探讨：运行中合理污泥浓度[MLSS]的选择
一个污水厂在实际的运行中，活性污泥的多少是保证进入厂区内的污水得到达标处理的首要条件，而活性污泥的多少，是通过生物池内的污泥浓度MLSS，或者更精确一点是通过MLVSS来反应的，所以在运行中为了保证污水得到有效的处理，就需要不断地调整污泥浓度。但是如何调整污泥浓度，或者说怎么选择合理的污泥浓度呢？在之前的文章中，探讨了很多关于活性污泥浓度的文章，从概念定义和运行管理都进行了一些讨论，相信在别的一些渠道，大家也能获取更多的关于活性污泥浓度的知识，但是这些知识更显得泛泛一些。在实际运行中，运行人员更希望得到准确数值来推定和指导生产中该选择多少的污泥浓度来保证出水水质的达标。运行人员在这方面往往得不到更为合理的数据和知识，这种现象首先是由于各个污水厂的个体条件不同，不可能具备一个全面适应的数据来保证每个污水厂均能达到自身的要求；其次是数据是死的，运行是活的，不能用死的数据来约束活的运行，因此一些书本上或者其他渠道的标准数据在实际水厂中应用不下去；最后就是厂内其实还是没有把数据作为判断工艺运行的基础，日常没有基础数据，当然也就不可能有准确的污泥浓度范围了。
作为一个稳定运行的污水厂是需要有很精准的管控体系的，特别是现在的环保部门对污水厂的监管的严格程度在层层加码，这种形势下，污水厂必须具备更为细致的管理才能保证水质的稳定达标。细致的管理在一个污水厂中最终落实到对工艺参数的调控，在污水处理的生物原理中用于调控的参数有很多，但是到了污水处理厂中，就没有那么多的参数可以用了，这是因为一个污水厂从设计施工完成以后，可调整的因素已经很少了，比如池体容积大小，满负荷条件下的停留时间，处理工艺的选择等都不可能再去调整了，因此所剩下的调整因素也就不多的几个了，比如污泥浓度，溶解氧，回流比等等，污泥浓度的调整有见效快，调整手段直接等方式，因此污泥浓度也就成为了污水处理厂里较为常用的一个调整参数。但是污泥浓度的调整是要有一个目标的，我们不能随意的调整污泥浓度，运行管理人员需要知道朝什么样的目标来调整污泥浓度的大小，才能保证污水处理的水质稳定达标，那么这个目标是怎么得来的。
从长期的运行来看，一个污水厂在很多方面的生产数据均会趋于稳定，比如季节性的温度变化；一天之内的水质，水量的变化；一年四季的水质的波动变化等等这些外界的条件因素会呈现一个规律性的变化，在通过多年的数据积累以后，污水厂基本就得到了进水水质的数据和变化的趋势。具备这些基础的数据之后，只是了解到了进水的实际情况，但是得到了水质的数据和变化趋势，运行人员可以根据这些数据确定出合适污泥浓度来么？
在确定污泥浓度之前，先来了解下设计院是如何设计污水厂的。运行人员接触到的污水厂都是已经建设好的，也有些污水厂人员参与了从头建设的过程，可能会比较了解的比较多一些。一个污水厂从开始立项到形成图纸，中间有很多流程，当然作为运行人员不需要了解完整的过程，但是运行人员需要知道就是污水厂的这些池体都是怎么设计出来的。
首先设计部门会进行污水水样的检测，这个水样一般是污水厂所在地提供的，但是瞬时性比较强，也就是说不一定会反应出真实的水质数据，但是设计部门只能使用这个水质数据作为初始的设计依据，当然有些项目是改造项目，设计部门就可以拿到更多的运行检测的数据，更贴近真实的水质情况。然后设计部门会根据设计区域内的人口统计数量，预测一个10年或者20年的人口数，然后根据给排水设计手册中对每个人排放的污水量进行计算，计算出该区域建设的污水厂处理水量，这样两个重要的参数就出来了。
