2.2.2　穩定塘

2.2.2.1　概述

迄今為止，人類應用穩定塘來處理廢水已有3000多年的歷史，據記載，1901年在美國得克薩斯州圣安東尼奧市建造了第一個穩定塘處理系統。目前，美國已有上萬個各種類型的穩定塘用于處理廢水。根據生物反應的分類，可將穩定塘分成兼性（好氧-厭氧）塘、曝氣塘、好氧塘、厭氧塘。通過污水穩定塘處理過程的基礎研究，認為藻類和細菌是穩定塘成功運行的基本要素。細菌能夠在好氧和厭氧條件下將復雜的有機廢物成分分解成簡單的產物，它們隨后供藻類利用。而藻類產生的氧氣為好氧細菌提供所需要的好氧環境以完成其氧化作用。利用這一原理，美國的Oswald（奧斯瓦德）提出并發展了高效藻類塘，最大限度地利用了藻類產生的氧氣，充分利用菌藻共生關系，對有機污染物進行高效處理。正是因為穩定塘適用于處理生活污水或復雜的工業廢水，適合從熱帶至寒帶不同的氣候條件，對有機污染物去除效果較好，處理單元建造容易、經濟實用、運行簡便，使該技術在20世紀50～80年代獲得迅速發展。美國1957年僅有631座處理城市污水的穩定塘，1968年發展到2500座，1983年達7000座以上。歐洲60年代僅芬蘭、前聯邦德國、前民主德國、荷蘭、羅馬尼亞、瑞典和蘇聯7國有穩定塘，1986年發展到16個歐洲國家。20世紀70年代以來，澳大利亞，中東的以色列、約旦、沙特阿拉伯、也門、科威特，非洲的肯尼亞、南非，南美洲的巴西、委內瑞拉、特立尼達和多巴哥，東南亞的印度、泰國等對穩定塘的應用也做了大量的研究，使其應用規模越來越大。

2.2.2.2　處理過程的理論和控制因素

穩定塘污水處理過程的理論、運行效能和設計建立在生物學、生物化學的相互影響的基礎上。從生物學角度關注的細菌有好氧細菌、產酸細菌、藍色細菌、紫硫細菌和病原菌，同時還關注由一些單細胞或多細胞組成的藻類。這是因為現在一般都認為藻類和細菌共同構成了穩定塘成功運轉的基本要素。細菌能在好氧或厭氧條件下，將復雜的有機廢物成分分解成簡單的產物，它們隨后供藻類利用。而藻類產生的氧氣為好氧菌提供所需要的好氧環境以完成其氧化作用。水蚤類浮游生物和搖蚊科底棲動物是穩定塘生物群落中最重要的動物區系。例如水蚤以攝食藻類為生，并能促進顆粒物質絮凝。

生物化學的相互影響主要指光合作用、呼吸作用、溶解氧、氮循環、pH值和堿度之間的相互影響。例如，在由光合作用引起堿度下降的同時，也使廢水中的碳酸鹽硬度下降；pH值也與光合活性有密切關系，使pH值發生晝夜變化。在單循環中，氨氮被同化于藻類生物體中，取決于塘系統中的生物活性，且受溫度、有機物負荷、停留時間和廢水特征等多種因素影響。氣態氨往大氣中的逸失速率與pH值、比表面積、溫度和混合條件等因素有關。堿性條件下可改變氨氣和銨離子之間的平衡，使化學反應過程向氣態方向進行，混合條件則影響質量傳遞系數的大小。

控制因素有光照、溫度以及營養物（氮、磷、硫、碳）的需求和去除。現已證明，當塘中的光照強度為5380～53800lx/m²時，光合產氧量是比較恒定的；超出這一范圍時，光合產氧量將有所減少^［28］。在塘的好氧環境中溫度是一個很重要的因素。塘表面或接近塘表面的溫度決定著藻類、細菌和其他水生生物優勢種的演替過程。藻類可在5～40℃范圍內生存；綠藻在溫度接近30～35℃時表現出最有效的生長狀況；好氧菌在10～40℃范圍內能生存；藍細菌在35～40℃之間生長得最好^［29］。實際上，廢水穩定塘的最高溫度大多小于30℃，這表明多數穩定塘都可在低于厭氧生物活性的最佳溫度條件下運行^［30］。

