第十五章活性污泥

1、第十五章第十五章 活性污泥法活性污泥法 第一节第一节 概概 述述 1912年英国克拉克年英国克拉克(C1ark)和盖奇和盖奇(Gage) 发现，对废水长时间曝气会产生污泥，同时水发现，对废水长时间曝气会产生污泥，同时水 质会得到明显的改善。质会得到明显的改善。 继而阿登继而阿登(Arden)和洛基特和洛基特(Lockett)做了做了 大量的实验对这一现象进行研究。大量的实验对这一现象进行研究。 一次具有重要意义的“忽略” 点评：点评： 什么是活性污泥？什么是活性污泥？ 按栖息着的微生物分： 活性污泥的组成活性污泥的组成 大量的细菌大量的细菌真菌真菌原生动物原生动物后生动物后生动物 除活性微生物

2、外，活性污泥还挟带着来自污水的有机物、无机悬浮物、胶除活性微生物外，活性污泥还挟带着来自污水的有机物、无机悬浮物、胶 体物；体物；活性污泥中栖息的微生物以好氧微生物为主，是一个以细菌为主体的群活性污泥中栖息的微生物以好氧微生物为主，是一个以细菌为主体的群 体，除细菌外体，除细菌外, ,还有酵母菌、放线菌、霉菌以及原生动物和后生动物。还有酵母菌、放线菌、霉菌以及原生动物和后生动物。 活性污泥中细菌含量一般在活性污泥中细菌含量一般在10107 710108 8个个/mL/mL；原生动物；原生动物10103 3个个/mL/mL，原生动物，原生动物 中以纤毛虫居多数，固着型纤毛虫可作为指示生物，固着型

3、纤毛虫如钟虫、等中以纤毛虫居多数，固着型纤毛虫可作为指示生物，固着型纤毛虫如钟虫、等 枝虫、盖纤虫、独缩虫、聚缩虫等出现且数量较多时，说明培养成熟且活性良枝虫、盖纤虫、独缩虫、聚缩虫等出现且数量较多时，说明培养成熟且活性良 好。好。 干固体和水分干固体和水分 含水含水98989999 干固体干固体1 12%2%MLSSMLSS MLVSSMLVSS NVSSNVSS 有办法知道确切的生物量吗？ 有人曾企图通过直接测定污泥中细胞的有人曾企图通过直接测定污泥中细胞的DNADNA量、有机氮量、量、有机氮量、 三磷酸腺苷（三磷酸腺苷（ATPATP）量、脱氢酶的活力等指标去反映活性污泥）量、脱氢酶的活力

4、等指标去反映活性污泥 的活力，这种方法既复杂又不准确，而且微生物的含量不断变的活力，这种方法既复杂又不准确，而且微生物的含量不断变 化。化。 按McKinney的分析： MLSS=Ma+Me+Mi+Mii MLSS=Ma+Me+Mi+Mii 式中：式中：MaMa具备活性细胞成分；具备活性细胞成分； Me Me内源代谢残留的微生物有机体；内源代谢残留的微生物有机体； Mi Mi未代谢的不可生化的有机悬浮固体；未代谢的不可生化的有机悬浮固体； Mii Mii吸附的无机悬浮固体。吸附的无机悬浮固体。 按有机性和无机性成分： 处理生活污水的活性污泥处理生活污水的活性污泥 MLVSS: 70%MLVSS

5、: 70% NVSS: 30%NVSS: 30% MLSSMLSS表示悬浮固体物质总量，表示悬浮固体物质总量，MLVSSMLVSS挥发性固体成分表挥发性固体成分表 示有机物含量，示有机物含量，MLNVSSMLNVSS灼烧残量，表示无机物含量。灼烧残量，表示无机物含量。 MLVSSMLVSS包含了微生物量，但不仅是微生物的量，由于测包含了微生物量，但不仅是微生物的量，由于测 定方便，目前还是近似用于表示微生物的量。定方便，目前还是近似用于表示微生物的量。 MLVSS: MLVSS: 一般范围为一般范围为55557575 NVSS: NVSS: 一般范围为一般范围为25254545 污泥沉降比：S

6、V 活性污泥的沉降浓缩性能 取混合液至取混合液至1000mL1000mL或或100mL100mL量筒，静止沉淀量筒，静止沉淀30min30min后，度后，度 量沉淀活性污泥的体积，以占混合液体积的比例（量沉淀活性污泥的体积，以占混合液体积的比例（%）表示污）表示污 泥沉降比。泥沉降比。 污泥体积指数：SVI SV SV不能确切表示污泥沉降性能，故人们想起用单位干泥形不能确切表示污泥沉降性能，故人们想起用单位干泥形 成湿泥时的体积来表示污泥沉降性能，简称污泥指数，单位为成湿泥时的体积来表示污泥沉降性能，简称污泥指数，单位为 mL/gmL/g。 1L1L混合液沉淀混合液沉淀30min30min的活

7、性污泥体积（的活性污泥体积（mLmL） SV(mL/L)SV(mL/L) SVI= =SVI= = 1 1升混合液中悬浮固体干重（升混合液中悬浮固体干重（g g） MLSS(g/L)MLSS(g/L) 例：设从正常运行的曝气池中，取出混合液，并例：设从正常运行的曝气池中，取出混合液，并 注入注入 100毫升量筒中，静置沉淀毫升量筒中，静置沉淀30分钟后，污分钟后，污 泥的沉淀体积泥的沉淀体积31.5毫升，毫升， MLSS测得为测得为 3克克 升。求该活性污泥的升。求该活性污泥的 SVI值为多少？值为多少？ 解：解： SV 315毫升，毫升， MLSS 3克升，克升， 则则: SVI315/31

