自然处理法在应用微生物学原理与技术中的意义

污水的稳定塘和土地处理技术具有处理成本低、运行管理方便，可同时有效去除BOD（biochemical oxygendenand，生化需氧量）、病原菌、重金属、有毒有机物及氮、磷营养物质的特点。 该技术在面源污染和村镇污水的治理方面具有一定的优越性。

1)稳定塘

稳定塘（stabilization pond）又称氧化塘（oxidation pond），是一种天然的或经人工构筑的污水净化系统。 污水在塘内经较长时间的停留、贮存，通过微生物（细菌、真菌、藻类、原生动物等）的代谢活动，以及相伴随的物理的、化学的、物理化学的过程，使污水中的有机污染物、营养素和其他污染物质进行多级转换、降解和去除，从而实现污水的无害化、资源化与再利用。

稳定塘既可作为二级生物处理，相当于传统的生物处理，也可作为二级生物处理出水的“精制”或“深度”处理工艺技术。 实践证明，设计合理、运行正常的稳定塘系统，其出水水质常常相当甚至优于二级生物处理的出水。 当然，在不理想的气候条件下，出水水质也会比生物法的出水差。 不同类型、不同功能的稳定塘，可以串联起来分别作预处理或后处理用。

生物稳定塘的主要优点是处理成本低，操作管理容易。 此外，生物稳定塘不仅能取得良好的BOD 去除效果，还可以有效地去除氮、磷营养物质及病原菌、重金属、有毒有机物。 它的主要缺点是占地面积大，处理效果受环境条件影响大，处理效率相对较低，可能产生臭味滋生蚊蝇，不宜建设在居住区附近。

稳定塘的主要生物有细菌、藻类、原生动物和微型后生动物、水生植物以及其他水生动物。分解有机污染物的异养细菌在该系统中具有关键作用，藻类在光合作用中放出氧气，改善了水中的溶解氧条件，使得其他生物能够进行正常的生命活动，而其他水生植物和水生动物的生命活动从不同途径强化了系统的净化功能。

稳定塘按塘水中微生物优势群体类型和塘水的溶解氧状况，可分为好氧塘、兼性塘、厌氧塘和曝气塘。 按用途又可分为深度处理塘、强化塘、贮存塘和综合生物塘等。 上述不同性质的塘组合成的塘称为复合稳定塘。 此外，还可以用排放间歇或连续、污水进塘前的处理程度或塘的排放方式（如果用到多个塘的时候）来进行划分。

（1）好氧塘

好氧塘（aerobic pond）是一类在有氧状态下净化污水的稳定塘，它完全依靠藻类光合作用和塘表面风力搅动自然复氧供氧。 通常好氧塘都是一些很浅的池塘，塘深一般为15 ～50 cm，至多不大于1 m，污水停留时间一般为2 ～6 天。 好氧塘一般适于处理BOD5 小于100 mg/L 的污水，多用于处理其他处理方法的出水，其出水溶解性BOD5 低而藻类固体含量高，因而往往需要补充除藻处理过程。 好氧塘按有机负荷的高低，又可分为高负荷好氧塘、普通好氧塘和深度处理好氧塘。

好氧塘内存在细菌、藻类和原生动物的共生系统。 有阳光照射时，塘内的藻类进行光合作用，释放氧，同时，由于风力的搅动，塘表面还存在自然复氧，二者使塘水呈好氧状态。 塘内的好氧型异养细菌利用水中的氧，通过好氧代谢氧化分解有机污染物并合成本身的细胞质（细胞增殖），其代谢产物CO2 则是藻类光合作用的碳源。 藻类吸收光能，从CO2、H2O、无机盐合成其细胞质（大多数藻类需要CO2 形式的无机碳）。

藻类光合作用使塘水的溶解氧和pH 值呈昼夜变化。 白昼，藻类光合作用释放的氧超过细菌降解有机物的需氧量，此时塘水的溶解氧浓度很高，可达到饱和状态，塘水的pH 值升高。夜间，藻类停止光合作用，且由于生物呼吸消耗氧，水中的溶解氧浓度下降，pH 值下降，凌晨时达到最低。 阳光再照射后，溶解氧再逐渐上升。

