工艺技术 探讨：污水厂中停留时间HRT

在污水厂的技术人员的交流中，时常有关于停留时间的讨论，特别是关于在曝气池里的停留时间的计算，峰值水量和平均值水量的停留时间的计算，这些停留时间的长短计算对污水厂的处理效果有一定的影响，在细节管控上，我们要根据停留时间的不同进行不同的工艺调整。但是在停留时间的计算中有很多的不同的意见，那么停留时间究竟是要怎么样的计算呢？


停留时间，甚至说在污水的生物处理过程中，有很多关于各种时间的统计和计算，来进行后续的系统数据分析，这些时间参数都与污水厂的运行有很大的关联。比如说水力停留时间HRT，固体停留时间SRT，平均细胞停留时间MCRT，污泥龄，以及引申得出来的曝气停留时间，反硝化停留时间，厌氧停留时间等。

在一个运行中的污水厂中，时间与污水提升泵的提升流量，污水处理的构筑物体积这两个参数有密切的关系，在上述的多个停留时间的统计和计算中，基本都会涉及到这两个参数，下面我们就各个参数来展开讨论各个时间的概念和计算。

在讨论时间的计算之前，先来澄清几个让人迷惑，容易在计算中产生干扰的的问题，首先来看看内、外回流的流量问题。

先来看内回流，内回流是从生物池的好氧段出口回流到缺氧段的活性污泥混合液的回流，这部分的回流量很大，一般是进水流量的２～４倍，很多水力负荷没有达到满负荷的污水厂，这个回流量会更大。那么是不是说进入生物池的水量就是进水量加上内回流量，也就是３～５倍以上的水量在生物池内通过呢？为了说明整个问题，我们来把整个生物池想象成一个大的水盆，这个水盆有一个进口，一个溢流口，通过污水提升泵提升的的进水从进口进来，然后处理后出水从溢流口流出去，这种情况，大家都能很简单的看出来，停留时间就是生物池体积除以单位时间水泵提升的水量。

如果我们把大水盆里的水用力搅拌，使其在水盆里旋转起来，在搅拌过程中保持水盆的进水不变，那么停留时间会发生变化么？答案是肯定的，不管我们搅拌的多么用力，水在水盆中的停留时间是由提升泵的单位小时流量确定的，与搅拌的力度和搅拌的时间是没有关系的。在污水厂中把内回流泵想像成它是我们用来搅动整个生物池的一个搅拌装置的时候，就很容易理解内回流泵起的作用了，当然它的生物原理更为复杂，在之前的生物脱氮的文章中有详细的探讨，这里就不展开说明了。这样的理解下，内回流泵不管开多大的流量，其实对生物池来说，污水泵提升的污水在生物池内的停留时间是不受影响的，所以在计算停留时间时，内回流量不进行考虑。

在了解内回流之后，再来看看外回流。外回流是从二沉池回流到生物池内的，与内回流有很大的区别，不在一个构筑物内了，是不是流量就不能像内回流一样不进行计算了，而是要对外回流进行计算呢？

在展开外回流的讨论之前，先来分辨活性污泥处理系统的概念。活性污泥处理系统是曝气池和二沉池共同组成的，曝气池是活性污泥生产繁殖的场所，快速降解污水中的有机物杂质的构筑物，而二沉池是使活性污泥进行泥水分离，并将大部分的活性污泥重新回到曝气池的构筑物，所以说在一个完整的活性污泥处理系统中，是由曝气池和二沉池共同构成的。

回到外回流的问题上来，当生物池通过提升泵进水以后，从生物池流出，在二沉池沉淀，然后活性污泥沉淀到二沉池底部，通过回流泵回流到生物池的进水端，和提升泵进水混合后，进入生物池。这个时候会产生一个问题，要不要在计算生物池水力停留时间的时候，把二沉池的外回流计算进去？

有一些人认为，由于提升泵进水和外回流同时进入生物池，也就是说进入生物池增加了整整一倍的流量，因此我们要计算停留时间当然要考虑二沉池的外回流，特别是水流速度都增加了一倍，所以停留时间当然要减半了，但是为什么设计的时候仅仅只用提升泵的进水流量来计算停留时间呢？

再次回到水盆模型上来，一个水盆内的搅动，对水力停留时间没有任何影响是很确定的。如果把水盆分离成两半，底部通过连接管或者缝隙相互连接，这时候，继续搅动水盆里的水，发现搅动难度增大很多，特别是在连接部位，需要寻找一些强有力的工具来使水快速通过这个连接。但是对整个水盆来说依然是进水稳定，出水和进水的量平衡的，不会因为水盆内有了部分分割就出现变化。如果我们把这个分割做的足够大，距离足够远，但是通过管路连接起来水盆的两个部分，效果是和整个水盆一致的。上面的分析我们知道对于活性污泥来说，是二沉池和生物池共同构成系统，通过回流泵和回流管路连接在了一起，这样的结构和水盆分割开的结果是一样的。