接下来就是根据水质和水量数据，结合出水水质的标准，污水厂占地的大小，所在地的特殊要求，项目资金情况等各种因素选择合理的工艺路线。然后根据确定的工艺路线，结合各种污水处理的基本原理公式，预设一个合理的污泥浓度，然后根据污泥浓度和停留时间，有机负荷，硝化反硝化负荷等开始计算各个处理构筑物的体积，划分不同的功能区域等，优化水力条件，布局各种设备，落到图纸上，最终到了施工现场，建设完成，移交到运行人员手中。这就是一个污水厂设计的基本流程，实际上比这个描述要复杂的多，不过不需要知道那么详细，毕竟运行人员不是做设计的，只需要了解这个过程是怎么得来的就可以了。
作为运行人员了解这个流程主要是为了理解污水厂的污泥浓度到底是要怎么得来的。由于设计部门不可能预估出实际运行的污泥浓度，一般都是预设出来一个污泥浓度，然后以这个污泥浓度作为计算基准来进行计算，这样在实际运行中，这个数据可能就对运行人员的工艺调控意义不大了，因为不可能各项参数都达到设计时采用的那些数据，也不可能一成不变得采用一个污泥浓度来进行调控，那么运行人员要怎样进行污泥浓度的预判呢？
还是要回到设计的思路上来，对于设计人员来说，进水水质水量都是不可得到最精准的数据，只能依靠预测的来，再根据预设的污泥浓度来计算构筑物尺寸大小，所以设计人员的未知数是池体大小和结构，他的目标也是通过预测数据得出最符合实际处理能力的构筑物。而运行人员来说，进水的水质水量都是可以通过检测得来的数据，可以通过各种技术手段来无限逼近真实值，工艺构筑物已经建设完成，不再有可能变化，因此对于运行人员来说，未知数就可以变成污泥浓度了。
这就意味对于设计人员和运行人员来说，同样的计算公式需要从不同的未知数的角度来计算，所以运行污水厂的污泥浓度的理论依据就可以得出来了。。。
从设计的方式来进行反向运算是现阶段运营人员采取的较为准确的一种污泥浓度的计算方法，对于曝气池的设计计算中，有采用污泥负荷的，有采用污泥龄的几种计算方式，由于运营人员更关注污泥浓度的多少，这样就比较适用于污泥负荷的计算，下面就来看基于污泥负荷计算的公式。
根据给排水设计手册第五册《城镇排水》第六章的常规曝气池计算公式：
（1）
其中：V为曝气池体积（ｍ３）
Q为进水水量（ｍ３／ｄ）
Lj为进水BOD５（Kg／ｍ３）
Lｃｈ为出水BOD５（Kg／ｍ３）
Nｗｖ为挥发性污泥浓度（MLVSSｋｇ／ｍ３）
Fｗ为污泥负荷［KgBOD５／（kgMLVSS·ｄ）］
这个公式中，对于污水厂的运营管理人员来说，曝气池的体积是已经设计施工完成了，体积是固定的，可以从竣工图纸中查到，不需要进行计算，而需要了解的是污泥浓度的，这样公式就变为：
（2）
在这个公式（2）中，其中进水的BOD５可以通过日常的检测来得出，出水的BOD一般直接采用排放的国标标准就可以了，当然为了运行有一定的缓冲能力和保险系数，实际中会采用比较低的数值，比如采用8mg/L，也就是0.01~0.008kg/m3作为一个区间来进行计算，这样会有一个比较保险的污泥浓度数值。
Fw是污泥负荷，污泥负荷的取值范围较大，对污泥浓度的计算也会产生很大的偏差，一般的选值从0.1~0.5KgBOD５／（kgMLVSS·ｄ）都有采用，污水厂如果运行了较长时间以后，会积累比较多的运行数据，根据运行数据的进出水BOD和MLVSS浓度的比值就可以确定适合本厂的一个Fw值，在没有充足的运行资料的情况下，兼顾硝化反应，可以以0.15 KgBOD５／（kgMLVSS·ｄ）的较低的污泥负荷来进行计算，然后根据计算结果进行实际运行控制的反馈情况，进行调整计算。
通过这样计算出来的是MLVSS，实际中很多污水厂并不检测MLVSS，通常检测的是MLSS，这就需要在污水厂中定期的进行MLVSS的检测，相互比对，得出一个MLVSS/MLSS的数值，根据这个比值，最后换算成MLSS，也就是污水厂日常检测的污泥浓度的数值。
