沉淀之污泥容积指数（一）

一、前言

    阳光明媚，人潮如流，出门逛了逛。走在大街上，一个奇怪的想法冒了出来：一百年后，目光所及之人都还在吗？假如定格在这个熙熙攘攘的人群画面中，想象着电影《超体》中的场景，脑容量开发至100%的斯嘉丽手指轻轻一划，穿越到未来，20年后，画面中有多少人离开了；40年后，剩下多少人呢；100后呢，画面应该是一片寂静，空无一人。虽热闹，却别有一番滋味涌在心头。    扯远了。  过滤还没怎么开始，可进入沉淀了，摊子铺的有点大。是这样的，前几天，被问到二沉池设计时，为何要用固体负荷去校核一下，突然有点蒙，不懂。对于二沉池，几个参数经常遇到：表面负荷、回流比、回流污泥浓度。翻阅教材时，突然又发现了一个公式：

    式中：X_R为二沉池回流污泥浓度，mg/L；SVI为污泥容积指数，mL/g。由于回流污泥和剩余污泥都是从池底排出的，两者浓度被认为近似一致。至于这个公式是什么意思？也不懂！一个问题往往能引出一堆问题，越疑问越发散，SVI又是什么？熟悉而又陌生，先说它的事儿吧。

二、概念

正常的活性污泥在静止30min 内即可完成絮凝沉淀和成层沉淀过程，随后进入浓缩。根据活性污泥在沉降、浓缩方面所具有的这一特性，建立了以活性污泥静止沉淀30min为基础的两项指标表示其沉降、浓缩性能。 

1）污泥容积（Sludge Volume，SV）：亦称为30min污泥沉降比。混合液在量筒内静置30min 后形成的沉淀污泥容积占原混合液容积的百分数，以%表示。污泥沉降比能够反映曝气池运行过程的活性污泥量，可用以控制、调节剩余污泥的排放量，还能通过它及时地发现污泥膨胀等异常现象。    

2）污泥容积指数（Sludge Volume Index，SVI）：曝气池出口处的混合液，经过30min静置后，每克干污泥形成的沉淀污泥所占有的容积，以mL计。    式中：SVI为污泥容积指数，mL/g；SV为污泥沉降比，%；MLSS为曝气池污泥浓度，mg/L。SVI值能够反映活性污泥的凝聚、沉降性能。生活污水及城镇污水处理的活性污泥SVI值为50-150。SVI值过低，说明泥粒细小、无机物质含量高、缺乏活性；SVI过高，说明污泥沉降性能不好，并且有产生膨胀现象的可能。

    SV和SVI是活性污泥处理系统重要的设计参数，也是评价活性污泥数量和质量的重要指标。

三、历史

      早期，污泥容积（或沉降比）因测定简单而常被用来反应污泥的沉降性能。后来发现，由于污泥絮团可能发生膨胀或收缩，其在沉降过程中容积变化差别很大。疑问诞生了，思路也随之而来，这里面有两个参数：重量和容积，两者比一比也能表征点啥出来。    早在1920年，有学者已经开始对污水厂污泥进行所谓的“指数”评价了。1931年，纽约市公共事务部污水处理设计部门主管Donaldson首次提出了“污泥指数”（Sludge Index，SI）概念，相当于用“术语”把这个事儿定了下来。

   SI也即“污泥密度指数”（Sludge Density Index，SDI）。期间，有很多学者提出了其它计算方法，基本都是围绕着重量/容积（密度）。Donaldson密度指数可从0.3（沉降差，膨胀）变化至2.0（沉降好，易沉淀）。从数据来看，好像有点颠倒，容积大易膨胀的数据反而小，大VS小，步调不太一致。

1934年，芝加哥市卫生局首席化学家Mohlman提出了“污泥容积指数”（Sludge Volume Index，SVI）概念及测定方法，反过来，用容积/重量。SVI大，意味着容积大膨胀，这下感觉上就统一了。自此，该概念被广泛采纳应用，并一直使用到现在。

