生態(tài)塘組合工藝在天津?yàn)I海新區(qū)城市污水處理中的應(yīng)用策略
摘 要：水資源短缺已成為制約經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的瓶頸，針對天津?yàn)I海新區(qū)的水資源狀況，提出城市污水回用是解決水資源短缺的有效途徑。在此基礎(chǔ)上，分析了濱海新區(qū)的污水排放現(xiàn)狀、城市再生水的利用情況以及傳統(tǒng)污水處理廠存在建造費(fèi)用高、污水回用率低，環(huán)境污染等問題。依據(jù)濱海新區(qū)有利的地理氣候環(huán)境，提出了構(gòu)建生態(tài)塘組合工藝處理城市污水的建議，詳細(xì)闡述了其工藝流程和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，指出生態(tài)塘組合工藝處理城市污水技術(shù)在濱海新區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：天津?yàn)I海新區(qū)；水資源}生態(tài)塘組合工藝；污水處理
1天津?yàn)I海新區(qū)水資源狀況
天津?yàn)I海新區(qū)位于華北平原海河流域下游，天津市東部，瀕I臨渤海，是海河流域五大支流匯合處和入？，可謂“九河下梢”，“海河之要沖”，其水系發(fā)達(dá)，河網(wǎng)密布，水域面積大．但是，隨著海河流域的需求增加、濱海新區(qū)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人口的增加，濱海新區(qū)的水資源并不豐富；再加上其特殊的氣候特征，春季干旱少雨，冬季少雪，幾場大雨僅出現(xiàn)在汛期7，8月份，有時(shí)甚至出現(xiàn)連年枯雨的年份，導(dǎo)致入境水量減少，部分河道千涸、斷流，水庫面積縮小，蓄水量下降翻。據(jù)統(tǒng)計(jì)，天津市人均水資源占有量為160 m3，為全國人均占有量的1／15，如果加上引灤水和入境水，人均水資源占有量可達(dá)370 m3，僅為全國占有量的1／6；而天津?yàn)I海新區(qū)的水資源人均占有量則更少，新區(qū)內(nèi)60％的水都需要外部供給。屬于嚴(yán)重的水危機(jī)地區(qū)，水資源已經(jīng)成為制約天津?yàn)I海新區(qū)社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。
天津?yàn)I海新區(qū)不僅存在嚴(yán)重的資源性缺水問題，水質(zhì)污染的現(xiàn)象也同時(shí)存在。區(qū)內(nèi)重點(diǎn)水污染源是企業(yè)排放大量污水，由于污水集中處理水平低，導(dǎo)致河湖水系水環(huán)境容量和自凈能力下降；此外，由于過量開采地下水。還引起了地面沉降、海水入侵等環(huán)境問題，濱海新區(qū)未來的快速發(fā)展，也必將增加對水資源的需求，水資源供需矛盾將進(jìn)一步突出。面對這樣的嚴(yán)峻形勢，在加強(qiáng)水資源保護(hù)的同時(shí)，必須加快促進(jìn)城市污水的資源化。
2城市污水回用是解決濱海新區(qū)水資源危機(jī)的有效途徑
2．1天津?yàn)I海新區(qū)污水排放與再生利用狀況
2．1．1 污水排放情況
2007年，濱海新區(qū)污水排放總量為16736.53萬m3，生活污水排放總量為5712.85萬m3。占全市生活污水排放總量的16．1％，COD排放占全市的21．5％，氨氮排放占全市的30．2％。污水排放量最多的是塘沽、大港和漢沽，其污水、COD和NH3一N排放量之和分別占濱海新區(qū)的79．9％，82．8％和86．9％。濱海新區(qū)工業(yè)廢水及城鎮(zhèn)生活污水、污染物的排放情況見表1。
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2．1．2 污水處理及再生利用狀況
濱海新區(qū)污水處理設(shè)施主要由3部分組成：首先是城市污水處理廠，負(fù)責(zé)集中處理城市生活污水和工業(yè)廢水；其次是工業(yè)企業(yè)內(nèi)部污水處理設(shè)施，負(fù)責(zé)廠區(qū)內(nèi)部工業(yè)廢水處理；另外一些住宅小區(qū)、機(jī)關(guān)、賓館污水處理設(shè)施，處理內(nèi)部生活污水并回用。城市生活污水集中處理率約為60N，污水處理廠污水處理情況見表2。
