王寶貞 王 琳 楊魯豫
（哈爾濱建筑大學(xué)） （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(lái)與發(fā)展

　　隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)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(guó)污水處理設(shè)施相當(dāng)落后，據(jù)1998年統(tǒng)計(jì)，我國(guó)城市污水處理普及率約為12%，亦即大部分城市污水和相當(dāng)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(guó)在水方面面臨兩大問(wèn)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(yùn)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(guó)魯爾河、英國(guó)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(fù)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(hù)了水資源。
　　我國(guó)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(jì)劃到2000年達(dá)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(jì)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(yùn)行的污水處理廠還遠(yuǎn)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(yùn)行更多的污水處理廠，根據(jù)國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，要有效地控制水環(huán)境的污染，污水處理普及率應(yīng)達(dá)到80%以上。目前我國(guó)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(jì)）約為23%。要達(dá)到80%的普及率估計(jì)需要20-30年的時(shí)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(duì)于可用土地短缺、地價(jià)昂貴的大城市是可行的，因?yàn)檫@種處理方法稱為高負(fù)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(gòu)置費(fèi)。但是這種方法也有其缺點(diǎn)，如基建和運(yùn)行費(fèi)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(jià)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(shuō)為1000-1200元/m³/d，如果利用國(guó)外貸款，引進(jìn)國(guó)外設(shè)備等，則這一費(fèi)用還要增加20-30%，運(yùn)行費(fèi)單價(jià)為每處理1m³污水的費(fèi)用，不考慮折舊費(fèi)，只考慮電耗、藥耗和人工費(fèi)約為0.20-0.30元/m³；而要考慮折舊費(fèi)，則為0.5-0.8元/m³，一座活性污泥法的年運(yùn)行費(fèi)約為其基建投資的10%左右，例如一座10萬(wàn)噸/日的污水處理廠，其基建投資為1.5億元，則其年運(yùn)行費(fèi)用約為1200-1500萬(wàn)元；所以我國(guó)一些城市建起了污水處理廠，卻運(yùn)行不起來(lái)，或者不能完全運(yùn)行。其原因是缺乏運(yùn)行資金。
　　活性污泥法處理廠的另一個(gè)缺點(diǎn)是運(yùn)行維護(hù)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(dòng)大，容易產(chǎn)生沖擊負(fù)荷，造成污泥膨脹，而使運(yùn)行失效。此外，我國(guó)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(wú)法正常運(yùn)行。
　　美國(guó)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(yùn)行效果不好，現(xiàn)在美國(guó)、德國(guó)等一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國(guó)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(guó)有穩(wěn)定塘1.1萬(wàn)多座，德國(guó)3000多座，法國(guó)2000余座。近年來(lái)，用人工濕地處理生活污水也獲得了迅速發(fā)展，例如英國(guó)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(guó)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(lái)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(chǎng)，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(chǎng)灌溉，使牧草增產(chǎn)，使每座牧場(chǎng)的牛的養(yǎng)殖量從原來(lái)的1頭增至6頭。德國(guó)慕尼黑市污水在污水處理廠中經(jīng)一級(jí)處理后與附近的河水按1：3至1：6的比例混合進(jìn)入數(shù)百公頃的養(yǎng)魚(yú)塘中進(jìn)行鯉科魚(yú)類的養(yǎng)殖，既凈化了污水，又獲得了可觀的經(jīng)濟(jì)收益。目前國(guó)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(xì)菌將進(jìn)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(jìn)行光合作用，使藻類增殖，同時(shí)釋出氧供好氧菌氧化降解有機(jī)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(méi)有消費(fèi)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(shí)達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)，從而限制了它們的推廣應(yīng)用。
　　我們通過(guò)20多年的試驗(yàn)研究，開(kāi)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(dá)到常規(guī)二級(jí)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(fù)合式污水處理與利用生態(tài)系統(tǒng)，可使最后出水達(dá)到地表水3-4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

