王寶貞 王 琳 楊魯豫
（哈爾濱建筑大學） （建設部城市建設司）

　　一、污水處理與利用生態系統的由來與發展

　　隨著我國經濟的不斷增長和人民生活水平的不斷提高，工業、農業、服務業和人民生活用水量在不斷增加，相應產生的污水和廢水量也不斷增加，加以我國污水處理設施相當落后，據1998年統計，我國城市污水處理普及率約為12%，亦即大部分城市污水和相當一部分工業廢水未經處理便排于附近水體，污染了環境，破壞了水資源，目前中國在水方面面臨兩大問題：一是水環境的污染，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境的污染，建造和運行污水處理設施，尤其是集中的大中型的城市污水處理廠是最有效的措施，例如德國魯爾河、英國的泰晤士河等全河流域的統籌優化治理，尤其是整條河流根據污水量和污染負荷，優化布置許多座污水處理廠的位置，處理規模和處理程度，有效地控制了水環境的污染和保護了水資源。
　　我國為了防止水環境污染的繼續惡化，加速了污水處理設施的建設，例如廣東省珠江三角洲地區計劃到2000年達到40%的污水處理普及率，廣州規劃建設12座污水處理廠；山東省濟南、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行的污水處理廠還遠不能控制水環境污染的繼續加劇。因此，還必須建造和運行更多的污水處理廠，根據國外的經驗，要有效地控制水環境的污染，污水處理普及率應達到80%以上。目前我國的污水處理普及率（按城市市政建設和工企業部分建設的污水處理廠處理能力的總合計）約為23%。要達到80%的普及率估計需要20-30年的時間、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。這對于可用土地短缺、地價昂貴的大城市是可行的，因為這種處理方法稱為高負荷生物處理系統，其占地面積小，節省占用土地和土地購置費。但是這種方法也有其缺點，如基建和運行費用昂貴；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在東北為1600-2000元/m³/d；在西南地區為1200-1500元/m³/d，在山東據說為1000-1200元/m³/d，如果利用國外貸款，引進國外設備等，則這一費用還要增加20-30%，運行費單價為每處理1m³污水的費用，不考慮折舊費，只考慮電耗、藥耗和人工費約為0.20-0.30元/m³；而要考慮折舊費，則為0.5-0.8元/m³，一座活性污泥法的年運行費約為其基建投資的10%左右，例如一座10萬噸/日的污水處理廠，其基建投資為1.5億元，則其年運行費用約為1200-1500萬元；所以我國一些城市建起了污水處理廠，卻運行不起來，或者不能完全運行。其原因是缺乏運行資金。
　　活性污泥法處理廠的另一個缺點是運行維護技術難度大，尤其是中小型污水處理廠，由于其水量水質變動大，容易產生沖擊負荷，造成污泥膨脹，而使運行失效。此外，我國許多城市其污水BOD濃度很低，<100mg/L，使活性污泥法尤其是氧化溝法無法正常運行。
　　美國一些小城鎮曾建了一些小型活性污泥法處理廠，但由于種種原因，運行效果不好，現在美國、德國等一些經濟發達的國家，在許多中小城鎮采用穩定塘或氧化塘的處理方法，例如美國有穩定塘1.1萬多座，德國3000多座，法國2000余座。近年來，用人工濕地處理生活污水也獲得了迅速發展，例如英國Severn Trent水公司，其人工濕地污水處理系統從80年代末的3處迅速發展為現在的100余處。
　　在國外，即使一些大的城市也使用塘系統和土地處理利用系統來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農場，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，并用于牧場灌溉，使牧草增產，使每座牧場的牛的養殖量從原來的1頭增至6頭。德國慕尼黑市污水在污水處理廠中經一級處理后與附近的河水按1：3至1：6的比例混合進入數百公頃的養魚塘中進行鯉科魚類的養殖，既凈化了污水，又獲得了可觀的經濟收益。目前國外采用的氧化塘，大都是普通的氧化塘，亦即所謂藻菌共生系統塘，其中細菌將進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物；藻類攝取上述物質進行光合作用，使藻類增殖，同時釋出氧供好氧菌氧化降解有機物質，這種塘是一種不完全的生態塘，其中只有分解者和生產者兩類生物，而沒有消費者生物，致使在藻菌共生系統的循環中產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，有時達不到排放標準，從而限制了它們的推廣應用。
　　我們通過20多年的試驗研究，開發了污水處理與利用生態塘和生態工程，可使出水水質達到常規二級處理廠出水水質；而生態塘與濕地或土地生態系統相結合的復合式污水處理與利用生態系統，可使最后出水達到地表水3-4級標準。

