生态工程与污水处理系统

• 一些学者把生态系统中的物种按其资源利用方式划分 为同资源功能组（guild，相当于同业工会）和异质功 能组。
• ③空间结构
• 是生物群落的空间格局状况，包括群落的垂直结构 （成层现象）和水平结构（种群的水平配置格局）。
• ④ 时间结构
• 主要是指物种的时间变化关系和发育特征，构成一个 完整的季相。
生态工程与污水处理系统
• 讨论生态工程与污水处理系统，首先要了解生态 工程，生态工程从本质上就是生态系统的思想加 上工程设计，讨论生态工程我们先从生态系统开 始，让我们简单回顾一下生态系统。
• 一、生态系统概述 • 1. 生态系统的基本概念 • 生态系统可以定义为一定空间内生物和非生物成
分通过物质的循环、能量的流动和信息的交换而 相互作用、相互依存所构成的生态功能单元。
• 3. 污水土地处理系统
• 土地处理就是人工可控的条件下将污水投配到土 壤上，通过土壤——植物系统自然地完成一系列 物理、化学和生物净化过程，达到设计所要求的 净化程度的一种污水处理方法。
• 利用土地以及其中的微生物和植物根系对污染物 的净化能力来处理已经过预处理的污水或废水， 同时利用其中的水分和肥分促进农作物、牧草或 树木生长的工程设施称为土地处理系统。
• (1) 土地处理系统的组成
• (2) 土地处理的净化机理
• 土地处理系统的净化机理包括土壤的过滤截留， 物理和化学的吸附、化学分解、生物氧化以及植 物和微生物的摄取等作用。
• （4）信息传递
• 生态系统的功能除体现在生物生产过程、能量流动 和物质循环方面外，还表现在系统中各生命成分之 间存在着信息的输入、输出和传递。
• 包括：①营养信息：即通过营养交换的形式或以 食物链的关系，把信息从一个种群（或个体）传 递给另一个种群（或个体）；②物理信息，由生 态系统物种本身赋予的颜色、光和发出的声音等 构成。③化学信息：是指在某些特定条件下，生 物体分泌出某种特殊的化学物质，借以传递某种 信息；④行为信息，如鸟类发情期的“舞蹈”动 作，燕子求偶时在空中的特殊飞行格式等。
• （3）人为影响划分法
• 按人类对生态系统的影响性质和大小分为：①自 然生态系统；②人工生态系统；③受干扰生态系 统；④污染生态系统。
• 二、生态工程
• 1. 生态工程的定义及其应用
• 生态工程一般指人工设计的，以生物种群为主要 结构组分，具有一定功能的、宏观的、人为参与 调控的工程系统。
• 生态工程可以是人工设计的一个群落，一个生态 系统或一个更为宏观的地域性的生态空间。
• （2）物质循环
• 生态系统中的物质主要是指维持生命活动正常进行 所必须的各种营养元素，包括C、H、O、N、P和 S等。这些物质也是通过食物链各营养级传递和转 化的，从而构成了生态系统的物质流动。
• （3）能量流动
• 生态系统中的能量流动（energy flow）是指能量通 过食物网在系统内的传递和耗散过程，即能量在生 态系统中的行为。它始于生产者的初级生产止于还 原者功能的完成，整个过程包括着能量形态的转变， 能量的转移、利用和耗散。
改善水质。
• D. 水生植物 • 包括：浮水植物、沉水植物、挺水植物
• 主要作用：可以光合放氧，吸收利用有机物，净 化水体。
• E. 高等水生动物 • 主要是鱼、螺蚌、鸭、鹅等水禽。 • 作用：捕食水生植物、低等动物，净化水体。 • ②稳定塘生态系统及其特点：
• 稳定塘的生态系统与湖泊生态系统有很多相似之 处，但稳定塘是一种半人工的生态系统，因此又 有独特的特点。
• 总之，生态系统可以概括为：自然界一定空间的 生物与环境之间相互作用、相互制约、不断演变， 达到动态平衡、相对稳定的统一整体，是具有一 定结构和功能的单位。生态系统的核心问题是结 构、功能及其调节机制。
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• 2. 生态系统组成成分和结构
• （1）生态系统的组成成分
• 生态系统由两部分、四个基本成分所组成。两大 部分就是生物和非生物环境，或称之为生命系统 和环境系统。四个基本成分是指生产者、消费者、 还原者和非生物环境。