　　二、生態(tài)塘系統(tǒng)的運(yùn)行原理

　　通過(guò)水生植物種植和水產(chǎn)養(yǎng)殖，如養(yǎng)魚(yú)、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(xì)菌、真菌），生產(chǎn)者生物（藻類和其它水生植物）和消費(fèi)者生物（如浮游動(dòng)物、魚(yú)、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(diǎn)是：
　　* 太陽(yáng)能作為生態(tài)塘的初始能源，推動(dòng)生態(tài)塘的運(yùn)行。
　　* 進(jìn)入塘中的污水，其中的有機(jī)污染物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及太陽(yáng)入射的能量被水吸收和生物攝取，在食物鏈中逐級(jí)傳遞、遷移和轉(zhuǎn)換。
　　* 細(xì)菌和真菌作為降解者將有機(jī)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(jìn)行光合作用。
　　* 魚(yú)、鴨等作為消費(fèi)者食用藻類和其它水生植物以及低營(yíng)養(yǎng)級(jí)的消費(fèi)者生物，如浮游動(dòng)物，蝦、螺等，使其個(gè)體成長(zhǎng)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(shí)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(yù)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(jìn)行利用，其典型的處理流程為：
　　預(yù)處理：→原生污水→格 柵（去除大塊污泥）→沉砂池（去除砂和其它無(wú)機(jī)雜粒）
　　處理塘：→厭氧塘（去除COD、BOD、有機(jī)N、NHx-N、重金屬等）兼性→（曝氣）塘（進(jìn)一步去除COD、BOD₅、NH₃-N，去除難降解有機(jī)化合物）→水生植物塘（進(jìn)一步去除有機(jī)物和重金屬）
　　綜合利用塘：→養(yǎng)魚(yú)塘（養(yǎng)魚(yú)，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(jìn)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(jìn)一步凈化污水，出水水質(zhì)可達(dá)地表水3-4級(jí)→補(bǔ)充地下水

　　四、生態(tài)塘實(shí)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(yán)重的污染，導(dǎo)致大量死魚(yú)。為此在70年代修建了一座大型污水庫(kù)，占地面積約800公頃，實(shí)行冬貯夏排。每日容納污水量15萬(wàn)m³/d。在運(yùn)行的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，它在溫暖季節(jié)具有很強(qiáng)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(zhǎng)有大量的微型藻類，在岸邊附近水中有大量的浮游動(dòng)物，如輪蟲(chóng)、水蚤等，有一些魚(yú)和鴨、水鳥(niǎo)等來(lái)捕食它們；在塘的后部水質(zhì)清澈，水中生長(zhǎng)有大量的潛水植物，如金魚(yú)藻、茨藻、黑藻等，附近農(nóng)民放養(yǎng)一些鵝、鴨，食用它們生長(zhǎng)迅速，羽毛光潔，塘的最后出水SS和BOD₅達(dá)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(yùn)行結(jié)果給我們一個(gè)重要的啟發(fā)，就是在日照充足而提供充足太陽(yáng)能的條件下，通過(guò)魚(yú)和水禽的養(yǎng)殖形成多條食物鏈，通過(guò)污水中污染物和能量在食物鏈中的逐級(jí)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(dá)生態(tài)塘
　　安達(dá)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(wàn)m³/d，為了解決其污水處理問(wèn)題，因地制宜，在其附近的一個(gè)天然水泡中設(shè)計(jì)和建造了兩處塘系統(tǒng)，即東塘系統(tǒng)，由厭氧塘或強(qiáng)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(wàn)元（1985年）。
　　原來(lái)的泡子為堿水泡，其中無(wú)任何生物，但建成塘系統(tǒng)并投產(chǎn)運(yùn)行以后，進(jìn)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(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量豐富，經(jīng)細(xì)菌氧化降解后為藻類和其它水生動(dòng)植物提供了豐富的營(yíng)養(yǎng)源，促進(jìn)了藻類、浮游動(dòng)物和魚(yú)類的生長(zhǎng)，塘中野生的鯽魚(yú)很多，浮萍（鴨草）也很多，塘中放養(yǎng)了一些鴨子，生長(zhǎng)良好。
　　在這一系統(tǒng)中我們?cè)O(shè)計(jì)和建造了兩個(gè)形式的厭氧塘，一為普通厭氧塘，一為強(qiáng)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(yùn)行結(jié)果證明強(qiáng)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(jī)廢水處理生態(tài)塘系統(tǒng)
　　廣東省番禺市尖峰山養(yǎng)豬場(chǎng)是珠江三角洲上萬(wàn)座養(yǎng)豬場(chǎng)中的一座，其養(yǎng)豬廢水為高濃度有機(jī)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(yán)重的污染，造成死魚(yú)等事故。
　　在番禺市環(huán)保局的邀請(qǐng)下，我們幫助該養(yǎng)豬廠設(shè)計(jì)和指導(dǎo)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(yú)塘。
　　投產(chǎn)運(yùn)行后效果非常好，各個(gè)單元塘的功效明顯，高效厭氧塘去除COD高達(dá)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(jī)化合物轉(zhuǎn)化為易降解的有機(jī)化合物，而使BOD₅/COD的比值有所提高。