这个公式是一个比较简单的计算公式，一般的设计水质和实际进水水质往往有很大的出入的时候，通过这个公式可以重新校核污水厂生物池污泥浓度是否能够满足现有的进水水质的情况，要注意这个污泥浓度是以基本的曝气池来进行计算的，现有的A2O工艺的去除BOD的区域主要在好氧区，计算的时候就是以好氧区的容积来进行的。
这样计算出来的是污水厂在已有构筑物的情况下，保证出水BOD/COD达标排放的一个污泥浓度的数值，但实际上污水厂不仅仅要保证BOD/COD的达标排放，更困难的是要保证氨氮和总氮的达标排放，这就需要我们不仅仅要计算BOD的负荷，还要计算氨氮和总氮的负荷，才能保证出水水质的全部达标。也就是说，除了这个计算以外，还要进行氨氮和总氮的校核计算。总氮的去除依赖于硝化菌和反硝化菌在生物池内的反应，而硝化菌和反硝化菌的硝化和反硝化速率受到温度的影响很大，在理论计算中，要把温度的变化进行校正，这也是为什么在季节变化明显的污水厂中，不同的季节需要不同的污泥浓度来保持出水水质的稳定达标的原因。下面以脱氮反应中的反硝化速率来进行污泥浓度的温度核算：
常温下20℃时候，反硝化速率可以根据BOD负荷率来进行推算，反硝化速率根据BOD负荷率的计算公式为：
SDNR=0.3Fw+0.029 （3）
SDNR为20℃时的反硝化速率KgNO3-N/（kgMLVSS·ｄ）
Fｗ为污泥负荷［KgBOD５／（kgMLVSS·ｄ）］
根据厂内的实际运行的污泥负荷，可以计算出在20℃时的反硝化速率，也可以取值进行计算，要注意这里的取值和上面的的计算取值要求一致。这个是20℃时的反硝化速率值，这个值将作为一个基准值来进行后续的温度校核的运算。
不同温度下的反硝化速率的计算公式为：
SDNRt=SDNR•Ø(t-20) （4）
SDNRt为温度为t℃时的反硝化速率KgNO3-N/（kgMLVSS·ｄ）
SDNR为20℃时的反硝化速率KgNO3-N/（kgMLVSS·ｄ）
Ø为温度常数，一般取值为1.05
通过公式（3）、（4）确定了不同温度下的反硝化速率以后，就可以核算生物池内的活性污泥浓度在不同温度下面的控制数值了，计算公式如下：
（5）
其中：Nｗｖ为生物池水温为t℃下的挥发性污泥浓度（MLVSS kg/m３）
Q为进水水量（m3）
NO0为进水的硝酸盐氮的浓度（mg/L）
NOe为出水的硝酸盐氮的浓度（mg/L）
SDNRt为温度为t℃时的反硝化速率KgNO3-N/（kgMLVSS·ｄ）
在理想状态下，进、出水的有机氮，氨氮都能转化为硝酸盐氮，总氮的检测包含了氨氮和硝酸盐氮，因此结合污水厂的实际运行情况，可以把公式（5）中的硝酸盐氮简化为进出水的总氮，这样公式（5）就可以简化为
（6）
其中：TN0为进水的硝酸盐氮的浓度（mg/L）
TNe为出水的硝酸盐氮的浓度（mg/L）
通过这样的简化计算，可以核算生物池在各个温度下所需的生物脱氮的最低的污泥浓度MLVSS，要注意实际计算还要根据实测的数值再换算成MLSS，才是污水厂经常使用的污泥浓度的数值。要注意这个计算简化了生物脱氮的两步反应，同时也忽略了微生物在生长过程中的自身所需的氮的含量，也就是同化作用脱氮的数量，因此数值计算出来要略大于实际的污泥浓度，但是从实际运行中，运营人员是要采用具有一定的保险系数的污泥浓度才能保证出水的稳定，因此采用这样粗略计算，可以填补保险系数。
通过公式（１）～（6），污水厂通过实测进水的BOD浓度计算出需要控制的污泥浓度，然后根据脱氮反硝化的要求校核出生物脱氮所需的污泥浓度，这就是通过理论计算来得出运营中控制的污泥浓度，在实际中这样计算出来的污泥浓度能否满足生产需要呢？
在进行后续的讨论之前，先来把上楼遗留下来的几个问题解决一下。首先是提到的公式5，公式6。
在这两个公式中，没有计算体积，因此这两个公式计算出来的并不是污泥浓度，而是污泥总量，在实际的运行中，很少用污泥总量来衡量日常的运行，而且化验室也主要做污泥浓度而不是污泥总量，因此需要把这个计算成污泥浓度，需要再进一步的计算，就是除以相应的生物池体积。