　　二、生態塘系統的運行原理

　　通過水生植物種植和水產養殖，如養魚、養鴨、養鵝等，在塘中形成人工生態系統，其中由分解者生物（細菌、真菌），生產者生物（藻類和其它水生植物）和消費者生物（如浮游動物、魚、鴨、鵝等）組成，由它們形成許多條食物鏈，并由此構成食物網。其主要特點是：
　　* 太陽能作為生態塘的初始能源，推動生態塘的運行。
　　* 進入塘中的污水，其中的有機污染物和營養物質以及太陽入射的能量被水吸收和生物攝取，在食物鏈中逐級傳遞、遷移和轉換。
　　* 細菌和真菌作為降解者將有機污染物降解為最終產物：CO₂，NH₄-N，NOx-N，PO₄-P等。
　　* 藻和其它水生植物作為生產者攝取上述物質進行光合作用。
　　* 魚、鴨等作為消費者食用藻類和其它水生植物以及低營養級的消費者生物，如浮游動物，蝦、螺等，使其個體成長而成為產品回收，既有效地凈化了污水，又回收了資源。

　　三、生態塘系統的典型處理流程

　　為了保證生態塘中產品的清潔，生態塘系統必須實現處理與利用相結合，先處理后利用，亦即污水首先經預處理單元和處理塘的處理，使出水不含有毒有害污染物后，再進行利用，其典型的處理流程為：
　　預處理：→原生污水→格 柵（去除大塊污泥）→沉砂池（去除砂和其它無機雜粒）
　　處理塘：→厭氧塘（去除COD、BOD、有機N、NHx-N、重金屬等）兼性→（曝氣）塘（進一步去除COD、BOD₅、NH₃-N，去除難降解有機化合物）→水生植物塘（進一步去除有機物和重金屬）
　　綜合利用塘：→養魚塘（養魚，其排泄物使SS、BOD、COD、TN等有所增高）→養鴨、鵝塘（養鴨、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藕、蓮子等）→蘆葦塘（進一步凈化污水，生產蘆葦）
　　農田灌溉系統：→做農作物的水源和肥源，并進一步凈化污水，出水水質可達地表水3-4級→補充地下水

