚、鴨等作為消費者食用藻類和其它水生植物以及低營養(yǎng)級的消費者生物，如浮游動物，蝦、螺等，使其個體成長而成為產(chǎn)品回收，既有效地凈化了污水，又回收了資源。

　　三、生態(tài)塘系統(tǒng)的典型處理流程

　　為了保證生態(tài)塘中產(chǎn)品的清潔，生態(tài)塘系統(tǒng)必須實現(xiàn)處理與利用相結(jié)合，先處理后利用，亦即污水首先經(jīng)預處理單元和處理塘的處理，使出水不含有毒有害污染物后，再進行利用，其典型的處理流程為：
　　預處理：→原生污水→格 柵（去除大塊污泥）→沉砂池（去除砂和其它無機雜粒）
　　處理塘：→厭氧塘（去除COD、BOD、有機N、NHx-N、重金屬等）兼性→（曝氣）塘（進一步去除COD、BOD₅、NH₃-N，去除難降解有機化合物）→水生植物塘（進一步去除有機物和重金屬）
　　綜合利用塘：→養(yǎng)魚塘（養(yǎng)魚，其排泄物使SS、BOD、COD、TN等有所增高）→養(yǎng)鴨、鵝塘（養(yǎng)鴨、鵝，其排泄物造成二次污染 ）→荷藕塘（消除增生的污染物并生產(chǎn)藕、蓮子等）→蘆葦塘（進一步凈化污水，生產(chǎn)蘆葦）
　　農(nóng)田灌溉系統(tǒng)：→做農(nóng)作物的水源和肥源，并進一步凈化污水，出水水質(zhì)可達地表水3-4級→補充地下水