　　其出水進(jìn)入其后的藻菌共生塘中，通過(guò)細(xì)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(guò)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(jìn)入養(yǎng)魚(yú)塘中，藻類作為魚(yú)的鉺料而被魚(yú)食用并完成凈化過(guò)程，在其中COD和BOD₅分別達(dá)到40%和50%的去除率，而氨氮，總氮分別達(dá)到90%和80%的去除率，總磷和磷酸鹽達(dá)到75%和90%的去除率。
　　同時(shí)，魚(yú)塘中放養(yǎng)的魚(yú)放養(yǎng)一年，就從0.1-0.2kg的魚(yú)苗成為1.2-1.5kg的成魚(yú)，畝產(chǎn)魚(yú)達(dá)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(yán)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(jì)了污水處理與利用生態(tài)工程，它由一級(jí)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(jí)兼性塘→最后凈化塘（放養(yǎng)魚(yú)、鴨）→農(nóng)田灌溉→補(bǔ)充地下水。預(yù)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(dá)到或接近地表水的Ⅲ與Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可用于補(bǔ)充地下水。
　　5 東營(yíng)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(yán)重缺水，水成為該市經(jīng)濟(jì)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(lái)處理，將其作為輔助的水資源來(lái)開(kāi)發(fā)利用。我們經(jīng)過(guò)半年多的現(xiàn)場(chǎng)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(lái)建造污水處理與利用生態(tài)工程，再考慮到當(dāng)?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(yàn)，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(guò)對(duì)四處污水處理工程廠址的對(duì)比，最后選定了勝利油田原來(lái)的第七農(nóng)場(chǎng)，建立東營(yíng)污水處理與利用生態(tài)工程。該農(nóng)場(chǎng)原來(lái)引黃河水進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖，種稻及其它農(nóng)作物，已建有水庫(kù)、養(yǎng)魚(yú)塘、稻田、麥田等。近年來(lái)因黃河斷流天數(shù)劇增，如96、97年都超過(guò)200天，難以保證農(nóng)業(yè)用水，致使該農(nóng)場(chǎng)廢棄。但水庫(kù)、養(yǎng)魚(yú)塘、農(nóng)田等都保存良好。將污水引入該農(nóng)場(chǎng)，并將水庫(kù)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(jìn)行養(yǎng)魚(yú)、種藕、種葦?shù)榷嗉?jí)綜合利用，不僅能收獲魚(yú)、藕、蘆葦?shù)犬a(chǎn)品，而且污水又得到了進(jìn)一步的凈化。我們?cè)O(shè)計(jì)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(fù)合式高效厭氧塘→曝氣塘→曝氣養(yǎng)魚(yú)塘→養(yǎng)魚(yú)塘→藕塘→葦塘→人工湖或水庫(kù)→農(nóng)田灌溉。
　　其設(shè)計(jì)處理規(guī)模為10萬(wàn)m³/d，在該系統(tǒng)中高效厭氧塘、曝氣塘和曝氣養(yǎng)魚(yú)塘為主要處理塘系統(tǒng)，其中復(fù)合式高效厭氧塘負(fù)責(zé)去除大部分（80%以上）有機(jī)污染物，難降解有機(jī)污染物和去除重金屬，同時(shí)使污泥進(jìn)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(jìn)行強(qiáng)化的氧化降解，同時(shí)在同化過(guò)程中產(chǎn)生活性污泥凝絮，其出水進(jìn)入其后的曝氣養(yǎng)魚(yú)塘后通過(guò)養(yǎng)魚(yú)將其捕食消耗，而不必進(jìn)行剩余污泥的處理。
　　曝氣養(yǎng)魚(yú)塘出水，即使冬季也要達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)；其出水在溫暖季節(jié)流入養(yǎng)魚(yú)塘，通過(guò)養(yǎng)殖適量的魚(yú)，在其中通過(guò)藻菌共生系統(tǒng)的作用，產(chǎn)生藻類及浮游動(dòng)物，供魚(yú)作餌料，通過(guò)魚(yú)的捕食消耗而使污水得到進(jìn)一步凈化；同時(shí)魚(yú)的排泄物也增加了污染，其出水進(jìn)入藕塘，魚(yú)的糞便等排泄物沉入塘底作為底肥，使藕增長(zhǎng)，同時(shí)使污水得到凈化。最后藕塘出水進(jìn)入葦塘，蘆葦具有很強(qiáng)的和廣譜的凈化效果，其淹沒(méi)于水中的莖、葉、根是微生物附著生長(zhǎng)的活載體，在其上形成生物膜，能對(duì)水中剩余的有機(jī)物進(jìn)行有效的生物氧化降解；蘆葦?shù)母?、莖通過(guò)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(dá)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(yù)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(yù)處理設(shè)施用以去除大塊污物和砂、煤、爐渣等無(wú)機(jī)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(jī)污染物，有毒、有害的難降解有機(jī)化合物和重金屬，以防止其進(jìn)入食物鏈中污染魚(yú)和農(nóng)作物。
　　4、養(yǎng)魚(yú)、種藕、種蘆葦，是常用和有效地多級(jí)綜合利用塘，同時(shí)污水也得到進(jìn)一步的凈化。
　　5、利用塘出水進(jìn)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(dá)到三級(jí)處理出水的水質(zhì)，即可補(bǔ)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(dāng)規(guī)模的常規(guī)污水處理廠的1/3甚至1/2，而其運(yùn)行費(fèi)僅為后者的1/5-1/3。如果考慮綜合利用的收入，可能達(dá)到收支平衡，甚至有所盈余。