• 过去称为氧化塘（oxidation pond）现在称为稳定 塘（stabilization pond）
• （1）概述
• 国家“七五”攻关课题，武汉市墨水湖中试氧化塘 平面图：
污水→ 泵→沉淀池
兼兼
兼
兼
综
合
厌 兼
兼
生
兼兼
物
塘
• * 厌：厌氧塘 兼：兼性塘
• 定义：稳定塘又称氧化塘，是利用藻类和细菌两 类生物间功能上的协同作用处理污水的一种生态 系统。
• ④还原者
• 亦称分解者，这类生物也属异养生物，故又称小 型消费者，包括细菌、真菌、放线菌和原生动物。
基本成分
光照
绿色植物
光合作用 分解者
非基本成分
食草动物 寄生动物 食腐动物 食渣动物
生产者 食肉动物
消费者
营养盐类
无生命部分
转换者
有生命的成份
• （2）生态系统的结构
• 生态系统的结构包括营养结构、物种结构、空间结构 和时间结构。
• 2. 水生植物塘（水生植物处理污水系统） • 水生植物处理污水系统可以与稳定塘前面的处理
系统联用，也可以单独使用。 • （1）水生植物处理污水的净化作用和原理 • ①水生植物对氮、磷等污染物的吸收和去除。 • ②水生植物对重金属的吸收和积累。 • ③ 水生植物对有毒有害有机污染物的吸收和降解。 • （2）水生植物处理污水的系统 • ①单一水生植物系统 • ②复合水生植物处理系统 • ③藻类处理系统 • ④光生物反应器
• 优点：构造简单，投资较低，节约能源，处理效 果稳定。
• 缺点：主要占地面积大。
• （2）稳定塘处理过程净化污水的原理
• 原理：是利用藻菌共生关系和食物链分解污水中 污染物的生物净化作用和物理的、化学的净化作 用，使污水得到净化。
• ①稳定塘中的生物组成
• 活跃在稳定塘中并对污水净化起作用的生物主要 有细菌、藻类、原生动物及后生动物、水生植物 及其它高等水生动物。
• 5. 生态系统类型划分
• （1）空间环境性质划分法
• 按生态系统空间环境性质，可把生态系统分为：① 淡水生态系统；②海洋生态系统；③陆地生态系统。
• （2）组分——价值划分法
• 按生态系统的组分或应用价值，生态系统可以分为： ①农田生态系统；②森林生态系统；③草地生态系 统；④果园生态系统；⑤水生生态系统；⑥聚落或 城市生态系统；⑦道路生态系统。
• ①非生物环境
• 包括气候因子和营养因子以及生物赖以生存的无 机介质。
• ②生产者
• 是生物成分中能利用太阳能等能源，将简单无机 物合成复杂有机物的自养生物，如陆生的各种植 物、水生的高等植物和藻类，还包括一些光能细 菌和化能细菌。
• ③消费者
• 是靠自养生物或其他生物为食而获得生存能量的 异养生物，主要是各类动物。
• 稳定塘生物类群的生态关系： • a. 藻菌共生关系 • b. 食物链中的吞食关系 • ③稳定塘对污水的净化作用原理 • A. 稀释作用 • B. 沉淀和絮凝沉淀作用 • C. 有机物的好氧分解 • 氧的消耗 • 氧的补充 • D. 有机物的厌氧消化 • E. 浮游生物的净化作用 • F. 水生维管束植物的净化作用
• （5）工农业联合生态工程
• 三、污水处理生态工程
• 污水处理生态工程可以理解为生态学原理和工程 处理设施相结合的污水处理方法。由于这种处理 方法和污水的资源化密切相关，因此也称为污水 资源化生态工程。一般说来这种处理方法包括： 稳定塘、土地处理系统、人工湿地系统、水生植 物处理系统等。
• 1. 稳定塘
• 4. 生态系统基本特征
• （1）生态系统是动态功能系统
• 生态系统具有有机体的一系列生物学特性，如发 育、代谢、繁殖、生长和衰老等。任何一个生态 系统总是处于不断发展、进化和演变之中，即生 态系统的演替。
• （2）生态系统具有一定的区域特征
• 生态系统都与特定的空间相联系，包含一定地区 和范围的空间概念。
• 生态工程主要是以生物种群、生物群落、生态系 统为构成的组分，所以生态学的基本原理是生态 工程构建和运行的主要理论依据。
• 在应用于环境科学研究中的生态工程设计中，按 其目的，有：污水处理的生态工程、防风固沙的 生态工程、城市垃圾处理生态工程、湖泊或水源 地治理生态工程。
