淺談廢水生物處理系統(tǒng)的物質(zhì)流和能量流應(yīng)用

梁敏聰

（珠海橫琴新區(qū)萊茵環(huán)保工程有限公司 廣東珠海 519060）

生態(tài)系統(tǒng)時(shí)時(shí)刻刻處在變化之中，生物和環(huán)境兩者之間的能量轉(zhuǎn)換和物質(zhì)循環(huán)，造成了能量和物質(zhì)在生物和環(huán)境之間的運(yùn)動(dòng)，這在生態(tài)學(xué)上就被稱為能量流和物質(zhì)流。物質(zhì)流和能量流的分析，就是對(duì)物質(zhì)的流動(dòng)和能量的轉(zhuǎn)換進(jìn)行研究，主要涉及到物質(zhì)和能量的流動(dòng)源、流動(dòng)路徑等問(wèn)題。

1 廢水生物處理系統(tǒng)的物質(zhì)流分析

1.1 研究方法

1.1.1 物質(zhì)流定點(diǎn)觀察法

物質(zhì)流定點(diǎn)觀察法是以某物質(zhì)生命周期中的物質(zhì)流狀況為研究對(duì)象，將物質(zhì)流中的一個(gè)區(qū)間作為觀察區(qū)，詳細(xì)記錄下在這個(gè)區(qū)間內(nèi)生命周期的各個(gè)階段物質(zhì)量的流入和流出。在廢水的生物處理系統(tǒng)中，某一個(gè)好氧單元或缺氧單元就是一個(gè)觀察區(qū)間。

一般情況下，觀察區(qū)間的位置選擇在產(chǎn)品生命周期的開(kāi)始。這樣的好處在于既能夠掌握上一個(gè)生命周期回收階段的具體情況，也能夠詳細(xì)了解到當(dāng)前生命階段的生產(chǎn)、制造和使用。值得注意的是，在物質(zhì)流定點(diǎn)觀察法中，工作分析一般不會(huì)涉及類(lèi)似“儲(chǔ)存”、“再使用”的庫(kù)存總量環(huán)節(jié)，而是以物料的進(jìn)出量為依據(jù)，計(jì)算它的凈增值。同時(shí)，該方法也是物質(zhì)流定點(diǎn)模型的基礎(chǔ)。

1.1.2 物質(zhì)跟蹤法

物質(zhì)跟蹤法，是選擇一定數(shù)量的產(chǎn)品作為研究對(duì)象，來(lái)研究某物質(zhì)生命周期中的物質(zhì)流狀況。主要是觀察這些產(chǎn)品的生命周期軌跡，清楚掌握生命周期的各個(gè)階段物質(zhì)量的流入和流出。在廢水的生物處理系統(tǒng)中，比如選定有機(jī)碳作為跟蹤對(duì)象，在觀察的過(guò)程中分析它在系統(tǒng)內(nèi)部的轉(zhuǎn)化情況。

一般情況下，物質(zhì)的跟蹤選擇是生命周期的起點(diǎn)到終點(diǎn)。在這個(gè)完整的生命周期歷程中，可以看到產(chǎn)品的生產(chǎn)、制造、使用和回收四個(gè)階段。這樣選擇的好處在于，能夠得到完整的情況和數(shù)據(jù)，有利于開(kāi)展分析工作。在具體的操作中，又會(huì)有兩條不同的方法：一是建立在始端，向生產(chǎn)階段輸入天然資源；二是建立在末端，向周?chē)沫h(huán)境輸出廢棄物。該方法是物流跟蹤模型建立的基礎(chǔ)。

1.1.3 兩種方法的對(duì)比

對(duì)于定點(diǎn)觀測(cè)法而言，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠詳細(xì)地說(shuō)明某個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過(guò)程，缺點(diǎn)則是如果想要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域物質(zhì)流的描述，就要建立多個(gè)定點(diǎn)觀測(cè)區(qū)域。

對(duì)于物質(zhì)跟蹤法而言，其優(yōu)點(diǎn)在于可以對(duì)某一種物質(zhì)在系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的分析，缺點(diǎn)則是如果該系統(tǒng)中有多種物質(zhì)，那么就需要對(duì)每一種物質(zhì)都進(jìn)行識(shí)別和分析，這一工作會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間。

植物在水體中，因?yàn)榱椎慕槿?，能夠促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，這就是俗稱的富營(yíng)養(yǎng)化。排入的受納水體中，大部分的磷都來(lái)自于廢水。由于世界范圍內(nèi)的水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日益嚴(yán)重，所以在廢水中除磷的技術(shù)要求越來(lái)越高。剛好生物除磷的工藝方法能夠解決這個(gè)問(wèn)題，并且在操作中還要結(jié)合化學(xué)沉淀技術(shù)。對(duì)廢水進(jìn)行生物除磷后產(chǎn)生的污泥，如果重金屬和有機(jī)毒物的檢測(cè)在合格的范圍內(nèi)，可以作為肥料繼續(xù)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(diǎn)設(shè)在厭氧處理反應(yīng)器的進(jìn)水處和出水處，采用標(biāo)準(zhǔn)方法來(lái)測(cè)定物質(zhì)的含量。物料平衡分析的對(duì)象主要是碳，它是評(píng)價(jià)厭氧處理單元運(yùn)行狀況優(yōu)良的有效方法。從物質(zhì)流的分析過(guò)程中，我們能夠看到廢水處理場(chǎng)的處理工作和運(yùn)行效率。通過(guò)物質(zhì)流分析工藝進(jìn)行中的能量平衡，從中得出經(jīng)過(guò)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(biāo)和范圍，取樣點(diǎn)可以設(shè)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(biāo)的平衡分析方法

