經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 1

探討污水及污泥 質量平衡的共通問題

經濟部工業局

財團法人環境與發展基金會

萬能科技大學環境工程系

莊 O O 教授

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 2

活性污泥法

• 原污水經前處理 ( 如攔污柵、沉砂池、最初沉澱池、調整池或中和池等 ) 後，仍含溶解性有機物之廢水。

• 這種廢水流入曝氣槽內與池內呈懸浮生長式的好氧性微生物群相接觸，溶解性有機物即被微生物分解成穩定物質及增殖微生物。

• 經增殖的微生物於最終沉澱池沉澱分離，沉澱分離之污泥，一部分連續迴流至曝氣槽 ( 又稱迴流污泥；另一部分排出另行處理 ( 又稱廢棄污泥)。

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 3

原生動物數量之變化

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 4

活性污泥微生物的代謝過程 遲滯期 對數生長期 減衰生長期 體內呼吸期

未形成膠羽 膠羽分散 形成膠羽凝聚 微生物膠羽減少

氧總利用量

微生物細胞量( 去除 BOD 所需氧量 )

溶解性有機物

氧利用率 ( 微生物代謝所需氧量 )

時間

量

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 5

活性污泥微生物的代謝過程 遲滯期 對數生長期 減衰生長期 體內呼吸期

未形成膠羽 膠羽分散 形成膠羽凝聚 微生物膠羽減少

氧總利用量

微生物細胞量( 去除 BOD 所需氧量 )

溶解性有機物

氧利用率 ( 微生物代謝所需氧量 )

時間

量

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 6

活性污泥程序須具備之條件

• 曝氣槽內食微比要維持在一定範圍內。食微比 (F/M) 又稱為有機負荷 (organic

loading) 或BOD-MLSS負荷。可以由下式計算之：

B O D( k g B O D / k g M L S S - d a y)

M L S S

F Q

M V

單 位 ：

式中 Q 流入曝氣槽中的污水量 3(m / d ay)

B O D 流入曝氣槽中的 BOD 濃度 (mg/L)

V 曝氣槽體積 3(m )

M L S S 曝氣槽中混合液懸浮固體 ( 微生物濃度 ) (mg/L)

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 7

活性污泥程序須具備之條件

• 最終沉澱池分離出的污泥濃度，應濃縮至比曝氣池活性污泥濃度 (MLSS) 為高。

• 為判斷最終沉澱池之污泥濃縮性及沉降性，一般採用污泥容積指標 (sludge volume

index, SVI) 計算之： 4

3 0S V (% ) 1 0S V I ( m / g )

M L S S ( m g / )

l

l單 位 ：

式中 3 0S V 為活性污泥靜置 30分鐘的沉澱率。

SVI 值愈大，活性污泥之沉降性及濃縮性愈低，會增加放流水 SS量，

若 SVI 值太小則表示污泥太過緊密，排泥困難，易阻塞污泥管線。

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 8

活性污泥程序須具備之條件

• 去除懸浮固體及分解溶解性有機物所增殖的微生物，為維持一定的污泥齡 (sludge

age) 應每隔一段時間予以排出處理。

• 污泥齡θC有時稱為平均細胞停留時間

(mean cell retention time, MCRT) ( )

s

c

w R

V V X

Q X

式中 V 曝氣槽體積 3( m )

w

Q 廢棄污泥量3( m / d a y )

X 曝氣槽平均 MLSS濃度 (mg/L)

R

X 迴流污泥濃度 (mg/L)

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 9

活性污泥法之理論基礎

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 10

活性污泥法之理論基礎

• 下水生物處理上，微生物增值與基質 ( 廢水中有機物

) 利用率之關係式如下：

• 基質單位時間之減少率可以下式表示：

d

d X d FY K X

d t d t

m a x 1

s

K X Sd F d S

d t d t K S Y

式中 d X

d t 微生物之增殖速度 m g / L

d a y

Y 生長係數 (growth-yield coefficient)

微生物質量 / 基質被微生物分解或利用之量

d

K 微生物衰減係數 1(d ay )

X 微生物濃度 (mg/L)

式中 m a xK 單位質量微生物對基質最大利用率 1(d ay )

s

K 當 m a x

1

2d

K K 時之基質濃度 (mg/L)

S 污水濃度 (mg/L)

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 11

活性污泥法之設計參數值

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 12

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 13

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 14

停留時間： 𝐻𝑅𝑇 = θ =𝑉

𝑄𝑜 + 𝑄𝑅=

𝑉

𝑄

食微比： 𝐹

𝑀= 𝑈 =

𝑄(𝑆𝑜 − 𝑆𝑒)