8、05毫升克毫升克 或或105 或或 SV% 31.5%， MLSS 3克升，克升， 则则: SVI31.5%1000/3105（毫升（毫升 克）克） SVI值是鉴别活值是鉴别活 性污泥是否正常、性污泥是否正常、 有否膨胀的有效有否膨胀的有效 参数参数 当当SVI值超过值超过200时，一般认时，一般认 为污泥的沉降性能较差。但为污泥的沉降性能较差。但 SVI值低于值低于50时，则泥粒细小时，则泥粒细小 紧密，无机物多。紧密，无机物多。 判断曝气池污泥浓度 当SV%25%时，反映曝气池污泥浓度过 低。当SV%35%时，反映曝气池污泥浓 度过高。 判断污泥膨胀情况 当SV%35%时，反映曝气池污泥有

9、一定 膨胀现象 曝气池曝气池 二沉池二沉池 污泥回流污泥回流剩余污泥剩余污泥 进水进水出水出水 曝气池 曝气池出水堰 曝气池混合液配水 进入二沉池 活 性 污 泥 法 的 基 本 流 程 活性污泥降解污水中有机物的过程活性污泥降解污水中有机物的过程 活性污泥在曝气过程中，对有机物的降解 （去除）过程可分为两个阶段： 吸附阶段吸附阶段稳定阶段稳定阶段 由于活性污泥具有巨大由于活性污泥具有巨大 的表面积，而表面上含有多的表面积，而表面上含有多 糖类的黏性物质，导致污水糖类的黏性物质，导致污水 中的有机物转移到活性污泥中的有机物转移到活性污泥 上去。上去。 主要是转移到活性污泥主要是转移到活性污泥

10、上的有机物为微生物所利用。上的有机物为微生物所利用。 活性污泥降解污水中有机物的过程活性污泥降解污水中有机物的过程 污水与污泥混合曝气后污水与污泥混合曝气后BOD的变化曲线的变化曲线 对活性污泥法曝气过程中污水中有机物的变化分析得到结论： 废 水 中 的 有 机 物 残留在废 水中的有 机物 从废水中 去除的有 机物 微生物不能利用的有机物 微生物能利用的有机物 微生物能利用而尚未 利用的有机物 微生物不能利用的有 机物 微生物已利用的有机 物（氧化和合成） （吸附量） 增殖的微生物体 氧化产物 曲线反映污水中有曲线反映污水中有 机物的去除规律；机物的去除规律； 曲线反映活性污泥曲线反映活性污

11、泥 利用有机物的规律；利用有机物的规律； 曲线反映了活性污曲线反映了活性污 泥吸附有机物的规律。泥吸附有机物的规律。 这三条曲线反映出，在曝气过程中：这三条曲线反映出，在曝气过程中： 污水中有机物的去除在较短时间污水中有机物的去除在较短时间( ( 图中是图中是5h5h左右左右) )内就基本内就基本 完成了完成了( (见曲线见曲线) )； 污水中的有机物先是转移到污水中的有机物先是转移到( (吸附吸附) )污泥上污泥上( (见曲线见曲线), ),然后逐然后逐 渐为微生物所利用渐为微生物所利用( (见曲线见曲线) )； 吸附作用在相当短的时间吸附作用在相当短的时间( (图中是图中是45min45m

12、in左右左右) )内就基本完成内就基本完成 了了( (见曲线见曲线) )； 微生物利用有机物的过程比较缓慢微生物利用有机物的过程比较缓慢( (见曲线见曲线) )。 当溶解氧浓度高于当溶解氧浓度高于0.10.3毫克毫克 升时，单个的悬游着的好氧细菌的升时，单个的悬游着的好氧细菌的 代谢，不受溶解氧浓度的影响代谢，不受溶解氧浓度的影响 要使其内部的溶解氧浓度达到要使其内部的溶解氧浓度达到 0.10.3毫克升，絮状体周围的毫克升，絮状体周围的 溶解氧不低于溶解氧不低于2毫克升毫克升 将曝气池溶解氧水平维持在将曝气池溶解氧水平维持在2毫克毫克 升左右是较为经济的，升左右是较为经济的，2毫克毫克 升是曝

13、气池溶解氧的经济浓度。升是曝气池溶解氧的经济浓度。 当曝气池中的溶解氧过低时，不当曝气池中的溶解氧过低时，不 仅降低活性污泥降解有机物的性能，仅降低活性污泥降解有机物的性能， 还有利于活性污泥中丝状菌的大量还有利于活性污泥中丝状菌的大量 繁殖繁殖 活性污泥性能的影响因素 溶解氧 营养物 温度 pH值 有 毒 物 质 活性污泥性能的影响因素 溶解氧 营养物 温度 pH值 有 毒 物 质 BOD（碳源）：（碳源）：N（氮源）：（氮源）：P（磷源）（磷源） 100：5：1 以以2030为适宜范围为适宜范围 6.58.5范围范围 重金属离子（如砷、铅、镉、重金属离子（如砷、铅、镉、 铬、铜、锌等）铬、

14、铜、锌等） 活性污泥法的三个要素构成 一是引起吸附和氧化分解作用的微生物，也就 是活性污泥； 二是废水中的有机物，它是处理对象，也是微 生物的食料； 三是溶解氧，没有充足的溶解氧，好氧微生物 既不能生存，也不能发挥氧化分解作用。 反应速度和反应级数反应速度和反应级数 生物化学反应是一种以生物酶为催化剂的化学生物化学反应是一种以生物酶为催化剂的化学 反应。反应。 污水生物处理中，人们总是创造合适的环境条件污水生物处理中，人们总是创造合适的环境条件 去得到希望的反应速度。去得到希望的反应速度。 生化反应动力学目前的研究内容：生化反应动力学目前的研究内容： (1)(1)底物降解速率与底物浓度、生物量