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預(yù)計(jì)到“十一五”末期。濱海新區(qū)城市污水排放量將達(dá)到140萬m3／d。目前，濱海新區(qū)正在加大污水處理廠的建設(shè)，城市污水處理率將進(jìn)一步提高。但是，按照目前的設(shè)計(jì)污水回用率仍很低，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007年全天津市污水處理廠再生水利用量為857萬m3，污水再生利用率僅為2．22％，這距國家2008年再生水利用率20％相差甚遠(yuǎn)。
2．2存在的問題
天津?yàn)I海新區(qū)正在加緊建設(shè)污水處理廠，預(yù)計(jì)到“十一五”末期濱海新區(qū)的污水處理廠將達(dá)到15座。隨著污水處理廠數(shù)量的增加和規(guī)模的擴(kuò)大，一系列問題將會逐漸凸顯出來。
2．2．1建造成本高
存在自身污染城市污水處理廠建設(shè)成本高，正在建設(shè)中的經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)第二污水處理廠為例，其處理規(guī)模為5萬ｍ3／d，共投資了1．2億元。如此巨大的投資成本，如果政府投入不足，污水處理廠很難正常運(yùn)行。
盡管污水處理廠在處理城市污水、節(jié)約水資源、提高人民生活質(zhì)量方面發(fā)揮了巨大作用，但是，在污水處理過程中也會產(chǎn)生一些附帶品，如惡臭、污泥、噪聲等u11，如果不加以處理，可能造成城市環(huán)境的二次污染，影響居民的正常生活。
2．2．2 中水回用率低
目前，濱海新區(qū)中水管網(wǎng)建設(shè)相對滯后，再加上新區(qū)市民水資源危機(jī)的意識淡薄，對再生水和中水的認(rèn)識不足，多數(shù)情況下污水處理廠處理后的中水直接排人大沽排污河或渤海。
針對以上問題，有諸多解決方法，但是，綜合考慮各個(gè)方面，值得探討的解決方案是采用以水生植物為核心的生態(tài)塘組合凈化工藝，該工藝運(yùn)行費(fèi)用低，維護(hù)管理簡單方便，而且還能保護(hù)、美化環(huán)境。
3生態(tài)塘組合工藝的構(gòu)建
3．1生態(tài)塘在國內(nèi)外的應(yīng)用
生態(tài)塘是在傳統(tǒng)穩(wěn)定塘的基礎(chǔ)上克服其缺點(diǎn)而發(fā)展起來的，它以太陽能為初始能源，通過在塘中種植水生作物進(jìn)行水產(chǎn)和水禽養(yǎng)殖，形成人工生態(tài)系統(tǒng)。在太陽能的推動下，通過生態(tài)塘中多條食物鏈的物質(zhì)遷移、轉(zhuǎn)化和能量的逐級傳遞、轉(zhuǎn)化，將進(jìn)入塘中的有機(jī)物和營養(yǎng)物降解和轉(zhuǎn)化。塘處理系統(tǒng)已在許多國家包括一些發(fā)達(dá)國家廣泛應(yīng)用，世界第一個(gè)有記錄的穩(wěn)定塘系統(tǒng)修建于美國德克薩斯州的圣安東尼奧市，到目前為止，美國已建成120 000座各種類型的塘系統(tǒng)，占污水處理總量的25％；法國有2 000多座；在前蘇聯(lián)，穩(wěn)定塘已成為小城鎮(zhèn)污水處理的主要方法。我國從20世紀(jì)80年代也開始利用塘處理系統(tǒng)來控制水源污染，特別是在農(nóng)村和郊區(qū)應(yīng)用頗多，比較成功的有山東東營、山東膠州、廣東番禺市等。
3．2天津?yàn)I海新區(qū)建立生態(tài)塘組合工藝的有利條件
生態(tài)塘組合工藝是在生態(tài)塘的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它延續(xù)了生態(tài)塘的優(yōu)點(diǎn)，且進(jìn)一步強(qiáng)化了水生植物在其中的關(guān)鍵作用。在天津?yàn)I海新區(qū)建立以水生植物為核心的生態(tài)塘組合凈化工藝有諸多有利條件。
3．2．1 可供利用的鹽堿荒地
