污水处理稳定塘工艺机理分析及设计方法

李艺

　　【摘要】 本文作者认为稳定塘具有基建投资和运转费用低、维护和维修少、操作简单、能有效去除污水中的有机物和病原体、无需污泥处理等优点，因而在“热带地区有广泛的适用性。并讨论了厌氧塘、兼性塘和熟化塘的设计方法。
　　【关键词】 稳定塘 污水处理 机理 设计

1 稳定塘在热带地区的适用性

　　世界各地用稳定塘处理污水，特别是城镇污水，已有多年的历史。对稳定塘的科学研究并推行合理的设计方法始于本世纪初，第一座科学设计与管理的稳定塘于1901年在美国的德克萨斯州兴建，到本世纪50～60年代，稳定塘技术得到迅速的发展。近几年来，用稳定塘处理城市污水的比例在逐年提高，在世界各地都有兴建，但就其工艺特点而言，更适用于热带国家。
　　在欧洲、北美洲和亚洲普遍应用的常规的初级和二级污水处理和污泥处理工艺在非洲地区热带国家却相对采用得较少，原因如下：
1.1 费用
　　与污水稳定塘工艺流程相比，在工程投资和运转费用上，常规的污水处理流程相对较贵。几乎没有几个非洲国家有加工制造常规处理法所需要的复杂设备的能力。因此，这些常规处理法所需的设备就要靠用外汇进口，而外汇又是这些国家尤其短缺的东西。
1.2 维护与维修
　　常规处理法需要大量的机电设备，这些设备又只有在较高的维护条件下才能正常运转，这样的维护水平在大多数非洲国家是不可能作到的，即使在个别国家有一些具有这种维护水平的人员，他们大多也是受雇于机械制造厂而不是污水处理厂。但有一点也是不可否认的事实，即在非洲有一些已建成的常规处理法的污水处理厂，但目前只有其中一小部分在正常运转，而且基本上都是在这些国家的首都。
1.3 工艺流程本身
　　① 常规的污水处理法主要目的在于去除有机物，如B0D，以防止其对所排放的水体的污染，一般很少注意对粪便病原体的控制。然而，在非洲的发展中国家对污水中粪便病原体的控制要求要比对污水中B0D的去除更加重要。
　　② 污泥的处理既困难又费钱，一般讲，常规法中污泥处理费用约占总处理费用的40％以上。
　　③ 气味的产生与释放在较热的气候条件下是个非常敏感的问题，尤其是使用低速生物滤池时，造成苍蝇大量繁殖，更是一个令人头痛的问题。
　　而污水稳定塘在以上这几个方面都不是问题，无论从工程造价和运转费用上讲都是较低的，而且也不需要大量的机电设备，从而减弱了维护、维修的工作量，另外省去了污泥处理构筑物。通过适当合理的设计，可以避免气味产生，只是兴建稳定塘要比建常规处理厂占地面积大些。然而，用地问题在非洲国家并不是很尖锐的。由此可见，稳定塘是该地区的适合工艺。
　　该处理工艺在非洲已应用了多年，如肯尼亚、南非、津巴布维和博茨瓦纳等国家都建有多座污水稳定塘，并取得了许多应用经验。

2 稳定塘的设计方法探讨

　　污水稳定塘一般呈矩形，原污水进入塘中，由藻类和细菌对其进行自然的净化。适用于非洲的污水稳定塘包括三种塘——厌氧塘、兼性塘和熟化塘。各个塘都有其各自的功能。厌氧塘主要用于高浓度污水的预处理，兼性塘主要用于去除B0D，熟化塘用来去除粪便病原体。厌氧塘和兼性塘的尺寸设计是控制稳定塘系统中产生气味和滋生蚊蝇的关键。通过正确合理的设计完全可以避免这些问题的产生。最终出水水质的差别在于熟化塘的尺寸与数量，因此在非洲适用的处理城市污水的稳定塘系统可以使用下列系统中的一种：

　　