四、问题

    虽简单实用，但问题很严重！    举个例子：同样的1L泥水混合液，一个样品污泥浓度3000mg/L，30min污泥体积300mL，另一个样品污泥浓度10000mg/L，30min污泥体积1000mL（死活不下降）。从计算角度出发，两者的SVI相同，均为100mL/g，能因为它们的值相同而判断两个泥样的特性相同吗？    对比，和谁比？有可比性吗？1969年，伊利诺伊大学的环境卫生工程Dick教授提出了下述灵魂之问：

       “如果SVI不是衡量污泥沉降特性的指标，那么它是什么？活性污泥的哪些特性影响了它的大小？它是否定量描述了全尺寸工艺过程的物理特性？不同水厂的SVI值对比是否有意义？”

1）SVI与污泥浓度    

尽管预期好氧池中污泥浓度（MLSS）与污泥体积指数（SVI）之间存在某种关联，但试验结果却表明：它们之间并不存在明显的相关性。MLSS增加可能导致SVI增加，也可能导致其减少。值得注意的是：SVI最大值却随着污泥浓度的增加而下降。怎么理解呢？1000mL泥水混合液就是不沉降，分子定死了，分母MLSS增加，SVI肯定减小，妥妥的反比例关系。MLSS为10000mg/L时，SVI_max=100mL/g，这一数据指标在合理范围内，看似无懈可击。然而当你注视量筒内的泥面一动不动时，心中或许会产生疑惑：SVI值不超过150mL/g，但是它也不沉啊，正常吗?    2）SVI与沉降柱直径及深度    

二沉池直径大吧，量筒直径小吧，以小博大？能代表真实二沉池内的污泥沉降特性吗？    1968年，北卡罗来纳大学环境系的助理研究员P. Aarne Vesilind试验中观察到，在非搅拌状态下，沉降柱直径小于200mm时，柱壁及桥接的形成将对结果产生显著影响，污泥浓度越大影响越大。身边要是有1L和2L的量筒，优选2L的。    沉降柱高度低，意味着没怎么沉降就触底了，底层的泥支撑着，导致上面的泥不容易沉不下来。尽量在较高的沉降柱中进行测定，有条件选高的当然最好！   

2）SVI与温度及搅拌    温度影响粘度，其变化可导致SVI显著变化。两个SVI相同的泥样，它们可能由于温度的不同而导致结果相同。尽管污泥本身可能没有问题，但季节性的温度变化却会对数据产生影响，例如冬季污泥的沉降性能可能会稍差些。    搅拌对污泥沉降的影响是复杂的，一般认为：搅拌有助于促进污泥的絮凝，还可能破坏污泥层内的泥桥，最终有助于更好地沉淀，因为实际的沉淀池也不是完全静止的（转啊转）。通常来说，缓慢的搅拌更接近真实情况，可以降低SVI值。 

3）SVI与界面沉速   试验表明：SVI与初始沉降速度（界面沉速）之间没有太大的关联性，它并不能反应沉降速度大小。实际上，SVI仅关注30min这一个时间点，30min后，沉降界面仍可能以恒定速率下降。  

  5）总结    SVI与上述任一物理特性之间并不呈现明显的规律性，实际上它反映了污泥在各物理特性作用下的综合影响。遗憾的是，它们对SVI的影响因污泥不同而异，甚至在同一污泥不同浓度之间也可能存在差异。    那么，测定SVI意义何在？SVI值又能提供何种有益的应用呢？或许唯一的优点在于：测定方法简单，为监测特定水厂的污泥性能变化提供了一种方便的测试手段。尽管作为水厂内部控制的一种“工具”而言，这种测定是有用的，但对不同水厂的污泥容积指数测定结果进行对比却是没有意义的。

    污泥容积指数测定的结果并不能准确预测全尺寸构筑物内的污泥沉降行为。甚至在水厂内部的控制方面，也可能存在更有效的替代方法来衡量沉降特性。

五、演化

由于直接测SVI（静沉）存在诸多问题，后续演化出各种方法，尝试着让数据更具有对比性。    

1）SVI （Sludge Volume Index）    无搅拌装置：采用静沉的方式测定，如1L的量筒，静静地看着它沉淀30min，读数，完毕！就是这么做的！    

