生態塘組合工藝在天津濱海新區城市污水處理中的應用策略
摘 要：水資源短缺已成為制約經濟社會發展的瓶頸，針對天津濱海新區的水資源狀況，提出城市污水回用是解決水資源短缺的有效途徑。在此基礎上，分析了濱海新區的污水排放現狀、城市再生水的利用情況以及傳統污水處理廠存在建造費用高、污水回用率低，環境污染等問題。依據濱海新區有利的地理氣候環境，提出了構建生態塘組合工藝處理城市污水的建議，詳細闡述了其工藝流程和設計特點，指出生態塘組合工藝處理城市污水技術在濱海新區具有廣闊的應用前景。
關鍵詞：天津濱海新區；水資源}生態塘組合工藝；污水處理
1天津濱海新區水資源狀況
天津濱海新區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海口，可謂“九河下梢”，“海河之要沖”，其水系發達，河網密布，水域面積大．但是，隨著海河流域的需求增加、濱海新區區域經濟的快速發展以及人口的增加，濱海新區的水資源并不豐富；再加上其特殊的氣候特征，春季干旱少雨，冬季少雪，幾場大雨僅出現在汛期7，8月份，有時甚至出現連年枯雨的年份，導致入境水量減少，部分河道千涸、斷流，水庫面積縮小，蓄水量下降翻。據統計，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370 m3，僅為全國占有量的1／6；而天津濱海新區的水資源人均占有量則更少，新區內60％的水都需要外部供給。屬于嚴重的水危機地區，水資源已經成為制約天津濱海新區社會和經濟發展的瓶頸。
天津濱海新區不僅存在嚴重的資源性缺水問題，水質污染的現象也同時存在。區內重點水污染源是企業排放大量污水，由于污水集中處理水平低，導致河湖水系水環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、海水入侵等環境問題，濱海新區未來的快速發展，也必將增加對水資源的需求，水資源供需矛盾將進一步突出。面對這樣的嚴峻形勢，在加強水資源保護的同時，必須加快促進城市污水的資源化。
2城市污水回用是解決濱海新區水資源危機的有效途徑
2．1天津濱海新區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的79．9％，82．8％和86．9％。濱海新區工業廢水及城鎮生活污水、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
濱海新區污水處理設施主要由3部分組成：首先是城市污水處理廠，負責集中處理城市生活污水和工業廢水；其次是工業企業內部污水處理設施，負責廠區內部工業廢水處理；另外一些住宅小區、機關、賓館污水處理設施，處理內部生活污水并回用。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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預計到“十一五”末期。濱海新區城市污水排放量將達到140萬m3／d。目前，濱海新區正在加大污水處理廠的建設，城市污水處理率將進一步提高。但是，按照目前的設計污水回用率仍很低，據統計，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。
2．2存在的問題
天津濱海新區正在加緊建設污水處理廠，預計到“十一五”末期濱海新區的污水處理廠將達到15座。隨著污水處理廠數量的增加和規模的擴大，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成本高，正在建設中的經濟技術開發區第二污水處理廠為例，其處理規模為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行。
盡管污水處理廠在處理城市污水、節約水資源、提高人民生活質量方面發揮了巨大作用，但是，在污水處理過程中也會產生一些附帶品，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，濱海新區中水管網建設相對滯后，再加上新區市民水資源危機的意識淡薄，對再生水和中水的認識不足，多數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塘組合凈化工藝，該工藝運行費用低，維護管理簡單方便，而且還能保護、美化環境。
3生態塘組合工藝的構建
3．1生態塘在國內外的應用
生態塘是在傳統穩定塘的基礎上克服其缺點而發展起來的，它以太陽能為初始能源，通過在塘中種植水生作物進行水產和水禽養殖，形成人工生態系統。在太陽能的推動下，通過生態塘中多條食物鏈的物質遷移、轉化和能量的逐級傳遞、轉化，將進入塘中的有機物和營養物降解和轉化。塘處理系統已在許多國家包括一些發達國家廣泛應用，世界第一個有記錄的穩定塘系統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，占污水處理總量的25％；法國有2 000多座；在前蘇聯，穩定塘已成為小城鎮污水處理的主要方法。我國從20世紀80年代也開始利用塘處理系統來控制水源污染，特別是在農村和郊區應用頗多，比較成功的有山東東營、山東膠州、廣東番禺市等。
3．2天津濱海新區建立生態塘組合工藝的有利條件
生態塘組合工藝是在生態塘的基礎上發展起來的，它延續了生態塘的優點，且進一步強化了水生植物在其中的關鍵作用。在天津濱海新區建立以水生植物為核心的生態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
生態塘組合凈化工藝唯一的缺點就是占地面積大。而天津濱海新區有大面積的鹽堿荒地。據統計，天津濱海新區有待開發的荒地、灘涂有1 214 km2，這成為生態塘組合凈化工藝工程建設中的有利因素，而這一工程的建成還能將荒地變為良田，如可建立水產養殖場、蘆葦塘等。其次，組合生態塘工程施工簡單，基建費用和運行費用約為傳統工藝的1／10～1／5，回收的水生作物和水產資源獲得的利潤使得處理成本進一步降低。
