第 20章 自然生物处理
主讲教师：娄金生教授
南华大学建筑工程与资源环境学院
给水排水教研室
课程内容
1,概述
2,水体中碳氮与能量循环
3,稳定塘
4,污水的土地处理
5,自然生物处理新进展
6,工程实例
7,思考题和习题
20.1 概述
自然处理系统（ Natural Treatment Systems）分为稳定
塘系统和土地处理系统。稳定塘系统（ Aquatic Systems）通
过水 — 水生生物系统（菌藻共生系统和水生生物系统）对污水
进行自然处理。土地处理系统（ Soilbased System）利用土
壤 — 微生物 — 植物系统的陆地生态系统的自我调控机制和对污
染物的综合净化功能，对污水进行净化。
污水自然处理系统的净化作用主要是利用土壤浅表层中的物
理作用、化学作用和微生物的生化作用。与常规处理技术相比，
前者具有工艺简便、操作管理方便、建设投资和运转成本低的
特点。建设投资仅为常规处理技术的 1／ 2— 1／ 3，运转费用仅
为常规处理技术的 1／ 2— 1／ 10，可大幅度降低污水处理成本。
而且净化效果良好，净化水质可达二级以上处理水平。
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20.2 水体中碳氮与能量循环
氮在水体中的转化与循环途径主要是：
1,氨化作用,有机氮化合物在微生物作用下分解为氨态氮 。
2,硝化作用,氨态氮在硝化菌的作用下, 转化为硝酸氮 。 反应式为：
3,反硝化作用,硝酸氮在反硝化菌的作用下, 还原成分子态氮 。 反应式为：
式中 CH3COOH表示反硝化菌所需要的有机碳源
能??? ??? OHH N OONH 2323 2242
??? ??? 3233 222 H C OOHCO O HCHH N O
4,挥发作用,水中的 NH3向大气挥发, 其量可达 21%。
5,吸收作用,微生物及水生植物, 吸收铵氮或硝氮作为营养 。
6．分解作用,沉淀在沉积层中的有机氮在厌氧菌的作用下分解。
第 20章 自然生物处理
有机氮
Org-N
氨化
氨氮
NO
3
-N
硝酸盐氮
NO
3
-N
细菌
藻类
沉积物
污
水
挥发
处
理
水
反
硝
化
硝化
解
体
合
体
反硝化
N
2
固氮作用
光
合
解
体
图 20 -1 氮在水体中的转化与循环过程
合成
合成
合成
沉淀
沉淀
解体
第 20章 自然生物处理
O 2
O 2 O 2 O 2
O 2
O 2 O 2 O
2 O 2
河流
含氮有机污染物
经好氧菌作用
产生
NH 4
NH 3
H 2 O
CO 2
经亚硝化
菌 作用
产生
NO 2
经硝化
菌作用
产生
NO 3
有机底泥 在缺氧条件下，经厌氧菌作用
产生
NH 3,
CH 4 H 2 S
CO 2
有 氧 条 件 下
CO 2
CH 4
H 2 S
污水
大 气 复 氧
+
-
-
图 20- 2 水体中含氮有机物生物化学净化示意图
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20.3 稳定塘
20.3.1 好氧塘与厌氧塘
20.3.1.1概述
流入污水
可
沉
物
质
风
阳光
处理水
好氧区
兼性区
厌氧区
衰死菌类
衰死菌类
藻类
新细胞
光合作用
藻类
O
2
好氧分解
有机
污染物
细菌
细菌
新细胞
甲烷
有机
酸醇
厌氧发酵
有机
污染物
厌氧分解
厌氧发酵
CO
2
+
NH
3
H
2
O
PO
4
O
2
O
2
2
CH
4
CO
2
NH
4
污
泥
层
图 20-3 稳定塘内典型的生态系统
好氧塘深度一般在 0.5m左右, 好氧塘内高效地进行着光合作用 。 DO
的变化：白天饱和状态, 夜间降低, 凌晨时最低； PH的变化：白天 PH上
升, 夜间降低 。
根据有机物负荷率的高低, 好氧塘可分为三种：
高负荷好氧塘,BOD5表面负荷率,0.004-0.016kg/m2·d；
普通好氧塘,BOD5表面负荷率,0.002-0.004kg/m2·d；
深度处理好氧塘,BOD5表面负荷率,0.0005kg/m2·d。
污水在进入好氧塘前必须进行沉淀预处理 。 厌氧塘是依靠厌氧菌的
代谢功能使有机污染物得到降解, 具有以下特点：
1,只有细菌, 产酸菌, 产氢, 产乙酸菌和产甲烷菌共存；
2,反应速度慢, 进程长；
3,一切条件必须符合甲烷菌的要求；
4,多用以处理高浓度且水量不大的有机废水 。
厌氧塘一般为首塘，可代替初沉池。
20.3.1.2设计计算
1.好氧塘
好氧塘的计算, 主要内容是确定塘的表面面积 。 应以塘
深处的面积作为设计计算平面 。 近表面有机负荷率进行计算 。
计算公式为：
式中,A—— 好氧塘的有效面积, m2；
Q—— 污水设计流量, m3/d；
S0—— 原污水的 BOD5浓度, kg/m3
NA—— BOD面积负荷率, kg/(m2·d)
BOD面积负荷率应根据试验或相近地区污水性质相近的好
氧塘的运行数据确定。表 20-1为好氧塘典型设计参数，供参
考选用。
AN
QS 0A ?