好氧塘内的生物种群主要有细菌、藻类、原生动物、后生动物、水蚤等。 细菌主要生存在水深0.5 m 的上层，浓度为1 ×108 ～5 ×109 个/mL，主要种属与活性污泥和生物膜相同。 好氧塘的细菌绝大部分属兼性异养菌，这类细菌以有机物（如碳水体合物、有机酸等）作为碳源，并以这些物质分解过程中产生的能量维持其生理活动，其营养氮源为含氮化合物。 细菌对有机污染物的降解起主要作用。

藻类在好氧塘中起重要作用，它可以进行光合作用，是塘水中溶解氧的主要提供者。 藻类主要有绿藻、蓝绿藻两种，有时也会出现褐藻，但它一般不能成为优势藻类。 藻类的种类和数量与塘的负荷有关，反映塘的运行状况和处理效果。 若塘水营养物质浓度过高，会引起藻类异常繁殖，产生藻类水华，此时藻类聚结形成蓝绿色絮状体和胶团状体，使塘水浑浊。

原生动物和后生动物的种属数与个体数，均比活性污泥法和生物膜法少。 水蚤捕食藻类和细菌，本身就是好的鱼饵，但过分增殖会影响塘内细菌和藻类的数量。

（2）兼性塘

兼性塘（facultative pond）是指在上层有氧、下层无氧的条件下净化污水的稳定塘，是最常用的塘型。 其塘深通常为1.0 ～2.0 m。 兼性塘上部有一个好氧层，下部是厌氧层，中层是兼性区。 污泥在底部进行消化，常用水力停留时间为5 ～30 天。 兼性塘运行效果主要取决于藻类光合作用产氧量和塘表面的复氧情况。

兼性塘常被用于处理小城镇的原污水，以及中小城市污水处理厂一级沉淀处理后出水或二级生物处理后出水。 处理工业废水时，可接在曝气塘或厌氧塘之后作为二级处理塘使用。兼性塘的运行管理极为方便，较长的污水力停留时间使它能经受污水水量、水质的较大波动而不致严重影响出水质量。 此外，为了使BOD 面积负荷保持在适宜的范围之内，兼性塘需要的土地面积很大。

兼性塘的好氧区对有机污染物的净化机制与好氧塘基本相同。 在好氧区进行的各项反应与存活的生物相也基本与好氧塘相同。 但由于污水的停留时间长，有可能生长繁殖多种种属的微生物，如硝化菌等，由此也会进行较为复杂的反应，如硝化反应等。

兼性区的塘水溶解氧较低，且时有时无。 这里的微生物是异养型兼性细菌，它们既能利用水中的溶解氧氧化分解有机污染物，也能在无分子氧的条件下，以NO 3- 、CO23 -作为电子受体进行无氧代谢。

厌氧区没有溶解氧。 可沉物质和死亡的藻类、菌类在此形成污泥层，污泥层中的有机质由厌氧微生物对其进行厌氧分解。 与一般的厌氧发酵反应相同，其厌氧分解包括酸发酵和甲烷发酵两个过程。 发酵过程中未被甲烷化的中间产物（如脂肪酸、醛、醇等）进入塘的上、中层，由好氧菌和兼性菌继续进行降解。 CO2、NH3 等代谢产物进入好氧层，部分逸出水面，部分参与藻类的光合作用。

由于兼性塘的净化机制比较复杂，因此兼性塘去除污染物的范围比好氧处理系统广泛，它不仅可去除一般的有机污染物，还可有效去除磷、氮等营养物质和某些难降解的有机污染物，如木质素、有机氯农药、合成洗涤剂、硝基芳烃等。 它不仅用于处理城市污水，还被用于处理石油化工、有机化工、印染、造纸等工业废水。

