2.2.2　稳定塘

2.2.2.1　概述

迄今为止，人类应用稳定塘来处理废水已有3000多年的历史，据记载，1901年在美国得克萨斯州圣安东尼奥市建造了第一个稳定塘处理系统。目前，美国已有上万个各种类型的稳定塘用于处理废水。根据生物反应的分类，可将稳定塘分成兼性（好氧-厌氧）塘、曝气塘、好氧塘、厌氧塘。通过污水稳定塘处理过程的基础研究，认为藻类和细菌是稳定塘成功运行的基本要素。细菌能够在好氧和厌氧条件下将复杂的有机废物成分分解成简单的产物，它们随后供藻类利用。而藻类产生的氧气为好氧细菌提供所需要的好氧环境以完成其氧化作用。利用这一原理，美国的Oswald（奥斯瓦德）提出并发展了高效藻类塘，最大限度地利用了藻类产生的氧气，充分利用菌藻共生关系，对有机污染物进行高效处理。正是因为稳定塘适用于处理生活污水或复杂的工业废水，适合从热带至寒带不同的气候条件，对有机污染物去除效果较好，处理单元建造容易、经济实用、运行简便，使该技术在20世纪50～80年代获得迅速发展。美国1957年仅有631座处理城市污水的稳定塘，1968年发展到2500座，1983年达7000座以上。欧洲60年代仅芬兰、前联邦德国、前民主德国、荷兰、罗马尼亚、瑞典和苏联7国有稳定塘，1986年发展到16个欧洲国家。20世纪70年代以来，澳大利亚，中东的以色列、约旦、沙特阿拉伯、也门、科威特，非洲的肯尼亚、南非，南美洲的巴西、委内瑞拉、特立尼达和多巴哥，东南亚的印度、泰国等对稳定塘的应用也做了大量的研究，使其应用规模越来越大。

2.2.2.2　处理过程的理论和控制因素

稳定塘污水处理过程的理论、运行效能和设计建立在生物学、生物化学的相互影响的基础上。从生物学角度关注的细菌有好氧细菌、产酸细菌、蓝色细菌、紫硫细菌和病原菌，同时还关注由一些单细胞或多细胞组成的藻类。这是因为现在一般都认为藻类和细菌共同构成了稳定塘成功运转的基本要素。细菌能在好氧或厌氧条件下，将复杂的有机废物成分分解成简单的产物，它们随后供藻类利用。而藻类产生的氧气为好氧菌提供所需要的好氧环境以完成其氧化作用。水蚤类浮游生物和摇蚊科底栖动物是稳定塘生物群落中最重要的动物区系。例如水蚤以摄食藻类为生，并能促进颗粒物质絮凝。

生物化学的相互影响主要指光合作用、呼吸作用、溶解氧、氮循环、pH值和碱度之间的相互影响。例如，在由光合作用引起碱度下降的同时，也使废水中的碳酸盐硬度下降；pH值也与光合活性有密切关系，使pH值发生昼夜变化。在单循环中，氨氮被同化于藻类生物体中，取决于塘系统中的生物活性，且受温度、有机物负荷、停留时间和废水特征等多种因素影响。气态氨往大气中的逸失速率与pH值、比表面积、温度和混合条件等因素有关。碱性条件下可改变氨气和铵离子之间的平衡，使化学反应过程向气态方向进行，混合条件则影响质量传递系数的大小。

控制因素有光照、温度以及营养物（氮、磷、硫、碳）的需求和去除。现已证明，当塘中的光照强度为5380～53800lx/m²时，光合产氧量是比较恒定的；超出这一范围时，光合产氧量将有所减少^［28］。在塘的好氧环境中温度是一个很重要的因素。塘表面或接近塘表面的温度决定着藻类、细菌和其他水生生物优势种的演替过程。藻类可在5～40℃范围内生存；绿藻在温度接近30～35℃时表现出最有效的生长状况；好氧菌在10～40℃范围内能生存；蓝细菌在35～40℃之间生长得最好^［29］。实际上，废水稳定塘的最高温度大多小于30℃，这表明多数稳定塘都可在低于厌氧生物活性的最佳温度条件下运行^［30］。