生態(tài)塘組合凈化工藝唯一的缺點(diǎn)就是占地面積大。而天津?yàn)I海新區(qū)有大面積的鹽堿荒地。據(jù)統(tǒng)計(jì)，天津?yàn)I海新區(qū)有待開發(fā)的荒地、灘涂有1 214 km2，這成為生態(tài)塘組合凈化工藝工程建設(shè)中的有利因素，而這一工程的建成還能將荒地變?yōu)榱继，如可建立水產(chǎn)養(yǎng)殖場、蘆葦塘等。其次，組合生態(tài)塘工程施工簡單，基建費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用約為傳統(tǒng)工藝的1／10～1／5，回收的水生作物和水產(chǎn)資源獲得的利潤使得處理成本進(jìn)一步降低。
3．2．2 氣候條件適宜
天津?yàn)I海新區(qū)屬于溫帶季風(fēng)氣候。年平均氣溫11．4～12．9℃，日照充足，全年日照2 500～2 900 h。
這比東北地區(qū)如黑龍江的年平均氣溫高，而生長期內(nèi)又比南方一些城市如廣州等地的日照時(shí)間長，這就為以太陽能為初始能源的組合生態(tài)塘提供了必要的保證。此外，濱海新區(qū)季風(fēng)盛行，風(fēng)速較大，年平均風(fēng)速2～4 m／s，風(fēng)能也將成為該系統(tǒng)的重要輔助能源之一，如設(shè)計(jì)得恰當(dāng)，可使人工塘能接受較多的風(fēng)能，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的自然曝氣充氧，從而節(jié)省電能。
3．2．3 美化環(huán)境
資源利用最大化在生態(tài)塘中按照季節(jié)合理種植水生植物，使之能夠四季交替，多種類型互相搭配，形成花圃的氛圍，具有良好的景觀效果，消除了傳統(tǒng)污水處理廠的自身污染問題。在處理后的污水中種植水生經(jīng)濟(jì)作物或進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖，將其用于農(nóng)田灌溉或引入人工湖中用作景觀用水的水源，由此形成的生態(tài)塘組合系統(tǒng)，不僅是有效的污水處理設(shè)施，還將成為現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)和游覽勝地。這也恰好符合濱海新區(qū)目前正在建設(shè)環(huán)境優(yōu)美的宜居生態(tài)型新城區(qū)的理念。
3．3 生態(tài)塘組合工藝流程設(shè)計(jì)
生態(tài)塘組合工藝采用“前處理+水生植物塘+養(yǎng)魚塘”的設(shè)計(jì)思路．前處理采用格柵+水解池+曝氣池的處理方式，從而減輕后續(xù)處理單元的負(fù)荷力，保證后續(xù)處理單元對進(jìn)水水質(zhì)的要求；水生植物塘選用蘆葦塘、挺水植物塘、沉水植物塘，在水生植物塘中選用一些本地植物進(jìn)行搭配種植，使污水得到進(jìn)一步凈化；養(yǎng)魚塘既是污水的凈化單元，又是污水利用單元，在深層凈化污水的同時(shí)獲得水產(chǎn)養(yǎng)殖品。
為了提高生態(tài)組合工藝的凈化效率，根據(jù)污水性質(zhì)及處理目標(biāo)，對處理單元進(jìn)行優(yōu)化組合，其工藝流程如圖1所示。
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3．4生態(tài)塘組合工藝各環(huán)節(jié)的功能
3．4．1 格柵
格柵主要去除污水中的漂浮物和一些大顆粒懸浮物，防止管道堵塞。
3．4．2水解池和曝氣池
水解池采用地埋式處理，在曝氣池的底部。水解池的設(shè)置可以使難溶解的有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)橐捉到獾挠袡C(jī)物，提高后續(xù)單元的處理效率；曝氣池采用人工曝氣供氧方式，所供的氧氣用來提高水體中的溶氧量，改善水體透明度，消除污水散發(fā)的惡臭等異味。
3．4．3水生植物塘
水生植物塘包括蘆葦塘+挺水植物塘+沉水植物塘。水生植物塘在生態(tài)塘組合處理系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的核心作用。它的光合作用使系統(tǒng)直接利用太陽能，同時(shí)又為各種生物提供適宜的棲息環(huán)境。使多樣化的生命形式在系統(tǒng)中的生存成為可能，植物同這些生物(各種細(xì)菌和微生物)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，通過吸附沉淀過濾、代謝吸收、硝化反硝化等綜合作用使污染物得以降解。