𝑉 ∙ 𝑋

體積(容積)負荷： =𝑄∗𝑆𝑜

𝑉

迴流(污泥比)率： R =𝑄𝑅

𝑄=

𝑋 − 𝑋𝑜

𝑋𝑅 − 𝑋

廢棄污泥量： Q𝑊𝑅 =𝑉𝑋

𝜃𝑐∙𝑋𝑅

污泥齡： 𝜃𝑐 =𝑉𝑋

𝑄𝑊𝑅 ∙ 𝑋𝑅 + 𝑄𝑒 ∙ 𝑋𝑒

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 15

污泥性質之指標

• 污泥含水量

• 揮發性固體(VS)和固定性固體(FS)

• 濕污泥比重與乾污泥比重

• 污泥肥份和細菌組成

1 0 0 %w

w

WP

S

式中 w

W 污泥中所含水分的重量

w

S 污泥總重量

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 16

污泥的含水量 • 顆粒間的孔隙自由水：約佔污泥總水量的70%。

• 結合水：可分為毛細水及顆粒內部水，所謂毛細水係指存在污泥顆粒間的毛細管水，約佔20%。

• 顆粒表面吸附水等；整體污泥比重則接近於1，故污泥的體積、重量、含水率及污泥中所含固體物濃度之間的關係可以下式表示：

1 1

2 2

2 2

1 1

1

1

V W

V W

S S P C

S S P C

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 17

污泥含水量計算例

污泥原體積 31 0 0 m ，含水量 9 8 % ，經濃縮後的含水量 9 5 % ，則其體積

為多少？ 1 1

2 2

2 2

1 1

1

1

V W

V W

S S P C

S S P C

式中 1V

S 、1W

S 、 1C 表示含水率為 1P 之污泥體積、污泥重量、污泥中所含

乾固體重量百分率。

2V

S 、2W

S 、 2C 分別表示含水率為 2P 之污泥體積、污泥重量、污泥中

所含乾固體重量百分率。

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 18

揮發性固體和固定性固體

• 污泥之總固體量 (TS) 包括溶解性固體及懸浮性固體，又可以溫度550。C是否揮發分為揮發性固體及固定性固體。

• 揮發性固體 ( 簡稱VS) 可近似表示污泥中有機物含量，亦為污泥消化處理的對象。

• 固定性固體 ( 簡稱FS) 則可近似表示污泥中無機物含量，亦可表示污泥消化處理無法分解消化的物質。

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 19

濕污泥比重與乾污泥比重

• 濕污泥比重S可以下式表示：

• 乾固體平均比重Ss

(1 )

(1 ) (1 )S

S

S

SP PS

P P S PP

S

SV：揮發性固體(VS)之比重，一般約等於1左右

SF：固定性固體(FS) ，一般約為2.5~2.65

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 20

曝氣槽 最終沉澱池 放流水初步沉澱池處理水

0

5

5 0 0 C M DB O D 5 0 0 m g / L

4 0 0 m g / L

Q

S S

3 0 % , 1 2 , 0 0 0 m g / L

RR x

31 0 m / d a yw

Q

廢 棄 污 泥

5B O D 5 0 0 m g / L1 0 m g / LS S

某一活性污泥處理系統，如下圖，試求：(1)MLSS；(2)曝氣槽水力停留時間；(3)食微比；(4)容積負荷；(5)平均細胞停留時間。V=300 m3，Se不考慮。

50

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 21

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 22

3

: 1 0 , 0 0 0

m / d a y

Q

3, 0 0 0 m g / Lx

曝 氣 槽 終沉池

1 0 , 0 0 0 m g / LR

x

廢棄污泥

初沉池

5 m g / Le

S

放 流 水

一活性污泥系統，處理家庭污水10000 m3/day，經初沈池處理後之BOD=150 mg/L，終沈池放流水之溶解性BOD不能大於5 mg/L。假設曝氣槽內之MLSS=3000 mg/L，曝氣槽體積2300 m3，迴流污泥濃度=10000 mg

/L，求(1)迴流比；(2)每日廢棄之污泥乾重及體積。

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 23

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 24

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 25

項目 污泥(上澄液)迴流輸出單元 污泥(上澄液)迴流接受單元 迴流百分比 迴流項目

1. T01-06二沉池 T01-05曝氣池 40% 污泥 2. T01-20上澄液抽水站 T01-01進流抽水站 35% 上澄液 3. T01-20上澄液抽水站 T02-01純氧進流抽水站 65% 上澄液 4. T02-06二沉池 T02-01純氧進流抽水站 60% 污泥 5. T02-09純氧混凝沉澱池 T02-01純氧進流抽水站 50% 污泥 6. T02-16反沖洗廢水池 T01-03調節池 100% 上澄液 7. T02-06二沉池 T02-05純氧曝氣池 40% 污泥