15、、环境因底物降解速率与底物浓度、生物量、环境因 素等方面的关系；素等方面的关系； (2)(2)微生物增长速率与底物浓度、生物量、环境微生物增长速率与底物浓度、生物量、环境 因素等方面的关系；因素等方面的关系； (3)(3)反应机理研究，从反应物过渡到反应机理研究，从反应物过渡到产物所经历 的途径。 生化反应动力学生化反应动力学 在生化反应中，反应速度是指单位时间里底物的减少量、最终产物的增在生化反应中，反应速度是指单位时间里底物的减少量、最终产物的增 加量或细胞的增加量。在废水生物处理中，是以单位时间里底物的减少或细加量或细胞的增加量。在废水生物处理中，是以单位时间里底物的减少或细 胞的增加来

16、表示生化反应速度。胞的增加来表示生化反应速度。 图中的生化反应可以用下式表示：图中的生化反应可以用下式表示： 即即 该式反映了底物减少速率和细胞增长速率之间的关系，是废水生物处理该式反映了底物减少速率和细胞增长速率之间的关系，是废水生物处理 中研究生化反应过程的一个重要规律中研究生化反应过程的一个重要规律。 反 应 速 度 及 式中：反应系数式中：反应系数 又称产率系数，又称产率系数，mgmg（生物量）（生物量）/mg/mg（降解（降解 的底物）。的底物）。 实验表明反应速度与一种反应物实验表明反应速度与一种反应物A A的浓度的浓度A A成正比时，称这成正比时，称这 种反应对这种反应物是一级反

17、应。种反应对这种反应物是一级反应。 实验表明反应速度与二种反应物实验表明反应速度与二种反应物A A、B B的浓度的浓度A A、B B成正比成正比 时，或与一种反应物时，或与一种反应物A A的浓度的浓度A A的平方的平方A A2 2成正比时，称这种成正比时，称这种 反应为二级反应。反应为二级反应。 实验表明反应速度与实验表明反应速度与A AB B2 2成正比时，称这种反应为三级反成正比时，称这种反应为三级反 应；也可称这种反应是应；也可称这种反应是A A的一级反应或的一级反应或B B的二级反应。的二级反应。 在生化反应过程中，底物的降解速度和反应器中的底物浓度在生化反应过程中，底物的降解速度和反

18、应器中的底物浓度 有关。有关。 一般地：一般地： a aA+A+b bB B g gG+G+h hH H 如果测得反应速度：如果测得反应速度：v vd dc cA A/d/dt t=kckcA Aa a c cB Bb b a+ba+b=n n, , n n为反应级数。为反应级数。 反 应 级 数 设生化反应方程式为：设生化反应方程式为： 现底物浓度现底物浓度S S以以SS表示，则生化反应速度：表示，则生化反应速度： 式中：式中：k k反应速度常数，随温度而异；反应速度常数，随温度而异； n n反应级数。反应级数。 上式亦可改写为：上式亦可改写为： 该式可用图表示，图中直该式可用图表示，图中直

19、 线的斜率即为反应级数线的斜率即为反应级数n n。 或 lgv lgS 反应速度不受反应物浓度的影响时，称这种反应为零级反应速度不受反应物浓度的影响时，称这种反应为零级 反应。在温度不变的情况下，零级反应的反应速度是常数。反应。在温度不变的情况下，零级反应的反应速度是常数。 对反应物对反应物A A而言，零级反应：而言，零级反应： 式中：v反应速度； t反应时间； k反应速度常数, 受温度影响。 在反应过程中，反应物在反应过程中，反应物A A的量增加时，的量增加时，k k为正值；在废水为正值；在废水 生物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值。生物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值。

20、 反应速度反应速度与反应物浓度的一次方成正比关系，与反应物浓度的一次方成正比关系，称这种反应称这种反应 为为一一级反应。对反应物级反应。对反应物A A而言，一级反应：而言，一级反应： 式中式中：v v 反应速度；反应速度； t t反应时间；反应时间； k k反应速度常数反应速度常数, , 受温度影响。受温度影响。 在反应过程中，反应物在反应过程中，反应物A A的量增加时，的量增加时，k k为正值；在废水生为正值；在废水生 物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值。物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值。 反应速度反应速度与反应物浓度的二次方成正比，与反应物浓度的二次方成正比，称这种反

21、应为称这种反应为二二 级反应。级反应。 对反应物对反应物A A而言，二级反应：而言，二级反应： 式中：v反应速度； t反应时间； k反应速度常数, 受温度影响。 在反应过程中，反应物在反应过程中，反应物A A的量增加时，的量增加时，k k为正值；在废水生为正值；在废水生 物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值。物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值。 米歇里斯-门坦 （Michaelis-Menten）方程式 一切生化反应都是在酶的催化下进行的。这种反应亦可一切生化反应都是在酶的催化下进行的。这种反应亦可 以说是一种酶促反应或酶反应。酶促反应速度受酶浓度、以说是一种酶促反应或酶反应

22、。酶促反应速度受酶浓度、 底物浓度、底物浓度、pHpH、温度、反应产物、活化剂和抑制剂等因、温度、反应产物、活化剂和抑制剂等因 素的影响。素的影响。 在有足够底物又不受其他因素影响时，则酶促反应速度在有足够底物又不受其他因素影响时，则酶促反应速度 与酶浓度成正比。与酶浓度成正比。 当底物浓度在较低范围内，而其他因素恒定时，这个反当底物浓度在较低范围内，而其他因素恒定时，这个反 应速度与底物浓度成正比，是一级反应。应速度与底物浓度成正比，是一级反应。 当底物浓度增加到一定限度时，所有的酶全部与底物结当底物浓度增加到一定限度时，所有的酶全部与底物结 合后，酶反应速度达到最大值，此时再增加底物的浓度