第 20章 自然生物处理
2,厌氧塘
1） 设计参数
a,BOD表面负荷率
厌氧塘为了维持其厌氧条件, 应规定其最低 BOD表面负荷率 。 如
果厌氧塘的 BOD表面负荷率过低, 其工况就将接近于兼性塘 。
最低容许 BOD表面负荷率与 BOD5容积负荷率, 气温有关 。 我国北
方可采用 300kgBOD/(104m2·d),(200～ 600)kgBOD5/(104m2·d)。
我国给水排水设计手册对厌氧塘处理城市污水的建议负荷率值
为 20～ 60gBOD5/(m2·d),(200～ 600) kgBOD5/(104m2·d)。
b,BOD容积负荷
第 20章 自然生物处理
c,VSS容积负荷率
VSS容积率用于厌氧塘处理 VSS含量废水的设计 。
下面是国外对几种工业废水厌氧塘采用的 VSS容积负荷 。
家禽粪水 0.063～ 0.16kgVSS/(m3·d)
奶牛粪水 0.166～ 1.12kgVSS/(m3·d)
猪粪水 0.064～ 0.32kgVSS/(m3·d)
菜牛屠宰废水 0.593kgVSS/(m3·d)
d,水力停留时间
污水在厌氧塘内的停留时间，采用的数值介于很大的幅度内，
无成熟数据可以遵循，应通过试验确定。我国, 给水排水设计手
册, 的建议值，对城市污水是 30～ 50d。国外有长达 160d的设计
运行数据，但也有短为 12d的。
2） 厌氧塘的形状和主要尺寸
a,厌氧塘表面仍以矩形为宜, 长宽比 2～ 2.5:1。
b,塘深, 厌氧塘的有效深度 （ 包括污泥层深度 ） 为 3～ 5m,当土壤
和地下水条件适宜时, 可增大到 6m。
处理城市污水用厌氧塘的塘深为 1.0～ 3.6m
处理城市污水的厌氧塘底部储泥深度, 不应小于 0.5m,污泥量按
50L/(人 ·a)计算 。 污泥清除周期为 5～ 10年 。
c,保护高度 0.6～ 1.0m。
d,塘底略具坡度, 堤内坡 1:1～ 1:3。
e,厌氧塘的单塘面积不应大于 8000m2(0.8× 104m2)
f,厌氧塘一般位于稳定塘系统之首, 截留污泥量较大, 因此, 宜
设并联的厌氧塘, 以便轮换清除塘泥 。
g,厌氧塘进出口，厌氧塘进口一般按设在高于塘底 0.6～ 1.0m处，
使进水与塘底污泥相混合。塘底宽度小于 9m时，可以只用一个进口，
宽塘 应采用多个进口。进水管径 200～ 300mm。出水口为淹设式，深入
水下 0.6m，不得小于冰层厚度或浮渣层厚度。
20.3.2 兼性塘
20.3.2.1概述
图 20-3 所示为典型的兼性塘净化功能模式。在各种类型的
氧化塘中，兼性塘是应用最为广泛的一种。塘的上层为好氧层；
塘的底部为厌氧层；在好氧层和厌氧层之间存在一个兼性层，该
层存活的是兼性微生物，它们能够利用水中游离的氧也能够在厌
氧条件下，从或中摄取氧。兼性塘的 =(70～ 90)%。
20.3.2.2计算
兼性塘计算的主要内容也是求定塘的有效面积 。 对兼性塘仍多
采用经验数据进行计算 。
1,设计参数
1) 兼性塘可以作为独立处理技术考虑, 也可以作为生物处理系
统中的一个处理单元, 或者作为深度处理塘的预处理工艺 。
2) 塘深 。 一般采用 1.2～ 2.5m,污泥层厚度取值 0.3m
3) 停留时间 。 一般规定为 7～ 180d,幅度很大 。
4) BOD5表面负荷率。按 0.0002～ 0.010kg/(m2·d)考虑,
5) BOD去除率一般可达 70%～ 90%。
6) 藻类浓度取值 10～ 100mg/L
7) 如采取处理水循环措施, 循环率可为 0.2‰ ～ 2.0‰ 。
2,在塘的构造方面应考虑的因素
1) 塘形, 以矩形为宜, 矩形塘易于施工和串联组合, 有助
于风对塘水的混合, 而且死角少, 长宽比以 2:1或 3:1为宜 。
2) 塘数, 除小规模的兼性塘可以考虑采用单一的塘进行处
理外, 一般不宜少于 2座 。 宜采用多级串联, 第一塘面积大, 约
占总面积的 30%～ 60%,采用较高的负荷率, 以不使塘都处理厌
氧状态为限 。 串联可得优质处理水 。
3) 进水口, 矩形塘进水口应尽量使塘的横断面上配水均匀,
宜采用扩散管或多点进水 。
4) 出水口，出水口与进水口之间的直线距离应尽可能的大，一般在矩形塘按对角线排列设置，以减少短路。应参照有关资
料进行。
20.3.3 其他稳定塘
20.3.3.1曝气塘
人工机械曝气向塘内污水供氧根据曝气强度大小分二类：
好氧曝气塘：功率较大, 全部生物污泥都处于悬浮状态；
兼性曝气塘：功率较小，部分污泥悬浮，部分污泥沉积。
20.3.3.2深度处理塘
深度处理塘为三级处理塘, 设置在二级处理工艺之后或稳塘系统
之后, 采用好氧塘或曝气塘的形式 。 深度处理塘能去除以下物质：
1） 去除 BOD,COD,η BOD=（ 30～ 60） %； η COD=（ 10～ 25） %；
2） 去除细菌； 3） 去除藻类：养鱼除藻； 4） 去除 N,P
深度处理塘的计算在当前仍采用负荷率进行，根据去除对象的不
同而采用不同的负荷率及他各项设计参数。
第 20章 自然生物处理
20.3.3.3控制出水塘
1） 概述
设于北方地区, 冬季贮水, 天气转暖生物降解功
能恢复正常时才开始运行的稳定塘, 一般是兼性
塘类型 。
2） 设计要点
污水进塘前要经过一级处理，多级塘串联、并联
方式运行均可，塘数不得少于 2座。塘形宜根据地
形选用，但要避免产生短流现象。
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20.4 污水的土地处理
20.4.1 污水灌溉系统
污水灌溉存在以下问题：
1,不能解决污水的终年问题 （ 为雨季及冬季 ）, 往往不
能进行终年泼水灌溉 。 非灌溉期间污水若不经贮存排入地表水
体, 会造成地表水污染 。
2,污水灌溉农田后出水不加收集, 不能有效控制排放与
利用 。
3,如污水达不到农田灌溉标准, 则会影响作物的生长,
产量和品质, 特别是污水中的重金属和化学有机合成物含在作
物的某些部位富集, 对人体健康造成危害 。
4．重金属在土壤中积累会影响土壤的特性和使用。
第 20章 自然生物处理
20.4.2 土地渗滤系统
1,慢速渗滤系统
用于渗透水性能良好的土壤 （ 如砂质土壤 ）, 它适用于蒸发量
小, 气候湿润地区；慢速渗滤系统用表面布水或喷灌布水, 对
污水的 BOD5,COD,N的去除率分别为：
2,快速渗滤系统
污水周期地向渗滤田灌水和休灌, 表层土壤交替地处于厌
氧 -好氧状态, 有机物被土层中的微生物所分解, 同时也对 N、
P进行了去除 。 各种指标的去除率为：
%955 ?B O D?