質平計算重要假設 第20次質平計算的T01-20上澄液抽水站及T02-16反沖洗廢水池其迴流量計算值分別為3123.1CMD與2829.4CMD。由於本廠額外迴流1000CMD迴流量，並分配到上述兩槽，其迴流量各增加800CMD與200CMD，使得迴流量分別達到3923.1CMD與3029.4CMD。

系統內污泥/上澄液迴流比例

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 26

出流單元 入流單元 分配百分比 分配項目

1. T01-01進流抽水站 T01-02曝氣沉砂除油池 80%

廢水 T02-01純氧進流抽水站 20%

2. T02-03純氧調節池 T02-05純氧曝氣池 50%

廢水 T01-03調節池 50%

3. T01-04初沉池 T01-14污泥攪拌槽 90%

污泥 T02-13污泥濃縮池 10%

4. T01-06二沉池 T01-14污泥攪拌槽 10% 廢棄

污泥 T02-16反沖洗廢水池 90%

5. T02-06純氧二沉池 T02-01純氧進流抽水站 60%

污泥 T02-05純氧曝氣池 40%

6. T02-09純氧混凝沉澱池 T02-01純氧進流抽水站 50%

污泥 T02-12污泥混合池 50%

7. T02-13污泥濃縮池 T02-14污泥儲存槽 10%

污泥 T02-16反沖洗廢水池 90%

系統內污泥/廢水分配比例

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 28

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 29

H2SO4(50%) 處理水量=237.2 CMD

第一階段pH=由10調整至7 pH=10<OH->=10-4mole/L=1×10-4×237. 2×1000= 23.72 mole/d pH==7<OH->=10-7mole/L=1×10-7×237. 2×1000= 0.025 mole/d 所需中和之OH-莫耳數為23.72-0.025= 23.695 mole/d 第二階段pH=由7調整至5 pH==7<H+>=10-7mole/L=1×10-7×237. 2×1000= 0.024 mole/d pH==5<H+>=10-5mole/L=1×10-5×237. 2×1000= 2.37 mole/d 所需調整之H+莫耳數2.37-0.024= 2.35 mole/d 所需之H+莫耳數23.695+2.35= 26.045 mole/d 因此，每天需硫酸的量 26.045mole/d/2×98÷1000= 1.276 kg/d 設安全係數為1.2 故每日需硫酸的量為1.276×1.2= 1.531 kg/d 藥劑使用量:1.531kg/d÷0.5= 3.063 kg/d (50%硫酸)

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 30

NaOH(45%) 處理水量=237.2 CMD

第一階段pH=由2調整至7 pH==2<H+>=10^-2mole/L=1×10^-2×190×1000= 1900 mole/d pH==7<H+>=10^-7mole/L=1×10^-7×190×1000= 0.019 mole/d 所需中和之H+莫耳數1900-0.019= 1899.981 mole/d 第二階段pH=由7調整至11 pH=7<OH->=10^-7mole/L=1×10^-7×190×1000= 0.019000 mole/d pH==11<OH->=10^-3mole/L=1×10^-3×190×1000= 190 mole/d 所需調整之OH-莫耳數為190-0.019= 189.981 mole/d 所需之H+莫耳數189.981+1899.981= 2089.962 mole/d 因此，每天液鹼的量 2089.962mole/d×40÷1000= 83.598 kg/d 設安全係數為1.2 故每日需液鹼的量為83.59848×1.2= 100.318 kg/d 藥劑使用量:100.318176kg/d÷0.45= 222.929 kg/d (45%液鹼)

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 31

產生污泥量計算

進流量 (kg/d)

去除率(%)

剩餘率(%)

污泥轉換率 單位 產生污泥

量(kg/d)

SS 17.705 0.450 0.550 1 7.967

COD 47.500 0.503 0.497 0.05 Kg-D.S/ kg-COD 1.195

溶解性鐵 2.375 0.000 1.000 0

0.000 含水率 污泥比重 出流

量 產生污泥量合計 9.162 99% 1.01 1.0079

2

項目 進流濃度 進流量(質量) 去除率(%) 出流濃度 出流量(質量) 值 單位 值 單位 值 單位 值 單位

WTA12 237.19 CMD 236.18 CMD SS 74.65 mg/L 17.71 kg/d 45.00% 41.23 mg/L 9.73794 kg/d COD 200.26 mg/L 47.50 kg/d 50.30% 99.95 mg/L 23.60750 kg/d

