莫笑农家腊酒浑 丰年留客足鸡豚-活性污泥法的F/M

随着现代人们的生活水平的日益提高，越来越多的人脱离了温饱的阶段，开始逐步重视起日常生活的营养搭配的问题上来。各种营养学的知识可以说是铺天盖地的向我们灌输。但是今天我们不是谈的我们所关注的营养学，而是聊一聊活性污泥法里面的微生物营养，看看我们要怎么样来“丰年留客”的养着我们的微生物的呢。

从公众号前面的文章里，我们逐步了解了活性污泥其实是有很多有生命微生物构成的，它们每天从入流到污水厂内的污水中获得有机污染物作为自身生长的营养，我们可以类似的把这部分有机污染物质作为它们的“食物”来看待，而这些每天供给它们的食物和它们生存的关系如何？这一篇我们一起来聊聊这个食物供给和微生物之间的关系—F/M。

我们知道作为一个具有生物活性的有机体，为了生存必须有营养的补充。而活性污泥作为大量微生物的聚集体，为了使活性污泥法中的大量的微生物能够正常工作，必须要提供给它们充足的食物，因此了解在活性污泥法中对进入生物系统的食物（我们通常用COD或者BOD来衡量）和在曝气池的微生物之间的关系在日常的管理中是非常重要的。

为了更加准确的判断一个污水厂里，流入的污水中的食物和微生物之间的关系，建立了一个参数，F／M，英文的全称是Food-to-Mass Ratio，一般称为食微比，或者称为有机负荷。这个参数用BOD或者COD这个综合污染指标来代表食物，用活性污泥浓度来代表微生物的量，这样得出的比值，通过这个比值我们可以将污水厂的进水水质情况直接的和微生物的生长情况结合起来。

为了计算F：M比，首先需要两个量：1）进入曝气池的有机物的数量；2）曝气池中的微生物的数量。而我们在污水厂中通常检测的数值，如下面的简单曝气池示意图所示，主要是进水的有机物浓度和曝气池内的活性污泥浓度。

简单工艺流程示意图

在检测出这两个浓度以后，还需要再进行一步，把这些浓度转换成数量，用于计算污水厂内的食物对质量（微生物）比率标准方程公式1所示。注意，在这个方程中的有机负荷，既食品，是基于五天生化需氧量（BOD5）的浓度来计算的，因为BOD是微生物降解的有机物浓度（参见公众号文章污水水质ＢＯＤ），而微生物浓度是基于混合液挥发性悬浮固体的浓度，既MLVSS，MLVSS是活性污泥里面的微生物的成分（参见公众好文章MLVSS）。这是F：M比率方程的最常见形式。所以污水厂每日的食微比（或者说有机负荷）的计算就表示成：

(1)

其中：Q为每日的进水量；V为生物反应池体积，特指为曝气池的体积。在实际应用中，由于BOD和MLVSS的监测频次和监测手段的限制，我们一般采用COD和MLSS来计算，因此F/M计算公式可以写为：(2)

在公式2的F/M比的计算针对我们污水厂的实际情况进行了一些变化。在这个方程中，两个重要的计算变量进行了调整。有机物负荷不采用BOD5，而是使用污水厂通常使用的化学需氧量（COD）。微生物群体采用了污水厂常用的混合液悬浮固体（MLSS），而不是混合液挥发性悬浮固体（MLVSS）。是因为在污水厂的实际运行中，MLSS数据比MLVSS数据更容易（因为少了一道工序）得到。但是我们要明白，其实我们用公式2计算，只是为了更快捷方便的计算F/M，公式2不是F/M的最基本的意义。

那么在污水厂的日常管理中计算这个值有什么意义呢？这个食微比能在我们对微生物的管理中起到什么样的作用？接下来我们来看一张图：

对于一个污水处理厂来说，通过计算F/M的比值，相对一个稳定的时期来说，一般会出现高中低的情况，我们来看这张图。这张图把F/M 的区域用虚线划分成了高、中、低三个区域。其中纵坐标为有机质底物的浓度，横坐标为时间；深蓝色的曲线为食物，也就是BOD或者COD（TOC）的变化情况，红色的曲线为细菌种群的变化曲线，虚线为游泳型纤毛虫（钟虫，楯纤虫）的变化，浅色细线为固着型纤毛虫（累枝虫，等枝虫）的变化，深色细线为轮虫的变化。

