1、生態工程與污水處理系統 生態系統的生物組織層次是生物群落，所以生態系統也可以定義為：研究生物群落與其環境間相互作用關系及其作用規律功能單位。 生態系統可以是一個很具體的概念，一個池塘、一座別墅、一片森林或一塊草地都是一個生態系統。同時，它又是在空間范圍上抽象的概念。生態系統和生物圈只是研究的空間范疇及其復雜程度不同。小的生態系統聯合成大的生態系統，簡單的生態系統組合成復雜的生態系統，而最大、最復雜的生態系統就是生物圈。 總之，生態系統可以概括為：自然界一定空間的生物與環境之間相互作用、相互制約、不斷演變，達到動態平衡、相對穩定的統一整體，是具有一定結構和功能的單位。生態系統的核心問題是結構、功

2、能及其調節機制。 2. 生態系統組成成分和結構 （1）生態系統的組成成分 生態系統由兩部分、四個基本成分所組成。兩大部分就是生物和非生物環境，或稱之為生命系統和環境系統。四個基本成分是指生產者、消費者、還原者和非生物環境。 非生物環境 包括氣候因子和營養因子以及生物賴以生存的無機介質。 生產者 是生物成分中能利用太陽能等能源，將簡單無機物合成復雜有機物的自養生物，如陸生的各種植物、水生的高等植物和藻類，還包括一些光能細菌和化能細菌。 消費者 是靠自養生物或其他生物為食而獲得生存能量的異養生物，主要是各類動物。 還原者 亦稱分解者，這類生物也屬異養生物，故又稱小型消費者，包括細菌、真菌、放線菌和

3、原生動物。光照綠色植物食草動物寄生動物食腐動物食渣動物食肉動物分解者光合作用轉換者營養鹽類無生命部分基本成分生產者有生命的成份消費者非基本成分 （2）生態系統的結構 生態系統的結構包括營養結構、物種結構、空間結構和時間結構。 營養結構 生態系統各組成成分之間建立起來的營養關系，構成了生態系統的營養結構，它是生態系統中能量流動和物質循環的基礎。生產者（主要是綠色植物）消費者（主要是動物）還原者（各種微生物）非生物環境(空氣、水、土壤) 物種結構 生態系統內的物種組成結構，不同的生態系統差異巨大，如水生生態系統與陸生生態系統就有很大的差異。 一些學者把生態系統中的物種按其資源利用方式劃分為同資源功

4、能組（guild，相當于同業工會）和異質功能組。 空間結構 是生物群落的空間格局狀況，包括群落的垂直結構（成層現象）和水平結構（種群的水平配置格局）。 時間結構 主要是指物種的時間變化關系和發育特征，構成一個完整的季相。 3. 生態系統的基本功能 生態系統中生物的生產、物質循環以及相應的能量流動和信息傳遞過程，是生態系統的四大基本功能。 （1）生物生產 生態系統中的生物生產包括初級生產（primary production）和次級生產（secondary production）兩個過程。前者是生產者（主要是綠色植物）把太陽能轉變為化學能的過程，故又稱為植物性生產。后者是消費者（主要是動物）的生

5、命活動將初級產品轉化為動物能，故稱為動物性生產。 （2）物質循環 生態系統中的物質主要是指維持生命活動正常進行所必須的各種營養元素，包括c、h、o、n、p和s等。這些物質也是通過食物鏈各營養級傳遞和轉化的，從而構成了生態系統的物質流動。 （3）能量流動 生態系統中的能量流動（energy flow）是指能量通過食物網在系統內的傳遞和耗散過程，即能量在生態系統中的行為。它始于生產者的初級生產止于還原者功能的完成，整個過程包括著能量形態的轉變，能量的轉移、利用和耗散。 （4）信息傳遞 生態系統的功能除體現在生物生產過程、能量流動和物質循環方面外，還表現在系統中各生命成分之間存在著信息的輸入、輸出和

