淺談廢水生物處理系統的物質流和能量流應用

梁敏聰

（珠海橫琴新區萊茵環保工程有限公司 廣東珠海 519060）

生態系統時時刻刻處在變化之中，生物和環境兩者之間的能量轉換和物質循環，造成了能量和物質在生物和環境之間的運動，這在生態學上就被稱為能量流和物質流。物質流和能量流的分析，就是對物質的流動和能量的轉換進行研究，主要涉及到物質和能量的流動源、流動路徑等問題。

1 廢水生物處理系統的物質流分析

1.1 研究方法

1.1.1 物質流定點觀察法

物質流定點觀察法是以某物質生命周期中的物質流狀況為研究對象，將物質流中的一個區間作為觀察區，詳細記錄下在這個區間內生命周期的各個階段物質量的流入和流出。在廢水的生物處理系統中，某一個好氧單元或缺氧單元就是一個觀察區間。

一般情況下，觀察區間的位置選擇在產品生命周期的開始。這樣的好處在于既能夠掌握上一個生命周期回收階段的具體情況，也能夠詳細了解到當前生命階段的生產、制造和使用。值得注意的是，在物質流定點觀察法中，工作分析一般不會涉及類似“儲存”、“再使用”的庫存總量環節，而是以物料的進出量為依據，計算它的凈增值。同時，該方法也是物質流定點模型的基礎。

1.1.2 物質跟蹤法

物質跟蹤法，是選擇一定數量的產品作為研究對象，來研究某物質生命周期中的物質流狀況。主要是觀察這些產品的生命周期軌跡，清楚掌握生命周期的各個階段物質量的流入和流出。在廢水的生物處理系統中，比如選定有機碳作為跟蹤對象，在觀察的過程中分析它在系統內部的轉化情況。

一般情況下，物質的跟蹤選擇是生命周期的起點到終點。在這個完整的生命周期歷程中，可以看到產品的生產、制造、使用和回收四個階段。這樣選擇的好處在于，能夠得到完整的情況和數據，有利于開展分析工作。在具體的操作中，又會有兩條不同的方法：一是建立在始端，向生產階段輸入天然資源；二是建立在末端，向周圍的環境輸出廢棄物。該方法是物流跟蹤模型建立的基礎。

1.1.3 兩種方法的對比

對于定點觀測法而言，其優點在于能夠詳細地說明某個特定的區域內物質的轉化過程，缺點則是如果想要對整個系統進行區域物質流的描述，就要建立多個定點觀測區域。

對于物質跟蹤法而言，其優點在于可以對某一種物質在系統中的轉化過程進行詳細的分析，缺點則是如果該系統中有多種物質，那么就需要對每一種物質都進行識別和分析，這一工作會耗費大量時間。

植物在水體中，因為磷的介入，能夠促進植物的生長，這就是俗稱的富營養化。排入的受納水體中，大部分的磷都來自于廢水。由于世界范圍內的水質富營養化問題日益嚴重，所以在廢水中除磷的技術要求越來越高。剛好生物除磷的工藝方法能夠解決這個問題，并且在操作中還要結合化學沉淀技術。對廢水進行生物除磷后產生的污泥，如果重金屬和有機毒物的檢測在合格的范圍內，可以作為肥料繼續使用。

1.2 研究體系的界定

1.2.1 厭氧處理單元

厭氧處理單元的采樣點設在厭氧處理反應器的進水處和出水處，采用標準方法來測定物質的含量。物料平衡分析的對象主要是碳，它是評價厭氧處理單元運行狀況優良的有效方法。從物質流的分析過程中，我們能夠看到廢水處理場的處理工作和運行效率。通過物質流分析工藝進行中的能量平衡，從中得出經過處理工藝之后能量的具體流向。

1.2.2 好氧處理單元

為了研究好氧單元的目標和范圍，取樣點可以設置在初沉池的出水處和二沉池的出水處。

1.3 建立技能指標的平衡分析方法

1.3.1 厭氧分析方法的建立

進入厭氧反應器中的碳，來源主要包括進水有機物和致堿物質，從反應器中流出的碳，其來源則主要有出水有機物、無機碳、產生的氣體。值得注意的是，致堿物質和無機碳這兩者的含碳量很小，所以在計算時可以忽略不計。由此，得到碳的理論平衡方程式是：Qinlet×Ecod×Ccod=Qg×(P二氧化碳+P甲烷)/22.4+qsym。其中，Qinlet指代厭氧反應器中的進水流量，Ecod指代COD的生化轉化率，Ccod指代厭氧反應器進水中的COD濃度，qsym指代用于細菌合成的有機物。