23、对合后，酶反应速度达到最大值，此时再增加底物的浓度对 速度就无影响，是零级反应，但各自达到饱和时所需的底速度就无影响，是零级反应，但各自达到饱和时所需的底 物浓度并不相同，甚至差异有时很大。物浓度并不相同，甚至差异有时很大。 浓度对酶反应速度的影响浓度对酶反应速度的影响 vmax n=0 0n1 n=1 KS 底物浓度底物浓度S 1/2 vmax 酶酶 反反 应应 速速 度度 v 中间产物假说：中间产物假说： 酶促反应分两步进行，即酶与底物先络合酶促反应分两步进行，即酶与底物先络合 成一个络合物（中间产物），这个络合物再进一步分解成产物成一个络合物（中间产物），这个络合物再进一步分解成产物 和

24、游离态酶，以下式表示：和游离态酶，以下式表示： 式中，式中，S S代表产物，代表产物，E E代表酶，代表酶，ESES代表酶产物中间产物（络代表酶产物中间产物（络 合物），合物），P P代表产物。代表产物。 从上式可以看出，当底物从上式可以看出，当底物S S浓度较低时，只有一部分酶浓度较低时，只有一部分酶E E和底和底 物物S S形成酶形成酶- -底物中间产物底物中间产物ESES。 此时，若增加底物浓度，则将有更多的中间产物形成，因而此时，若增加底物浓度，则将有更多的中间产物形成，因而 反应速度亦随之增加。反应速度亦随之增加。 当底物浓度很大时，反应体系中的酶分子已基本全部和底物当底物浓度很大时

25、，反应体系中的酶分子已基本全部和底物 结合成结合成ESES络合物。络合物。 此时，底物浓度虽再增加，但无剩余的酶与之结合，故无更此时，底物浓度虽再增加，但无剩余的酶与之结合，故无更 多的多的ESES络合物生成，因而反应速度维持不变。络合物生成，因而反应速度维持不变。 19131913年前后，米歇里斯和门坦提出了表示整个反应中底物年前后，米歇里斯和门坦提出了表示整个反应中底物 浓度与酶促反应速度之间关系的式子，称为米歇里斯门坦方浓度与酶促反应速度之间关系的式子，称为米歇里斯门坦方 程式，简称米氏方程式，即：程式，简称米氏方程式，即： 式中式中: :v v酶促反应速度；酶促反应速度；v vmax

26、max最大酶反应速度； 最大酶反应速度； S S底物浓度；底物浓度； K Km m米氏常数。 米氏常数。 此式表明，当此式表明，当K Km m和 和v vmax max已知时，酶反应速度与酶底物浓度 已知时，酶反应速度与酶底物浓度 之间的定量关系。之间的定量关系。 由上式得：由上式得： 该式表明，当该式表明，当v vmax max/ /v v=2 =2或或v v=1/2=1/2v vmax max时， 时，K Km m= =S S，即即K Km m是 是 v v=1/2=1/2v vmax max时 时的的底物浓度，故又称半速度常数。底物浓度，故又称半速度常数。 米 氏 方 程 式 当底物浓度

27、当底物浓度S S很大时，很大时，S SK Km m， ，K Km m+ + S SS S，酶反应，酶反应 速度达到最大值，即速度达到最大值，即v=vv=vmax max, ,呈零级反应，在这种情况下，只 呈零级反应，在这种情况下，只 有增大底物浓度，才有可能提高反应速度。有增大底物浓度，才有可能提高反应速度。 实际应用时，我们采用了微生物浓度实际应用时，我们采用了微生物浓度c cx x代替酶浓度代替酶浓度c cE E。通。通 过试验，得出底物降解速度和底物浓度之间的关系式，类同米过试验，得出底物降解速度和底物浓度之间的关系式，类同米 氏方程式，如下：氏方程式，如下： 式中式中：K Ks s为饱

28、和常数，即当时的底物的浓度，故又称半速度常为饱和常数，即当时的底物的浓度，故又称半速度常 数。数。 当底物浓度当底物浓度S S较小时，较小时，S SK Km m， ，K Km m+ + S S=K Km m，酶反应速 ，酶反应速 度和底物浓度成正比例关系，即度和底物浓度成正比例关系，即 呈一级反应。此呈一级反应。此 时，增加底物浓度可以提高酶反应的速度。但随着底物浓度的时，增加底物浓度可以提高酶反应的速度。但随着底物浓度的 增加，酶反应速度不再按正比例关系上升，呈混合级反应。增加，酶反应速度不再按正比例关系上升，呈混合级反应。 米 氏 常 数 的 意 义 米氏常数米氏常数K Km m是酶反应处

29、于动态平衡即稳态时的平衡常数。 是酶反应处于动态平衡即稳态时的平衡常数。 具有重要物理意义：具有重要物理意义： K Km m值是酶的特征常数之一，只与酶的性质有关，而与酶的浓 值是酶的特征常数之一，只与酶的性质有关，而与酶的浓 度无关。不同的酶，度无关。不同的酶，K Km m值不同。如果一个酶有几种底物，则对 值不同。如果一个酶有几种底物，则对 每一种底物，各有一个特定的每一种底物，各有一个特定的K Km m。并且， 。并且，K Km m值不受 值不受p pH H及温度及温度 的影响。因此，的影响。因此，K Km m值作为常数，只是对一定的底物、 值作为常数，只是对一定的底物、p pH H及温

