污水处理—高级组合塘系统

高级组合塘系统（advanced integrated pond system,AIPS）是由美国加州大学伯克莱分校土木与公共卫生学院的W.J.Oswald教授研发的，其最简单的形式由高效兼性塘（AFP)、高负荷藻塘（HRP)、藻沉淀塘（ASP）和熟化塘（MP）各一个串联组成的，如图11-10所示。

这种系统可以将污水处理到其出水水质达到甚至超过一些常规二级处理厂的出水水质。AIPS的经济性体现在以下几个方面：反应器使用土石结构的塘体，其造价较低，可以很经济地建筑巨大容积的反应器。如果高效兼性塘设计合理，就无须逐日排放污泥，甚至可以做到连续运行多年而不排泥，而且寄生虫卵（世界卫生组织最关心的事项）也被永久去除。AIPS中的四个塘单元之间的连接可通过合理的设计来消除塘内水流短路，这就会提高灭菌效果和减少化学消毒剂的使用量。如果用高负荷藻类作为该系统的第二单元，其中增殖的微型藻以低廉的费用产生大量的氧，其出水可循环回流至高效兼性塘中以控制臭味，同时促进重金属的沉淀，而且有助于消毒和氨氮的去除。在该塘中用桨板轮搅拌混合是很经济的，并且增加了可沉淀藻类的选择。通过提高pH值促进了藻类的沉淀。在桨板轮搅拌的表面上和高的pH值条件下，氨也会挥发逸出。

普通稳定塘（CSP）需占用大面积的土地，一般为1hm²(1hm²=10⁴m²）塘面接纳和处理500~1000人的污水量，而使用AIPS,1hm²的塘面积能处理2500~5000人的污水量，因此，在相同处理能力下，AIPS需要的土地比普通稳定塘小得多。所有的废水处理系统都需要出水的排放，但AIPS塘出水只需要较小的附加土地面积，因为它们把处理与排放合在一起。

在基建投资方面，AIPS的造价仅为相同处理能力且处理效果较差的常规处理系统的一半甚至1/3。这方面节省的费用比增加土地面积的费用或用较长出水排放管道的费用，或者两者之和都要大。另外，AIPS所使用的土地总有其使用价值，将来如果开发和使用比AIPS更有效的系统时，可立即以较小的费用来予以使用。

(1）高效兼性塘（advanced facultative pond,AFP)

AIPS中最重要的一项开发是在其高效兼性塘中采用的污泥发酵坑。如果这些坑有足够的深度并筑起适当的高围墙，就会阻挡风力或挟带溶解氧的水流的侵入。未沉淀的原生污水直接进入这些坑中便会发生沉淀和复杂的厌氧降解反应而导致甲烷发酵，于是进水中有70％以上的BOD可能在这些坑中被除去。在这些坑的四周和上部是普通兼性塘，其表面因藻类增殖而为好氧区。这层产氧表层会使厌氧坑中可能产生的讨厌臭气的逸出减少到最低限度。

发酵坑的另一个功能是它能促进可沉淀固体的沉淀并予以容纳。在坑处于厌氧状态时，污水中悬浮颗粒的表面聚集了产酸菌和产甲烷菌群落，当在其表面上释出气体时，该固体颗粒可能因附着了气泡而上浮。如果这些颗粒上浮到足够的高度（3~4m)，气泡在上升中因减压而不断膨胀，在到达好氧区之前便破裂而不再附着在颗粒上，于是这些挟带厌氧菌的颗粒重新沉降而与缓慢上升的进水逆向接触。这样，全部污水流量以这种方式通过强化的厌氧反应器，其中不溶的和溶解的有机物被吸附并转化为CO2、水、甲烷、氢气和氨气。虽然在这些深的厌氧坑中其降解作用非常近似于上向流厌氧污泥床反应器（UASB)，但是不需要排出污泥，也不会发生污泥堵塞问题，而UASB反应器在运行疏忽时，易被塑料袋和压实的污泥堵塞或发生水流的短路，因而需要频繁地排出污泥和进行其他维护。因此，在高效兼性塘中，UASB反应器主要优点都得以实现，而缺点很少，且费用低廉。