　　四、生態(tài)塘實例

　　1 齊齊哈爾生態(tài)塘系統(tǒng)
　　齊齊哈爾是黑龍江省第二大城市，在50年代末和60、70年代，其產(chǎn)生的大量的生活污水和工業(yè)廢水排于嫩江后造成嚴重的污染，導致大量死魚。為此在70年代修建了一座大型污水庫，占地面積約800公頃，實行冬貯夏排。每日容納污水量15萬m³/d。在運行的過程中發(fā)現(xiàn)，它在溫暖季節(jié)具有很強的凈化能力，從入口到出口，塘中污水的顏色變化為：灰→黑→墨綠→深綠→綠→淡綠→清澈透明；在塘中呈現(xiàn)綠色的塘水中生長有大量的微型藻類，在岸邊附近水中有大量的浮游動物，如輪蟲、水蚤等，有一些魚和鴨、水鳥等來捕食它們；在塘的后部水質(zhì)清澈，水中生長有大量的潛水植物，如金魚藻、茨藻、黑藻等，附近農(nóng)民放養(yǎng)一些鵝、鴨，食用它們生長迅速，羽毛光潔，塘的最后出水SS和BOD₅達到5-10mg/L，在8、9、10月份出水BOD₅約為2-3mg/L。
　　齊齊哈爾污水凈化塘的運行結(jié)果給我們一個重要的啟發(fā)，就是在日照充足而提供充足太陽能的條件下，通過魚和水禽的養(yǎng)殖形成多條食物鏈，通過污水中污染物和能量在食物鏈中的逐級傳遞和轉(zhuǎn)化，不僅能有效地凈化污水，而且能回收有有用的資源。
　　2 安達生態(tài)塘
　　安達市在哈爾濱以北約100公里，為一小城市，其城鎮(zhèn)的污水總量約為1.5萬m³/d，為了解決其污水處理問題，因地制宜，在其附近的一個天然水泡中設(shè)計和建造了兩處塘系統(tǒng)，即東塘系統(tǒng)，由厭氧塘或強化厭氧塘，兼性塘和最后凈化塘組成；西塘系統(tǒng)，則由兼性塘和最后凈化塘組成，總占地面積100公頃，總基建投資為120萬元（1985年）。
　　原來的泡子為堿水泡，其中無任何生物，但建成塘系統(tǒng)并投產(chǎn)運行以后，進入塘中的污水主要為生活污水，乳品加工，毛紡、食品加工等廢水，有機物和營養(yǎng)物質(zhì)含量豐富，經(jīng)細菌氧化降解后為藻類和其它水生動植物提供了豐富的營養(yǎng)源，促進了藻類、浮游動物和魚類的生長，塘中野生的鯽魚很多，浮萍（鴨草）也很多，塘中放養(yǎng)了一些鴨子，生長良好。
　　在這一系統(tǒng)中我們設(shè)計和建造了兩個形式的厭氧塘，一為普通厭氧塘，一為強化厭氧塘，即在塘中加設(shè)填料，在其上形成生物膜以增加生物量，運行結(jié)果證明強化厭氧塘的凈化效果明顯高于普通厭氧塘，在冬季尤為突出。
　　3 高濃度有機廢水處理生態(tài)塘系統(tǒng)
　　廣東省番禺市尖峰山養(yǎng)豬場是珠江三角洲上萬座養(yǎng)豬場中的一座，其養(yǎng)豬廢水為高濃度有機廢水，其COD濃度為8000-10000mg/L，BOD₅ 4000-6000mg/L，總氮500-1000mg/L，不經(jīng)處理直接排入附近的水環(huán)境造成嚴重的污染，造成死魚等事故。
　　在番禺市環(huán)保局的邀請下，我們幫助該養(yǎng)豬廠設(shè)計和指導建造了養(yǎng)豬廢水處理與利用生態(tài)塘系統(tǒng)，其處理流程如下：原生污水→格柵→沉淀池→調(diào)節(jié)池→高效厭氧塘→厭氧轉(zhuǎn)化塘→藻菌共生塘→養(yǎng)魚塘。
　　投產(chǎn)運行后效果非常好，各個單元塘的功效明顯，高效厭氧塘去除COD高達85%以上，BOD₅ 90%以上，厭氧轉(zhuǎn)化塘其去除BOD₅和COD的效果分別約為10%和20%，但其主要的功能是將一些難降解的有機化合物轉(zhuǎn)化為易降解的有機化合物，而使BOD₅/COD的比值有所提高。
　　其出水進入其后的藻菌共生塘中，通過細菌的氧化降解BOD₅和COD均有大幅度的下降，其去除率分別為70%和50%，通過藻類的光合作用，TN，NH₄-N和TP都有大量的去除，去除率為60%左右，而TSS卻大幅度升高。
　　出水進入養(yǎng)魚塘中，藻類作為魚的鉺料而被魚食用并完成凈化過程，在其中COD和BOD₅分別達到40%和50%的去除率，而氨氮，總氮分別達到90%和80%的去除率，總磷和磷酸鹽達到75%和90%的去除率。
　　同時，魚塘中放養(yǎng)的魚放養(yǎng)一年，就從0.1-0.2kg的魚苗成為1.2-1.5kg的成魚，畝產(chǎn)魚達400kg。
　　4 膠州市城市污水處理與利用生態(tài)工程
　　膠州市城鎮(zhèn)污水由生活污水和工業(yè)廢水（包括制藥、造紙、化工、食品加工、紡織印染等廢水組成）組成，其濃度偏高，BOD₅ 250-300mg/L，COD 600-800mg/L，TN 60-80mg/L，TP 10-15mg/L。該市嚴重缺水，污水經(jīng)處理后需加以回收利用，主要是灌溉農(nóng)田。
　　我們?yōu)樵撌性O(shè)計了污水處理與利用生態(tài)工程，它由一級處理，塘處理與利用系統(tǒng)和土地處理與利用系統(tǒng)組成，其處理流程為：原水污水→格柵→沉砂池→斜板沉淀池→厭氧塘→多級兼性塘→最后凈化塘（放養(yǎng)魚、鴨）→農(nóng)田灌溉→補充地下水。預處理＋塘系統(tǒng)的處理效果是：COD去除80%，BOD₅ 80-85%，TSS60-70，TN87%，TP 85-90%。
　　出水用于農(nóng)田灌溉后（種植小麥和玉米）其收成增產(chǎn)15%，而其滲濾水水質(zhì)很好，BOD₅和TSS≤3mg/L，COD≤20mg/L，TN≤5mg/L，NH₄-N≤2mg/L，TP≤0.01mg/L，達到或接近地表水的Ⅲ與Ⅳ級標準，可用于補充地下水。
　　5 東營市污水處理與利用生態(tài)工程
　　該市位于黃河三角洲，是新興的石油和鹽化工工業(yè)城市，是勝利油田所在地。該市嚴重缺水，水成為該市經(jīng)濟發(fā)展的制約因素，因此污水處理必須與回收再用相結(jié)合，將污水作為一種再生的水資源來處理，將其作為輔助的水資源來開發(fā)利用。我們經(jīng)過半年多的現(xiàn)場調(diào)研和考察，發(fā)現(xiàn)該市有大量的鹽堿荒廢土地可以用來建造污水處理與利用生態(tài)工程，再考慮到當?shù)赜兴a(chǎn)養(yǎng)殖，種植荷藕，種植蘆葦、水稻、小麥、疏菜等的經(jīng)驗，亦即只要有污水灌入塘中或灌溉農(nóng)田，就能將土地中的鹽堿壓下去，將其變成良田，獲得水產(chǎn)和農(nóng)產(chǎn)品的好收成。
　　我們通過對四處污水處理工程廠址的對比，最后選定了勝利油田原來的第七農(nóng)場，建立東營污水處理與利用生態(tài)工程。該農(nóng)場原來引黃河水進行水產(chǎn)養(yǎng)殖，種稻及其它農(nóng)作物，已建有水庫、養(yǎng)魚塘、稻田、麥田等。近年來因黃河斷流天數(shù)劇增，如96、97年都超過200天，難以保證農(nóng)業(yè)用水，致使該農(nóng)場廢棄。但水庫、養(yǎng)魚塘、農(nóng)田等都保存良好。將污水引入該農(nóng)場，并將水庫改造成處理塘系統(tǒng)，用以處理污水，然后將凈化的污水依次進行養(yǎng)魚、種藕、種葦?shù)榷嗉壘C合利用，不僅能收獲魚、藕、蘆葦?shù)犬a(chǎn)品，而且污水又得到了進一步的凈化。我們設(shè)計的污水處理與利用生態(tài)工程的流程為：原生污水→格柵→沉砂池→復合式高效厭氧塘→曝氣塘→曝氣養(yǎng)魚塘→養(yǎng)魚塘→藕塘→葦塘→人工湖或水庫→農(nóng)田灌溉。
　　其設(shè)計處理規(guī)模為10萬m³/d，在該系統(tǒng)中高效厭氧塘、曝氣塘和曝氣養(yǎng)魚塘為主要處理塘系統(tǒng)，其中復合式高效厭氧塘負責去除大部分（80%以上）有機污染物，難降解有機污染物和去除重金屬，同時使污泥進行厭氧消化和減容；曝氣塘是將厭氧塘出水中的中間產(chǎn)物以及剩余的BOD和COD進行強化的氧化降解，同時在同化過程中產(chǎn)生活性污泥凝絮，其出水進入其后的曝氣養(yǎng)魚塘后通過養(yǎng)魚將其捕食消耗，而不必進行剩余污泥的處理。
　　曝氣養(yǎng)魚塘出水，即使冬季也要達到排放標準；其出水在溫暖季節(jié)流入養(yǎng)魚塘，通過養(yǎng)殖適量的魚，在其中通過藻菌共生系統(tǒng)的作用，產(chǎn)生藻類及浮游動物，供魚作餌料，通過魚的捕食消耗而使污水得到進一步凈化；同時魚的排泄物也增加了污染，其出水進入藕塘，魚的糞便等排泄物沉入塘底作為底肥，使藕增長，同時使污水得到凈化。最后藕塘出水進入葦塘，蘆葦具有很強的和廣譜的凈化效果，其淹沒于水中的莖、葉、根是微生物附著生長的活載體，在其上形成生物膜，能對水中剩余的有機物進行有效的生物氧化降解；蘆葦?shù)母?、莖通過吸收能有效地去除重金屬和鹽類，因此其出水水質(zhì)良好，出水TSS、BOD₅和COD分別達到5-10mg/L，5-10mg/L和20-30mg/L。

