NCHU Enve. Biotech

工業局環境保護中心訓練課程

- 質量平衡圖計算分析與操作問題排除講習

洪俊雄　 副教授

國立中興大學環工系, 環境生物技術實驗室台中市國光路250號土木環工大樓523室　04-22856643, badger@nchu.edu.tw

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NCHU Enve. Biotech課程目標

• 質量平衡為廢水處理系統之操作參考依據，廢水處理系統在規劃與設計階段，必須充份考量進流負荷的變動、污染物質的去除效率、系統中單元與程序的配置與彈性、操作難易度、與對環境衝擊之程度等因素，以維持系統的穩定性，提升工作品質並確保良好污水處理效能，並達到一定的成效標準。

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NCHU Enve. Biotech授課大綱

• 反應槽理論介紹• 質量平衡計算

– 平衡圖概念說明– 處理單元進出流水質平衡計算– 污泥量變化之質量平衡計算

• 進階質量平衡觀念應用– 進流水之有機物詳細分類– MLSS, MLVSS, SMP– 好氧下之氮磷去除

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NCHU Enve. Biotech原則

• 物質不滅，質量平衡• 以反應槽為例

– 無反應發生[Accumulation]=[Input ] -[Output]

– 有反應發生[Accumulation]=[Input]-[Decrease due to reaction]-[Output]

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NCHU Enve. Biotech常見連續操作反應槽理論

• 完全混合 (CSTR)– 混合均勻，反應槽中任一點濃度等於出流水濃度

• 柱塞流 (Plug flow)– 前後不混合，水流保持單一流向往出流方向移動

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NCHU Enve. BiotechCSTR

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NCHU Enve. BiotechPlug flow

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NCHU Enve. Biotech連續流，且有反應發生

• CSTR

• Plug flow

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NCHU Enve. Biotech練習：常見污水處理廠單元流程

• CSTR或Plug flow?• 有反應還是沒反應？

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NCHU Enve. Biotech平衡圖概念說明

•

定義計算範圍

•

假設水量不因蒸發而減少

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NCHU Enve. Biotech工業廢水處理之質量平衡

• 廢水部分– 流量 (體積/單位時間)

– 濃度 (質量/體積)

– 質量/單位時間

• 污泥部分– 污泥生成量(質量/單位時間)

– 濃度 (質量/體積)

– 以比重換算

– 流量 (體積/單位時間)

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NCHU Enve. Biotech物理、化學、生物污泥？

• 懸浮固體物沈澱

• 瓶杯實驗推估化學污泥量

• 生物污泥 - 微生物生長計算

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NCHU Enve. Biotech單元質量平衡圖之標示

• 流量• 濃度• 質量/單位時間

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NCHU Enve. Biotech質量平衡計算

• 以調勻池為例– 停留時間– 水庫理論– 水質變動

理論與實際之差異？

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NCHU Enve. Biotech質量平衡計算

• 以初級沈澱處理為例– 流量– 流速– 水力停留時間– 水面積負荷(m3 / m2 ． day)– 堰負荷(m3 / m ．day)

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NCHU Enve. Biotech沈砂池/初沈池設計操作觀念

• 單一顆粒沈降理論

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NCHU Enve. Biotech沈沙池/初沈池設計操作觀念

下水道工程學 歐陽嶠暉 第五版 17

NCHU Enve. Biotech質量平衡計算

• 進流流量 1000CMD• COD 250mg/L• SS 300mg/L• COD 去除率 40% (計算）• SS去除率 60% (計算）• 污泥濃度 1% (測量）• 比重 (計算）• 污泥流量(計算）

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NCHU Enve. Biotech污泥比重計算

• 通常污泥之比重略大於1，且與水之比重相差不多。 污泥係由各種不同成份所組成，其比重計算公式如下

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NCHU Enve. Biotech範例

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COD 去除 0.4

SS去除 0.6

Q 10000 m3/day Q 9821 m3/day 驗算

COD mg/L 250 2500 kg/day COD mg/L 150 1500 kg/day 153

SS mg/L 300 3000 kg/day SS mg/L 120 1200 kg/day 122

COD 1000 kg/day

SS 1800 kg/day

污泥濃度(g/g) 0.01

污泥比重 1.006036

污泥流量 m3/day 179 SS (kg/day) * 1000 (g/kg)

濃度 (g/g) * 比重 *1 (g/cm3) * 1000000 (cm3/m3)

污泥成分 比重 重量百分率

揮發性固體物 1 0

非揮發性固體物 2.5 0.01

水 1 0.99

總和 1

NCHU Enve. Biotech化學污泥 , 濃縮污泥

• 比照一般沈澱計算

• 污泥量會隨混凝操作而有所變動

• 污泥比重計算與初級污泥不同

• 污泥含水率不同

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NCHU Enve. Biotech活性污泥系統簡介

• 設計邏輯進流水特性確認– 確認微生物反應常數– 確認出流水要求– 計算最小污泥停留時間– 以安全參數選定一設計污泥停留時間– 計算出流水水質– 水力停留時間或混合液懸浮固體濃度擇一計算– 計算反應槽大小– 估計需氧量以及污泥產生量– 估計回流污泥以及廢棄污泥之濃度、流量– 計算營養鹽需求– 核對出流水有機物濃度

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NCHU Enve. Biotech計算及查驗項目

• 流量 （進流、迴流）• 有機物負荷 （F/M、容積負荷）• MLSS, MLVSS• Sludge retention time• Hydraulic retention time• D.O.