我们看高F：M比的区域，意味着相对于可用于消耗该食物的微生物的量来说，存在更大量的食物。当F：M比高时，细菌是活跃的和分散的，并且它们快速繁殖，这个区域可以称为活性污泥的生成区域。但是具有高的F：M比例的区域内，细菌不会形成良好的絮凝物，也就是没有良好的絮凝体沉淀效果。因此我们在实际操作中以高F:M比运行活性污泥法的污水厂时，会导致二沉池中的活性污泥沉降差和上清液浑浊。这个区域一般对应于活性污泥的培养阶段，或者再生阶段。

而低F：M比的区域，表示在曝气池内存在许多微生物，但是污水厂只能提供有限量的食物。只有当食物供应有限时，活性污泥絮凝体内的细菌开始以絮凝体内的粘质层为食，分解在F/M最佳阶段所形成的絮凝物，由于絮凝物质被细菌蚕食，活性污泥的絮凝体开始变得松散，在沉淀池中的沉淀性能快速下降，出水会带泥，但是上清液由于有机底物被微生物吞食干净，在过滤掉悬浮的微生物残渣后的上清液水质是达标的。

从这个图的两个极端区域内的变化情况，我们说在一个污水厂非常高的F：M比率或非常低的F：M比率都会导致出现分散的絮凝物，其在二沉池中不会很好地沉淀，从而造成出水水质的超标。我们知道活性污泥法的组成是由曝气池和二沉池共同组成的一个系统，二沉池的沉淀效果很大程度上影响着污水处理厂的出水效果（参见公众号文章活性污泥法），因此通过调整F/M来保证出水水质达标，是工艺管理的重要内容。

同时我们观察游泳型、固着型纤毛虫、轮虫这些污水厂的指示性微生物也可以发现它们在高中低的F/M的情况的下的一个变化情况，在高F/M情况下，它们的数量存在较少，主要以底层细菌为主，在合适的F/M情况下，它们逐步达到峰值，到了低F/M区域内，由于底层微生物相互之间的消耗，导致其的数量减少，指示性微生物开始迅速下降。因此我们在污水厂的日常镜检中也可以观察到F/M对污水厂的影响。

当我们了解了F/M在污水厂的运行管理中的作用以后，我们需要有一个标准值作为我们的管理指标。如果有一个比较确定的F/M来作为日常运行的标杆，在日常的管理中通过简单的靠近这个标杆数值就能达到最好的出水结果。

但是一般来说是不可能有一个理想的F：M比例将适用于所有活性污泥处理系统。每个污水厂处理系统的各个方面都是不同的，每个系统都有自己的理想或最优的F：M比，这个比值的大小取决于活性污泥法的类型和进入活性污泥法系统的污水的特性。而我们的工艺运行人员的工作，其实就是要通过一系列的基本工作，包括日常的化验，分析，计算来确定适合我们的系统的最佳F：M比。这就是我们需要了解我们污水厂每天的进水的COD和MLSS（或MLVSS）数据，然后根据这些数值每天计算其F/M比率。并把计算的F/M值和需要与处理后的出水的COD和SS值相关联，通过一段时间的（一至两年左右）的计算和统计，对于一个污水处理厂来说，就能够确定出系统特定的最佳F/M比的范围。