　　5. 結(jié)論

　　1、污水處理與利用生態(tài)工程，通常由預處理設(shè)施（格柵和沉砂池），處理塘系統(tǒng)，利用塘系統(tǒng)和農(nóng)田灌溉系統(tǒng)組成。
　　2、預處理設(shè)施用以去除大塊污物和砂、煤、爐渣等無機雜粒，以防止后續(xù)處理塘的管道堵塞和底部的沉積。
　　3、處理塘用以去除大部分有機污染物，有毒、有害的難降解有機化合物和重金屬，以防止其進入食物鏈中污染魚和農(nóng)作物。
　　4、養(yǎng)魚、種藕、種蘆葦，是常用和有效地多級綜合利用塘，同時污水也得到進一步的凈化。
　　5、利用塘出水進行農(nóng)田灌溉，即可以使農(nóng)田增產(chǎn)，又能使污水得到深度凈化。使其出水達到三級處理出水的水質(zhì)，即可補充地下水，又可用作工業(yè)用水和生活雜用水和市政用水等。
　　6、污水處理與利用生態(tài)工程的基建投資約為相當規(guī)模的常規(guī)污水處理廠的1/3甚至1/2，而其運行費僅為后者的1/5-1/3。如果考慮綜合利用的收入，可能達到收支平衡，甚至有所盈余。