浅谈废水生物处理系统的物质流和能量流应用

梁敏聪

（珠海横琴新区莱茵环保工程有限公司 广东珠海 519060）

生态系统时时刻刻处在变化之中，生物和环境两者之间的能量转换和物质循环，造成了能量和物质在生物和环境之间的运动，这在生态学上就被称为能量流和物质流。物质流和能量流的分析，就是对物质的流动和能量的转换进行研究，主要涉及到物质和能量的流动源、流动路径等问题。

1 废水生物处理系统的物质流分析

1.1 研究方法

1.1.1 物质流定点观察法

物质流定点观察法是以某物质生命周期中的物质流状况为研究对象，将物质流中的一个区间作为观察区，详细记录下在这个区间内生命周期的各个阶段物质量的流入和流出。在废水的生物处理系统中，某一个好氧单元或缺氧单元就是一个观察区间。

一般情况下，观察区间的位置选择在产品生命周期的开始。这样的好处在于既能够掌握上一个生命周期回收阶段的具体情况，也能够详细了解到当前生命阶段的生产、制造和使用。值得注意的是，在物质流定点观察法中，工作分析一般不会涉及类似“储存”、“再使用”的库存总量环节，而是以物料的进出量为依据，计算它的净增值。同时，该方法也是物质流定点模型的基础。

1.1.2 物质跟踪法

物质跟踪法，是选择一定数量的产品作为研究对象，来研究某物质生命周期中的物质流状况。主要是观察这些产品的生命周期轨迹，清楚掌握生命周期的各个阶段物质量的流入和流出。在废水的生物处理系统中，比如选定有机碳作为跟踪对象，在观察的过程中分析它在系统内部的转化情况。

一般情况下，物质的跟踪选择是生命周期的起点到终点。在这个完整的生命周期历程中，可以看到产品的生产、制造、使用和回收四个阶段。这样选择的好处在于，能够得到完整的情况和数据，有利于开展分析工作。在具体的操作中，又会有两条不同的方法：一是建立在始端，向生产阶段输入天然资源；二是建立在末端，向周围的环境输出废弃物。该方法是物流跟踪模型建立的基础。

1.1.3 两种方法的对比

对于定点观测法而言，其优点在于能够详细地说明某个特定的区域内物质的转化过程，缺点则是如果想要对整个系统进行区域物质流的描述，就要建立多个定点观测区域。

对于物质跟踪法而言，其优点在于可以对某一种物质在系统中的转化过程进行详细的分析，缺点则是如果该系统中有多种物质，那么就需要对每一种物质都进行识别和分析，这一工作会耗费大量时间。

植物在水体中，因为磷的介入，能够促进植物的生长，这就是俗称的富营养化。排入的受纳水体中，大部分的磷都来自于废水。由于世界范围内的水质富营养化问题日益严重，所以在废水中除磷的技术要求越来越高。刚好生物除磷的工艺方法能够解决这个问题，并且在操作中还要结合化学沉淀技术。对废水进行生物除磷后产生的污泥，如果重金属和有机毒物的检测在合格的范围内，可以作为肥料继续使用。

1.2 研究体系的界定

1.2.1 厌氧处理单元

厌氧处理单元的采样点设在厌氧处理反应器的进水处和出水处，采用标准方法来测定物质的含量。物料平衡分析的对象主要是碳，它是评价厌氧处理单元运行状况优良的有效方法。从物质流的分析过程中，我们能够看到废水处理场的处理工作和运行效率。通过物质流分析工艺进行中的能量平衡，从中得出经过处理工艺之后能量的具体流向。

1.2.2 好氧处理单元

为了研究好氧单元的目标和范围，取样点可以设置在初沉池的出水处和二沉池的出水处。

1.3 建立技能指标的平衡分析方法

1.3.1 厌氧分析方法的建立

进入厌氧反应器中的碳，来源主要包括进水有机物和致碱物质，从反应器中流出的碳，其来源则主要有出水有机物、无机碳、产生的气体。值得注意的是，致碱物质和无机碳这两者的含碳量很小，所以在计算时可以忽略不计。由此，得到碳的理论平衡方程式是：Qinlet×Ecod×Ccod=Qg×(P二氧化碳+P甲烷)/22.4+qsym。其中，Qinlet指代厌氧反应器中的进水流量，Ecod指代COD的生化转化率，Ccod指代厌氧反应器进水中的COD浓度，qsym指代用于细菌合成的有机物。