。9 0 ) %( 8 0%90 N ～?? ?? ；C O D
,9 %99%65%80；%85%91；%95
pTN
C O D 45
???
??? ?
大肠菌
左右
???
???；；； NHB O D
20.4.3 湿地处理系统
将污水投配到沼泽地上, 污水沿一定方向流动, 在耐水植物的土
壤联合作用下而得到净化的一种土地处理工艺 。
湿地处理系统可分为以下几种类型：
1,天然湿地系统
利用天然洼地, 苇塘, 并加以人工修整而成 。 中设导流土堤, 使
污水沿一定方向流动, H一般在 30～ 80cm之间, 不超过 1.00m,净化
作用与好氧塘相似 。
1） 由水面人工湿地
用人工筑成水了或沟槽状，地面铺设隔水层以防渗漏，再充填一
定深度的土壤层，土壤层种植芦苇一类的维管束植物，污水由湿地
的一端通过布水装置进入，并以较浅的水层在地表上以推流方式向
前流动，从另一端溢入集水沟，在流动地程中保持着自由水面。有
机负荷率介于 18～ 110kgBOD5/(ha·d)，幅度较大。
第 20章 自然生物处理
2） 人工潜流湿地处理系统
人工潜流湿地处理系统是人工筑成的床槽，床内充填介
质支持芦苇类的挺水植物生长，床底设粘土隔水层，并具有
一定的坡度。污水从沿床宽度设置的布水装置进入，水平流
动通过介质，与布满生物膜的介质表面和溶解氧充分的植物
根区接触，在这一过程中得到净化。
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20.5 自然生物处理新进展
20.5.1水解池 -稳定塘生物处理系统的新工艺
稳定塘占地面积大, 冬季水温低, 影响处理效果, 应用水解
代替沉淀池作为预处理构筑物, 以提高污水的可生化性, 并减少
悬浮物 。
在水解池部分大分子难降解物质在水解池中经历了水解和酸
化两个阶段, 变成了小分子易降解的有机酸, 使污水在后续的塘
中降解更快 。
从污泥沉淀角度讲，稳定塘的底泥来源主要是进水悬浮物和塘
中生长的藻类。水解 -稳定塘系统能有效地从两方面加以控制。
20.5.2稳定塘的除藻技术
藻类具有降解污染物质的功能, 但只是使有机污染物质转移
到藻类中, 并没有最后去除 。 如果处理不当, 就会造二次污染 。
国外所采用的除藻技术有自沉淀, 混凝沉淀, 气浮和过滤等
技术 。 这里介绍两种比较有效的方法 。
(1) 在稳定塘的最后一塘放养水生植物 。 由于水生植物覆盖
了水面, 阴隔了光照, 藻类不能进行正常光合作用, 因此沉淀至
塘底, 使出水水质改善 。 如放养水葫芦, 浮萍 。
(2) 气浮除藻。近年来通过对气浮设备的改进，使气浮的处
理成本大幅度下降。
20.5.3污水地下渗滤处理技术
污水在土壤的渗滤作用和毛细管作用下, 污水向四周扩散,
通过过滤, 沉淀, 吸附和微生物作用降解, 污水得到净化 。 这种
的污水处理法称之为污水地下渗滤处理系统 。 这种工艺具有以下
特征：
(1) 整体处理系统都设于地下, 无损于地面景观, 而且能够种植
绿色杆物, 美化环境 。
(2) 不受外界气温变化的影响, 或影响较小 。
(3) 易于建设, 便于维护, 不堵塞, 建设搞资少, 运行费用低；
(4) 对进水负荷的变化适应性较强, 耐受冲击负荷；
(5) 如运行得当, 处理水水质良好, 稳定, 可回用于灌溉, 浇灌
城市绿化地, 街心公园等 。
第 20章 自然生物处理
污水地下渗滤处理技术, 现在国外采用的种类很多, 不
下几十种, 本节择其中主要的几种加以阐述 。
(1) 污水土壤渗滤净化沟
在本系统中, 污水先经化粪池, 或沉淀池等预处理构筑
物处理, 去除其中的悬浮物, 然后进入埋在地下的渗滤沟和
带孔的布水管, 从布水管中缓慢地向周围土壤浸润, 渗透和
扩散 。
布水管一般埋设在距地面 0.4m左右的深度其周围铺满砾
石层底部宽 0.5～ 0.7m,其下部铺厚约为 0.2m的砂 。
水力负荷是维持本工艺正常运行的关键因素 。 水力负荷值
不能过大, 应根据测得的土壤渗透能力以确定适当适宜的水
力负荷 。
(2) 毛管浸润渗滤沟
本工艺也称为尼米 (Niimi)系统, 是日本开发的 。 是利用
土壤毛管浸润扩散原理研制的一种浅型土壤污水处理系统 。