水生植物的優(yōu)化配置對于提高污水處理效率有重要意義。植物選種應(yīng)根據(jù)濱海新區(qū)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，土壤環(huán)境及污水含鹽量高的特點(diǎn)，優(yōu)先選擇本土物種并考慮是否耐鹽耐寒，合理配置使其具有最佳的凈化效果。天津?yàn)I海新區(qū)常見水生植物見表3。
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蘆葦塘選取天津?yàn)I海新區(qū)常見水生植物蘆葦組成，它作為城市廢水的一級處理。蘆葦去污耐污能力強(qiáng)，其根、莖、葉是生物膜附著的活載體。當(dāng)污水流經(jīng)稠密分布的蘆葦塘?xí)r能與其根、莖、葉上的生物膜進(jìn)行充分的接觸并發(fā)生有機(jī)物的生物降解和同化，有效去除水體中各種污染物。蘆葦塘中還生長著相當(dāng)數(shù)量的后生動物，它們在生長和繁殖過程中不斷地?cái)z取水體中的細(xì)菌、藻類、小的原生動物和有機(jī)顆粒，使水體中細(xì)菌、藻類含量大幅度降低。蘆葦回收后還可用來造紙、編織等，產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
挺水植物塘是城市廢水的二級處理，以天津?yàn)I海新區(qū)的土著植物美人蕉和水蔥為主，組合種植香蒲和千屈菜，這幾種植物的凈化能力強(qiáng)且相對較耐寒耐鹽。通過植物的相互搭配種植，在提高凈化率和凈化速率的同時(shí)，還能達(dá)到凈化水質(zhì)和美化環(huán)境的雙重目的。
沉水植物塘是城市污水的最后一個(gè)處理單元，以金魚藻、黑藻和菹草等沉水植物為主，少量種植抗寒性較強(qiáng)的浮水植物浮萍和欣賞價(jià)值較高的睡蓮。沉水植物塘的作用是吸收利用三級處理后殘留在水中的魚類排泄物，對污水進(jìn)一步修飾凈化，穩(wěn)定出水。
3．4．4養(yǎng)魚塘
養(yǎng)魚塘設(shè)在挺水植物塘和沉水植物塘之間，作為城市污水的三級處理，可以和挺水植物塘串聯(lián)連接或者二者合并為一。魚塘中存在菌藻共生系統(tǒng)，細(xì)菌可以將二級凈化后殘留在水中的有機(jī)質(zhì)進(jìn)一步分解轉(zhuǎn)化，藻類通過光合作用產(chǎn)生氧氣可供細(xì)菌和魚類生存，同時(shí)魚類又以藻類為飼料，從而有效地控制藻類的過度繁殖u川。
4結(jié)語
生態(tài)塘組合工藝主要是依靠系統(tǒng)中整個(gè)生物群體的作用進(jìn)行污染物的降解，而生物群體受外界非生物因素的影響較大，如光照、氣溫、季節(jié)等，因此必須采用科學(xué)系統(tǒng)的方法，對濱海新區(qū)的非生物因素進(jìn)行分析，研究不同因素下的優(yōu)勢生物，并根據(jù)其污水水質(zhì)和水量特點(diǎn)，進(jìn)行試驗(yàn)，分析生態(tài)塘的去污規(guī)律，優(yōu)化生態(tài)塘的設(shè)計(jì)參數(shù)，從而配置高效穩(wěn)定的污水處理系統(tǒng)。
“前處理+水生植物塘+養(yǎng)魚塘”的生態(tài)塘組合工藝，其工程構(gòu)造簡單，處理效果穩(wěn)定，運(yùn)營費(fèi)用只有傳統(tǒng)生化污水處理廠的1％，而且此生態(tài)組合塘還可以收獲水生作物，獲取一定的額外利潤，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。此外，水生植物塘中具有良好景觀效果的美人蕉、千屈菜和睡蓮等植物，相互搭配形成花圃的氛圍，這樣在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，也改善了周圍居民的生活環(huán)境，產(chǎn)生了良好的環(huán)境效益和社會效益，實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧統(tǒng)一，符合濱海新區(qū)建設(shè)生態(tài)型宜居新城區(qū)的思想理念。因此，生態(tài)塘組合工藝處理城市污水在濱海新區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景。
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