　　根据稳定塘在非洲应用的经验，只使用一座兼性塘，运行效果不好。而熟化塘在热带国家对病原体的去除率非常高，如对大肠杆菌的去除率可在99.999％。
2.1 厌氧塘设计
　　厌氧塘的特点是容纳和处理高有机负荷污水，这种塘的整个深度都处于厌氧状态，其功能有些类似于化粪池，对B0D的去除率非常高，当水力停留时间为一天时，去除率可达50％，污水中的固体物质进入塘后沉于塘底厌氧消化，同时也产生污泥的集聚，根据在非洲的运行经验，塘底集泥量为0.03～004M³（人·年）。所以每3～5年需清泥一次，厌氧塘的使用可以大大减少随后的兼性塘的容积，实际上消除了兼性塘夏季运转时常出现的污泥漂浮问题，使随后的处理塘中不致形成大量的污泥集聚。
　　在厌氧塘设计中一个重要的因素是要控制不良气味的产生，合理的设计条件是将B0D容积负荷控制在400g／（m³·d）以下，控制进水中硫酸根浓度在100mg／l以下，创造一个适合于甲烷发酵的环境，从而避免气味的产生。
　　在设计中，最实用的方法是用B0D容积负荷法：
　　λ^v＝L₁Q／V （1）
　　式中 λ^v——BOD容积负荷（g／（m³·d））；
　　L₁——进水BOD（mg／l，或g／m³）；
　　Q——进水流量（m³／d）；
　　V——塘容积（m³）；
　　V／Q——水力停留时间（t）。
　　λ^v＝L₁／t （2）
　　依据非洲的经验，在设计中BOD容积负荷值可取100～400g／（m³·d），建议设计取250g／（m³·d），当λ^v低于100g／（m³·d）时，则难于维持塘中全部的厌氧状态，λ^v高于400g／（m³·d）时，则容易产生不良气味。当由上式计算出的水力停留时间t值低于1d时，则说明此种污水不宜于用厌氧塘处理，因其浓度太低，也就是说，当污水B0D浓度低于250mg／L时，停留时间小于1d，则不应使用厌氧塘，污水应直接进入兼性塘处理。
　　B0D的去除率与污水在厌氧塘中的停留时间有直接关系，在温度为20～25℃范围时，可以采用表1的设计值。

污水停留时间与去除率关系　　　 表1 停留时间（d） 1 2.5 5 BOD去除率（%） 50 60 70

　　当温度范围降至15～20℃时，其去除率约降低25％。
　　如果在一级厌氧塘后再加一级停留时间为0.3～0.5d的二级厌氧塘，用来截留污水中的悬浮固体则效果更好，可以保证流入后面兼性塘中的固体量控制在最低水平。
2.2 兼性塘设计
　　兼性塘是处理塘系统中最常用的塘，其停留时间也相对较长，适应冲击负荷，当污水浓度不是很高时，则直接进入兼性塘，在兼性塘的上层水中，藻类通过光合作用产生氧，在细菌的作用下使用有机物被氧化分解，同时随污水人塘的悬浮固体沉淀于塘底，形成10～15cm厚的泥层，此泥层处于厌氧状态并进行厌氧酸性发酵和甲烷发酵过程，此过程可去除污水中约30％的B0D。兼性塘不应建在不通风、有遮蔽的地域内，风的作用对兼性塘的运行非常重要，风可导致塘中水体的纵向混合，使得下层水体的藻类运动到塘水面下15～30cm的透光层中进行光合作用，从而使塘中藻类、细菌、BOD和氧气能在纵向很好地分布，达到最佳的处理效果。.如果兼性塘一定要建在无风地带，则需在塘中设置循环泵使塘水搅动，避免产生分层现象，这种泵可以安装在浮筒上，其能量输入是很小的，约为30～50mW／m³池容。
　　在兼性塘的设计中，可以将其假设为一个完全混合型生物反应器，应用简单的一级反应动力学模式计算B0D的去除量。
　　L_e ＝L₁／1＋K₁t （3）
　　（3）式中 L_e——出水BOD（mg／L）；
　　　　　　　L₁——进水BOD（mg／L）；
　　　　　　　k₁——反应速率常数（d^-1）；
　　　　　　　t——水力停留时间 （d）。
　　上式可以改形成
　　t=（L₁／L_e－1）1／k₁ （4）
　　根据非洲地区的经验，k₁值取0.30d^-1用于设计，此时相应的设计温度为20℃。
　　当温度改变时，可根据Arihenius公式计算出不同温度下的k₁值。
　　k₁（T）＝0.30（1.05）^T－20 （5）
　　根据运行经验，若取L_e＝100mg／L，则兼性塘在运行时耐冲击负荷的能力将很小，而且塘中容易处于厌氧状态，所以，建议设计时将此参数值降至60mg／L较好，根据该地区最冷月的平均温度，由式（5）计算出k₁值，代人公式（4）可以得出停留时间t，经常在设计兼性塘中，需计算出BOD面积负荷值λ^s并与λ^s的经验式进行校核。
　　λ^s＝L₁Q／A （g／（m²·d）
　　10Li·Q／A （kg／ha·d）） （6）
　　式中A——塘面积（m²）
　　根据非洲地区经验数据，得出计算λ^s的经验公式为：
　　λ^s＝20T－120 （g／（m²·d）） （7）
　　式中T——最冷月平均温度（℃）。
　　有经验的设计师，也可用BOD面积负荷法进行兼性塘设计。
2.3 熟化塘设计
　　在稳定塘系统设计中，兼性塘后一般都要跟二个或多个熟化塘用于保证最终出水水质和达到对粪便病原体较高的去除率，目前还没有用于熟化塘设计的正规程序，这种塘对BOD的去除率是最低的。
　　当进水BOD为50～70mg／L时，为使出水BOD值达到25mg／L以下，需要采用两级串联的熟化塘，并使每塘的停留时间分别达到7d。
　　熟化塘塘深在设计时可采用兼性塘标准。
　　一般来讲，经过熟化塘可以使出水大肠杆菌降至5000个／100mL以下。如果塘出水用于灌溉生吃的蔬菜和水果，则要求出水大肠杆菌数为100个／100mL。
　　粪便病原菌衰减速率公式也类似于一级反应模式，可以用Chick定律描述污水在稳定塘（厌氧、兼性、熟化塘）的停留时间与大肠杆菌减少量之间的关系：
　　N_e／N₁＝1／1＋k_bt （8）
　　式中 N₁、N_e——进、出水中大肠杆菌（个／100mL）；
　　k_b——反应速率常数（d^-1）；
　　t——水力停留时间 （d）。
　　若为几个塘串联系统，则公式为
　　N_e／N₁＝1／（1＋k_bt₁）（1＋k_bt₂）…（1＋k_bt_n） (9)
　　式中 n——系统串塘个数。
　　对于k_b值的温度修正可用下式：
　　k_b（T）＝2.6（1.19）^T－20 （10）
　　式中 T——塘水温度（℃）
　　在非洲实地测定的原污水中大肠杆菌数在5×10⁶～5×10⁷之间，所以建议设计中N₁值采用10⁸。
2.4 稳定塘尺寸、设施与维护
　　不同类型塘深度范围见表2。