1.3.2 好氧分析方法的建立

（1）碳平衡。當面對活性污泥系統時，降解有機碳的工作，不僅發生在有氧條件中，一些時候硝酸根離子也會作為電子受體。而硝酸根離子的呼吸，也可以通過反硝化量進行計算。

（2）氮平衡。在缺氧或厭氧的單元中，為了維持氮的平衡，就必須通過硝酸鹽的平衡來確定單元中被反硝化的氮含量。

（3）磷平衡。磷的計算方式和碳、氮都不同，這是因為在廢水的處理系統中，磷不會以單質和氣態化合物的形式來出現。因此，在開放系統中，排除磷的工作就只能在污泥中進行。在廢水處理系統中，磷的含量計算為出水時的磷和剩余污泥中的磷兩者的含量之和。

2 廢水生物處理系統的能量流分析

2.1 物質流和能量流的關系

物質流的平衡分析主要對象是碳、氮、磷，對于廢水處理廠的運行狀況是一種有效的評價方法。它能夠反應出廢水處理廠的處理工作和運行效率。通過物質流分析工藝進行中的能量平衡，從中得出經過處理工藝之后能量的具體流向。而能量的流向，則反應出廢水處理過程中能量的利用情況。

2.2 研究體系的界定

能量流的研究方式和物質流類似，再此不再重復介紹。

2.3 能量流中技能指標的分析

廢水處理的能量消耗，不僅取決于處理前后廢水本身的相應能級，也取決于熱能、機械能的需要量。在廢水處理中，能量的需要一般與兩個因素有關：一是污染質的去除量，二是廢水的流量。

對廢水進行處理，最基本的目標就是在廢水中去除有機物，并且在處理前，對可生化的有機物進行濃縮和穩定。也因此，廢水處理中最主要的能源依據就是可生化降解的有機物。對于容易腐爛的有機物而言，采取生物化學反應或者熱化學反應是比較好的方法。

化學能在表示上常常采用氧含量的形式，這是為了穩定主要能源的需求。在分析工作中，常常引入化學需氧量和化學潛能兩個參數。然而，在城市廢水中，會出現許多難以降解的有機物，大概占據有機物總數量的一半。好在工業廢水通過生化方式進行降解的比例很大，基本上可以實現全部降解。

2.4 建立技能指標的平衡分析方法

2.4.1 厭氧單元分析方法的建立

對于厭氧單元而言，在平衡的條件下，最終產物是甲烷的化學潛能要考慮在內，而二氧化碳則不含化學能。所以，厭氧系統的能量平衡在理論上可以表示為：BEP有機物=CEP細胞+CEP甲烷+CEP熱和功。其中，BEP有機物指代有機物的生化潛能，CEP細胞指代細胞的生化潛能，CEP甲烷指代甲烷的生化潛能，CEP熱和功指代釋放的熱和做功的生化潛能。

2.4.2 好氧單元分析方法的建立

在廢水的生物處理反應中，微生物能夠充分利用廢水中的有機物，有機污染物能夠和硝酸鹽、氧分子結合，釋放出的能量一部分用于微生物同化作用的耗能，另一部分用于維持微生物自身的生存耗能。

由于廢水中有機物的成分非常復雜，許多有機物的結構目前都是未知的，現有的檢測手段難以檢測出具體狀況。所以，在計算廢水中所含的化學能時，不能找出全部的有機物分子式。而在能源計算上，往往將電能轉化為一次能源。

3 結語

以廢水生物處理系統中的好氧單元和厭氧單元為主要研究對象，通過數學模型的應用和單物質區域的觀察，對生物系統中的碳、氮、磷等元素進行物質流和能量流分析，從而建立起廢水生物處理系統中好氧單元和厭氧單元的物質流、能量流平衡分析方法。使用該方法，能夠對好氧單元和厭氧單元的物質和能量的流向進行合理有效的分析，從而為廢水生物處理系統的正常運行提供科學依據，不斷促進廢水處理工業的穩定持續發展。