2）SSVI（Stirred Sludge Volume Index）    带搅拌装置：测定过程中轻微搅拌，模拟二沉池，转速1-2r/min，如下述AWWA标准方法。    

3）DSVI（Diluted Sludge Volume Index）    无搅拌装置：为了保证渗透压一致，用二沉池出水对泥样稀释，比如稀释2倍、4倍….，对稀释样品进行污泥容积30min沉降测定，选择SV介于150-250mL/L的样品进计算。为何不超过250mL/L，因为高于此值的话，受污泥浓度影响较大，低于此值，则对污泥浓度不敏感。自20世纪60年代末以来，DSVI已被德国和荷兰采用为污泥沉降性测试的标准，该方法也为比较不同水厂污泥沉降性提供了一定的标准依据。  

  4）SSVI_3.5（Stirred Sludge Volume Index 3.5）    带搅拌装置：划定一个标准，即普通污水厂常见的污泥浓度MLSS=3500mg/L为基准点。先用二沉池出水配置不同浓度的泥水混合样，然后分别测定各浓度下的SVI（带搅拌），绘图，采用插值法得出3500mg/L下的SVI值，即SSVI_3.5，很有代表性的感觉。

    第一种方法误差最大，后两种方法感觉更好一些，具有了可比性，一个定分子，一个定分母。对比是吧，按住一头总行吧，看另一头谁变化大。

六、方法

回忆一下，几乎没见到用SVI作为设计参数的，也很少见到它出现在什么理论计算公式中。尽管SVI没有理论上的依据和支持，但经验表明它在常规过程控制中非常有用。    测定SVI的关键在于测定SV和MLSS，MLSS测定方法不再描述，介绍下SV的标准测定方法（AWWA）：    说明：污泥容积或沉降比作为污水厂常规的检测指标，可被用于确定回流污泥量及排泥时间，30min沉降容积也可用于确定污泥容积指数。下述方法不适用于较低浓度污泥量的测定，100mg/L浓度以下可采用Imhoff cone英霍夫锥形瓶进行测定。不同方法测定的结果不具有可比性。    

设备仪器：1L带刻度的沉降柱，配备搅拌装置，转速不超过4r/min；秒表；温度计。    

步骤：    

1）将1.0 L样品置于圆筒中，密封顶部，颠倒三次使得污泥均匀。   

2） 插入搅拌装置，激活搅拌机构并计时。    

3）在整个测定过程中维持搅拌；保持悬浮液温度与取样池中的温度相同。    

4）一定时间间隔内（0、5、10、15、20、30、45和60min）记录悬浮污泥所占容积，mL。  

5）  测定结果适用于特定的测试地点，并受到诸如温度、取样及搅拌方法、沉降柱及搅拌设备尺寸、搅拌速度以及取样和开始测定之间时间间隔等变量因素的显著影响。

    有了SV，再测下MLSS，SVI就有了。没想到测个SV都这么麻烦，还配备搅拌装置，这跟了解的不太一致，找个1000mL量筒，倒入，等待读数即可。不过，科学角度出发，上述过程是较为严谨的。

七、公式

想，30min沉降过的污泥浓度，也算是浓缩过了的，1g污泥量占有多少mL，颠倒下不就成了浓度单位，1L浓缩液有多少mg污泥，mg/L，浓缩过的污泥浓度。也只能近似理解，毕竟底部污泥浓度那可不是30min沉淀浓缩的事儿，也可以想象成40min、50min、60min的，对应的SVI可能更小些，换算出来的X_R则更大些。 参考文献：1. Mohlman, F.M. The sludge index.2. Donaldson, M. Some notes on the operation of sewage treatment works.3. Dick, R.I. The sludge volume index What is it？4. Stobbe, C.T. ?ber das verhalten des belebten Schlammes in aufsteigender Wasserbewegung.5. White, M.J.D. Settling of activated sludge.6. Standard methods for the examination of water and wastewater, AWWA.