30、度及温度 条件而言。测定酶的条件而言。测定酶的K Km m值，可以作为鉴别酶的一种手段，但必 值，可以作为鉴别酶的一种手段，但必 须在指定的实验条件下进行。须在指定的实验条件下进行。 同一种酶有几种底物就有几个同一种酶有几种底物就有几个K Km m值。其 值。其K Km m值最小的底物，一 值最小的底物，一 般称为该酶的最适底物或天然底物。如蔗糖是蔗糖酶的天然底般称为该酶的最适底物或天然底物。如蔗糖是蔗糖酶的天然底 物。物。 1/ 1/K Km m可以近似地反映酶对底物亲和力的大小， 可以近似地反映酶对底物亲和力的大小，1/ 1/K Km m愈大，表 愈大，表 明亲和力越大，最适底物与酶的亲和

31、力最大，不需很高的底物明亲和力越大，最适底物与酶的亲和力最大，不需很高的底物 浓度，就可较易地达到浓度，就可较易地达到v vma max x。 。 米 氏 常 数 的 测 定 对于一个酶促反应对于一个酶促反应，K Km m值的确定方法很多。实验中即使使 值的确定方法很多。实验中即使使 用很高的底物浓度，也只能得到近似的用很高的底物浓度，也只能得到近似的v vmax max值，而达不到真正 值，而达不到真正 的的v vmax max值 值，因而也测不到准确的因而也测不到准确的K Km m值 值。为了得到准确的为了得到准确的K Km m值， 值， 可以把米氏方程的形式加以改变，使它成为直线方程式的

32、形式，可以把米氏方程的形式加以改变，使它成为直线方程式的形式， 然后用图解法定出然后用图解法定出K Km m值。 值。 目前，一般用的图解求目前，一般用的图解求K Km m值法为兰微福布克作图法或称 值法为兰微福布克作图法或称 双倒数作图法。此法先将米氏方程改写成如下的形式，即：双倒数作图法。此法先将米氏方程改写成如下的形式，即： 实验时，选择不同的实验时，选择不同的S S，测定对应的，测定对应的v v。求出两者的倒数。求出两者的倒数， 作图即可得出如作图即可得出如下下图的直线。量取直线在两坐标轴上的截距图的直线。量取直线在两坐标轴上的截距 1/ 1/v vmax max和 和 -1/-1/K

33、 Km m ，就可以求出 ，就可以求出K Km m及 及v vmax max。 。 米 氏 常 数 的 测 定 莫诺特（Monod）方程式 微生物增长速度和微生物本身的浓度、底物浓度之间的关系微生物增长速度和微生物本身的浓度、底物浓度之间的关系 是废水生物处理中的一个重要课题。有多种模式反映这一关系。是废水生物处理中的一个重要课题。有多种模式反映这一关系。 当前公认的是莫诺特方程式：当前公认的是莫诺特方程式： 式中：式中：S S限制微生物增长的底物浓度，限制微生物增长的底物浓度，mg/Lmg/L； 微生物比增长速度，即单位生物量的增长速度。微生物比增长速度，即单位生物量的增长速度。 式中：式中

34、：X X微生物浓度，微生物浓度，mg/Lmg/L； max max 的最大值，底物浓度很大，不再影响微生物的最大值，底物浓度很大，不再影响微生物 的增长速度时的的增长速度时的值；值； K KS S饱和常数。饱和常数。 vmax n=0 0n1 n=1 KS底物浓度底物浓度S 1/2 vmax 酶酶 反反 应应 速速 度度 v 在一切生化反应中，微生物的增长是底物降解的结果，彼此在一切生化反应中，微生物的增长是底物降解的结果，彼此 之间存在着一个定量关系。现如以之间存在着一个定量关系。现如以d dS S（微反应时段（微反应时段d dt t内的底物内的底物 消耗量）和消耗量）和d d X X（d

35、dt t内的微生物增长量）之间的比例关系值，内的微生物增长量）之间的比例关系值， 通过下式表示之：通过下式表示之： 式中：式中： Y Y 产率系数；产率系数； X X 微生物浓度；微生物浓度； 微生物增长速度；微生物增长速度； 微生物比增长速度；微生物比增长速度； 底物降解速度；底物降解速度； 底物比降解速度。底物比降解速度。 或或 以及以及 代入式代入式 得：得： 式中：式中：q q和和q qmax max为底物的比降解速度及其最大值； 为底物的比降解速度及其最大值；s s为底为底 物浓度；物浓度；K Ks s为饱和常数。为饱和常数。 目前废水生物 处理工程中常用的 两个基本反应动 力学方程

36、式 由式或或 例：设在完全混合反应器内进行了例：设在完全混合反应器内进行了 连续流微生物生长试验，反应温度为连续流微生物生长试验，反应温度为 2020，实验结果如下：试根据右式实，实验结果如下：试根据右式实 验结果定出验结果定出K Ks s和和max max值，以及 值，以及S S 关系式。关系式。 解：根据莫诺特方程式解：根据莫诺特方程式S S的关的关 系式为：系式为： 图中直线方程为：图中直线方程为： 据以上整理的实验结果，作据以上整理的实验结果，作 关系图，得：关系图，得： 或或 废水生物处理工程的基本数学模式 在废水生物处理中，废水中的有机污染物质在废水生物处理中，废水中的有机污染物质

37、 （即底物（即底物 、基质）正是需要去除的对象；生物处理、基质）正是需要去除的对象；生物处理 的主体是微生物；而溶解氧则是保证好氧微生物正的主体是微生物；而溶解氧则是保证好氧微生物正 常活动所必需的。因此，可以把有机质、微生物、常活动所必需的。因此，可以把有机质、微生物、 溶解氧之间的数量关系用数学公式表达。溶解氧之间的数量关系用数学公式表达。 现在，废水生物处理工程实践中，人们已经把现在，废水生物处理工程实践中，人们已经把 前述的米前述的米- -门方程式和莫诺特方程式引用进来，结合门方程式和莫诺特方程式引用进来，结合 处理系统的物料衡算，提出了所需的生物处理的数处理系统的物料衡算，提出了所需