兼性塘中的生物种群与好氧塘基本相同，但由于其存在兼性区和厌氧区，产酸菌和厌氧菌得以生长。 在缺氧条件下，属兼性异养菌的产酸菌可将有机物分解为乙酸、丙酸、丁酸等有机酸和醇类。 产酸菌对温度及pH 值的适应性较强，常存在于兼性塘的较深处。 厌氧菌常见于兼性塘污泥区，产甲烷菌即是其中之一，它将有机酸转化为甲烷和CO2，但甲烷水溶性差，将很快逸出水面，达到塘内有机物降解的目的，且污泥在此过程中也可以减量。 在厌氧塘内常见的还有厌氧的脱硫弧菌，它能使硫酸盐还原成硫化氢。

（3）厌氧塘

厌氧塘（anaerobic pond）是一类在无氧状态下净化污水的稳定塘，其有机负荷高，以厌氧反应为主。 当稳定塘中有机物的需氧量超过光合作用的产氧量和塘面复氧量时，该塘即处于厌氧条件，厌氧菌大量生长并消耗有机物。 专性厌氧菌在有氧环境中不能生存，因而厌氧塘常是一些表面积较小、深度较大的塘。(www.xing528.com)

厌氧塘最初被作为预处理设施使用，并且特别适用于处理高温高浓度的污水，在处理城镇污水方面也已取得了成功。 这类塘的塘深通常是2.5 ～5 m，停留时间为20 ～50 天。 主要的反应是酸化和甲烷发酵。 当厌氧塘作为预处理工艺使用时，其优点是可以大大减少随后的兼性塘、好氧塘的容积，消除了兼性塘夏季运行时经常出现的漂浮污泥层问题，并使随后的处理塘中不致形成大量导致塘最终淤积的污泥层。

（4）曝气塘

通过人工曝气设备向塘中污水供氧的稳定塘称为曝气塘（aerated pond），乃是人工强化与自然净化相结合的一种形式，适用于土地面积有限、不足以建成完全自然净化的塘系统。 曝气塘BOD5的去除率为50% ～90%。 但由于塘水中常含大量活性和惰性微生物体，因而曝气塘出水不宜直接排放，一般需接其他类型的塘或生物固体沉淀分离设施进行进一步处理。

2)污水的土地处理系统

污水土地处理系统，是指利用农田、林地等土壤—微生物—植物构成的陆地生态系统对污染物进行净化处理的生态工程。 它能在处理城镇污水及工业废水的同时，通过营养物质和水分的生物地球化学循环，促进绿色植物生长，实现污水的资源化与无害化。

污水土地处理系统具有明显的优点:促进污水中植物营养素的循环，污水中的有用物质通过作物的生长获得再利用；可利用废劣土地、坑塘洼地处理污水，基建投资省；使用机电设备少，运行管理简便低廉，节省能源；绿化大地，增添风景美色，改善地区小气候，促进生态环境的良性循环；污泥能得到充分利用，二次污染小。

污水土地处理系统如果设计不当或管理不善，也会造成许多不良后果，如污染土壤和地下水，特别是造成重金属污染、有机毒物污染等；导致农产品质量下降；散发臭味、蚊蝇滋生，危害人体健康等。

结构良好的表层土壤中存在土壤—水—空气三相体系。 在这个体系中，土壤胶体和土壤微生物是土壤能够容纳、缓冲和分解多种污染物的关键因素。 污水土地处理系统的净化过程包括物理过滤、物理吸附与沉积、物理化学吸附、化学反应与沉淀、微生物代谢与有机物的生物降解等过程，是一个十分复杂的净化过程。

根据处理目标和处理对象的不同，土地生态处理系统可分为慢速渗滤系统、快速渗滤系统、地表漫流系统、地下渗滤系统等几种。

（1）慢速渗滤系统

慢速渗滤系统（slow rate infiltration system，SR 系统）是将污水投配到种有作物的土壤表面，污水中的污染物在流经地表土壤植物系统时，得到充分净化的一种土地处理工艺系统。 在慢速渗滤系统中，投配的污水部分被作物吸收，部分渗入地下，部分蒸发散失，流出处理场地的水量一般为零。 污水的投配方式可采用畦灌、沟灌及可升降的或可移动的喷灌系统。