污水经预处理后进入陶土管, 在其周围铺毛管砾石层, 其
下铺砂层, 砂层下铺有机树脂膜, 以防止污水污染地下水 。 污
水通砂砾的毛细管虹吸作用, 缓慢地上升, 并向其四周浸润,
扩散, 进入周围土壤, 在地面下 0.3～ 0.5m的土壤层内存活着
大量的微生物, 在这些微生物的作用下, 污水中的有机污染物
被吸附, 降解, 通过生物 — 土壤系统的复杂而又互联系和互相
制约的作用下, 污水得到净化 。
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20.6 工程实例
20.6.1稳定塘实例
某县的河水实际是一天然排水沟, 长期受工业及生活污水的
污染, 严重影响沿河村民的身体健康 。 该河旱季流量在 2000～
2800m3/d之间, 是由上游十几家单位排放的污水, 污水 BOD5据测
定为 50～ 100mg/L,悬浮物 58～ 73mg/L,同时该河在雨季有排洪
的功能 。 根据现场踏勘, 稳定塘选址拟在该村村南 250m处, 紧靠
河床的一片弃耕多年的耕地, 面积约 20000m2(约 30亩 ),长 300m，
宽 60m。 将稳定塘建在此, 可以使河水在进村前得到净化, 并且
该位置远离居民, 建塘不会带来明显的环境问题 。 20.6.1.1设计
水质
BOD5=100mg/L； COD=200mg/L； SS=100mg/L。
经过稳定塘处理后的水质, 在 3～ 12月可以达到以下水平：
BOD≤ 20mg/L； COD≤ 100mg/L； SS≤ 20mg/L。
20.6.1.2设计工艺上的考虑
(1) 排洪与处理相结合 本着因地制宜, 综合利用, 尽量减肥少
基建投资和运行费用的原则, 进行工艺设计 。 采用筑坝将水头抬高 1m，
自流进入稳定塘 。 为了防洪, 在河道上砌坝, 在雨量小时, 坝上设有
分洪溢流道, 而洪水较大时, 则开闸放水 。
(2) 多级串联 根据最新的研究成果, 采用多种类型稳定塘串联
系统 。
各塘设计水深 1.5m,实际水面 13333m2(20亩 ),总池容为 19500m3,
平均停留时间 8d,采用多塘有以下考虑 。
① 改善了流特性 。 塘的长宽比为 30:1。 避免层流, 异重流发生,
各塘进水口交替为水平和淹没流形式 。
② 分为多塘, 在第一, 四塘种植耐污的水葫芦, 第二, 三塘藻菌
共生塘 。 这样由于第一, 四塘种植了水生植物, 抑制了藻类的过度生
长, 避免了出水中藻类的 SS。
③可以避免由于混合、内部回流和风的搅拌等引起生物群落次序
的混乱，使适应一定水质条件的生物种类较为稳定而有效地发挥作用。
第 20章 自然生物处理
20.6.2湿地面积设计实例
某城市污水, 原水 BOD5=200mg/L, 要 求 二 级 出 水
BOD5≤ 20mg/L,采用地表流人工芦苇湿地处理系统, 处理水
量为 10000m3/d,求湿地面积 。
解：依据试验结果或经验数据可确定基本参数, 假定：
① 污水中不可沉淀去除的 BOD5份额 a=0.52；
② 水温为 20℃ 时的生化反应速率常数 K20=0。 0057d-1；
③ 活性生物比表面积 AV=18.85m2/m3；
④ 湿地床水深 H=10cm（ 冬季 H=30cm） ；
⑤ 系统孔隙度 n=0.75。
)(23.375.085.180057.07.0 52.0ln20ln200ln)(7.0 lnlnln 75.175.10 dnAK CCt
VT
ae ???? ?????
(1) 水力停留时间 t 水温为 20℃ 时：
水温为 10℃ 时：
水温为 5℃ 时：
(2) 占地面积 A 水温为 20℃ 时：
水温为 10℃ （ 水深为 20cm） 时：
水温为 5℃ （ 水深为 30cm） 时：
)(37.875.085.180 0 22.07.0 52.0ln20ln200ln 75.1 dt ???? ???
)(49.1375.085.1800 14.07.0 52.0ln20ln20 0ln 75.1 dt ???? ???
)(103.320, 1 03, 2 31000A 24 m????
)(109.4120.0 37.81000 24 mA ????
