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)時時刻刻處在變化之中，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)境之間的運動，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，就是對物質(zhì)的流動和能量的轉(zhuǎn)換進行研究，主要涉及到物質(zhì)和能量的流動源、流動路徑等問題。

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)流定點觀察法

物質(zhì)流定點觀察法是以某物質(zhì)生命周期中的物質(zhì)流狀況為研究對象，將物質(zhì)流中的一個區(qū)間作為觀察區(qū)，詳細(xì)記錄下在這個區(qū)間內(nèi)生命周期的各個階段物質(zhì)量的流入和流出。在廢水的生物處理系統(tǒng)中，某一個好氧單元或缺氧單元就是一個觀察區(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(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(huán)節(jié)，而是以物料的進出量為依據(jù)，計算它的凈增值。同時，該方法也是物質(zhì)流定點模型的基礎(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)品作為研究對象，來研究某物質(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，比如選定有機碳作為跟蹤對象，在觀察的過程中分析它在系統(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到終點。在這個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(chǎn)階段輸入天然資源；二是建立在末端，向周圍的環(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 兩種方法的對比

對于定點觀測法而言，其優(yōu)點在于能夠詳細(xì)地說明某個特定的區(qū)域內(nèi)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程，缺點則是如果想要對整個系統(tǒng)進行區(qū)域物質(zhì)流的描述，就要建立多個定點觀測區(qū)域。

對于物質(zhì)跟蹤法而言，其優(yōu)點在于可以對某一種物質(zhì)在系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化過程進行詳細(xì)的分析，缺點則是如果該系統(tǒng)中有多種物質(zhì)，那么就需要對每一種物質(zhì)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(yǎng)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(nèi)的水質(zhì)富營養(yǎng)化問題日益嚴(yán)重，所以在廢水中除磷的技術(shù)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(jié)合化學(xué)沉淀技術(shù)。對廢水進行生物除磷后產(chǎn)生的污泥，如果重金屬和有機毒物的檢測在合格的范圍內(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設(shè)在厭氧處理反應(yīng)器的進水處和出水處，采用標(biāo)準(zhǔn)方法來測定物質(zhì)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(yōu)良的有效方法。從物質(zhì)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(zhì)流分析工藝進行中的能量平衡，從中得出經(jīng)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(biāo)和范圍，取樣點可以設(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

進入?yún)捬醴磻?yīng)器中的碳，來源主要包括進水有機物和致堿物質(zhì)，從反應(yīng)器中流出的碳，其來源則主要有出水有機物、無機碳、產(chǎn)生的氣體。值得注意的是，致堿物質(zhì)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(yīng)器中的進水流量，Ecod指代COD的生化轉(zhuǎn)化率，Ccod指代厭氧反應(yīng)器進水中的COD濃度，qsym指代用于細(xì)菌合成的有機物。

1.3.2 好氧分析方法的建立

（1）碳平衡。當(dāng)面對活性污泥系統(tǒng)時，降解有機碳的工作，不僅發(fā)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(tǒng)中，磷不會以單質(zhì)和氣態(tài)化合物的形式來出現(xiàn)。因此，在開放系統(tǒng)中，排除磷的工作就只能在污泥中進行。在廢水處理系統(tǒng)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(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(yīng)出廢水處理廠的處理工作和運行效率。通過物質(zhì)流分析工藝進行中的能量平衡，從中得出經(jīng)過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，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(guān)：一是污染質(zhì)的去除量，二是廢水的流量。

對廢水進行處理，最基本的目標(biāo)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(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物。對于容易腐爛的有機物而言，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)潛能兩個參數(shù)。然而，在城市廢水中，會出現(xiàn)許多難以降解的有機物，大概占據(jù)有機物總數(shù)量的一半。好在工業(yè)廢水通過生化方式進行降解的比例很大，基本上可以實現(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有機物=CEP細(xì)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(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物，有機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。

由于廢水中有機物的成分非常復(fù)雜，許多有機物的結(jié)構(gòu)目前都是未知的，現(xiàn)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(xué)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(zhuǎn)化為一次能源。

3 結(jié)語

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象，通過數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用和單物質(zhì)區(qū)域的觀察，對生物系統(tǒng)中的碳、氮、磷等元素進行物質(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)和能量的流向進行合理有效的分析，從而為廢水生物處理系統(tǒng)的正常運行提供科學(xué)依據(jù)，不斷促進廢水處理工業(yè)的穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展。