T01-15生物沉澱池

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 32

去除率 進流廢水水質 SS＝ 55% SS＝ 5634.49 mg/L 185525.57 kg/d BOD＝ 38% BOD＝ 319.71 mg/L 10527.11 kg/d COD＝ 20% COD＝ 478.13 mg/L 15743.57 kg/d 出流廢水負荷 SS= 5634.49 × (1-0.55) = 2535.5 mg/L 83486.5 kg/d BOD＝ 198.2 mg/L 6526.8 kg/d COD＝ 382.5 mg/L 12594.8 kg/d 沉澱物 SS污泥產量 = (185525.57 －83486.51) = 102039.065 kg/d 物化沉澱池污泥含水率為 0.967 1/SS污泥比重 = (0.97 /1)+ ((1-0.97)/2.5)= 1.006 水比重 1 污泥乾比重 2.5 初沉池污泥量= 102039.06/(1-0.967)/1.006/1000= 3055.1 CMD

SS濃度=102039.06/3055.14 ×1000= 33399.2 mg/L 故出流量＝ 32926.75CMD－ 3055.14CMD = 29871.6 CMD

進流量＝ 32926.7 CMD

進流量＝ 27874.3 CMD 進流廢水水質 SS＝ 334.4 mg/L 9322.0 kg/d COD＝ 191.2 mg/L 5331.1 kg/d 銅＝ 2.8 mg/L 78.1 kg/d 鋅＝ 4.67 mg/L 130.1 kg/d 鎳＝ 0.94 mg/L 26.2 kg/d 去除率 SS＝ 93% COD＝ 60% 銅＝ 50% 鋅＝ 50% 鎳＝ 50% 出流廢水負荷 SS= 334.43 × (1-0.93) = 23.4 mg/L 725.4 kg/d COD= 191.26 × (1-0.60) = 76.5 mg/L 2132.4 kg/d 銅= 2.80 × (1-0.50) = 1.4 mg/L 43.5 kg/d 鋅= 4.67 × (1-0.50) = 2.34 mg/L 72.6 kg/d 鎳= 0.94 × (1-0.50) = 0.47 mg/L 14.5 kg/d 沉澱物

COD污泥產量 = (5331.14 －2132.45) = 3198.682 kg/d

依水質特性去除1Kg-COD並非產生1kg之D.S，一般設計考量範圍內以 0.05~1.0Kg-D.S/kg-COD均為合理範圍，本廠以 0.050 Kg-D.S/kg-COD 故COD污泥產量= 3198.68 ×0.05 = 159.9 kg/d SS污泥產量 = (9322.01 －725.45) = 8596.5 kg/d 銅污泥產量 = (78.10 －43.59) ×1.53 = 52.8 kg/d

鋅污泥產量 = (130.17 －72.65) ×1.52 = 88.0 kg/d

鎳污泥產量 = (26.20 －14.56) ×1.52 = 17.8 kg/d 物化沉澱池總污泥量＝ 8915.1 kg/d 物化沉澱池污泥含水率為 0.977 ，並忽略有機物存在，則污泥比重 物化沉澱池污泥量= 8915.119/(1-0.977)/1000) = 387.61 m3/day (其中污泥迴流量= 0.000 CMD， 0.00 kg/d) 故出流量＝ 27874.39CMD－ 387.61CMD = 27486.78 CMD

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 34

污泥脫水機 污泥經脫水後其含水率約為 84% ，不考慮密度變化 設固體物濃度＝ 0.050 ，比重＝ 1.020 污泥捕捉率＝ 50%

固體物量= 11616.9 kg/日 迴流污泥負荷

5808.45 kg/d

脫水捕捉後固體物量= 5808.4 kg/日 濕污泥量 =5808.46/((1-0.84 )×1000)= 35.4 m3/day 約 濾液 =431.22 － 35.42= 395.8 CMD 濾液SS濃度 14675.2 mg/l 5808.4 kg/d 濾液BOD濃度 14.2 mg/l 5.64 kg/d 濾液COD濃度 76.5 mg/l 30.28 kg/d

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 35

加入PAC(9%)0.02~0.5kg/T 0.020 kg/t 加藥量=( 8813.13 × 0.02)= 176.26 kg/d

假設PAC溶液比重為1，則加藥流量 0.176 CMD 相比總流量極小，故忽略廢水流量變化

PAC濃度= 176.26Kg/d ÷ 8813.13CMD ×1000= 20.0 ppm 每添加1kgPAC約生成 0.138 Kg之污泥量 (0.153×9%/10%) 故產生之污泥量= 8813.13CMD×20.00ppm×0.138× 0.001= 24.32 kg/d

進流量＝ 8813.13 CMD

經濟部工業局暨環發會 污水處理廠質量平衡與系統穩定性教育訓練 36

敬請指教

桃園縣大學校院產業環保技術服務團 萬能科技大學環境工程系