)(100.4530.0 49.131 0 0 0 0 24 mA ???? 返回
思考题
1,作为污水生物处理技术, 稳定塘具有哪些优, 缺点？ 可以分
为哪几种类型？
2,简述稳定塘的净化机理和稳定塘对污水的净化作用 。
3,试以兼性塘为例说明稳定塘降解污染物的机理 。
4,简述土地处理系统对污水的净化作用机理 。
习题
1,简述水体中碳氮与能量循环过程 。
2,叙述自然生物技术的新进展 。
3,好氧塘中 DO值和 PH值在昼夜是如何变化的？ 为什么？
4,何谓污水湿地处理系统？
5、试比较污水土地处理与湿地处理的优缺点？
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主讲教师：娄金生教授
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给水排水教研室
课程内容
1,概述
2,水体中碳氮与能量循环
3,稳定塘
4,污水的土地处理
5,自然生物处理新进展
6,工程实例
7,思考题和习题
20.1 概述
自然处理系统（ Natural Treatment Systems）分为稳定
塘系统和土地处理系统。稳定塘系统（ Aquatic Systems）通
过水 — 水生生物系统（菌藻共生系统和水生生物系统）对污水
进行自然处理。土地处理系统（ Soilbased System）利用土
壤 — 微生物 — 植物系统的陆地生态系统的自我调控机制和对污
染物的综合净化功能，对污水进行净化。
污水自然处理系统的净化作用主要是利用土壤浅表层中的物
理作用、化学作用和微生物的生化作用。与常规处理技术相比，
前者具有工艺简便、操作管理方便、建设投资和运转成本低的
特点。建设投资仅为常规处理技术的 1／ 2— 1／ 3，运转费用仅
为常规处理技术的 1／ 2— 1／ 10，可大幅度降低污水处理成本。
而且净化效果良好，净化水质可达二级以上处理水平。
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20.2 水体中碳氮与能量循环
氮在水体中的转化与循环途径主要是：
1,氨化作用,有机氮化合物在微生物作用下分解为氨态氮 。
2,硝化作用,氨态氮在硝化菌的作用下, 转化为硝酸氮 。 反应式为：
3,反硝化作用,硝酸氮在反硝化菌的作用下, 还原成分子态氮 。 反应式为：
式中 CH3COOH表示反硝化菌所需要的有机碳源
能??? ??? OHH N OONH 2323 2242
??? ??? 3233 222 H C OOHCO O HCHH N O
4,挥发作用,水中的 NH3向大气挥发, 其量可达 21%。
5,吸收作用,微生物及水生植物, 吸收铵氮或硝氮作为营养 。
6．分解作用,沉淀在沉积层中的有机氮在厌氧菌的作用下分解。
第 20章 自然生物处理
有机氮
Org-N
氨化
氨氮
NO
3
-N
硝酸盐氮
NO
3
-N
细菌
藻类
沉积物
污
水
挥发
处
理
水
反
硝
化
硝化
解
体
合
体
反硝化
N
2
固氮作用
光
合
解
体
图 20 -1 氮在水体中的转化与循环过程
合成
合成
合成
沉淀
沉淀
解体
第 20章 自然生物处理
O 2
O 2 O 2 O 2
O 2
O 2 O 2 O
2 O 2
河流
含氮有机污染物
经好氧菌作用
产生
NH 4
NH 3
H 2 O
CO 2
经亚硝化
菌 作用
产生
NO 2
经硝化
菌作用
产生
NO 3
有机底泥 在缺氧条件下，经厌氧菌作用
产生
NH 3,
CH 4 H 2 S
CO 2
有 氧 条 件 下
CO 2
CH 4
H 2 S
污水
大 气 复 氧
+
-
-
图 20- 2 水体中含氮有机物生物化学净化示意图
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20.3 稳定塘
20.3.1 好氧塘与厌氧塘
20.3.1.1概述
流入污水
可
沉
物
质
风
阳光
处理水
好氧区
兼性区
厌氧区
衰死菌类
衰死菌类
藻类
新细胞
光合作用
藻类
O
2
好氧分解
有机
污染物
细菌
细菌
新细胞
甲烷
有机
酸醇
厌氧发酵
有机
污染物
厌氧分解
厌氧发酵
CO
2
+
NH
3
H
2
O
PO
4
O
2
O
2
2
CH
4
CO
2
NH
4
污
泥
层
图 20-3 稳定塘内典型的生态系统
好氧塘深度一般在 0.5m左右, 好氧塘内高效地进行着光合作用 。 DO
的变化：白天饱和状态, 夜间降低, 凌晨时最低； PH的变化：白天 PH上
升, 夜间降低 。
根据有机物负荷率的高低, 好氧塘可分为三种：
高负荷好氧塘,BOD5表面负荷率,0.004-0.016kg/m2·d；
普通好氧塘,BOD5表面负荷率,0.002-0.004kg/m2·d；
深度处理好氧塘,BOD5表面负荷率,0.0005kg/m2·d。
污水在进入好氧塘前必须进行沉淀预处理 。 厌氧塘是依靠厌氧菌的
代谢功能使有机污染物得到降解, 具有以下特点：
1,只有细菌, 产酸菌, 产氢, 产乙酸菌和产甲烷菌共存；
2,反应速度慢, 进程长；
3,一切条件必须符合甲烷菌的要求；
4,多用以处理高浓度且水量不大的有机废水 。
厌氧塘一般为首塘，可代替初沉池。
20.3.1.2设计计算
1.好氧塘
好氧塘的计算, 主要内容是确定塘的表面面积 。 应以塘
深处的面积作为设计计算平面 。 近表面有机负荷率进行计算 。
计算公式为：
式中,A—— 好氧塘的有效面积, m2；
Q—— 污水设计流量, m3/d；
S0—— 原污水的 BOD5浓度, kg/m3
NA—— BOD面积负荷率, kg/(m2·d)
BOD面积负荷率应根据试验或相近地区污水性质相近的好
氧塘的运行数据确定。表 20-1为好氧塘典型设计参数，供参
考选用。
AN
QS 0A ?
