李藝

　　【摘要】 本文作者認為穩(wěn)定塘具有基建投資和運轉(zhuǎn)費用低、維護和維修少、操作簡單、能有效去除污水中的有機物和病原體、無需污泥處理等優(yōu)點，因而在“熱帶地區(qū)有廣泛的適用性。并討論了厭氧塘、兼性塘和熟化塘的設(shè)計方法。
　　【關(guān)鍵詞】 穩(wěn)定塘 污水處理 機理 設(shè)計

1 穩(wěn)定塘在熱帶地區(qū)的適用性

　　世界各地用穩(wěn)定塘處理污水，特別是城鎮(zhèn)污水，已有多年的歷史。對穩(wěn)定塘的科學(xué)研究并推行合理的設(shè)計方法始于本世紀初，第一座科學(xué)設(shè)計與管理的穩(wěn)定塘于1901年在美國的德克薩斯州興建，到本世紀50～60年代，穩(wěn)定塘技術(shù)得到迅速的發(fā)展。近幾年來，用穩(wěn)定塘處理城市污水的比例在逐年提高，在世界各地都有興建，但就其工藝特點而言，更適用于熱帶國家。
　　在歐洲、北美洲和亞洲普遍應(yīng)用的常規(guī)的初級和二級污水處理和污泥處理工藝在非洲地區(qū)熱帶國家卻相對采用得較少，原因如下：
1.1 費用
　　與污水穩(wěn)定塘工藝流程相比，在工程投資和運轉(zhuǎn)費用上，常規(guī)的污水處理流程相對較貴。幾乎沒有幾個非洲國家有加工制造常規(guī)處理法所需要的復(fù)雜設(shè)備的能力。因此，這些常規(guī)處理法所需的設(shè)備就要靠用外匯進口，而外匯又是這些國家尤其短缺的東西。
1.2 維護與維修
　　常規(guī)處理法需要大量的機電設(shè)備，這些設(shè)備又只有在較高的維護條件下才能正常運轉(zhuǎn)，這樣的維護水平在大多數(shù)非洲國家是不可能作到的，即使在個別國家有一些具有這種維護水平的人員，他們大多也是受雇于機械制造廠而不是污水處理廠。但有一點也是不可否認的事實，即在非洲有一些已建成的常規(guī)處理法的污水處理廠，但目前只有其中一小部分在正常運轉(zhuǎn)，而且基本上都是在這些國家的首都。
1.3 工藝流程本身
　?、?常規(guī)的污水處理法主要目的在于去除有機物，如B0D，以防止其對所排放的水體的污染，一般很少注意對糞便病原體的控制。然而，在非洲的發(fā)展中國家對污水中糞便病原體的控制要求要比對污水中B0D的去除更加重要。
　　② 污泥的處理既困難又費錢，一般講，常規(guī)法中污泥處理費用約占總處理費用的40％以上。
　　③ 氣味的產(chǎn)生與釋放在較熱的氣候條件下是個非常敏感的問題，尤其是使用低速生物濾池時，造成蒼蠅大量繁殖，更是一個令人頭痛的問題。
　　而污水穩(wěn)定塘在以上這幾個方面都不是問題，無論從工程造價和運轉(zhuǎn)費用上講都是較低的，而且也不需要大量的機電設(shè)備，從而減弱了維護、維修的工作量，另外省去了污泥處理構(gòu)筑物。通過適當合理的設(shè)計，可以避免氣味產(chǎn)生，只是興建穩(wěn)定塘要比建常規(guī)處理廠占地面積大些。然而，用地問題在非洲國家并不是很尖銳的。由此可見，穩(wěn)定塘是該地區(qū)的適合工藝。
　　該處理工藝在非洲已應(yīng)用了多年，如肯尼亞、南非、津巴布維和博茨瓦納等國家都建有多座污水穩(wěn)定塘，并取得了許多應(yīng)用經(jīng)驗。