从这个角度来说，外回流相对整个生物处理系统来说，也和内回流一样，起到了一个水力搅拌器的作用，不过它在生物池之外，起到的迷惑性更强，让人觉得会影响到生物池内的停留时间，为了便于理解，在做时间分析的时候，可以把整个生物池和二沉池化成一个整体来看，二沉池和生物池之间只是加了一堵非常大的墙体而已，这两个构筑物是通过回流管连接在一起的，所以外回流只是系统内活性污泥的混合方式，不作为时间统计的计算数据。

这个现象其实在一些特殊情况下就可以验证一下，这个在一些污水厂中设备出现问题时，能够观察到。比如二沉池回流泵停了，从生物池进水中减少了回流污泥，二沉池的出水短时间会停止一下，但是到了稳定的状态以后，就会发现出水又恢复到有回流的流量了，因为进水的流量并没有变化，只是回流停止以后需要寻找一个新的平衡，才会造成短时间没有出水，这也说明污水在曝气池内的停留时间是与内外回流没有关系的。

内外回流是对生物系统内的流速增加的一种方式，也有污水厂技术人员在问，如果外回流只是起到搅拌作用，那当污水厂增加了一台外回流泵的时候，进入到生物池内的活性污泥量增加了一倍，但是污水提升泵流量没有变化，那污水在生物池中停留时间还是原来的时间么？

这个问题很有迷惑性，比如对于污水厂比较关注的曝气时间，反硝化时间，厌氧时间，这些时间是由固定的体积（污水厂设计完成以后，这些体积就固定了），除以流速得来了的啊，那这个时候，当进入到生物池的外回流量增大一倍，难道流速没有增加么？既然流速增加了一倍，停留时间当然缩短了啊，所以外回流开大以后，生物池的各个阶段的反应时间都缩短了么？

这种看法，在很多污水厂的同行中都存在。这种思路最关键的就是忽视了一点，外回流是循环流，这部分活性污泥从二沉池底部抽起来以后，通过回流泵回到生物池，通过生物池以后，再进入二沉池沉淀，然后再次被提升进入生物池进行循环。既然外回流是循环流，我们在计算中是不能进行对其进行重复计算。

所谓的水力停留时间，包括厌氧时间，曝气时间，反硝化时间，沉淀时间等，是污水在处理构筑物（或处理单元）内停留的平均时间的量度，简单的说，就是从第一滴污水开始进入到处理构筑物内，直到构筑物注满水流出去的平均时间，要注意这个定义，是污水从进口进入，从出口流出去的时间才是停留时间，这个时间保证了生物池内的微生物和污水有充分的接触时间，使微生物彻底处理水中的污染物质。

如果污水没有流出去，是不能作为停留时间计算的，从这个定义出发，严谨的说，当污水厂的生物处理单元（包含生物池和二沉池）从空置到充满的过程中，外回流无论开启多少台，外回流只是在生物池循环,而生物池是不出水的，生物池的出水只决定于污水提升泵提升的污水什么时候充满整个生物池。这是比较容易理解的，生物处理单元所容纳的水量决定了出水的时间，也就决定了停留时间。从这个角度就能说明了一个问题，无论外回流的流量大小，对生物处理单元的停留时间是没有影响的。




所以污水厂内的内外回流，对污水在生物池内的停留时间是没有改变的，内外回流起到的作用更多的是功能性作用，外回流起到的是更多的微生物接触和混合，内回流起到更多更彻底的反硝化作用，所以在对内外回流的关注上，要更多的考虑其功能性的合理发挥，而不是关注它是否影响停留时间，生物处理单元内所有的停留时间都来自于进水提升泵的流量，与其他因素没有关联。

还有同行会疑问，当生物处理单元都充满污水以后，提升的污水也是要经过生物处理单元的体积除以流量的停留时间才能流出去么？难道不是一开泵水就流出去了么？对于生物处理单元来说，在设计中采用了很多方式来确保污水在生物处理单元不会短流，在生物池中做了隔墙，做了水力导流墙，这都是为了污水在生物池中能够沿着设计规定的路线一步步到最后的出口，这样一开泵，未处理的污水进入到生物处理单元的头部，尾部排出的是经过一步步的生物处理过程后处理后的污水，这样保证了最新的进水不会直接短流到出口，导致停留时间不足。

这就是关于污水厂水力停留时间的内容，污水厂的水力停留时间的缩写是HRT（Hydraulic Retention Time ），它的计算公式是：




与其相关的有曝气时间，厌氧区停留时间，缺氧区停留时间，这些计算方法都与HRT的计算公式相同，只是把生物处理单元总体积细化到各个功能区的体积就可以了。

在停留时间的讨论中，要注意污水厂的水量统计，一般的统计周期是一日水量，在统计计算中，采用日处理水量来进行后续的大部分计算，采用日处理水量的时候，会出现一个时变化系数的问题，特别是中小型污水厂，处理水量低，受居民生活用水习惯影响严重，用水高峰期和夜间用水低谷期，会出现很大的差别，在这种情况下，我们计算停留时间的时候，会出现高峰期停留时间不足，低谷期停留时间过长的情况。