6、傳遞。 包括：營養信息：即通過營養交換的形式或以食物鏈的關系，把信息從一個種群（或個體）傳遞給另一個種群（或個體）；物理信息，由生態系統物種本身賦予的顏色、光和發出的聲音等構成。化學信息：是指在某些特定條件下，生物體分泌出某種特殊的化學物質，借以傳遞某種信息；行為信息，如鳥類發情期的“舞蹈”動作，燕子求偶時在空中的特殊飛行格式等。 4. 生態系統基本特征 （1）生態系統是動態功能系統 生態系統具有有機體的一系列生物學特性，如發育、代謝、繁殖、生長和衰老等。任何一個生態系統總是處于不斷發展、進化和演變之中，即生態系統的演替。 （2）生態系統具有一定的區域特征 生態系統都與特定的空間相聯系，包含一

7、定地區和范圍的空間概念。 （3）生態系統是開放的“自持系統” 在自然生態系統中，通過生產者對光能的轉化，消費者取食植物，而動植物殘體以及它們的代謝物通過分解者作用，使結合在復雜有機物中的礦質元素又歸還到環境中，重新供植物利用。 （4）生態系統具有自動調節功能 自然生態系統若未受到人類或者其他因素的嚴重干擾和破壞，其結構和功能是非常和諧的，這是因為生態系統具有自動調節功能，當生態系統受到外來干擾而使穩定狀態改變時，系統靠自身內部的機制再返回穩定、協調狀態的能力。 5. 生態系統類型劃分 （1）空間環境性質劃分法 按生態系統空間環境性質，可把生態系統分為：淡水生態系統；海洋生態系統；陸地生態系統。

8、 （2）組分價值劃分法 按生態系統的組分或應用價值，生態系統可以分為：農田生態系統；森林生態系統；草地生態系統；果園生態系統；水生生態系統；聚落或城市生態系統；道路生態系統。 （3）人為影響劃分法 按人類對生態系統的影響性質和大小分為：自然生態系統；人工生態系統；受干擾生態系統；污染生態系統。 二、生態工程二、生態工程 1. 生態工程的定義及其應用 生態工程一般指人工設計的，以生物種群為主要結構組分，具有一定功能的、宏觀的、人為參與調控的工程系統。 生態工程可以是人工設計的一個群落，一個生態系統或一個更為宏觀的地域性的生態空間。 生態工程主要是以生物種群、生物群落、生態系統為構成的組分，所以生

9、態學的基本原理是生態工程構建和運行的主要理論依據。 在應用于環境科學研究中的生態工程設計中，按其目的，有：污水處理的生態工程、防風固沙的生態工程、城市垃圾處理生態工程、湖泊或水源地治理生態工程。 2. 生態工程類型 生態系統有兩個起主要作用的基本功能。一是通過一定相互協調的結構所形成的動態平衡。二是以多層營養結構為基礎進行物質轉化、分解、富集與再生。 根據生態工程的性質及其主要目標，大致可分為： （1）物質能量多層次利用生態工程 （2）物質轉化與再生生態工程 （3）無污染生態工程 （4）污染自凈多功能生態工程 復雜的自然生態系統內部具有緩沖能力和調節能力，即使由于某處物質積累，損壞系統的原來結

10、構，也會出現適應新情況的生物更新，此種現象稱為自凈。模擬如此復雜功能的工藝體系，可建立防治和處理污染的多功能生態工程。 （5）工農業聯合生態工程 三、污水處理生態工程三、污水處理生態工程 污水處理生態工程可以理解為生態學原理和工程處理設施相結合的污水處理方法。由于這種處理方法和污水的資源化密切相關，因此也稱為污水資源化生態工程。一般說來這種處理方法包括：穩定塘、土地處理系統、人工濕地系統、水生植物處理系統等。 1. 穩定塘 過去稱為氧化塘（oxidation pond）現在稱為穩定塘（stabilization pond） （1）概述 國家“七五”攻關課題，武漢市墨水湖中試氧化塘平面圖：* 厭

11、：厭氧塘 兼：兼性塘兼兼兼兼兼兼兼兼厭綜合生物塘污水 泵沉淀池 定義：穩定塘又稱氧化塘，是利用藻類和細菌兩類生物間功能上的協同作用處理污水的一種生態系統。 另一個定義：是經過設計施工的，具有圍堤和防滲層的污水處理塘。 由于一般穩定塘均是由不同類型單元塘優化組合而成的一個整體，因此穩定塘又稱為穩定塘系統，它是一種構造簡單，管理維修容易，處理效果穩定可靠的污水處理方法。 定位：穩定塘是二級生物處理。 處理效果：相關于常規的二級處理。 應用：在缺水和有大量土地可供利用的地方可以應用。 優點：構造簡單，投資較低，節約能源，處理效果穩定。 缺點：主要占地面積大。 （2）穩定塘處理過程凈化污水的原理 原理