38、的生物处理的数 学学模式，供废水生物处理系统的设计和运行之用。 推导废水生物处理工程数学模式的几点假定推导废水生物处理工程数学模式的几点假定 整个反应过程中整个反应过程中, 氧的供应是充分的（对于好氧处理）。氧的供应是充分的（对于好氧处理）。 整个处理系统处于稳定状态整个处理系统处于稳定状态 反应器中的微生物浓度和反应器中的微生物浓度和 底物浓度不随时间变化，维持一个常数。即：底物浓度不随时间变化，维持一个常数。即： 式中：式中：X X反应器中微生物的平均浓度；反应器中微生物的平均浓度； S S反应器中底物的平均浓度。反应器中底物的平均浓度。 及 和 反应器中的物质按完全混合及均布的情况考虑反

39、应器中的物质按完全混合及均布的情况考虑 整个反应整个反应 器中的微生物浓度和底物浓度不随位置变化维持一个常数。而器中的微生物浓度和底物浓度不随位置变化维持一个常数。而 且，底物是溶解性的。即：且，底物是溶解性的。即： 19511951年由霍克来金年由霍克来金(Heukelekian)(Heukelekian)等人提出了：等人提出了： 微生物增长与底物降解的基本关系式 式中： Y产率系数； Kd内源呼吸（或衰减）系数； X 反应器中微生物浓度。 微生物净微生物净增长速度； 底物利用（或降解）速度； 在实际工程中在实际工程中, 产率系数（微生物增长系数）产率系数（微生物增长系数）Y常以实际测得常以

40、实际测得 的观测产率系数（微生物净增长系数）的观测产率系数（微生物净增长系数）Yobs代替。故式代替。故式 从上式得：从上式得： 式中：式中：为微生物比净增长速度。为微生物比净增长速度。 上列诸式表达了生物反应处理器内上列诸式表达了生物反应处理器内, , 微生物的净增长和底物降微生物的净增长和底物降 解解之间的基本关系，亦可称废水微生物处理工程基本数学模式。 可改写为： 或 同理，从式 得： 劳伦斯麦卡蒂(LawrenceMc Carty)方程式 1）基础概念）基础概念 a、微生物比增殖速率、微生物比增殖速率 =(dx/dt)/X b、单位基质利用率、单位基质利用率 q=(ds/dt)/X c

41、、生物固体平均停留时间、生物固体平均停留时间 Qc=VX/X; 2）基本方程）基本方程 第第1方程：方程：dx/dt=Y(ds/dt)u-KdXa； 1/ Qc=YqKd； 第第2方程方程VVmaxS/(Ks+S) ： 有机质降解速率等于其被微生物利有机质降解速率等于其被微生物利 用 速 率 ， 即用 速 率 ， 即 V = q , V m a x = q m a x (ds/dt)u = VmaxSXa/(Ks+S) 3）方程的应用）方程的应用 a、确立处理水有机底物浓度（、确立处理水有机底物浓度（Se）与生物）与生物 固体平均停留时间（固体平均停留时间（Qc）之间）之间 的关系的关系 对完

42、全混合式：对完全混合式： SeKs(1/ Qc+Kd)/Y (Sa-Se)-(1/ Qc+Kd) 对推流式：对推流式： 1/ Qc= YVmax(Sa-Se)/(Sa-Se)+ KsSa/Se Kd 上式表示上式表示Se为为f(Qc)，欲提高处理效果，降，欲提高处理效果，降 低低Se值，就必须适当提高值，就必须适当提高Qc。 b、确立微生物浓度（、确立微生物浓度（X）与）与Qc间的关系。间的关系。 对完全混合式：对完全混合式： XQcY(Sa-Se)/t(1+KdQc) 对推流式：对推流式： XQcY(Sa-Se)/t(1+KdQc) 说明反应器内微生物浓度说明反应器内微生物浓度(X)是是Qc

43、的函数。的函数。 c、确立了污泥回流比、确立了污泥回流比(R)与与Qc的关系。的关系。 1/Qc=Q1+R-R(Xr/Xa)/V 式 中 ：式 中 ： X r 为 回 流 污 泥 浓 度 ，为 回 流 污 泥 浓 度 ， (Xr)max=106/SVI 。 d、总产率系数（、总产率系数（Y）与表观产率系数（）与表观产率系数（Yobs）间）间 的关系的关系. YobsY/(1+KdQc) 即实测污泥产率系数较即实测污泥产率系数较 理论总降低。理论总降低。 e、在污水处理系统中（低基质浓度）中，对、在污水处理系统中（低基质浓度）中，对V VmaxS/(Ks+S) 的推论：的推论： VVmaxS/(

44、Ks+S)，Vq；q VmaxS/(Ks+S) 由于由于KsS（低基质浓度）（低基质浓度） q VmaxS/KsK.S V(ds/dt)u/Xa=Ks , (ds/dt)u =(Ks)max 而而(ds/dt)u(Sa-Se)/tQ(Sa-Se)/V， KSeQ(Sa-Se)/XaV， 由此可以求定曝所由此可以求定曝所 池体积。池体积。 一一 、有机物降解、有机物降解 -ds/dt为有机物降解速度，k为降解常数，K为 半饱和常数（又称米门常数），X为微生物浓 度（工程上为活性污泥浓度），S为有机物浓度。 一相说是以米门酶反应动力学方程为基础 提出的，形式上与表达微生物增长速度的莫诺方 程相似。