2 穩(wěn)定塘的設(shè)計方法探討

　　污水穩(wěn)定塘一般呈矩形，原污水進入塘中，由藻類和細菌對其進行自然的凈化。適用于非洲的污水穩(wěn)定塘包括三種塘——厭氧塘、兼性塘和熟化塘。各個塘都有其各自的功能。厭氧塘主要用于高濃度污水的預(yù)處理，兼性塘主要用于去除B0D，熟化塘用來去除糞便病原體。厭氧塘和兼性塘的尺寸設(shè)計是控制穩(wěn)定塘系統(tǒng)中產(chǎn)生氣味和滋生蚊蠅的關(guān)鍵。通過正確合理的設(shè)計完全可以避免這些問題的產(chǎn)生。最終出水水質(zhì)的差別在于熟化塘的尺寸與數(shù)量，因此在非洲適用的處理城市污水的穩(wěn)定塘系統(tǒng)可以使用下列系統(tǒng)中的一種：

　　

　　根據(jù)穩(wěn)定塘在非洲應(yīng)用的經(jīng)驗，只使用一座兼性塘，運行效果不好。而熟化塘在熱帶國家對病原體的去除率非常高，如對大腸桿菌的去除率可在99.999％。
2.1 厭氧塘設(shè)計
　　厭氧塘的特點是容納和處理高有機負荷污水，這種塘的整個深度都處于厭氧狀態(tài)，其功能有些類似于化糞池，對B0D的去除率非常高，當水力停留時間為一天時，去除率可達50％，污水中的固體物質(zhì)進入塘后沉于塘底厭氧消化，同時也產(chǎn)生污泥的集聚，根據(jù)在非洲的運行經(jīng)驗，塘底集泥量為0.03～004M³（人·年）。所以每3～5年需清泥一次，厭氧塘的使用可以大大減少隨后的兼性塘的容積，實際上消除了兼性塘夏季運轉(zhuǎn)時常出現(xiàn)的污泥漂浮問題，使隨后的處理塘中不致形成大量的污泥集聚。
　　在厭氧塘設(shè)計中一個重要的因素是要控制不良氣味的產(chǎn)生，合理的設(shè)計條件是將B0D容積負荷控制在400g／（m³·d）以下，控制進水中硫酸根濃度在100mg／l以下，創(chuàng)造一個適合于甲烷發(fā)酵的環(huán)境，從而避免氣味的產(chǎn)生。
　　在設(shè)計中，最實用的方法是用B0D容積負荷法：
　　λ^v＝L₁Q／V （1）
　　式中 λ^v——BOD容積負荷（g／（m³·d））；
　　L₁——進水BOD（mg／l，或g／m³）；
　　Q——進水流量（m³／d）；
　　V——塘容積（m³）；
　　V／Q——水力停留時間（t）。
　　λ^v＝L₁／t （2）
　　依據(jù)非洲的經(jīng)驗，在設(shè)計中BOD容積負荷值可取100～400g／（m³·d），建議設(shè)計取250g／（m³·d），當λ^v低于100g／（m³·d）時，則難于維持塘中全部的厭氧狀態(tài)，λ^v高于400g／（m³·d）時，則容易產(chǎn)生不良氣味。當由上式計算出的水力停留時間t值低于1d時，則說明此種污水不宜于用厭氧塘處理，因其濃度太低，也就是說，當污水B0D濃度低于250mg／L時，停留時間小于1d，則不應(yīng)使用厭氧塘，污水應(yīng)直接進入兼性塘處理。
　　B0D的去除率與污水在厭氧塘中的停留時間有直接關(guān)系，在溫度為20～25℃范圍時，可以采用表1的設(shè)計值。

