李藝

　　【摘要】 本文作者認為穩定塘具有基建投資和運轉費用低、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、無需污泥處理等優點，因而在“熱帶地區有廣泛的適用性。并討論了厭氧塘、兼性塘和熟化塘的設計方法。
　　【關鍵詞】 穩定塘 污水處理 機理 設計

1 穩定塘在熱帶地區的適用性

　　世界各地用穩定塘處理污水，特別是城鎮污水，已有多年的歷史。對穩定塘的科學研究并推行合理的設計方法始于本世紀初，第一座科學設計與管理的穩定塘于1901年在美國的德克薩斯州興建，到本世紀50～60年代，穩定塘技術得到迅速的發展。近幾年來，用穩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用的常規的初級和二級污水處理和污泥處理工藝在非洲地區熱帶國家卻相對采用得較少，原因如下：
1.1 費用
　　與污水穩定塘工藝流程相比，在工程投資和運轉費用上，常規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處理法所需要的復雜設備的能力。因此，這些常規處理法所需的設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
　　常規處理法需要大量的機電設備，這些設備又只有在較高的維護條件下才能正常運轉，這樣的維護水平在大多數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，而且基本上都是在這些國家的首都。
1.3 工藝流程本身
　　① 常規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，常規法中污泥處理費用約占總處理費用的40％以上。
　　③ 氣味的產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費用上講都是較低的，而且也不需要大量的機電設備，從而減弱了維護、維修的工作量，另外省去了污泥處理構筑物。通過適當合理的設計，可以避免氣味產生，只是興建穩定塘要比建常規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，穩定塘是該地區的適合工藝。
　　該處理工藝在非洲已應用了多年，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定塘，并取得了許多應用經驗。

2 穩定塘的設計方法探討

　　污水穩定塘一般呈矩形，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計是控制穩定塘系統中產生氣味和滋生蚊蠅的關鍵。通過正確合理的設計完全可以避免這些問題的產生。最終出水水質的差別在于熟化塘的尺寸與數量，因此在非洲適用的處理城市污水的穩定塘系統可以使用下列系統中的一種：

　　

　　根據穩定塘在非洲應用的經驗，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，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％，污水中的固體物質進入塘后沉于塘底厭氧消化，同時也產生污泥的集聚，根據在非洲的運行經驗，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時常出現的污泥漂浮問題，使隨后的處理塘中不致形成大量的污泥集聚。
　　在厭氧塘設計中一個重要的因素是要控制不良氣味的產生，合理的設計條件是將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，創造一個適合于甲烷發酵的環境，從而避免氣味的產生。
　　在設計中，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）
　　依據非洲的經驗，在設計中BOD容積負荷值可取100～400g／（m³·d），建議設計取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，λ^v高于400g／（m³·d）時，則容易產生不良氣味。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，則不應使用厭氧塘，污水應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系，在溫度為20～25℃范圍時，可以采用表1的設計值。

污水停留時間與去除率關系　　　 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 兼性塘設計
　　兼性塘是處理塘系統中最常用的塘，其停留時間也相對較長，適應沖擊負荷，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并進行厭氧酸性發酵和甲烷發酵過程，此過程可去除污水中約30％的B0D。兼性塘不應建在不通風、有遮蔽的地域內，風的作用對兼性塘的運行非常重要，風可導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地帶，則需在塘中設置循環泵使塘水攪動，避免產生分層現象，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。
　　在兼性塘的設計中，可以將其假設為一個完全混合型生物反應器，應用簡單的一級反應動力學模式計算B0D的去除量。
　　L_e ＝L₁／1＋K₁t （3）
　　（3）式中 L_e——出水BOD（mg／L）；
　　　　　　　L₁——進水BOD（mg／L）；
　　　　　　　k₁——反應速率常數（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）
　　根據非洲地區的經驗，k₁值取0.30d^-1用于設計，此時相應的設計溫度為20℃。
　　當溫度改變時，可根據Arihenius公式計算出不同溫度下的k₁值。
　　k₁（T）＝0.30（1.05）^T－20 （5）
　　根據運行經驗，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，所以，建議設計時將此參數值降至60mg／L較好，根據該地區最冷月的平均溫度，由式（5）計算出k₁值，代人公式（4）可以得出停留時間t，經常在設計兼性塘中，需計算出BOD面積負荷值λ^s并與λ^s的經驗式進行校核。
　　λ^s＝L₁Q／A （g／（m²·d）
　　10Li·Q／A （kg／ha·d）） （6）
　　式中A——塘面積（m²）
　　根據非洲地區經驗數據，得出計算λ^s的經驗公式為：
　　λ^s＝20T－120 （g／（m²·d）） （7）
　　式中T——最冷月平均溫度（℃）。
　　有經驗的設計師，也可用BOD面積負荷法進行兼性塘設計。
2.3 熟化塘設計
　　在穩定塘系統設計中，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計的正規程序，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。
　　熟化塘塘深在設計時可采用兼性塘標準。
　　一般來講，經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為100個／100mL。
　　糞便病原菌衰減速率公式也類似于一級反應模式，可以用Chick定律描述污水在穩定塘（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——反應速率常數（d^-1）；
　　t——水力停留時間 （d）。
　　若為幾個塘串聯系統，則公式為
　　N_e／N₁＝1／（1＋k_bt₁）（1＋k_bt₂）…（1＋k_bt_n） (9)
　　式中 n——系統串塘個數。
　　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在5×10⁶～5×10⁷之間，所以建議設計中N₁值采用10⁸。
2.4 穩定塘尺寸、設施與維護
　　不同類型塘深度范圍見表2。

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

　　在設計中選擇塘深時，應避免使塘深小于0.9m，塘深過淺難于產生水生植物，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，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，故塘深可以加深，但要根據當地的土質情況與開挖費用而定。
　　穩定塘面積計算
　　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，邊坡應用混凝土板襯砌以防沖刷，易于清理、維護。
　　單塘長寬比應為2～3：1，有助于風的混合作用。
　　在選擇塘址時，應選在土質為不透水層，如果達不到此層，也要有粘土夯實或鋪一層塑料薄膜作底。
　　進塘污水最好先經過格柵和沉砂池進行預處理，以去除水中大塊物質和砂粒，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。

　　塘與塘之間的聯結形式可采用造價低，運行方便的管式連接，圖2介紹了兩種不同的連結方法供設計參考。
　　穩定塘系統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，但對該系統的正常運行卻很重要。

3 穩定塘在我國的適用性問題

　　我國大部分地區處于溫帶及亞熱帶，氣候溫和，光照條件好，尤其是南方各省，自然條件和地理環境更為優越，十分有利于穩定塘的推廣應用，穩定塘不僅可以用作獨立的污水處理設施，也可以作為處理廠的一個組成部分，而且可以根據當地的氣象因素、污水性質和處理條件，靈活地采用不同類型及構造方式的穩定塘。
　　鑒于各個國家和地區的具體情況，包括地理環境、自然條件、經濟發展、科學技術和生活水平等千差萬別，一個國家或地區的科研成果和經驗數據，對于另一個國家和地區往往不盡可取，更不能直接套用。因而，對穩定塘凈化污水的客觀規律及其在我國的適合的設計參數的掌握，還有待我們進一步的研究與實踐。