45、 二相说为埃肯费尔德二相说为埃肯费尔德Eckenfelder等人所支持，是将有机物等人所支持，是将有机物 的降解分为高有机物浓度和低有机物浓度二相而分别采用不同的的降解分为高有机物浓度和低有机物浓度二相而分别采用不同的 数学模式。数学模式。 高浓度时，有机物降解速度与其浓度无关，呈零级反应，与高浓度时，有机物降解速度与其浓度无关，呈零级反应，与 活性污泥浓度呈一级反应，低有机物浓度时，有机物降解速度与活性污泥浓度呈一级反应，低有机物浓度时，有机物降解速度与 其浓度和活性污泥浓度均呈一级反应，用下式可表达：其浓度和活性污泥浓度均呈一级反应，用下式可表达： 高浓度时 低浓度时 式中，k2为降解速度

46、常数，约等于k/K，其它字母意义同前。 统一说由中国矿业大学张雁秋提出，并证明统一说由中国矿业大学张雁秋提出，并证明 一相说与二相说是统一说的两种极端形式，统一一相说与二相说是统一说的两种极端形式，统一 说的数学模型表示如下：说的数学模型表示如下： S * 式中S*为曝气池内底物（对数）平均浓度 = 根据流体运动规律根据流体运动规律,又有又有: l即即: ： ： ： ： ： = * 二、活性污泥增长二、活性污泥增长 X X 污泥增长率的倒数称作泥龄污泥增长率的倒数称作泥龄（也称作生物固体（也称作生物固体 平均停留时间），表示污泥在活性污泥法的系统中停平均停留时间），表示污泥在活性污泥法的系统中

47、停 留的平均时间，它是活性污泥法工艺中一个非常重要留的平均时间，它是活性污泥法工艺中一个非常重要 的参数，也是生物脱氮工艺中的一个关键参数。的参数，也是生物脱氮工艺中的一个关键参数。 三、溶解氧的消耗三、溶解氧的消耗 作为一个有效的处理工艺，必须使微生 物、有机物和氧充分接触，只有密切的接触， 才能相互起作用，因而在充氧的同时，必须 使混合液悬浮固体处于悬浮状态。充氧和混 合是通过曝气设备来实现的。在其它二个要 素满足的前提下，曝气的好坏决定了处理的 效果。 l 双膜理论的基点是认为在气液界面存在着二层膜（即气膜双膜理论的基点是认为在气液界面存在着二层膜（即气膜 和液膜）这一物理现象。和液膜）

48、这一物理现象。 这两层薄膜使气体分子从一相进入另一相时受到了阻力。这两层薄膜使气体分子从一相进入另一相时受到了阻力。 当气体分子从气相向液相传递时，若气体的溶解度低，则阻力当气体分子从气相向液相传递时，若气体的溶解度低，则阻力 主要来自液膜。主要来自液膜。 在废水生物处理系统中，氧的传递速率可用下式在废水生物处理系统中，氧的传递速率可用下式 表示：表示： 式中：式中：d dmm/d/dt t气体传递速率；气体传递速率； K Kg g 气体扩散系数；气体扩散系数； A A 气体扩散通过的面积；气体扩散通过的面积； s0 s0 气体在溶液中的饱和浓度； 气体在溶液中的饱和浓度； 0 0 气体在溶液

49、中的浓度。 气体在溶液中的浓度。 而而d dmm=V Vd d0 0，则上式可改写成：，则上式可改写成： 通常通常K Kg gA A/ /V V项用项用K KLa La来代替，由此上式变为： 来代替，由此上式变为： 将上式进行积分，可求得总的传质系数：将上式进行积分，可求得总的传质系数： KLa值受污水水质的影响，把用于清水测出的值用于污水， 要采用修正系数，同样清水的s0值要用于污水要乘以系数 ，因而上式变为： 式中：式中： 溶解在水中的憎水性有机物影响KLa值； 水中溶解的无机物影响s0值； 溶解的有机物影响KLa值； 温度也影响KLa和s0值。 影响KLa值的因素 曝曝 气气 设设 备备

50、 鼓风曝气鼓风曝气机械曝气机械曝气 空气净化器空气净化器 鼓鼓 风风 机机 空气输配管系统空气输配管系统 扩扩 散散 器器 竖式曝气机竖式曝气机 表面曝气机表面曝气机 卧式曝气机卧式曝气机 鼓风曝气 空气净化器 鼓 风 机 空气输配 管系统 扩 散 器 空气净化器的目的是改善 整个曝气系统的运行状态和防止 扩散器阻塞。 过 滤 器 与 进 口 消 音 器 过滤器压力损失监测 鼓风机旁通与旁通消音器 鼓风曝气 空气净化器 鼓 风 机 空气输配 管系统 扩 散 器 鼓风机 供应压 缩空气 风量要满足生化反应所需的氧量和能 保持混合液悬浮固体呈悬浮状态。 风压要满足克服管道系统和扩散器 的摩阻损耗以

51、及扩散器上部的静水压。 罗茨鼓风机：适用于中小型 污水厂，噪声大，必须采取 消音、隔音措施 离心式鼓风机：噪声小，效 率高，适用于大中型污水厂 离心鼓风机外型 离心鼓风机房 鼓风曝气 空气净化器 鼓 风 机 扩 散 器 空气输配 管系统 鼓风曝气 空气净化器 鼓 风 机 扩 散 器 扩散器的作用是将空气分散成空气泡, 增大空气和混合液之间的接触界面，把空 气中的氧溶解于水中。 空气输配 管系统 小气泡扩散器 中气泡扩散器 大气泡扩散器 微气泡扩散器 扩散器的类型 射流曝气 构造 进气口 混合室 喷嘴 吸入室 分类 按进气方式按进气方式 自吸式 供气式 按喷嘴数目按喷嘴数目 多喷嘴 单喷嘴 按射