污水停留時間與去除率關(guān)系　　　 表1 停留時間（d） 1 2.5 5 BOD去除率（%） 50 60 70

　　當溫度范圍降至15～20℃時，其去除率約降低25％。
　　如果在一級厭氧塘后再加一級停留時間為0.3～0.5d的二級厭氧塘，用來截留污水中的懸浮固體則效果更好，可以保證流入后面兼性塘中的固體量控制在最低水平。
2.2 兼性塘設(shè)計
　　兼性塘是處理塘系統(tǒng)中最常用的塘，其停留時間也相對較長，適應(yīng)沖擊負荷，當污水濃度不是很高時，則直接進入兼性塘，在兼性塘的上層水中，藻類通過光合作用產(chǎn)生氧，在細菌的作用下使用有機物被氧化分解，同時隨污水人塘的懸浮固體沉淀于塘底，形成10～15cm厚的泥層，此泥層處于厭氧狀態(tài)并進行厭氧酸性發(fā)酵和甲烷發(fā)酵過程，此過程可去除污水中約30％的B0D。兼性塘不應(yīng)建在不通風(fēng)、有遮蔽的地域內(nèi)，風(fēng)的作用對兼性塘的運行非常重要，風(fēng)可導(dǎo)致塘中水體的縱向混合，使得下層水體的藻類運動到塘水面下15～30cm的透光層中進行光合作用，從而使塘中藻類、細菌、BOD和氧氣能在縱向很好地分布，達到最佳的處理效果。.如果兼性塘一定要建在無風(fēng)地帶，則需在塘中設(shè)置循環(huán)泵使塘水攪動，避免產(chǎn)生分層現(xiàn)象，這種泵可以安裝在浮筒上，其能量輸入是很小的，約為30～50mW／m³池容。
　　在兼性塘的設(shè)計中，可以將其假設(shè)為一個完全混合型生物反應(yīng)器，應(yīng)用簡單的一級反應(yīng)動力學(xué)模式計算B0D的去除量。
　　L_e ＝L₁／1＋K₁t （3）
　?。?）式中 L_e——出水BOD（mg／L）；
　　　　　　　L₁——進水BOD（mg／L）；
　　　　　　　k₁——反應(yīng)速率常數(shù)（d^-1）；
　　　　　　　t——水力停留時間 （d）。
　　上式可以改形成
　　t=（L₁／L_e－1）1／k₁ （4）
　　根據(jù)非洲地區(qū)的經(jīng)驗，k₁值取0.30d^-1用于設(shè)計，此時相應(yīng)的設(shè)計溫度為20℃。
　　當溫度改變時，可根據(jù)Arihenius公式計算出不同溫度下的k₁值。
　　k₁（T）＝0.30（1.05）^T－20 （5）
　　根據(jù)運行經(jīng)驗，若取L_e＝100mg／L，則兼性塘在運行時耐沖擊負荷的能力將很小，而且塘中容易處于厭氧狀態(tài)，所以，建議設(shè)計時將此參數(shù)值降至60mg／L較好，根據(jù)該地區(qū)最冷月的平均溫度，由式（5）計算出k₁值，代人公式（4）可以得出停留時間t，經(jīng)常在設(shè)計兼性塘中，需計算出BOD面積負荷值λ^s并與λ^s的經(jīng)驗式進行校核。
　　λ^s＝L₁Q／A （g／（m²·d）
　　10Li·Q／A （kg／ha·d）） （6）
　　式中A——塘面積（m²）
　　根據(jù)非洲地區(qū)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，得出計算λ^s的經(jīng)驗公式為：
　　λ^s＝20T－120 （g／（m²·d）） （7）
　　式中T——最冷月平均溫度（℃）。
　　有經(jīng)驗的設(shè)計師，也可用BOD面積負荷法進行兼性塘設(shè)計。
2.3 熟化塘設(shè)計
　　在穩(wěn)定塘系統(tǒng)設(shè)計中，兼性塘后一般都要跟二個或多個熟化塘用于保證最終出水水質(zhì)和達到對糞便病原體較高的去除率，目前還沒有用于熟化塘設(shè)計的正規(guī)程序，這種塘對BOD的去除率是最低的。
　　當進水BOD為50～70mg／L時，為使出水BOD值達到25mg／L以下，需要采用兩級串聯(lián)的熟化塘，并使每塘的停留時間分別達到7d。
　　熟化塘塘深在設(shè)計時可采用兼性塘標準。
　　一般來講，經(jīng)過熟化塘可以使出水大腸桿菌降至5000個／100mL以下。如果塘出水用于灌溉生吃的蔬菜和水果，則要求出水大腸桿菌數(shù)為100個／100mL。
　　糞便病原菌衰減速率公式也類似于一級反應(yīng)模式，可以用Chick定律描述污水在穩(wěn)定塘（厭氧、兼性、熟化塘）的停留時間與大腸桿菌減少量之間的關(guān)系：
　　N_e／N₁＝1／1＋k_bt （8）
　　式中 N₁、N_e——進、出水中大腸桿菌（個／100mL）；
　　k_b——反應(yīng)速率常數(shù)（d^-1）；
　　t——水力停留時間 （d）。
　　若為幾個塘串聯(lián)系統(tǒng)，則公式為
　　N_e／N₁＝1／（1＋k_bt₁）（1＋k_bt₂）…（1＋k_bt_n） (9)
　　式中 n——系統(tǒng)串塘個數(shù)。
　　對于k_b值的溫度修正可用下式：
　　k_b（T）＝2.6（1.19）^T－20 （10）
　　式中 T——塘水溫度（℃）
　　在非洲實地測定的原污水中大腸桿菌數(shù)在5×10⁶～5×10⁷之間，所以建議設(shè)計中N₁值采用10⁸。
2.4 穩(wěn)定塘尺寸、設(shè)施與維護
　　不同類型塘深度范圍見表2。