在选择生物池体积的时候，需要注意的是，这里应该选择生物池的那一部分体积来进行计算，由于这个公式主要计算的是硝态氮转化为氮气的反硝化过程，在生物池内这个过程主要发生在缺氧区，因此这个体积就主要是指反硝化区的体积。如果厂内的工艺是A２O以及改良型A２O工艺的话，主要就是指缺氧区的体积；如果是硝化反硝化交替进行的工艺，就要以整体的体积进行计算，比如氧化沟，CASS等工艺。
所以最终的计算公式就会变成公式6。
其中：Nｗｖ为生物池水温为t℃下的挥发性污泥浓度（MLVSS kg/m３）
V代表反硝化区（缺氧池）体积（m3）
Q为进水水量（m3／ｄ）
TN0为进水的硝酸盐氮的浓度（mg/L）
TNe为出水的硝酸盐氮的浓度（mg/L）
SDNRt为温度为t℃时的反硝化速率KgNO3-N/（kgMLVSS·ｄ）
公式全部推导完成后，来简单举一个例子进行一下实例的计算。
案例分析：北方某地污水厂，设计处理能力为２万吨，设计小时流量为833m3/h，实际处理能力为１.５万吨，处理工艺采用的A２O工艺＋高效沉淀池＋转盘过滤的工艺。生物池体积分别为：厌氧池1666ｍ３，设计停留时间HRT为2小时，缺氧池4165ｍ３，设计停留时间HRT为5小时，好氧池12500ｍ３，设计停留时间15小时，实测生物池内的MLVSS/MLSS大约在55~60%之间，年平均进水水质COD370mg/L，BOD为175mg/L，进水总氮为58mg/L，生物池各个月度实测温度为下表：
月度
1月
2
3
4
5
6
温度
10.2
9.01
10.3
12.3
15.3
18.2
月度
7
8
9
10
11
12
温度
20.7
21.5
19.73
17.85
14.55
11.64
运营人员在具备这些数据以后，在１.５万吨进水量的情况下，计算在各个月度的温度下，应该控制的污泥浓度。
首先需要计算的是在当前的水量下，生物池内各个处理段的实际停留时间：
在当前处理水量下的小时平均流量：
15000÷24=625m3/h
厌氧池停留时间：
1666÷625=2.67h
缺氧池停留时间：
4165÷625=6.66h
好氧池停留时间：
12500÷625=20h
来计算保证出水BOD达标的情况下的最低的挥发性污泥浓度，BOD的去除在上文提到，主要认为在好氧池进行，对于其他的去除量为了计算方便忽略不计，因此使用公式（2）来进行计算时，体积采用的是好氧池的体积，Fw采用0.15 KgBOD５／（kgMLVSS·ｄ）：
出水水质的BOD以10mg/L计算，则可以计算出挥发性污泥浓度为：
Ｎｗｖ={15000×[（175-10）÷1000]}÷（12500×0.15）
=2475÷1875
=1.32kg/m3
=1320g/m3
=1320mg/l
也就是说为了保证BOD达到10mg/L的达标出水指标，需要保持好氧池内1320mg/L的MLVSS浓度。厂内实测的污泥有机份MLVSS/MLSS在55~60%之间，因此可以计算出MLSS浓度为：
MLSS=1320÷55%=2400mg/L
因此在实际控制中，生物池为了保证BOD达标需要保持MLSS为2400mg/L。
再来继续看脱氮反应的污泥浓度，首先来看各个月份的检测温度表：
月度1月23456
温度10.29.0110.312.315.318.2
月度789101112
温度20.721.519.7317.8514.5511.64