这种情况在污水厂的设计中，是用日平均流量的停留时间来计算生物池体积大小的，同时会用时变化系数来进行校核，保证最大时的流量能够满足生物处理需求，这也是很多污水厂有一定设计余量的来源。水本身是液体，有相交相融的情况，高峰期的处理程度低的污水和低谷期处理程度高的污水会相互交融后流出，因此在污水厂的实际运行中，我们往往不对一日内的时变化系数进行特别的工艺调整，更关注的是月度内的日变化系数，季度内的月变化情况，或者年内的季度变化。通过这种长时期的变化来调整回流污泥，曝气量的控制。当然有些污水厂到了夜间甚至长时间没有进水，这种就要注意夜间的曝气量的调整，来减弱过量曝气对活性污泥的老化的促进作用。

由于污水处理以微生物处理为主，微生物和污水的充分接触，也就反映了污水处理的程度深浅。因此在日常运行中，除了水力停留时间以外，工艺人员更需要关注的是污水厂内的活性污泥在水中的停留时间，这里有三个指标MCRT，SRT，污泥龄都是与污泥停留时间有关的，那么它们之间有什么区别和联系呢？

活性污泥的MCRT是Mean Cell Residence Time的英文缩写，代表的意思是平均细胞停留时间，其中M（mean）表示"均值"，剩余的字母 CRT 代表细胞停留时间，也可以指一些特定细菌、细胞或一定量的细菌在活性污泥的生物处理过程中停留多长时间。MCRT 通常以天表示。对细胞的平均停留时间MCRT，我们可以这样理解，生物池内的活性污泥在得到充足的营养和氧气之后，从零浓度开始每天源源不断的生长，生长以后在系统内循环流动降解污水中的有机物，在没有离开系统之前，这部分的活性污泥的停留时间就是无限延长的时间。当污水处理系统通过工艺手段每天将一部分活性污泥排出系统之外，如果活性污泥没有继续生长，生物池内所有的活性污泥就需要活性污泥总量除以每天排出污泥量的时间来完全排掉，这个时间也就是活性污泥在系统内停留时间。因此这个时间的计算就可以用系统内的活性污泥总量除以每日排出系统之外和通过二沉池出水带走的的活性污泥之和得出，MCRT的数学表达式：




MCRT体现了微生物在系统内的停留时间，这个值在工艺控制中有很重要的作用，比如硝化菌与反硝化菌需要足够的系统停留时间才能完成自己的世代生长周期，在脱氮的A2O工艺中，MCRT要保持在10~15天区间，如果在SBR和氧化沟工艺中，MCFRT通常能达到１５～３０天。特别是寒冷的季节中的硝化系统的MCRT需要达到３０天的时间，才能保证良好的硝化效果。因此在日常的工艺控制中，系统的MCRT的计算是比较重要的一个项目。这个计算需要污水厂处理系统每日的MLSS浓度，剩余污泥浓度，剩余污泥流量，出水TSS浓度和出水流量数据。特别是要注意在统计生物系统内的活性污泥总量需要了解二沉池内的活性污泥的数量，这个方法比较繁琐，需要检测二沉池的沉淀污泥高度，二沉池内沉淀污泥浓度，然后根据体积计算二沉池内的污泥总量，在有些文献中，也有用MLVSS来计算MCRT的。在实际的运行中，这个数值由于检测繁琐，计算误差也比较大，因此使用较少，而实际运行中较常使用的是SRT这个指标。

SRT，solids Retention Time是固体停留时间，SRT是基于生物反应在二沉池内进行的不明显，为了更好的计算生物池各个区域内的固体停留时间来做出的一个指标，也就是不计算二沉池内的沉淀污泥数量。SRT的计算表达式就是：




从计算表达式中，可以看到SRT中减少了日常计算比较繁琐检测的一项，二沉池内的污泥量，从而大大简化了停留时间的计算。减少二沉池的污泥总量的计算，是从二沉池是一个活性污泥的储存构筑物，没有活性污泥的损失的机理进行的，就是这部分活性污泥在二沉池内只是暂时停留，并且在一定时期内二沉池内停留的污泥量是恒定的，这样就能把二沉池内的污泥总量在计算中忽略，这样的计算对生物池内各个功能段的时间计算更加准确，更能准确的反映微生物在各个功能区的停留时间。

污泥龄的概念和SRT一致，是SRT的另外一种表达，也是用天来表达的。

要注意的是，在某些文献或者场合下，认为二沉池出水水质良好，带出的SS较少，就把这部分省略掉，计算表达式就可以简化为：

   

这就是我们在很多文献中常见的污泥龄和SRT的计算公式，由于计算简便，在污水厂的日常运行中，采用的最多，对生产的指导性虽然不如MCRT准确，但是具有一定的关联性，所以一般的停留时间都用最后的简化公式来进行计算。

通过这几个公式的推导，可以得出生物池内的固体停留时间的不同方式的计算，可以看出这些停留时间的计算基本核心是一致的，在实际应用中，就使用最后一个公式来进行计算各种停留时间。