2.2.2.3　设计参数和运行效果

以美国新罕布什尔州皮特巴洛、密西西比州科尔米克尔、堪萨斯州尤多拉以及犹他州科林等几处的兼性塘系统运行结果为例^［31］，说明兼性塘的运行效果和设计参数（表2-11）。美国新罕布什尔州皮特巴洛、密西西比州科尔米克尔、堪萨斯州尤多拉、犹他州科林兼性塘占地面积分别为8.5hm²、3.3hm²、7.8hm²、3.8hm²，可见单位面积每天处理污水的水量很低。

在上述设计参数下，4个兼性塘的运行效果如下。

①这些塘系统都能使出水BOD₅的月均浓度低于30mg/L，出水BOD₅月均浓度最低值发生在新罕布什尔州皮特巴洛兼性塘内，为1.4mg/L。出水BOD₅的月均浓度都是1～4月的较高。

②总体上来说，兼性塘出水SS浓度是随季节变化的。在夏季的月份中，受藻类生长旺盛等因素影响，出水SS浓度升高。出水SS的月均浓度变化范围为2.5～179mg/L。

③4个兼性塘系统的出水粪大肠杆菌月几何平均浓度与200个/100mL标准限值比较，只有新罕布什尔州皮特巴洛塘系统进行了氯化消毒，其粪大肠杆菌浓度从未超过20个/100mL。对于未经消毒处理的3个塘处理系统，出水粪大肠杆菌月几何平均浓度的范围为0.1～13527个/100mL。总的来说，在寒冷的季节里，出水粪大肠杆菌月几何平均浓度都有增高的趋势。

④在兼性稳定塘中出现的进水与出水之间的氮浓度差异，主要是由如下过程引起的：气态氨逸入大气中；氨被同化于藻类生物体中；硝酸盐被同化于植物机体中；生物硝化与反硝化。

表2-12汇总了上述4个兼性塘的3个塘监测的年平均结果。虽然在实际停留时间条件下，氨氮的去除率总体较高，但没有进一步介绍总氮（TN）的去除效果。以俄克拉荷马州伯克斯比、伊利诺伊州波尼、密西西比州北湾港、威斯康星州科什克侬湖、宾夕法尼亚州温德波等地的曝气塘的运行结果为例，说明曝气塘的运行效果和设计参数见表2-13和表2-14。曝气塘是对污水进行好氧生物处理而设计的中等深度的人造池，采用机械曝气设备供氧。5个曝气塘系统的单元结构组成不完全一致，伯克斯比和北湾港曝气塘系统由2个串联的曝气塘组成，其他的曝气塘系统由3个串联的曝气塘组成。北湾港塘系统之后还接有沉淀塘和投氯接触塘。这些塘的平均深度均为3.0m，但运行条件和进入塘系统的污水特征有很大的差异，如表2-13和表2-14所列。

在上述参数条件下，曝气塘的运行效果如下。

①除俄克拉荷马州伯克斯比塘系统之外，其余4个塘系统都能产生小于30mg/L的BOD₅月平均出水浓度。出水BOD₅月平均浓度与进水BOD₅浓度的波动无关，并且不受温度季节性变化的明显影响。

②除伯克斯比塘系统之外，其他几个塘系统全年的SS出水的月平均浓度多数在30mg/L以下，其变化范围为2～63mg/L。宾夕法尼亚州温德波塘处理效果最好，全部月均值均低于30mg/L。

③除俄克拉荷马州伯克斯比塘系统之外，其余4个塘系统都装有氯化消毒设备。数据证明曝气系统的出水是可以进行消毒处理的。宾夕法尼亚州温德波、伊利诺伊州波尼两处塘系统的最后出水粪大肠杆菌月几何平均浓度达200个/100mL标准限值；未经消毒处理的出水含有浓度较高的粪大肠杆菌；经过消毒处理但在储存池逗留时间过长的出水也有较高的粪大肠杆菌浓度，这是由粪大肠杆菌后生现象引起的。

④曝气塘系统中，总凯氏氮（TKN）由氨、铵和有机氮组成，其含量可通过以下过程而减少：气态氨逸入大气中；氨被同化于生物体中；生物硝化作用；生物反硝化作用；不溶性有机氮的沉淀；硝酸盐同化作用。但没有进一步介绍TKN和氨氮的去除率，只介绍了TKN和氨氮去除率的推导方程式。依据表2-14中列举的参数（如水力负荷率、停留时间），暂时还难以推算出5个曝气塘TKN和氨氮的实际去除率。