　　四、生態塘實例

　　1 齊齊哈爾生態塘系統
　　齊齊哈爾是黑龍江省第二大城市，在50年代末和60、70年代，其產生的大量的生活污水和工業廢水排于嫩江后造成嚴重的污染，導致大量死魚。為此在70年代修建了一座大型污水庫，占地面積約800公頃，實行冬貯夏排。每日容納污水量15萬m³/d。在運行的過程中發現，它在溫暖季節具有很強的凈化能力，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；在塘中呈現綠色的塘水中生長有大量的微型藻類，在岸邊附近水中有大量的浮游動物，如輪蟲、水蚤等，有一些魚和鴨、水鳥等來捕食它們；在塘的后部水質清澈，水中生長有大量的潛水植物，如金魚藻、茨藻、黑藻等，附近農民放養一些鵝、鴨，食用它們生長迅速，羽毛光潔，塘的最后出水SS和BOD₅達到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行結果給我們一個重要的啟發，就是在日照充足而提供充足太陽能的條件下，通過魚和水禽的養殖形成多條食物鏈，通過污水中污染物和能量在食物鏈中的逐級傳遞和轉化，不僅能有效地凈化污水，而且能回收有有用的資源。
　　2 安達生態塘
　　安達市在哈爾濱以北約100公里，為一小城市，其城鎮的污水總量約為1.5萬m³/d，為了解決其污水處理問題，因地制宜，在其附近的一個天然水泡中設計和建造了兩處塘系統，即東塘系統，由厭氧塘或強化厭氧塘，兼性塘和最后凈化塘組成；西塘系統，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120萬元（1985年）。
　　原來的泡子為堿水泡，其中無任何生物，但建成塘系統并投產運行以后，進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，有機物和營養物質含量豐富，經細菌氧化降解后為藻類和其它水生動植物提供了豐富的營養源，促進了藻類、浮游動物和魚類的生長，塘中野生的鯽魚很多，浮萍（鴨草）也很多，塘中放養了一些鴨子，生長良好。
　　在這一系統中我們設計和建造了兩個形式的厭氧塘，一為普通厭氧塘，一為強化厭氧塘，即在塘中加設填料，在其上形成生物膜以增加生物量，運行結果證明強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 高濃度有機廢水處理生態塘系統
　　廣東省番禺市尖峰山養豬場是珠江三角洲上萬座養豬場中的一座，其養豬廢水為高濃度有機廢水，其COD濃度為8000-10000mg/L，BOD₅ 4000-6000mg/L，總氮500-1000mg/L，不經處理直接排入附近的水環境造成嚴重的污染，造成死魚等事故。
　　在番禺市環保局的邀請下，我們幫助該養豬廠設計和指導建造了養豬廢水處理與利用生態塘系統，其處理流程如下：原生污水→格柵→沉淀池→調節池→高效厭氧塘→厭氧轉化塘→藻菌共生塘→養魚塘。
　　投產運行后效果非常好，各個單元塘的功效明顯，高效厭氧塘去除COD高達85%以上，BOD₅ 90%以上，厭氧轉化塘其去除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化合物轉化為易降解的有機化合物，而使BOD₅/COD的比值有所提高。
　　其出水進入其后的藻菌共生塘中，通過細菌的氧化降解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。
　　出水進入養魚塘中，藻類作為魚的鉺料而被魚食用并完成凈化過程，在其中COD和BOD₅分別達到40%和50%的去除率，而氨氮，總氮分別達到90%和80%的去除率，總磷和磷酸鹽達到75%和90%的去除率。
　　同時，魚塘中放養的魚放養一年，就從0.1-0.2kg的魚苗成為1.2-1.5kg的成魚，畝產魚達400kg。
　　4 膠州市城市污水處理與利用生態工程
　　膠州市城鎮污水由生活污水和工業廢水（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。該市嚴重缺水，污水經處理后需加以回收利用，主要是灌溉農田。
