莫笑农家腊酒浑 丰年留客足鸡豚-活性污泥法的F/M
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。