第 20章 自然生物处理
2,厌氧塘
1） 设计参数
a,BOD表面负荷率
厌氧塘为了维持其厌氧条件, 应规定其最低 BOD表面负荷率 。 如
果厌氧塘的 BOD表面负荷率过低, 其工况就将接近于兼性塘 。
最低容许 BOD表面负荷率与 BOD5容积负荷率, 气温有关 。 我国北
方可采用 300kgBOD/(104m2·d),(200～ 600)kgBOD5/(104m2·d)。
我国给水排水设计手册对厌氧塘处理城市污水的建议负荷率值
为 20～ 60gBOD5/(m2·d),(200～ 600) kgBOD5/(104m2·d)。
b,BOD容积负荷
第 20章 自然生物处理
c,VSS容积负荷率
VSS容积率用于厌氧塘处理 VSS含量废水的设计 。
下面是国外对几种工业废水厌氧塘采用的 VSS容积负荷 。
家禽粪水 0.063～ 0.16kgVSS/(m3·d)
奶牛粪水 0.166～ 1.12kgVSS/(m3·d)
猪粪水 0.064～ 0.32kgVSS/(m3·d)
菜牛屠宰废水 0.593kgVSS/(m3·d)
d,水力停留时间
污水在厌氧塘内的停留时间，采用的数值介于很大的幅度内，
无成熟数据可以遵循，应通过试验确定。我国, 给水排水设计手
册, 的建议值，对城市污水是 30～ 50d。国外有长达 160d的设计
运行数据，但也有短为 12d的。
2） 厌氧塘的形状和主要尺寸
a,厌氧塘表面仍以矩形为宜, 长宽比 2～ 2.5:1。
b,塘深, 厌氧塘的有效深度 （ 包括污泥层深度 ） 为 3～ 5m,当土壤
和地下水条件适宜时, 可增大到 6m。
处理城市污水用厌氧塘的塘深为 1.0～ 3.6m
处理城市污水的厌氧塘底部储泥深度, 不应小于 0.5m,污泥量按
50L/(人 ·a)计算 。 污泥清除周期为 5～ 10年 。
c,保护高度 0.6～ 1.0m。
d,塘底略具坡度, 堤内坡 1:1～ 1:3。
e,厌氧塘的单塘面积不应大于 8000m2(0.8× 104m2)
f,厌氧塘一般位于稳定塘系统之首, 截留污泥量较大, 因此, 宜
设并联的厌氧塘, 以便轮换清除塘泥 。
g,厌氧塘进出口，厌氧塘进口一般按设在高于塘底 0.6～ 1.0m处，
使进水与塘底污泥相混合。塘底宽度小于 9m时，可以只用一个进口，
宽塘 应采用多个进口。进水管径 200～ 300mm。出水口为淹设式，深入
水下 0.6m，不得小于冰层厚度或浮渣层厚度。
20.3.2 兼性塘
20.3.2.1概述
图 20-3 所示为典型的兼性塘净化功能模式。在各种类型的
氧化塘中，兼性塘是应用最为广泛的一种。塘的上层为好氧层；
塘的底部为厌氧层；在好氧层和厌氧层之间存在一个兼性层，该
层存活的是兼性微生物，它们能够利用水中游离的氧也能够在厌
氧条件下，从或中摄取氧。兼性塘的 =(70～ 90)%。
20.3.2.2计算
兼性塘计算的主要内容也是求定塘的有效面积 。 对兼性塘仍多
采用经验数据进行计算 。
1,设计参数
1) 兼性塘可以作为独立处理技术考虑, 也可以作为生物处理系
统中的一个处理单元, 或者作为深度处理塘的预处理工艺 。
2) 塘深 。 一般采用 1.2～ 2.5m,污泥层厚度取值 0.3m
3) 停留时间 。 一般规定为 7～ 180d,幅度很大 。
4) BOD5表面负荷率。按 0.0002～ 0.010kg/(m2·d)考虑,
5) BOD去除率一般可达 70%～ 90%。
6) 藻类浓度取值 10～ 100mg/L
7) 如采取处理水循环措施, 循环率可为 0.2‰ ～ 2.0‰ 。
2,在塘的构造方面应考虑的因素
1) 塘形, 以矩形为宜, 矩形塘易于施工和串联组合, 有助
于风对塘水的混合, 而且死角少, 长宽比以 2:1或 3:1为宜 。
2) 塘数, 除小规模的兼性塘可以考虑采用单一的塘进行处
理外, 一般不宜少于 2座 。 宜采用多级串联, 第一塘面积大, 约
占总面积的 30%～ 60%,采用较高的负荷率, 以不使塘都处理厌
氧状态为限 。 串联可得优质处理水 。
3) 进水口, 矩形塘进水口应尽量使塘的横断面上配水均匀,
宜采用扩散管或多点进水 。
4) 出水口，出水口与进水口之间的直线距离应尽可能的大，一般在矩形塘按对角线排列设置，以减少短路。应参照有关资
料进行。
20.3.3 其他稳定塘
20.3.3.1曝气塘
人工机械曝气向塘内污水供氧根据曝气强度大小分二类：
好氧曝气塘：功率较大, 全部生物污泥都处于悬浮状态；
兼性曝气塘：功率较小，部分污泥悬浮，部分污泥沉积。
20.3.3.2深度处理塘
深度处理塘为三级处理塘, 设置在二级处理工艺之后或稳塘系统
之后, 采用好氧塘或曝气塘的形式 。 深度处理塘能去除以下物质：
1） 去除 BOD,COD,η BOD=（ 30～ 60） %； η COD=（ 10～ 25） %；
2） 去除细菌； 3） 去除藻类：养鱼除藻； 4） 去除 N,P
深度处理塘的计算在当前仍采用负荷率进行，根据去除对象的不
同而采用不同的负荷率及他各项设计参数。
第 20章 自然生物处理
20.3.3.3控制出水塘
1） 概述
设于北方地区, 冬季贮水, 天气转暖生物降解功
能恢复正常时才开始运行的稳定塘, 一般是兼性
塘类型 。
2） 设计要点
污水进塘前要经过一级处理，多级塘串联、并联
方式运行均可，塘数不得少于 2座。塘形宜根据地
形选用，但要避免产生短流现象。
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20.4 污水的土地处理
20.4.1 污水灌溉系统
污水灌溉存在以下问题：
1,不能解决污水的终年问题 （ 为雨季及冬季 ）, 往往不
能进行终年泼水灌溉 。 非灌溉期间污水若不经贮存排入地表水
体, 会造成地表水污染 。
2,污水灌溉农田后出水不加收集, 不能有效控制排放与
利用 。
3,如污水达不到农田灌溉标准, 则会影响作物的生长,
产量和品质, 特别是污水中的重金属和化学有机合成物含在作
物的某些部位富集, 对人体健康造成危害 。
4．重金属在土壤中积累会影响土壤的特性和使用。
第 20章 自然生物处理
20.4.2 土地渗滤系统
1,慢速渗滤系统
用于渗透水性能良好的土壤 （ 如砂质土壤 ）, 它适用于蒸发量
小, 气候湿润地区；慢速渗滤系统用表面布水或喷灌布水, 对
污水的 BOD5,COD,N的去除率分别为：
2,快速渗滤系统
污水周期地向渗滤田灌水和休灌, 表层土壤交替地处于厌
氧 -好氧状态, 有机物被土层中的微生物所分解, 同时也对 N、
P进行了去除 。 各种指标的去除率为：
%955 ?B O D?