1.3.2 好氧分析方法的建立

（1）碳平衡。当面对活性污泥系统时，降解有机碳的工作，不仅发生在有氧条件中，一些时候硝酸根离子也会作为电子受体。而硝酸根离子的呼吸，也可以通过反硝化量进行计算。

（2）氮平衡。在缺氧或厌氧的单元中，为了维持氮的平衡，就必须通过硝酸盐的平衡来确定单元中被反硝化的氮含量。

（3）磷平衡。磷的计算方式和碳、氮都不同，这是因为在废水的处理系统中，磷不会以单质和气态化合物的形式来出现。因此，在开放系统中，排除磷的工作就只能在污泥中进行。在废水处理系统中，磷的含量计算为出水时的磷和剩余污泥中的磷两者的含量之和。

2 废水生物处理系统的能量流分析

2.1 物质流和能量流的关系

物质流的平衡分析主要对象是碳、氮、磷，对于废水处理厂的运行状况是一种有效的评价方法。它能够反应出废水处理厂的处理工作和运行效率。通过物质流分析工艺进行中的能量平衡，从中得出经过处理工艺之后能量的具体流向。而能量的流向，则反应出废水处理过程中能量的利用情况。

2.2 研究体系的界定

能量流的研究方式和物质流类似，再此不再重复介绍。

2.3 能量流中技能指标的分析

废水处理的能量消耗，不仅取决于处理前后废水本身的相应能级，也取决于热能、机械能的需要量。在废水处理中，能量的需要一般与两个因素有关：一是污染质的去除量，二是废水的流量。

对废水进行处理，最基本的目标就是在废水中去除有机物，并且在处理前，对可生化的有机物进行浓缩和稳定。也因此，废水处理中最主要的能源依据就是可生化降解的有机物。对于容易腐烂的有机物而言，采取生物化学反应或者热化学反应是比较好的方法。

化学能在表示上常常采用氧含量的形式，这是为了稳定主要能源的需求。在分析工作中，常常引入化学需氧量和化学潜能两个参数。然而，在城市废水中，会出现许多难以降解的有机物，大概占据有机物总数量的一半。好在工业废水通过生化方式进行降解的比例很大，基本上可以实现全部降解。

2.4 建立技能指标的平衡分析方法

2.4.1 厌氧单元分析方法的建立

对于厌氧单元而言，在平衡的条件下，最终产物是甲烷的化学潜能要考虑在内，而二氧化碳则不含化学能。所以，厌氧系统的能量平衡在理论上可以表示为：BEP有机物=CEP细胞+CEP甲烷+CEP热和功。其中，BEP有机物指代有机物的生化潜能，CEP细胞指代细胞的生化潜能，CEP甲烷指代甲烷的生化潜能，CEP热和功指代释放的热和做功的生化潜能。

2.4.2 好氧单元分析方法的建立

在废水的生物处理反应中，微生物能够充分利用废水中的有机物，有机污染物能够和硝酸盐、氧分子结合，释放出的能量一部分用于微生物同化作用的耗能，另一部分用于维持微生物自身的生存耗能。

由于废水中有机物的成分非常复杂，许多有机物的结构目前都是未知的，现有的检测手段难以检测出具体状况。所以，在计算废水中所含的化学能时，不能找出全部的有机物分子式。而在能源计算上，往往将电能转化为一次能源。

3 结语

以废水生物处理系统中的好氧单元和厌氧单元为主要研究对象，通过数学模型的应用和单物质区域的观察，对生物系统中的碳、氮、磷等元素进行物质流和能量流分析，从而建立起废水生物处理系统中好氧单元和厌氧单元的物质流、能量流平衡分析方法。使用该方法，能够对好氧单元和厌氧单元的物质和能量的流向进行合理有效的分析，从而为废水生物处理系统的正常运行提供科学依据，不断促进废水处理工业的稳定持续发展。