慢速渗滤系统适用于处理村镇生活污水和季节性排放的有机工业废水，通过收割系统种植的经济作物，可以取得一定的经济收入。 由于投配污水的负荷低，污水通过土壤的渗滤速度慢，水质净化效果非常好，但由于其表面种植作物，慢速渗滤系统污水对植物营养需求的影响很大，另外因为水力负荷小，土地面积需求量大。

（2）快速渗滤系统

快速渗滤系统（rapid rate infiltration system，RI 系统）是将污水有控制地投配到具有良好渗滤性能的土壤如砂土、沙壤土表面，进行污水净化处理的高效土地处理工艺，其作用机制与间歇运行的生物砂滤池相似。 投配到系统中的污水快速下渗，部分蒸发，部分渗入地下。 快速渗滤系统通常淹水、干化交替运行，以使渗滤池处于厌氧和好氧交替运行状态，通过土壤及不同种群微生物对污水中组分的阻截、吸附及生物分解作用等，使污水中的有机物、氮、磷等物质得以去除。 其水力负荷和有机负荷较其他类型的土地处理系统高得多。 其处理出水可用于回用或回灌以补充地下水，但其对水文地质条件的要求较其他土地处理系统更为严格，场地和土壤条件决定了快速渗滤系统的适用性，而且它对总氮的去除率不高，处理出水中的硝态氮可能导致地下水污染。 但其投资省，管理方便，土地面积需求量少，可常年运行。

（3）地表漫流系统

地表漫流系统（overland flow system，OF 系统）是将污水有控制地投配到坡度和缓均匀、土壤渗透性低的坡面上，使污水在地表以薄层沿坡面缓慢流动过程中，得到净化的土地处理工艺系统。 坡面通常种植青草，防止土壤被冲刷流失和供微生物栖息。

地表漫流系统，对污水预处理程度要求低，出水以地表径流收集为主，对地下水影响最小。在处理过程中，只有少部分水量因蒸发和入渗地下而损失掉，大部分径流水汇入集水沟。

地表漫流系统，适用于处理分散居住地区的生活污水和季节性排放的有机工业废水。 它对污水预处理程度要求低，处理出水可达到二级或高于二级处理的出水水质，投资省，管理简单。 地表可种植经济作物，处理出水也可用于回用，但该系统受气候、作物需水量、地表坡度的影响大，气温降至冰点和雨季期间，其应用受到限制，通常还需要考虑出水在排入水体以前的消毒问题。

（4）地下渗滤系统

地下渗滤系统（subsurface wastewater infiltration system， SWI 系统），是将污水有控制地投配到距地表一定深度、具有一定构造和良好扩散性能的土层中，使污水在土壤的毛细管浸润和渗滤作用下，向周围运动且达到污水净化要求的土地处理工艺系统。

地下渗滤系统属于就地处理的小规模土地处理系统。 投配污水缓慢地通过布水管周围的碎石和砂层，在土壤毛细管作用下向附近土层扩散。 在土壤的过滤、吸附、生物氧化等作用下使污染物得到净化，其过程类似污水慢速渗滤过程。 由于负荷低，停留时间长，水质净化效果非常好，而且稳定。

地下渗滤系统的布水系统埋于地下，不影响地面景观，适用于分散的居住小区、度假村、疗养院、机关和学校等小规模的污水处理，并可与绿化和生态环境的建设相结合，运行管理简单，氨、磷去除能力强，处理出水水质好，处理出水可用于回用。 其缺点是受场地和土壤条件的影响较大，如果负荷控制不当，土壤会堵塞，进、出水设施埋于地下，工程量较大，投资相比其他土地处理类型要高。