在高效兼性塘中厌氧发酵坑的上向流速度一般取2~3m/d，这一速度被认为小于大多数寄生虫卵的沉降速度，因此它们不可能转移到该系统的第二、第三个塘或出水中。

(2）高负荷藻塘

高负荷藻塘的第二级塘一般是HRP Chigh rate pond)。设计良好的 HRP将产生大量剩余的藻类和溶解氧，它还将提高水的pH值，并且一般能进行高度的二级处理。HRP必须保持较大面积的土地平坦，在有坡度的地方，应将其沿其他塘的周边修筑以使其底面平整，由此形成了一个单独的水面，无臭味和无难看的漂浮物，并且在其服务的居民区与第一级高效兼性塘之间形成一个隔离缓冲带。如果选用HRP，其水流需要用桨板轮缓慢而连续地搅拌混合并使其流动，其最佳流速约为15cm/s，这只需要较小的能量，并且使藻类保持悬浮状态而不使细菌固体处于悬浮状态，宜于将细菌絮体保持接近于塘的底部，这是因为降解BOD物质和产生CO2供藻类光合用所需的细菌，其增殖在HRP的表层会受到高pH值的抑制。

线性混合有助于抗捕食的藻种处于再悬浮和再增殖状态，从而可防止塘中的藻类被捕食生物破坏。因此，虽然一些新塘可能遇到捕食生物的麻烦，但是熟化的高负荷塘很少有严重的捕食问题。

桨板轮是HRP中最适宜的水流混合装置。用桨板轮进行水流混合，每天1hm²水面只需10kW.h的能耗。搅拌混合后，悬浮的藻类在HRP中每公顷水面上每天产生O2100~200kg.而桨板轮的单位能耗，即藻类生产 1kgO2仅为1/20~1/10kW.h。在常规处理系统中机械曝气充氧每传输1kgO2需耗电能0.5~1kW·h，它们的不同之处是藻类充当机械，而太阳能供光合产氧。经过长期运行后，仅电能的节省将比对HRP的附加费用还要多。

(3）藻沉淀塘

HRP的出水从其表面流入藻类沉淀塘（algae setting pond,ASP）中，可将水温最高和pH值最高的水，即病原菌最少的水流入藻类沉淀塘或溶气上浮分离器（DAF）中。

在高负荷藻类塘中连续搅拌运行数月之后，一些依靠搅拌才能保持悬浮的藻的种属被培育出来。一旦离开搅拌的环境，它们便迅速沉淀并沥析出清的上清液。在温暖的气候下，这种上清液含最大或细菌数（MPN）应小于1000/mL。根据世界卫生组织（WHO)基准，当生活污水净化到含细菌MPN为1000/mL或更少的出水时，即符合灌溉非生食作物的标准。

在藻类沉淀塘底部收集的藻类可用泵抽出，并用作液态浓缩肥料，也可让其朵在沉淀塘底部数年之久。如果设置两个沉淀塘，最好其中一个能定期地使藻类脱水，干燥的藻作为可储存和可运输的肥料。另外，在合适的情况下，可使用聚合物和溶气上浮装置对藻类进行浓缩。

浓缩的藻类污泥将不含任何寄生虫卵，且富含氮、磷、钾，用作高等植物的肥料比消化污泥更有优势。实际上，因为它们含营养物过于丰富，以至于只能有控制地适量使用。溶气上浮装置的出水，其藻类固体含量往往很低，藻类沉淀塘的出水应从水面下适当的深度处排出，以使沉淀或上浮的藻类不会被出水挟出而进入熟化塘中。

(4）高效熟化塘

高效熟化塘（advanced maturation ponds,AMP）的主要任务是对进水在停留期间内进行进一步的灭菌处理，以便安全排放。几乎所有的灌溉系统都需要对净化回收水进行储存以控制其应用的时间。在这种情况下，AMP有双重任务和作用：一是进一步灭菌，二是对回用水进行储存。一般AMP的容积越大，停留时间越长，水质将会越好，而且可以在其中放养可供食用的鱼和无脊椎动物。到AIPS流程的这一点，污水内原来存在的微生物和有机污染物几乎全部被去除、减少或氧化。如果原初废水硬度高（即钙、镁含量高），由于这些离子在塘中发生部分沉淀而有所软化，所以净化后的废水虽然呈微绿色和含钠量较高，但将易于渗滤于地下水中，微生物的污染来自野生水禽，因为它们往往更喜欢到AIPS中而不到沼泽地或其他湿地中去。