。9 0 ) %( 8 0%90 N ～?? ?? ；C O D
,9 %99%65%80；%85%91；%95
pTN
C O D 45
???
??? ?
大肠菌
左右
???
???；；； NHB O D
20.4.3 湿地处理系统
将污水投配到沼泽地上, 污水沿一定方向流动, 在耐水植物的土
壤联合作用下而得到净化的一种土地处理工艺 。
湿地处理系统可分为以下几种类型：
1,天然湿地系统
利用天然洼地, 苇塘, 并加以人工修整而成 。 中设导流土堤, 使
污水沿一定方向流动, H一般在 30～ 80cm之间, 不超过 1.00m,净化
作用与好氧塘相似 。
1） 由水面人工湿地
用人工筑成水了或沟槽状，地面铺设隔水层以防渗漏，再充填一
定深度的土壤层，土壤层种植芦苇一类的维管束植物，污水由湿地
的一端通过布水装置进入，并以较浅的水层在地表上以推流方式向
前流动，从另一端溢入集水沟，在流动地程中保持着自由水面。有
机负荷率介于 18～ 110kgBOD5/(ha·d)，幅度较大。
第 20章 自然生物处理
2） 人工潜流湿地处理系统
人工潜流湿地处理系统是人工筑成的床槽，床内充填介
质支持芦苇类的挺水植物生长，床底设粘土隔水层，并具有
一定的坡度。污水从沿床宽度设置的布水装置进入，水平流
动通过介质，与布满生物膜的介质表面和溶解氧充分的植物
根区接触，在这一过程中得到净化。
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20.5 自然生物处理新进展
20.5.1水解池 -稳定塘生物处理系统的新工艺
稳定塘占地面积大, 冬季水温低, 影响处理效果, 应用水解
代替沉淀池作为预处理构筑物, 以提高污水的可生化性, 并减少
悬浮物 。
在水解池部分大分子难降解物质在水解池中经历了水解和酸
化两个阶段, 变成了小分子易降解的有机酸, 使污水在后续的塘
中降解更快 。
从污泥沉淀角度讲，稳定塘的底泥来源主要是进水悬浮物和塘
中生长的藻类。水解 -稳定塘系统能有效地从两方面加以控制。
20.5.2稳定塘的除藻技术
藻类具有降解污染物质的功能, 但只是使有机污染物质转移
到藻类中, 并没有最后去除 。 如果处理不当, 就会造二次污染 。
国外所采用的除藻技术有自沉淀, 混凝沉淀, 气浮和过滤等
技术 。 这里介绍两种比较有效的方法 。
(1) 在稳定塘的最后一塘放养水生植物 。 由于水生植物覆盖
了水面, 阴隔了光照, 藻类不能进行正常光合作用, 因此沉淀至
塘底, 使出水水质改善 。 如放养水葫芦, 浮萍 。
(2) 气浮除藻。近年来通过对气浮设备的改进，使气浮的处
理成本大幅度下降。
20.5.3污水地下渗滤处理技术
污水在土壤的渗滤作用和毛细管作用下, 污水向四周扩散,
通过过滤, 沉淀, 吸附和微生物作用降解, 污水得到净化 。 这种
的污水处理法称之为污水地下渗滤处理系统 。 这种工艺具有以下
特征：
(1) 整体处理系统都设于地下, 无损于地面景观, 而且能够种植
绿色杆物, 美化环境 。
(2) 不受外界气温变化的影响, 或影响较小 。
(3) 易于建设, 便于维护, 不堵塞, 建设搞资少, 运行费用低；
(4) 对进水负荷的变化适应性较强, 耐受冲击负荷；
(5) 如运行得当, 处理水水质良好, 稳定, 可回用于灌溉, 浇灌
城市绿化地, 街心公园等 。
第 20章 自然生物处理
污水地下渗滤处理技术, 现在国外采用的种类很多, 不
下几十种, 本节择其中主要的几种加以阐述 。
(1) 污水土壤渗滤净化沟
在本系统中, 污水先经化粪池, 或沉淀池等预处理构筑
物处理, 去除其中的悬浮物, 然后进入埋在地下的渗滤沟和
带孔的布水管, 从布水管中缓慢地向周围土壤浸润, 渗透和
扩散 。
布水管一般埋设在距地面 0.4m左右的深度其周围铺满砾
石层底部宽 0.5～ 0.7m,其下部铺厚约为 0.2m的砂 。
水力负荷是维持本工艺正常运行的关键因素 。 水力负荷值
不能过大, 应根据测得的土壤渗透能力以确定适当适宜的水
力负荷 。
(2) 毛管浸润渗滤沟
本工艺也称为尼米 (Niimi)系统, 是日本开发的 。 是利用
土壤毛管浸润扩散原理研制的一种浅型土壤污水处理系统 。
污水经预处理后进入陶土管, 在其周围铺毛管砾石层, 其
下铺砂层, 砂层下铺有机树脂膜, 以防止污水污染地下水 。 污
水通砂砾的毛细管虹吸作用, 缓慢地上升, 并向其四周浸润,
扩散, 进入周围土壤, 在地面下 0.3～ 0.5m的土壤层内存活着
大量的微生物, 在这些微生物的作用下, 污水中的有机污染物