从年度的平均检测的温度可以看到温度大体可以分为几个温度区间，冬季12~3月份在10℃左右，春秋两季在15℃左右，夏季在20℃左右，这样在工艺控制中，就以这三个温度进行控制，由于水温是一个逐步变化的过程，污泥浓度的工艺控制也需要一个比较漫长的过程，所以我们一般选择春秋两季为工艺调试阶段，在这两个季节运行人员可以进行浓度的调控。要注意温度逐步变化，但是调控不可能精准调整，因此我们就选择几个平均数值，通过平均值计算可以得出冬季的10℃，春秋的15℃，夏季的20℃。因此我们就计算这三个温度下的脱氮污泥浓度，出水总氮为了保证有一定的缓冲，采用12mg/L为计算值（一级A排放标准为15mg/L）。
首先用公式（3）来计算20℃下的反硝化速率：
SDNR=0.3Fw+0.029 （3）
SDNR=0.3×0.15+0.029A
=0.074 KgNO3-N/（kgMLVSS·ｄ）
再用公式（5）来计算20℃下的反硝化污泥浓度：
Nｗｖ={15000×[（58-12）÷1000]}÷（4165×0.074）
=690÷308
=2.24kg/m3
=2240mg/L
MLSS为2240÷0.55=4072mg/L
也就是说在20℃下，系统保持出水总氮达标反硝化的污泥浓度MLSS需要达到4072mg/L。
再来看15℃的情况：
首先用公式（4）来计算15℃下的反硝化速率， Ø为温度常数，一般取值为1.05：：
SDNRt=SDNR•Ø(t-20) （4）
SDNRt=0.074×1.05(15-20)
=0.074×0.78
=0.058 KgNO3-N/（kgMLVSS·ｄ）
再用公式（5）来计算15℃下的反硝化污泥浓度：
Nｗｖ={15000×[（58-12）÷1000]}÷（4165×0.058）
=690÷241
=2.86kg/m3
=2860mg/L
MLSS为2860÷0.55=5200mg/L
也就是说在15℃下，系统保持出水总氮达标反硝化的污泥浓度MLSS需要达到5200mg/L。
最后来看10℃的情况：
首先用公式（4）来计算10℃下的反硝化速率， Ø为温度常数，一般取值为1.05：
SDNRt=SDNR•Ø(t-20) （4）
SDNRt=0.074×1.05(10-20)
=0.074×0.61
=0.045 KgNO3-N/（kgMLVSS·ｄ）
再用公式（5）来计算10℃下的反硝化污泥浓度：
Nｗｖ={15000×[（58-12）÷1000]}÷（4165×0.045）
=690÷189
=3.65kg/m3
=3650mg/L
MLSS为3650÷0.55=6630mg/L
也就是说在10℃下，系统保持出水总氮达标反硝化的污泥浓度MLSS需要达到6630mg/L。
通过这一系列的计算，就可以得出污水厂在现阶段的进水条件下，为了达到BOD/COD达标出水需要保持曝气池里的MLSS浓度为2400mg/L，为了保证出水总氮达标需要保持的污泥浓度MLSS为：20℃时为4072mg/L，也就是4100mg/L，15℃时为5200mg/L，10℃时为6630mg/L。
注意这些浓度都比BOD降解的污泥浓度要高，这是由于反硝化的速率明显低于异养菌降解BOD的速率造成的，为了保证出水的总氮达标，因此要优先考虑总氮的去除，也就是选用的污泥浓度为脱氮的污泥浓度。
转化成季节性的统计也就是夏季保持在4100mg/L，春秋两季为5200mg/L，冬季为6630mg/L。所以这样也从理论计算上说明了四季分明的污水厂，在不同的季节需要控制不同的污泥浓度的原因。当然这些计算基于很多理想状态下的数据，可能和实际运行有一定的出入。实际运行人员采集的实际运行数据越多，越真实的反应水质情况，工艺运行情况的时候，这个数据计算出来的也就越准确，运行数据的计算是一个无限逼近真实值的过程，在实际运行中，大家也可以以计算数据为基准进行调控，进行计算后调控，然后根据实际的情况不断修正计算值，最终达到最佳的控制参数范围。
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