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NCHU Enve. Biotech活性污泥系統的常用參數

24Wastewater Engineering, Metcalf and Eddy 4th ed.

NCHU Enve. Biotech活性污泥質量平衡

• 簡化之程序計算– 假設所有流進曝氣池之基質僅以溶解性BOD形式存在，假設出流水BOD即為殘留BOD

– 曝氣池與二沈池一併計算– Yield? 此參數受到許多因素影響

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NCHU Enve. Biotech生物系統Yield 比較表

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Environmental Biotechnology, Rittmann and McCarty

NCHU Enve. Biotech活性污泥質量平衡計算

• 活性污泥生長，利用溶解性有機物生成新有機物（生物污泥），有意義的代表測量值為VSS

• 新增VSS (kg/day)= Yield (g VSS/g BOD) * (S0-S)*Q

• 新增SS = VSS ＊（測定得到的MLSS/MLVSS 比值）

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NCHU Enve. Biotech活性污泥質量平衡

• 廢棄污泥之總懸浮固體物 (kg/day)=進流SS +新增SS – 出流水SS

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NCHU Enve. Biotech計算範例

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kg/day

Q (m3/day) 10000 Q (m3/day) 9,846

BOD (mg/L) 100 1000 BOD mg/L 10 98

SS (mg/L) 120 1200 SS (mg/L) 20 197

kg/day

總廢棄量 1540 kg/day

污泥濃度 1%

Yield (gVSS/gBOD) 0.3 新增VSS 270 kg/day 污泥比重 1.00

MLVSS/MLSS 0.5 新增SS 540 kg/day 污泥流量 m3/day 154

原SS去除量 1000 kg/day SS (kg/day) * 1000 (g/kg)

污泥成分 比重 重量百分率 濃度 (g/g) * 比重 *1 (g/cm3) * 1000000 (cm3/m3)

揮發性固體物 1 0.005

非揮發性固體物 1.5 0.005

水 1 0.99

總和 1

NCHU Enve. Biotech整廠平衡圖繪製

• 注意流量，質量等項目會合相加必須平衡• 評鑑時不要故意印不清楚！！！

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NCHU Enve. Biotech質量平衡檢討

• 理論值與實際值之差異• 進出流之差異？• 污泥量？• 比較討論之

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NCHU Enve. Biotech

• 進階質量平衡觀念應用(一)

– COD、BOD、SS之相互關係？– 有機物詳細分類– 去除率？

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NCHU Enve. Biotech進流污水的分析

• 傳統上生物處理廢水分析多以BOD、COD為主，最新文獻建議將COD進一步區分為溶解及非溶解部分、可生物分解及不可生物分解部分等

Total COD

BiodegradableCOD

NonbiodegradableCOD

Readilybiodegradable

(soluble)

Slowlybiodegradable(particulate)

Nonbiodegradable(soluble)

Nonbiodegradable(particulate)

Complex VFA Colloidal Particulate

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NCHU Enve. BiotechrbCOD的測定有特殊意義BOD 生化需氧量

BOD Total 5-d biochemical oxygen demand sBOD Soluble 5-d biochemical oxygen demand UBOD Ultimate biochemical oxygen demand

COD 化學需氧量 COD Total chemical oxygen demand

bCOD Biodegeadable chemical oxygen demand pCOD Particulate chemical oxygen demand sCOD Soluble chemical oxygen demand

nbCOD Nonbiodegeadable chemical oxygen demand rbCOD Readily biodegeadable soluble chemical oxygen demand bsCOD Biodegeadable soluble chemical oxygen demand sbCOD Slowly biodegeadable chemical oxygen demand bpCOD Biodegeadable particulate chemical oxygen demand

nbpCOD Nonbiodegeadable particulate chemical oxygen demand nbsCOD Nonbiodegeadable soluble chemical oxygen demand

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NCHU Enve. Biotech廢水有機物特性與操作程序的關係

• 在傳統的柱塞流（Plug flow）或 階段曝氣（Staged aeration）中進流水若是含有高的rbCOD濃度，便代表著設計者或是操作者必須提供大量的溶氧在靠近進流段的曝氣槽部分。

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NCHU Enve. Biotech廢水有機物特性與操作程序的關係

• 程序中如果把脫硝反應槽放在程序的最前端(Preanoxic)，進流水中若含有大量rbCOD，代表著脫硝效率將大幅提升，因為rbCOD可以迅速地被異營性的脫硝菌用來當作能源及碳源而處理掉廢水中的硝酸鹽，設計上便可以縮小脫硝槽的體積。