被吸附, 降解, 通过生物 — 土壤系统的复杂而又互联系和互相
制约的作用下, 污水得到净化 。
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20.6 工程实例
20.6.1稳定塘实例
某县的河水实际是一天然排水沟, 长期受工业及生活污水的
污染, 严重影响沿河村民的身体健康 。 该河旱季流量在 2000～
2800m3/d之间, 是由上游十几家单位排放的污水, 污水 BOD5据测
定为 50～ 100mg/L,悬浮物 58～ 73mg/L,同时该河在雨季有排洪
的功能 。 根据现场踏勘, 稳定塘选址拟在该村村南 250m处, 紧靠
河床的一片弃耕多年的耕地, 面积约 20000m2(约 30亩 ),长 300m，
宽 60m。 将稳定塘建在此, 可以使河水在进村前得到净化, 并且
该位置远离居民, 建塘不会带来明显的环境问题 。 20.6.1.1设计
水质
BOD5=100mg/L； COD=200mg/L； SS=100mg/L。
经过稳定塘处理后的水质, 在 3～ 12月可以达到以下水平：
BOD≤ 20mg/L； COD≤ 100mg/L； SS≤ 20mg/L。
20.6.1.2设计工艺上的考虑
(1) 排洪与处理相结合 本着因地制宜, 综合利用, 尽量减肥少
基建投资和运行费用的原则, 进行工艺设计 。 采用筑坝将水头抬高 1m，
自流进入稳定塘 。 为了防洪, 在河道上砌坝, 在雨量小时, 坝上设有
分洪溢流道, 而洪水较大时, 则开闸放水 。
(2) 多级串联 根据最新的研究成果, 采用多种类型稳定塘串联
系统 。
各塘设计水深 1.5m,实际水面 13333m2(20亩 ),总池容为 19500m3,
平均停留时间 8d,采用多塘有以下考虑 。
① 改善了流特性 。 塘的长宽比为 30:1。 避免层流, 异重流发生,
各塘进水口交替为水平和淹没流形式 。
② 分为多塘, 在第一, 四塘种植耐污的水葫芦, 第二, 三塘藻菌
共生塘 。 这样由于第一, 四塘种植了水生植物, 抑制了藻类的过度生
长, 避免了出水中藻类的 SS。
③可以避免由于混合、内部回流和风的搅拌等引起生物群落次序
的混乱，使适应一定水质条件的生物种类较为稳定而有效地发挥作用。
第 20章 自然生物处理
20.6.2湿地面积设计实例
某城市污水, 原水 BOD5=200mg/L, 要 求 二 级 出 水
BOD5≤ 20mg/L,采用地表流人工芦苇湿地处理系统, 处理水
量为 10000m3/d,求湿地面积 。
解：依据试验结果或经验数据可确定基本参数, 假定：
① 污水中不可沉淀去除的 BOD5份额 a=0.52；
② 水温为 20℃ 时的生化反应速率常数 K20=0。 0057d-1；
③ 活性生物比表面积 AV=18.85m2/m3；
④ 湿地床水深 H=10cm（ 冬季 H=30cm） ；
⑤ 系统孔隙度 n=0.75。
)(23.375.085.180057.07.0 52.0ln20ln200ln)(7.0 lnlnln 75.175.10 dnAK CCt
VT
ae ???? ?????
(1) 水力停留时间 t 水温为 20℃ 时：
水温为 10℃ 时：
水温为 5℃ 时：
(2) 占地面积 A 水温为 20℃ 时：
水温为 10℃ （ 水深为 20cm） 时：
水温为 5℃ （ 水深为 30cm） 时：
)(37.875.085.180 0 22.07.0 52.0ln20ln200ln 75.1 dt ???? ???
)(49.1375.085.1800 14.07.0 52.0ln20ln20 0ln 75.1 dt ???? ???
)(103.320, 1 03, 2 31000A 24 m????
)(109.4120.0 37.81000 24 mA ????
)(100.4530.0 49.131 0 0 0 0 24 mA ???? 返回
思考题
1,作为污水生物处理技术, 稳定塘具有哪些优, 缺点？ 可以分
为哪几种类型？
2,简述稳定塘的净化机理和稳定塘对污水的净化作用 。
3,试以兼性塘为例说明稳定塘降解污染物的机理 。
4,简述土地处理系统对污水的净化作用机理 。
习题
1,简述水体中碳氮与能量循环过程 。
2,叙述自然生物技术的新进展 。
3,好氧塘中 DO值和 PH值在昼夜是如何变化的？ 为什么？
4,何谓污水湿地处理系统？
5、试比较污水土地处理与湿地处理的优缺点？
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