按进度分类：

项目申请、立项申请；

方案设计；

初步设计；

扩初设计；

施工图设计；

竣工图等

其中，方案设计、初步设计、扩初设计合称为工艺设计。

工艺设计基础资料

①废水的水量、水质及其变化规律；

②对处理后出水的水质要求；

③对处理中产生的污泥的处理要求；

——设计所需要的原始资料

④污泥负荷与BOD5的去除率；

⑤混合液浓度与污泥回流比。

——设计所需的基础数据

生活污水或城市污水——根据设计规范

工业废水——实验确定设计参数

工艺设计的主要内容

活性污泥系统由曝气池、曝气系统、二沉池及污泥回流设备等组成。

工艺计算与设计主要包括：

工艺流程的选择；

曝气池的计算与设计；

曝气系统的计算与设计；

二沉池的计算与设计；

污泥回流系统的计算与设计等。

工艺流程的选择与确定

①废水的水量、水质及变化规律

②对处理后出水的水质要求

③对处理中所产生的污泥的处理要求

④当地的地理位置、地质条件、气候条件等

⑤当地的施工水平及运行管理人员的技术水平等

⑥工期要求以及限期达标的要求

⑦工艺技术的可行性、先进性以及经济上的可能性、合理性等

⑧进行多种工艺流程的技术经济比较

曝气池的工艺设计

曝气池的类型

根据曝气池内的流态，可分为推流式、完全混合式和循环混合式三种；

根据曝气方式，可分为鼓风曝气池、机械曝气池以及二者联合使用的机械-鼓风曝气池；

根据曝气池的形状，可分为长方廊道形、圆形、方形以及环状跑道形等四种；

根据曝气池与二沉池之间的关系，可分为合建式（即曝气沉淀池）和分建式两种。

推流式曝气池

呈长方形；廊道的长度可达100m，但以50?70m之间为宜；长度应是宽度的5~10倍；

从池首到池尾，其F/M值、微生物的组成与数量、基质的组成与数量等都在连续地变化；

有机物的降解速率、耗氧速率也都连续地变化；

活性污泥在池内是按增长曲线的一个线段进行增长；

一般呈廊道型，可有单廊道、双廊道、三廊道和五廊道等。

完全混合式曝气池

废水一进入曝气池，即与池内原有混合液充分混合；

混合液组成、F/M值、微生物组成与数量等完全均匀一致；

有机物的降解速率、耗氧速率等在池内各部位都是不变的；

微生物在曝气池内的增殖速率是一定的，在增殖曲线上的位置是一个点。

优点：

①稀释作用，能够承受高浓度废水，抗冲击负荷；

②需氧在整个池内的要求相同，能够节省动力；

③可与沉淀池合建，无需污泥回流系统，易于运行管理。

循环混合式曝气池

氧化沟

曝气池的构造

曝气池在构造上应满足曝气充氧、混合的要求

曝气池的构造取决于曝气方式和所采用的曝气装置

（1）采用鼓风曝气系统的曝气池的构造——多为廊道型的推流式曝气池

① 曝气池的数目、规模与廊道组合

② 廊道的长度与宽度：

（廊道长度以50~70m为宜，长与宽之比为5~10 : 1）

③ 廊道的横断面与深度：

? 尽量共用空气管道和布水槽；

? 池深3~5m，超高0.5m（氧转移和出口风压）；

? 距池底1/2或1/3处设排水管，以备培养活性污泥用；

? 池底设放空管及0.2%的坡度，坡向放空管；

? 进水多采用淹没孔口形式，出水多采用平顶堰形式

（2）采用机械曝气装置的曝气池的构造

① 采用叶轮曝气器的曝气池

a. 完全混合式：

?表面为圆形或方形

b. 曝气沉淀池：

?将曝气和沉淀过程结合在一个构筑物内完成；

?曝气区，导流区，沉淀区

c. 兼具推流和完全混合的曝气池：

?由一系列正方形单元连接而成的廊道式曝气池；

?每一单元设一台叶轮曝气器，每个单元是完全混合的。

采用倒伞形叶轮曝气的Carrousal氧化沟

②采用曝气转刷（盘）的曝气池的构造——环槽形曝气池（氧化沟）

平面呈环形跑道状；

沟槽的横断面可为方形、梯形；