1.3.1 厭氧分析方法的建立

進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器中的碳，來(lái)源主要包括進(jìn)水有機(jī)物和致堿物質(zhì)，從反應(yīng)器中流出的碳，其來(lái)源則主要有出水有機(jī)物、無(wú)機(jī)碳、產(chǎn)生的氣體。值得注意的是，致堿物質(zhì)和無(wú)機(jī)碳這兩者的含碳量很小，所以在計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)。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(yīng)器中的進(jìn)水流量，Ecod指代COD的生化轉(zhuǎn)化率，Ccod指代厭氧反應(yīng)器進(jìn)水中的COD濃度，qsym指代用于細(xì)菌合成的有機(jī)物。

1.3.2 好氧分析方法的建立

（1）碳平衡。當(dāng)面對(duì)活性污泥系統(tǒng)時(shí)，降解有機(jī)碳的工作，不僅發(fā)生在有氧條件中，一些時(shí)候硝酸根離子也會(huì)作為電子受體。而硝酸根離子的呼吸，也可以通過(guò)反硝化量進(jìn)行計(jì)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(guò)硝酸鹽的平衡來(lái)確定單元中被反硝化的氮含量。

（3）磷平衡。磷的計(jì)算方式和碳、氮都不同，這是因?yàn)樵趶U水的處理系統(tǒng)中，磷不會(huì)以單質(zhì)和氣態(tài)化合物的形式來(lái)出現(xiàn)。因此，在開(kāi)放系統(tǒng)中，排除磷的工作就只能在污泥中進(jìn)行。在廢水處理系統(tǒng)中，磷的含量計(jì)算為出水時(shí)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(tǒng)的能量流分析

2.1 物質(zhì)流和能量流的關(guān)系

物質(zhì)流的平衡分析主要對(duì)象是碳、氮、磷，對(duì)于廢水處理廠的運(yùn)行狀況是一種有效的評(píng)價(jià)方法。它能夠反應(yīng)出廢水處理廠的處理工作和運(yùn)行效率。通過(guò)物質(zhì)流分析工藝進(jìn)行中的能量平衡，從中得出經(jīng)過(guò)處理工藝之后能量的具體流向。而能量的流向，則反應(yīng)出廢水處理過(guò)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(zhì)流類(lèi)似，再此不再重復(fù)介紹。

2.3 能量流中技能指標(biāo)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(yīng)能級(jí)，也取決于熱能、機(jī)械能的需要量。在廢水處理中，能量的需要一般與兩個(gè)因素有關(guān)：一是污染質(zhì)的去除量，二是廢水的流量。

對(duì)廢水進(jìn)行處理，最基本的目標(biāo)就是在廢水中去除有機(jī)物，并且在處理前，對(duì)可生化的有機(jī)物進(jìn)行濃縮和穩(wěn)定。也因此，廢水處理中最主要的能源依據(jù)就是可生化降解的有機(jī)物。對(duì)于容易腐爛的有機(jī)物而言，采取生物化學(xué)反應(yīng)或者熱化學(xué)反應(yīng)是比較好的方法。

化學(xué)能在表示上常常采用氧含量的形式，這是為了穩(wěn)定主要能源的需求。在分析工作中，常常引入化學(xué)需氧量和化學(xué)潛能兩個(gè)參數(shù)。然而，在城市廢水中，會(huì)出現(xiàn)許多難以降解的有機(jī)物，大概占據(jù)有機(jī)物總數(shù)量的一半。好在工業(yè)廢水通過(guò)生化方式進(jìn)行降解的比例很大，基本上可以實(shí)現(xiàn)全部降解。

2.4 建立技能指標(biāo)的平衡分析方法

2.4.1 厭氧單元分析方法的建立

對(duì)于厭氧單元而言，在平衡的條件下，最終產(chǎn)物是甲烷的化學(xué)潛能要考慮在內(nèi)，而二氧化碳則不含化學(xué)能。所以，厭氧系統(tǒng)的能量平衡在理論上可以表示為：BEP有機(jī)物=CEP細(xì)胞+CEP甲烷+CEP熱和功。其中，BEP有機(jī)物指代有機(jī)物的生化潛能，CEP細(xì)胞指代細(xì)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(yīng)中，微生物能夠充分利用廢水中的有機(jī)物，有機(jī)污染物能夠和硝酸鹽、氧分子結(jié)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(jī)物的成分非常復(fù)雜，許多有機(jī)物的結(jié)構(gòu)目前都是未知的，現(xiàn)有的檢測(cè)手段難以檢測(cè)出具體狀況。所以，在計(jì)算廢水中所含的化學(xué)能時(shí)，不能找出全部的有機(jī)物分子式。而在能源計(jì)算上，往往將電能轉(zhuǎn)化為一次能源。

3 結(jié)語(yǔ)

以廢水生物處理系統(tǒng)中的好氧單元和厭氧單元為主要研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用和單物質(zhì)區(qū)域的觀察，對(duì)生物系統(tǒng)中的碳、氮、磷等元素進(jìn)行物質(zhì)流和能量流分析，從而建立起廢水生物處理系統(tǒng)中好氧單元和厭氧單元的物質(zhì)流、能量流平衡分析方法。使用該方法，能夠?qū)醚鯁卧蛥捬鯁卧奈镔|(zhì)和能量的流向進(jìn)行合理有效的分析，從而為廢水生物處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)，不斷促進(jìn)廢水處理工業(yè)的穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展。