不同类型稳定塘塘深　　　 表2 塘型 厌氧塘 兼性塘 熟化塘 塘深（m） 2～4 1～1.5 1～1.5

　　在设计中选择塘深时，应避免使塘深小于0.9m，塘深过浅难于产生水生植物，同时易造成蚊蝇的繁殖，兼性塘塘深大于1.5m时，易造成过多的厌氧条件，而熟化塘深为3m时，仍然能保持好氧状态，但当其塘深大于1.5m时，对大肠杆菌的去除率相对降低，一般设计中熟化塘深保持与前面的兼性塘塘深相同。在厌氧塘中不需考虑好氧状态，故塘深可以加深，但要根据当地的土质情况与开挖费用而定。
　　稳定塘面积计算
　　A＝Q·t／H （11）
　　式中 A——塘面积（m²）；
　　Q——进水流量（m³／d）；
　　t——水力停留时间（d）；
　　H——塘深（m）。
　　由式（11）计算出的塘面积为塘中水深一半位置处的面积。
　　塘边坡坡度比为1：3，并保留至少0.5m的超高，边坡应用混凝土板衬砌以防冲刷，易于清理、维护。
　　单塘长宽比应为2～3：1，有助于风的混合作用。
　　在选择塘址时，应选在土质为不透水层，如果达不到此层，也要有粘土夯实或铺一层塑料薄膜作底。
　　进塘污水最好先经过格栅和沉砂池进行预处理，以去除水中大块物质和砂粒，在非洲，使用钟形旋流式无机械清砂型沉砂池较为广泛，应用效果也很好。
　　在塘入口处加计量槽，在出口处用V型堰计量水量，进水口最好设计为淹没式，一般约距岸边5～10m，布置形式参见图1。

　　塘与塘之间的联结形式可采用造价低，运行方便的管式连接，图2介绍了两种不同的连结方法供设计参考。
　　稳定塘系统的维护包括日常的除草、清渣工作，厌氧塘每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，尽管日常的维护管理很简单，但对该系统的正常运行却很重要。

3 稳定塘在我国的适用性问题

　　我国大部分地区处于温带及亚热带，气候温和，光照条件好，尤其是南方各省，自然条件和地理环境更为优越，十分有利于稳定塘的推广应用，稳定塘不仅可以用作独立的污水处理设施，也可以作为处理厂的一个组成部分，而且可以根据当地的气象因素、污水性质和处理条件，灵活地采用不同类型及构造方式的稳定塘。
　　鉴于各个国家和地区的具体情况，包括地理环境、自然条件、经济发展、科学技术和生活水平等千差万别，一个国家或地区的科研成果和经验数据，对于另一个国家和地区往往不尽可取，更不能直接套用。因而，对稳定塘净化污水的客观规律及其在我国的适合的设计参数的掌握，还有待我们进一步的研究与实践。