• 2. 生态工程类型
• 生态系统有两个起主要作用的基本功能。一是通 过一定相互协调的结构所形成的动态平衡。二是 以多层营养结构为基础进行物质转化、分解、富 集与再生。
• 根据生态工程的性质及其主要目标，大致可分为：
• （1）物质能量多层次利用生态工程
• （2）物质转化与再生生态工程
• （3）无污染生态工程
• （4）污染自净多功能生态工程
• 复杂的自然生态系统内部具有缓冲能力和调节能力， 即使由于某处物质积累，损坏系统的原来结构，也 会出现适应新情况的生物更新，此种现象称为自净。 模拟如此复杂功能的工艺体系，可建立防治和处理 污染的多功能生态工程。
• A. 细菌 细菌是稳定塘中数量最多，作用最大的 一类微生物。
• 种类：好氧菌 兼性厌氧菌 厌氧菌 • 主要作用：污染物的生物降解 • B. 藻类：主要有蓝藻、绿藻、硅藻 • 主要作用：光合放氧，补充塘中氧是主要功能，
也有生物降解作用，特别是一些异养藻类。
• C. 原生动物及后生动物 • 原生动物：肉足类，鞭毛类，纤毛类 • 后生动物：轮虫类，甲壳类，技角类及水生昆虫。 • 主要作用：捕食微生物及藻类，吞食有机颗粒，
• （3）稳定塘系统单元塘的种类及特点：
• 按稳定塘的微生物优热群体类型以及塘的充氧状 况，可以分为好氧塘、兼性塘、厌氧塘和曝气塘， 以及精制塘、综合生物塘。
• ①好氧塘 • ②兼性塘 • ③厌氧塘 • ④曝气塘 • ⑤精制塘（深度处理塘） • ⑥ 综合生物塘 • （4）影响稳定塘处理过程的因素
• 温度、光照、混合、营养物质、微量元素、有毒 物质、蒸发量和降雨量。
• （3）生态系统是开放的“自持系统”
• 在自然生态系统中，通过生产者对光能的转化， 消费者取食植物，而动植物残体以及它们的代谢 物通过分解者作用，使结合在复杂有机物中的矿 质元素又归还到环境中，重新供植物利用。
• （4）生态系统具有自动调节功能
• 自然生态系统若未受到人类或者其他因素的严重 干扰和破坏，其结构和功能是非常和谐的，这是 因为生态系统具有自动调节功能，当生态系统受 到外来干扰而使稳定状态改变时，系统靠自身内 部的机制再返回稳定、协调状态的能力。
• 3. 生态系统的基本功能
• 生态系统中生物的生产、物质循环以及相应的能量 流动和信息传递过程，是生态系统的四大基本功能。
• （1）生物生产
• 生态系统中的生物生产包括初级生产（primary production）和次级生产（secondary production） 两个过程。前者是生产者（主要是绿色植物）把太 阳能转变为化学能的过程，故又称为植物性生产。 后者是消费者（主要是动物）的生命活动将初级产 品转化为动物能，故称为动物性生产。
• 另一个定义：是经过设计施工的，具有围堤和防 渗层的污水处理塘。
• 由于一般稳定塘均是由不同类型单元塘优化组合 而成的一个整体，因此稳定塘又称为稳定塘系统， 它是一种构造简单，管理维修容易，处理效果稳 定可靠的污水处理方法。
• 定位：稳定塘是二级生物处理。
• 处理效果：相关于常规的二级处理。
• 应用：在缺水和有大量土地可供利用的地方可以 应用。
• 生态系统的生物组织层次是生物群落，所以生态 系统也可以定义为：研究生物群落与其环境间相 互作用关系及其作用规律功能单位。
• 生态系统可以是一个很具体的概念，一个池塘、 一座别墅、一片森林或一块草地都是一个生态系 统。同时，它又是在空间范围上抽象的概念。生 态系统和生物圈只是研究的空间范畴及其复杂程 度不同。小的生态系统联合成大的生态系统，简 单的生态系统组合成复杂的生态系统，而最大、 最复杂的生态系统就是生物圈。
• ①营养结构
• 生态系统各组成成分之间建立起来的营养关系，构成 了生态系统的营养结构，它是生态系统中能量流动和 物质循环的基础。
生产者 （主要是绿色植物）
非生物环境 (空气、水、土壤)
还原者 （各种微生物）
消费者 （主要是动物）
• ②物种结构
• 生态系统内的物种组成结构，不同的生态系统差异巨 大，如水生生态系统与陆生生态系统就有很大的差异。