12、：是利用藻菌共生關系和食物鏈分解污水中污染物的生物凈化作用和物理的、化學的凈化作用，使污水得到凈化。 穩定塘中的生物組成 活躍在穩定塘中并對污水凈化起作用的生物主要有細菌、藻類、原生動物及后生動物、水生植物及其它高等水生動物。 a. 細菌 細菌是穩定塘中數量最多，作用最大的一類微生物。 種類：好氧菌 兼性厭氧菌 厭氧菌 主要作用：污染物的生物降解 b. 藻類：主要有藍藻、綠藻、硅藻 主要作用：光合放氧，補充塘中氧是主要功能，也有生物降解作用，特別是一些異養藻類。 c. 原生動物及后生動物 原生動物：肉足類，鞭毛類，纖毛類 后生動物：輪蟲類，甲殼類，技角類及水生昆蟲。 主要作用：捕食微生物及藻類

13、，吞食有機顆粒，改善水質。 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，吸收利用有機物，凈化水體。 e. 高等水生動物 主要是魚、螺蚌、鴨、鵝等水禽。 作用：捕食水生植物、低等動物，凈化水體。 穩定塘生態系統及其特點： 穩定塘的生態系統與湖泊生態系統有很多相似之處，但穩定塘是一種半人工的生態系統，因此又有獨特的特點。 穩定塘生物類群的生態關系： a. 藻菌共生關系 b. 食物鏈中的吞食關系 穩定塘對污水的凈化作用原理 a. 稀釋作用 b. 沉淀和絮凝沉淀作用 c. 有機物的好氧分解 氧的消耗 氧的補充 d. 有機物的厭氧消化 e. 浮游生物的凈化作用 f. 水生

14、維管束植物的凈化作用 （3）穩定塘系統單元塘的種類及特點： 按穩定塘的微生物優熱群體類型以及塘的充氧狀況，可以分為好氧塘、兼性塘、厭氧塘和曝氣塘，以及精制塘、綜合生物塘。 好氧塘 兼性塘 厭氧塘 曝氣塘 精制塘（深度處理塘） 綜合生物塘 （4）影響穩定塘處理過程的因素 溫度、光照、混合、營養物質、微量元素、有毒物質、蒸發量和降雨量。 2. 水生植物塘（水生植物處理污水系統） 水生植物處理污水系統可以與穩定塘前面的處理系統聯用，也可以單獨使用。 （1）水生植物處理污水的凈化作用和原理 水生植物對氮、磷等污染物的吸收和去除。 水生植物對重金屬的吸收和積累。 水生植物對有毒有害有機污染物的吸收和降解

15、。 （2）水生植物處理污水的系統 單一水生植物系統 復合水生植物處理系統 藻類處理系統 光生物反應器 3. 污水土地處理系統 土地處理就是人工可控的條件下將污水投配到土壤上，通過土壤植物系統自然地完成一系列物理、化學和生物凈化過程，達到設計所要求的凈化程度的一種污水處理方法。 利用土地以及其中的微生物和植物根系對污染物的凈化能力來處理已經過預處理的污水或廢水，同時利用其中的水分和肥分促進農作物、牧草或樹木生長的工程設施稱為土地處理系統。 (1) 土地處理系統的組成 (2) 土地處理的凈化機理 土地處理系統的凈化機理包括土壤的過濾截留，物理和化學的吸附、化學分解、生物氧化以及植物和微生物的攝取等

16、作用。 (3) 凈化能力及負荷 (4) 不同處理類型 快速滲濾系統（rapid infilteration land treatment ri） 地表漫流系統（漫灌系統） 慢速滲濾系統（slow rate s.r） 自然濕地系統 人工濕地污水處理系統 (5) 土地處理系統的規劃及設計 (6) 進入土地系統的污水標準及預處理 4. 人工濕地污水處理系統（constructed wetland treatment system）(人工構建的土壤植物微生物處理系統) (1) 基本結構 (2) 人工濕地的水流方式 平流式 垂直流 轉流 (3) 人工濕地的應用 (4) 人工濕地系統的強化處理 人工濕地處理污水的前處理強化 根際微生物強化處理 人工濕