3．2．2 氣候條件適宜
天津濱海新區屬于溫帶季風氣候。年平均氣溫11．4～12．9℃，日照充足，全年日照2 500～2 900 h。
這比東北地區如黑龍江的年平均氣溫高，而生長期內又比南方一些城市如廣州等地的日照時間長，這就為以太陽能為初始能源的組合生態塘提供了必要的保證。此外，濱海新區季風盛行，風速較大，年平均風速2～4 m／s，風能也將成為該系統的重要輔助能源之一，如設計得恰當，可使人工塘能接受較多的風能，實現風能的自然曝氣充氧，從而節省電能。
3．2．3 美化環境
資源利用最大化在生態塘中按照季節合理種植水生植物，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濟作物或進行水產養殖，將其用于農田灌溉或引入人工湖中用作景觀用水的水源，由此形成的生態塘組合系統，不僅是有效的污水處理設施，還將成為現代生態農業和游覽勝地。這也恰好符合濱海新區目前正在建設環境優美的宜居生態型新城區的理念。
3．3 生態塘組合工藝流程設計
生態塘組合工藝采用“前處理+水生植物塘+養魚塘”的設計思路．前處理采用格柵+水解池+曝氣池的處理方式，從而減輕后續處理單元的負荷力，保證后續處理單元對進水水質的要求；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行搭配種植，使污水得到進一步凈化；養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獲得水產養殖品。
為了提高生態組合工藝的凈化效率，根據污水性質及處理目標，對處理單元進行優化組合，其工藝流程如圖1所示。
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3．4生態塘組合工藝各環節的功能
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。水解池的設置可以使難溶解的有機物轉變為易降解的有機物，提高后續單元的處理效率；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。水生植物塘在生態塘組合處理系統中起著關鍵的核心作用。它的光合作用使系統直接利用太陽能，同時又為各種生物提供適宜的棲息環境。使多樣化的生命形式在系統中的生存成為可能，植物同這些生物(各種細菌和微生物)產生協同效應，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。
水生植物的優化配置對于提高污水處理效率有重要意義。植物選種應根據濱海新區當地的氣候條件，土壤環境及污水含鹽量高的特點，優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。天津濱海新區常見水生植物見表3。
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蘆葦塘選取天津濱海新區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，其根、莖、葉是生物膜附著的活載體。當污水流經稠密分布的蘆葦塘時能與其根、莖、葉上的生物膜進行充分的接觸并發生有機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數量的后生動物，它們在生長和繁殖過程中不斷地攝取水體中的細菌、藻類、小的原生動物和有機顆粒，使水體中細菌、藻類含量大幅度降低。蘆葦回收后還可用來造紙、編織等，產生一定的經濟價值。
挺水植物塘是城市廢水的二級處理，以天津濱海新區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，還能達到凈化水質和美化環境的雙重目的。
沉水植物塘是城市污水的最后一個處理單元，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的浮水植物浮萍和欣賞價值較高的睡蓮。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，對污水進一步修飾凈化，穩定出水。
3．4．4養魚塘
養魚塘設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連接或者二者合并為一。魚塘中存在菌藻共生系統，細菌可以將二級凈化后殘留在水中的有機質進一步分解轉化，藻類通過光合作用產生氧氣可供細菌和魚類生存，同時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結語
生態塘組合工藝主要是依靠系統中整個生物群體的作用進行污染物的降解，而生物群體受外界非生物因素的影響較大，如光照、氣溫、季節等，因此必須采用科學系統的方法，對濱海新區的非生物因素進行分析，研究不同因素下的優勢生物，并根據其污水水質和水量特點，進行試驗，分析生態塘的去污規律，優化生態塘的設計參數，從而配置高效穩定的污水處理系統。
“前處理+水生植物塘+養魚塘”的生態塘組合工藝，其工程構造簡單，處理效果穩定，運營費用只有傳統生化污水處理廠的1％，而且此生態組合塘還可以收獲水生作物，獲取一定的額外利潤，進一步降低生產成本，具有顯著的經濟效益。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，這樣在保護生態環境的同時，也改善了周圍居民的生活環境，產生了良好的環境效益和社會效益，實現人與自然的和諧統一，符合濱海新區建設生態型宜居新城區的思想理念。因此，生態塘組合工藝處理城市污水在濱海新區具有廣闊的應用前景。
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