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NCHU Enve. Biotech廢水有機物特性與操作程序的關係

• 進流水中所含的rbCOD可以在生物除磷系統中的厭氧槽中迅速地經由發酵作用生成醋酸，提供除磷細菌的優勢生長，強化生物除磷效果。

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NCHU Enve. Biotech廢水有機物特性與操作程序的關係

• 程序中如果在最前端裝置了提高食微比用的選種槽(Selector)，進流水中若含有較高的rbCOD濃度可以大量促進膠羽生成菌的繁殖，抑制絲狀菌的生長，進而預防污泥膨化以及促進污泥沈降。

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NCHU Enve. Biotech質量平衡考量

• 單元去除特性 vs. 不同有機物之去除率– 沈澱？– 生物分解？– 無機污泥進入生物系統？

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NCHU Enve. Biotech

• 進階質量平衡觀念應用(二)

– 活性污泥MLSS, MLVSS之意義

– 放流水測定

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NCHU Enve. BiotechMLSS? MLVSS? Active/Inert?新觀念

揮發性懸浮固體(VSS)被進一步分類成揮發性活性懸浮固體及揮發性惰性固體物

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NCHU Enve. Biotech舊理論 MLVSS = Xa, active biomass

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NCHU Enve. Biotech新理論 MLVSS = Xv = Xa + Xi = active + inert biomass

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NCHU Enve. Biotech食微比

• F/M = QSo / VX • X = 微生物的Biomass (用MLSS還是

MLVSS？）• 高估或低估？

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NCHU Enve. Biotech終沈池的作用

??

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NCHU Enve. BiotechSoluble Microbial Product (SMP)• 微生物產生的溶解性有機物, 可能的來源包括由破壞的微生物細胞釋出, 由微生物分泌至細胞外, 細胞進行代謝時釋出等等.

– UAP: substrate-utilization associated products– BAP: biomass-associated products

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NCHU Enve. BiotechSoluble Microbial Product (SMP)• 可能來源

– 細胞內外濃度平衡– 因外在基質不足而自行分解– 外在能源大量存在而用不完時– 外在能源大量存在而導致死亡時– 用來適應環境徒增負荷– 微生物正常生長代謝所產生

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NCHU Enve. BiotechSMP 與操作程序的關係

• 通常進流水中可利用基質越高, 出流水的SMP越高

• 理論及實驗結果證明在特定的污泥停留時間之下, 可以將出流水中的SMP濃度降到最低.

– 好氧系統操作在 2 – 15 天之間時, 厭氧系統操作在 25 天左右.

• 當控制廢水有機負荷在 0.2 – 0.4 kg BOD/kg MLSS*d 時, 可以得到出較低的出流水SMP濃度, 偏低或是過高都會導致SMP濃度上升, 但機制不同.

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NCHU Enve. Biotech出流水測定的新見解

• COD : S + Xv + SMP

• BODL : S + fd Xa + SMP

• BOD5 : S (BOD5/BODL) + fd Xa (0.4) + SMP (0.14)

SMP 濃度通常佔出流水中溶解有機物的絕大部分

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NCHU Enve. Biotech

• 進階質量平衡觀念應用(三)

– 氮磷去除理論

– 僅有好氧程序時之氮磷質量平衡及去除

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NCHU Enve. Biotech氮磷去除

• 好氧

• 缺氧/無氧

• 厭氧

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NCHU Enve. Biotech

• 傳統好氧程序中，存在微生物以好氧異營性細菌以及原生動物為主，有機物質進入好氧程序之後，被異營性微生物代謝分解，若能完全分解則最終產物為二氧化碳以及水，同時微生物將一部份被分解的有機物轉化成新的微生物生質量（biomass），亦即有另一部份有機物被轉變成新增生的微生物，此固體成分將會在沈澱池中被濃縮去除，成為廢棄污泥。

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NCHU Enve. Biotech

• 氮依照其進流成分主要以有機氮以及氨氮成分存在廢水中，氮成分在活性污泥中被轉變成氨氮之後，主要被異營性微生物使用在合成新細胞上，其使用比例依照細胞成分而定，同時因為是在好氧程序中，如果污泥停留時間足夠，自營性微生物（例如硝化菌）開始生長，一部份的氮將被自營性微生物轉變成其細胞的一部份，所剩餘的液相中的氮有可能被轉變成硝酸鹽。

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NCHU Enve. Biotech

• 硝酸鹽氮氮仍然存在於廢水中未被去除。所有變成微生物（異營及自營）生質量中的氮將可以在沈澱池被以污泥的形式被去除。

• 磷的去除主要以變成微生物的生質量為主，其比例約佔細胞乾重的百分之二至百分之三左右，同時因為沒有無氧缺氧或是厭氧程序，磷不會被加強攝取成聚磷酸鹽，硝酸鹽氮也不會被脫硝反應轉變成氮氣。

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NCHU Enve. Biotech

• 所以當貴廠被要求要進行氮磷去除時應該如何進行？

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