2.2.2.4　工程适应性分析

稳定塘占地面积大，处理效率低（即使在较长的停留时间下，氮和磷的处理效率仍然较低）、在冬季低温时更是如此。蚊子在某些稳定塘是一个相当严重的问题，这些蚊子除了具有某些令人讨厌的特点之外，同时也是许多疾病，诸如脑炎、疟疾和黄热病等的传染媒介，因而会对公共卫生造成危害。

在污水塘中，由于超负荷，或使过量的表面浮渣积累，或不能控制塘内水草和塘边坡杂草过量生长，都会产生臭气。若污水自身的臭气也较严重的话，会对周边环境造成不良影响。

上述问题有些可通过设计使之减轻，然而有些是稳定塘自身工艺不能克服的。在土地资源紧张、地价昂贵、人口密度高的地区，哪怕是农村地区将其作为一种主体工程加以应用，恐怕也是十分困难的。该技术主要用于人口密度较小的区域。

氧化塘是一个人工建造的浅的池塘，用于接受、储存和处理污水。和污水池差不多，是一个单独的污水池，连续运行或像一个封闭系统一样运行，或者作为处理系统出水最后排放的一个部分。氧化塘的目的是为化合物提供一个良好的环境条件进行自然的、物理的、生物的以及化学的处理过程。这个系统属于最简单、花费最少的污水处理系统之一，能够对未处理的污水和化粪池的出水进行处理。

2.2.2.5　稳定塘类型

（1）厌氧塘

厌氧塘多用于奶牛养殖场和养猪场排出的养殖废水、商业或是工业废水，采用一个或者一系列的池塘来作为系统中处理的第一步。深度在2.5～4.5m之间，氧气含量有限，顶层由油脂和泡沫组成，功能与化粪池相似。产生的气味是个问题，因此需要寻找合适的位置并且对池塘进行维护。

（2）好氧塘

好氧塘是一个浅的池子，氧气和阳光能完全穿透废水。在阳光充沛的气候条件下，好氧塘很少发生结冰的现象。

（3）兼性塘

兼性塘结合了好氧塘和厌氧塘的特点，形成了3个活性层。这种池塘能适应天气条件的变化和流入水量的波动。这种池塘最适合加拿大萨斯克温省的气候。

（4）氧化塘

氧化塘利用通风系统，既给废水增加了氧气，又使表层的废水与氧气混合增加了废水中氧气的含量（图2-9）。这种方法的用地面积小，但是需要的能量消耗和劳动力较多。

在土地比较便宜的地区，其设计和建造的费用都比较少，与其他方法相比消耗的能量最少，运行维护简单；能间歇运行，比其他方法更耐负荷冲击，而且不受季节限制；对于去除致病微生物效果很好；出水适合灌溉，含有较高的营养物质和较少的致病菌。其缺点是与其他方法相比需要更多的土地；在寒冷的季节效果不好，这就需要额外的土地或者延长处理时间；在藻类爆发、春季解冻或是厌氧塘没有进行恰当的维护时产生的气味问题令人讨厌；在没有进行恰当维护的情况下，池塘是蚊子和其他昆虫的滋生地；去除重金属的效果不好；一些出水中含有藻类，需要额外的处理来满足当地的排放标准。

多段氧化池在社区和商业区中的污水处理中要比单独的氧化池更常见，氧化池经常是几个，平行的或是两个联合在一起。两个小的氧化池能比一个大的氧化池产生更好的处理效果，多段氧化池系统处理高危险废水比较有效。

2.2.2.6　稳定塘设计

设计主要包括氧化池的尺寸大小、位置选择、氧化塘的安装以及安全维护等。例如，用于排放的池塘的尺寸必须符合当地的卫生要求，每年的排放量受到限制，主要考虑废水冬季冰冻和秋季解冻的情况。出水不排放的氧化塘尺寸必须考虑到废水的蒸发作用免于将废水泵出。由于这个原因在总设计中考虑每年的沉淀量和蒸发率是很重要的。氧化塘在设计中应为蒸发提供充足的表面积，蒸发的量应设计为每年预计流入污水的125%。表面积的设计应该合理，以便在冬季或者在蒸发量少的季节里能存储污水。

普遍存在的问题：藻类暴发、厌氧条件、融化后和氧化塘装满后清空时产生的气味。阻止气味产生的办法是合理的运行和维护，如果氧化塘开始渗漏，应该使用斑脱土进行防漏处理。打洞的动物，如麝鼠会对堤坝造成损害。堤坝周围的渗漏需要经常评定，以防止渗漏对堤坝的结构造成破坏。