不同類型穩(wěn)定塘塘深　　　 表2 塘型 厭氧塘 兼性塘 熟化塘 塘深（m） 2～4 1～1.5 1～1.5

　　在設(shè)計中選擇塘深時，應(yīng)避免使塘深小于0.9m，塘深過淺難于產(chǎn)生水生植物，同時易造成蚊蠅的繁殖，兼性塘塘深大于1.5m時，易造成過多的厭氧條件，而熟化塘深為3m時，仍然能保持好氧狀態(tài)，但當其塘深大于1.5m時，對大腸桿菌的去除率相對降低，一般設(shè)計中熟化塘深保持與前面的兼性塘塘深相同。在厭氧塘中不需考慮好氧狀態(tài)，故塘深可以加深，但要根據(jù)當?shù)氐耐临|(zhì)情況與開挖費用而定。
　　穩(wěn)定塘面積計算
　　A＝Q·t／H （11）
　　式中 A——塘面積（m²）；
　　Q——進水流量（m³／d）；
　　t——水力停留時間（d）；
　　H——塘深（m）。
　　由式（11）計算出的塘面積為塘中水深一半位置處的面積。
　　塘邊坡坡度比為1：3，并保留至少0.5m的超高，邊坡應(yīng)用混凝土板襯砌以防沖刷，易于清理、維護。
　　單塘長寬比應(yīng)為2～3：1，有助于風(fēng)的混合作用。
　　在選擇塘址時，應(yīng)選在土質(zhì)為不透水層，如果達不到此層，也要有粘土夯實或鋪一層塑料薄膜作底。
　　進塘污水最好先經(jīng)過格柵和沉砂池進行預(yù)處理，以去除水中大塊物質(zhì)和砂粒，在非洲，使用鐘形旋流式無機械清砂型沉砂池較為廣泛，應(yīng)用效果也很好。
　　在塘入口處加計量槽，在出口處用V型堰計量水量，進水口最好設(shè)計為淹沒式，一般約距岸邊5～10m，布置形式參見圖1。

　　塘與塘之間的聯(lián)結(jié)形式可采用造價低，運行方便的管式連接，圖2介紹了兩種不同的連結(jié)方法供設(shè)計參考。
　　穩(wěn)定塘系統(tǒng)的維護包括日常的除草、清渣工作，厭氧塘每3至5年清泥一次，兼性塘每10至15年清泥一次，熟化塘不需清泥，盡管日常的維護管理很簡單，但對該系統(tǒng)的正常運行卻很重要。

3 穩(wěn)定塘在我國的適用性問題

　　我國大部分地區(qū)處于溫帶及亞熱帶，氣候溫和，光照條件好，尤其是南方各省，自然條件和地理環(huán)境更為優(yōu)越，十分有利于穩(wěn)定塘的推廣應(yīng)用，穩(wěn)定塘不僅可以用作獨立的污水處理設(shè)施，也可以作為處理廠的一個組成部分，而且可以根據(jù)當?shù)氐臍庀笠蛩?、污水性質(zhì)和處理條件，靈活地采用不同類型及構(gòu)造方式的穩(wěn)定塘。
　　鑒于各個國家和地區(qū)的具體情況，包括地理環(huán)境、自然條件、經(jīng)濟發(fā)展、科學(xué)技術(shù)和生活水平等千差萬別，一個國家或地區(qū)的科研成果和經(jīng)驗數(shù)據(jù)，對于另一個國家和地區(qū)往往不盡可取，更不能直接套用。因而，對穩(wěn)定塘凈化污水的客觀規(guī)律及其在我國的適合的設(shè)計參數(shù)的掌握，還有待我們進一步的研究與實踐。