2.2.2.3　設計參數和運行效果

以美國新罕布什爾州皮特巴洛、密西西比州科爾米克爾、堪薩斯州尤多拉以及猶他州科林等幾處的兼性塘系統運行結果為例^［31］，說明兼性塘的運行效果和設計參數（表2-11）。美國新罕布什爾州皮特巴洛、密西西比州科爾米克爾、堪薩斯州尤多拉、猶他州科林兼性塘占地面積分別為8.5hm²、3.3hm²、7.8hm²、3.8hm²，可見單位面積每天處理污水的水量很低。

在上述設計參數下，4個兼性塘的運行效果如下。

①這些塘系統都能使出水BOD₅的月均濃度低于30mg/L，出水BOD₅月均濃度最低值發生在新罕布什爾州皮特巴洛兼性塘內，為1.4mg/L。出水BOD₅的月均濃度都是1～4月的較高。

②總體上來說，兼性塘出水SS濃度是隨季節變化的。在夏季的月份中，受藻類生長旺盛等因素影響，出水SS濃度升高。出水SS的月均濃度變化范圍為2.5～179mg/L。

③4個兼性塘系統的出水糞大腸桿菌月幾何平均濃度與200個/100mL標準限值比較，只有新罕布什爾州皮特巴洛塘系統進行了氯化消毒，其糞大腸桿菌濃度從未超過20個/100mL。對于未經消毒處理的3個塘處理系統，出水糞大腸桿菌月幾何平均濃度的范圍為0.1～13527個/100mL。總的來說，在寒冷的季節里，出水糞大腸桿菌月幾何平均濃度都有增高的趨勢。

④在兼性穩定塘中出現的進水與出水之間的氮濃度差異，主要是由如下過程引起的：氣態氨逸入大氣中；氨被同化于藻類生物體中；硝酸鹽被同化于植物機體中；生物硝化與反硝化。

表2-12匯總了上述4個兼性塘的3個塘監測的年平均結果。雖然在實際停留時間條件下，氨氮的去除率總體較高，但沒有進一步介紹總氮（TN）的去除效果。以俄克拉荷馬州伯克斯比、伊利諾伊州波尼、密西西比州北灣港、威斯康星州科什克儂湖、賓夕法尼亞州溫德波等地的曝氣塘的運行結果為例，說明曝氣塘的運行效果和設計參數見表2-13和表2-14。曝氣塘是對污水進行好氧生物處理而設計的中等深度的人造池，采用機械曝氣設備供氧。5個曝氣塘系統的單元結構組成不完全一致，伯克斯比和北灣港曝氣塘系統由2個串聯的曝氣塘組成，其他的曝氣塘系統由3個串聯的曝氣塘組成。北灣港塘系統之后還接有沉淀塘和投氯接觸塘。這些塘的平均深度均為3.0m，但運行條件和進入塘系統的污水特征有很大的差異，如表2-13和表2-14所列。

在上述參數條件下，曝氣塘的運行效果如下。

①除俄克拉荷馬州伯克斯比塘系統之外，其余4個塘系統都能產生小于30mg/L的BOD₅月平均出水濃度。出水BOD₅月平均濃度與進水BOD₅濃度的波動無關，并且不受溫度季節性變化的明顯影響。

②除伯克斯比塘系統之外，其他幾個塘系統全年的SS出水的月平均濃度多數在30mg/L以下，其變化范圍為2～63mg/L。賓夕法尼亞州溫德波塘處理效果最好，全部月均值均低于30mg/L。

③除俄克拉荷馬州伯克斯比塘系統之外，其余4個塘系統都裝有氯化消毒設備。數據證明曝氣系統的出水是可以進行消毒處理的。賓夕法尼亞州溫德波、伊利諾伊州波尼兩處塘系統的最后出水糞大腸桿菌月幾何平均濃度達200個/100mL標準限值；未經消毒處理的出水含有濃度較高的糞大腸桿菌；經過消毒處理但在儲存池逗留時間過長的出水也有較高的糞大腸桿菌濃度，這是由糞大腸桿菌后生現象引起的。

④曝氣塘系統中，總凱氏氮（TKN）由氨、銨和有機氮組成，其含量可通過以下過程而減少：氣態氨逸入大氣中；氨被同化于生物體中；生物硝化作用；生物反硝化作用；不溶性有機氮的沉淀；硝酸鹽同化作用。但沒有進一步介紹TKN和氨氮的去除率，只介紹了TKN和氨氮去除率的推導方程式。依據表2-14中列舉的參數（如水力負荷率、停留時間），暫時還難以推算出5個曝氣塘TKN和氨氮的實際去除率。