　　我們為該市設計了污水處理與利用生態工程，它由一級處理，塘處理與利用系統和土地處理與利用系統組成，其處理流程為：原水污水→格柵→沉砂池→斜板沉淀池→厭氧塘→多級兼性塘→最后凈化塘（放養魚、鴨）→農田灌溉→補充地下水。預處理＋塘系統的處理效果是：COD去除80%，BOD₅ 80-85%，TSS60-70，TN87%，TP 85-90%。
　　出水用于農田灌溉后（種植小麥和玉米）其收成增產15%，而其滲濾水水質很好，BOD₅和TSS≤3mg/L，COD≤20mg/L，TN≤5mg/L，NH₄-N≤2mg/L，TP≤0.01mg/L，達到或接近地表水的Ⅲ與Ⅳ級標準，可用于補充地下水。
　　5 東營市污水處理與利用生態工程
　　該市位于黃河三角洲，是新興的石油和鹽化工工業城市，是勝利油田所在地。該市嚴重缺水，水成為該市經濟發展的制約因素，因此污水處理必須與回收再用相結合，將污水作為一種再生的水資源來處理，將其作為輔助的水資源來開發利用。我們經過半年多的現場調研和考察，發現該市有大量的鹽堿荒廢土地可以用來建造污水處理與利用生態工程，再考慮到當地有水產養殖，種植荷藕，種植蘆葦、水稻、小麥、疏菜等的經驗，亦即只要有污水灌入塘中或灌溉農田，就能將土地中的鹽堿壓下去，將其變成良田，獲得水產和農產品的好收成。
　　我們通過對四處污水處理工程廠址的對比，最后選定了勝利油田原來的第七農場，建立東營污水處理與利用生態工程。該農場原來引黃河水進行水產養殖，種稻及其它農作物，已建有水庫、養魚塘、稻田、麥田等。近年來因黃河斷流天數劇增，如96、97年都超過200天，難以保證農業用水，致使該農場廢棄。但水庫、養魚塘、農田等都保存良好。將污水引入該農場，并將水庫改造成處理塘系統，用以處理污水，然后將凈化的污水依次進行養魚、種藕、種葦等多級綜合利用，不僅能收獲魚、藕、蘆葦等產品，而且污水又得到了進一步的凈化。我們設計的污水處理與利用生態工程的流程為：原生污水→格柵→沉砂池→復合式高效厭氧塘→曝氣塘→曝氣養魚塘→養魚塘→藕塘→葦塘→人工湖或水庫→農田灌溉。
　　其設計處理規模為10萬m³/d，在該系統中高效厭氧塘、曝氣塘和曝氣養魚塘為主要處理塘系統，其中復合式高效厭氧塘負責去除大部分（80%以上）有機污染物，難降解有機污染物和去除重金屬，同時使污泥進行厭氧消化和減容；曝氣塘是將厭氧塘出水中的中間產物以及剩余的BOD和COD進行強化的氧化降解，同時在同化過程中產生活性污泥凝絮，其出水進入其后的曝氣養魚塘后通過養魚將其捕食消耗，而不必進行剩余污泥的處理。
　　曝氣養魚塘出水，即使冬季也要達到排放標準；其出水在溫暖季節流入養魚塘，通過養殖適量的魚，在其中通過藻菌共生系統的作用，產生藻類及浮游動物，供魚作餌料，通過魚的捕食消耗而使污水得到進一步凈化；同時魚的排泄物也增加了污染，其出水進入藕塘，魚的糞便等排泄物沉入塘底作為底肥，使藕增長，同時使污水得到凈化。最后藕塘出水進入葦塘，蘆葦具有很強的和廣譜的凈化效果，其淹沒于水中的莖、葉、根是微生物附著生長的活載體，在其上形成生物膜，能對水中剩余的有機物進行有效的生物氧化降解；蘆葦的根、莖通過吸收能有效地去除重金屬和鹽類，因此其出水水質良好，出水TSS、BOD₅和COD分別達到5-10mg/L，5-10mg/L和20-30mg/L。

　　5. 結論

　　1、污水處理與利用生態工程，通常由預處理設施（格柵和沉砂池），處理塘系統，利用塘系統和農田灌溉系統組成。
　　2、預處理設施用以去除大塊污物和砂、煤、爐渣等無機雜粒，以防止后續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污染物，有毒、有害的難降解有機化合物和重金屬，以防止其進入食物鏈中污染魚和農作物。
　　4、養魚、種藕、種蘆葦，是常用和有效地多級綜合利用塘，同時污水也得到進一步的凈化。
　　5、利用塘出水進行農田灌溉，即可以使農田增產，又能使污水得到深度凈化。使其出水達到三級處理出水的水質，即可補充地下水，又可用作工業用水和生活雜用水和市政用水等。
　　6、污水處理與利用生態工程的基建投資約為相當規模的常規污水處理廠的1/3甚至1/2，而其運行費僅為后者的1/5-1/3。如果考慮綜合利用的收入，可能達到收支平衡，甚至有所盈余。