水深较浅，早期一般为1.0~1.5m，现在多为3~4m；

混合液在沟内的流速不应小于0.4m/s，沟底流速不小于0.3m/s。

采用转刷或转碟曝气的氧化沟

曝气转刷

曝气转碟

曝气池体积的计算

需氧量与供气量的计算

曝气池池体的设计计算

单元数：不小于2组；

廊道数：不少于3个；

廊道长、宽、高：长=(5?10)宽，深度为4?5米，超高0.5米；

进出水及污泥回流方式的设计；

曝气装置的安装方式与位置；

其它附属物的设计(消泡管等)。

曝气系统的计算与设计

鼓风曝气系统包括：

鼓风机；

空气输送管道；

曝气装置（曝气头）

主要内容有：

选择曝气装置，并对其进行布置；

计算空气管道；

确定鼓风机的型号及台数。

1、曝气装置的选定及布置：

a.一般要求：

具有较高的氧利用率(EA)和动力效率(Ep)，节能效果好；

不易堵塞和破损，出现故障时易于排除，便于维护管理；

结构简单，工程造价低。

还应考虑：废水水质、地区条件及曝气池的池型、水深等。

b.计算所需曝气装置的数目：

根据总供气量以及每个曝气装置的通气量、服务面积以及曝气池的池底总面积，即可求得。

c.曝气装置的布置：

①沿池壁的一侧布置；

②相互垂直呈正交式布置；

③呈梅花形交错布置。

2.空气管道的计算与设计

a.一般规定：

小型废水处理站的空气管道系统一般为枝状，而大、中型废水处理厂则宜采用环状管网，以保证安全供气；

空气管道可敷设在地面上，接入曝气池的管道应高出池水面0.5m，以免发生回水现象；

空气管道的设计流速，干、支管为10~15m/s，竖管、小支管为4~5m/s。

b.空气管道的计算步骤：

①根据流量(Q)、流速(v)选定管径(D)

②计算和校核压力损失；

③再调整管径；

④重复上述步骤。

对于空气管道的阻力损失的基本要求：

空气通气管道和曝气装置的总阻力损失一般要求控制在14.7kPa（1.5mH2O柱）以内，其中：

管道的总损失控制在4.9kPa（0.5mH2O柱）以内，

曝气装置的阻力损失为4.9~9.8kPa（0.5~1.0mH2O柱）。

d.鼓风机的选择及鼓风机房的设计

①根据设计风量和风压来选择鼓风机：

罗茨鼓风机：

——噪音大，必须采取消声措施，适用于中、小型污水厂；

?离心式鼓风机：

——噪音较小，效率较高，适用于大、中型污水厂；

——变速离心风机可自控；

?轴流式通风机：

——风压较小(<1.2m以下)，一般用于浅层曝气。

②注意型号选择与备用：

——当工作鼓风机≤3台时，备用1台；

当工作鼓风机≥?4台时，备用2台。

③噪音防护：

——在鼓风机的进风和送风的管道上，安装消声器；

④鼓风机房的设计：

平面布置；基础设计；供电；防噪声措施；

其它附属设施——机器间、值班室、配电室等。

二沉池的计算与设计

二沉池的作用是：

泥水分离；混合液澄清（保证出水水质）

浓缩活性污泥（保证回流污泥浓度）

与初沉池相比，二沉池的特点：

①活性污泥混合液的浓度较高，且具有絮凝性能，其沉降属于成层沉淀；

②活性污泥的质量较轻，易产生异重流，因此，其最大允许的水力负荷（m3/m2.h）应低于初沉池；

③由于二沉池还起着污泥浓缩的作用，所以需要适当增大污泥区的容积。

二沉池池型的选择：

平流式、竖流式、辐流式；

斜板（管）沉淀池——原则上不建议采用；

带有机械吸泥及排泥设施的辐流式沉淀池，比较适合于大型污水厂；

方形多斗辐流式沉淀池常用于中型污水厂；

竖流式或多斗式平流式沉淀池，则多用于小型污水厂。

污泥回流及处理

污泥回流设备的选择与设计

常用的污泥提升设备是污泥泵；

大、中型厂，一般采用螺旋泵或轴流式污泥泵；

小型厂，一般采用小型潜污泵或空气提升器。