2.2.2.4　工程適應性分析

穩定塘占地面積大，處理效率低（即使在較長的停留時間下，氮和磷的處理效率仍然較低）、在冬季低溫時更是如此。蚊子在某些穩定塘是一個相當嚴重的問題，這些蚊子除了具有某些令人討厭的特點之外，同時也是許多疾病，諸如腦炎、瘧疾和黃熱病等的傳染媒介，因而會對公共衛生造成危害。

在污水塘中，由于超負荷，或使過量的表面浮渣積累，或不能控制塘內水草和塘邊坡雜草過量生長，都會產生臭氣。若污水自身的臭氣也較嚴重的話，會對周邊環境造成不良影響。

上述問題有些可通過設計使之減輕，然而有些是穩定塘自身工藝不能克服的。在土地資源緊張、地價昂貴、人口密度高的地區，哪怕是農村地區將其作為一種主體工程加以應用，恐怕也是十分困難的。該技術主要用于人口密度較小的區域。

氧化塘是一個人工建造的淺的池塘，用于接受、儲存和處理污水。和污水池差不多，是一個單獨的污水池，連續運行或像一個封閉系統一樣運行，或者作為處理系統出水最后排放的一個部分。氧化塘的目的是為化合物提供一個良好的環境條件進行自然的、物理的、生物的以及化學的處理過程。這個系統屬于最簡單、花費最少的污水處理系統之一，能夠對未處理的污水和化糞池的出水進行處理。

2.2.2.5　穩定塘類型

（1）厭氧塘

厭氧塘多用于奶牛養殖場和養豬場排出的養殖廢水、商業或是工業廢水，采用一個或者一系列的池塘來作為系統中處理的第一步。深度在2.5～4.5m之間，氧氣含量有限，頂層由油脂和泡沫組成，功能與化糞池相似。產生的氣味是個問題，因此需要尋找合適的位置并且對池塘進行維護。

（2）好氧塘

好氧塘是一個淺的池子，氧氣和陽光能完全穿透廢水。在陽光充沛的氣候條件下，好氧塘很少發生結冰的現象。

（3）兼性塘

兼性塘結合了好氧塘和厭氧塘的特點，形成了3個活性層。這種池塘能適應天氣條件的變化和流入水量的波動。這種池塘最適合加拿大薩斯克溫省的氣候。

（4）氧化塘

氧化塘利用通風系統，既給廢水增加了氧氣，又使表層的廢水與氧氣混合增加了廢水中氧氣的含量（圖2-9）。這種方法的用地面積小，但是需要的能量消耗和勞動力較多。

在土地比較便宜的地區，其設計和建造的費用都比較少，與其他方法相比消耗的能量最少，運行維護簡單；能間歇運行，比其他方法更耐負荷沖擊，而且不受季節限制；對于去除致病微生物效果很好；出水適合灌溉，含有較高的營養物質和較少的致病菌。其缺點是與其他方法相比需要更多的土地；在寒冷的季節效果不好，這就需要額外的土地或者延長處理時間；在藻類爆發、春季解凍或是厭氧塘沒有進行恰當的維護時產生的氣味問題令人討厭；在沒有進行恰當維護的情況下，池塘是蚊子和其他昆蟲的滋生地；去除重金屬的效果不好；一些出水中含有藻類，需要額外的處理來滿足當地的排放標準。

多段氧化池在社區和商業區中的污水處理中要比單獨的氧化池更常見，氧化池經常是幾個，平行的或是兩個聯合在一起。兩個小的氧化池能比一個大的氧化池產生更好的處理效果，多段氧化池系統處理高危險廢水比較有效。

2.2.2.6　穩定塘設計

設計主要包括氧化池的尺寸大小、位置選擇、氧化塘的安裝以及安全維護等。例如，用于排放的池塘的尺寸必須符合當地的衛生要求，每年的排放量受到限制，主要考慮廢水冬季冰凍和秋季解凍的情況。出水不排放的氧化塘尺寸必須考慮到廢水的蒸發作用免于將廢水泵出。由于這個原因在總設計中考慮每年的沉淀量和蒸發率是很重要的。氧化塘在設計中應為蒸發提供充足的表面積，蒸發的量應設計為每年預計流入污水的125%。表面積的設計應該合理，以便在冬季或者在蒸發量少的季節里能存儲污水。

普遍存在的問題：藻類暴發、厭氧條件、融化后和氧化塘裝滿后清空時產生的氣味。阻止氣味產生的辦法是合理的運行和維護，如果氧化塘開始滲漏，應該使用斑脫土進行防漏處理。打洞的動物，如麝鼠會對堤壩造成損害。堤壩周圍的滲漏需要經常評定，以防止滲漏對堤壩的結構造成破壞。