52、流级数按射流级数 一级式 两级式 按有无混合室按有无混合室 有混合室式 无混合室式 机械曝气：表面曝气机 机械曝气：表面曝气机 倒伞形平板形泵 形 竖式曝气机卧式曝气刷 泵 形倒伞形平板形 曝 气 设 备 性 能 指 标 比较各种曝气设备性能的主要指标 氧转移率：单位为mg（O2）/（Lh）。 充氧能力（或动力效率）：即每消耗 1kWh动力能传递到水中的氧量（或氧传 递速率）,单位为kg（O2）/（kWh）。 氧利用率：通过鼓风曝气系统转移到混 合液中的氧量占总供氧的比例，单位为。 曝气池的三种池型 推流式 曝气池 完全混合 式曝气池 两种池型 结合式 推流式曝气池 推流式曝气池的长宽比一般为

53、510； 进水方式不限；出水用溢流堰。 1.平面布置 推流式曝气池的池宽和有效水深之比一般为12。 2.横断面布置 根 据 横 断 面 上 的 水 流 情 况 ， 可 分 为 推流式曝气池 推流式曝气池 完全混合曝气池 池 形 根据和沉淀池的关系 圆 形 方 形 矩 形 分建式 合建式 曝 气 池 的 三 种 池 型 机械曝气完全混合曝气池 鼓风曝气完全混合曝气池 局部完全混合推流式曝气池 曝 气 设 备 性 能 测 试 测 试 途 径 清水中的测试 在运行条件下的测试 麦金尼（RossEMckinney）方法 机械曝气性能检测 第五节 活性污泥法的发展和演变 传统活性污泥法 渐 减 曝 气

54、分 步 曝 气 完全混合法 浅 层 曝 气 深 层 曝 气 高负荷曝气或变形曝气 克 劳 斯 法 延 时 曝 气 接触稳定法 氧 化 沟 纯 氧 曝 气 活性污泥生物滤池（ABF工艺） 吸附生物降解工艺（AB法） 序批式活性污泥法（SBR法） 活性污泥法的多种运行方式 有机物去除和 氨氮硝化 在推流式的传统曝气池中，混合液的需 氧量在长度方向是逐步下降的。实际情况是： 前半段氧远远不够，后半段供氧量超过需要。 渐减曝气的目的就是合理地布置扩散器，使 布气沿程变化，而总的空气量不变，这样可 以提高处理效率。 渐 减 曝 气 渐 减 曝 气 把入流的一部分从池端引入到池的中部分点进 水。 分 步

55、曝 气 分布曝气示意图 完 全 混 合 法 在分步曝气的基础上，进一步大大增加进水点，同时 相应增加回流污泥并使其在曝气池中迅速混合，长条形池 子中也能做到完全混合状态。 完全混合的概念 完全混合法的特征 完 全 混 合 法 浅 层 曝 气 特点：气泡形成和破裂瞬间的氧传递速率是最大的。在 水的浅层处用大量空气进行曝气，就可以获得较高的氧传递 速率。 1953年派斯维尔（Pasveer）的研究：氧在10静止水中 的传递特征，如下图所示。 浅 层 曝 气 扩散器的深度以在水面以下0.60.8m范围为宜，可以节 省动力费用，动力效率可达1.82.6kg（O2） / kWh。 可以用一般的离心鼓风机

56、。 浅层曝气与一般曝气相比，空气量增大，但风压仅为一 般曝气的1/41/6左右，约10kPa，故电耗略有下降。 曝气池水深一般34m，深宽比1.01.3，气量比30 40m3/（m3 H2O.h）。 浅层池适用于中小型规模的污水厂。 由于布气系统进行维修上的困难，没有得到推广利用。 深 层 曝 气 深井曝气法处理流程 深井曝气池简图 一般曝气池直径约16m，水深约1020m。深井曝 气法深度为50150m，节省了用地面积。 在深井中可利用空气作为动力，促使液流循环。 深井曝气法中，活性污泥经受压力变化较大，实践表 明这时微生物的活性和代谢能力并无异常变化，但合成 和能量分配有一定的变化。 深井

57、曝气池内，气液紊流大，液膜更新快，促使KLa值 增大，同时气液接触时间延长，溶解氧的饱和度也由深 度的增加而增加。 当井壁腐蚀或受损时，污水可能会通过井壁渗透，污 染地下水。 深 层 曝 气 部分污水厂只需要部分处理，因此产生了高负 荷曝气法。 曝气池中的MLSS约为300500mg/L，曝气时 间比较短，约为23h，处理效率仅约65左右，有 别于传统的活性污泥法，故常称变形曝气。 高负荷曝气或变形曝气 克劳斯工程师把厌氧消化的上清液加到回流污泥中一 起曝气，然后再进入曝气池，克服了高碳水化合物的污 泥膨胀问题，这个方法称为克劳斯法。 消化池上清液中富有氨氮，可以供应大量碳水化合物 代谢所需的

58、氮。 消化池上清液夹带的消化污泥相对密度较大，有改善 混合液沉淀性能的功效。 克 劳 斯 法 延时曝气的特点： 曝气时间很长，达24h甚至更长，MLSS较高，达 到30006000mg/L； 活性污泥在时间和空间上部分处于内源呼吸状态， 剩余污泥少而稳定，无需消化，可直接排放； 适用于污水量很小的场合，近年来，国内小型污 水处理系统多有使用。 延 时 曝 气 接 触 稳 定 法 混合液曝气过程中第一阶段BOD5的下降是由于吸 附作用造成的，对于溶解的有机物，吸附作用不大或没有， 因此，把这种方法称为接触稳定法，也叫吸附再生法。混 合液的曝气完成了吸附作用，回流污泥的曝气完成稳定作 用。 直接用

59、于原污水的处理比用于初沉池的出流处理 效果好；可省去初沉池；此方法剩余污泥量增加。 接 触 稳 定 法 氧化沟是延时曝气法的一种特殊形式，它的池体狭长， 池深较浅，在沟槽中设有表面曝气装置。 曝气装置的转动，推动沟内液体迅速流动，具有曝气 和搅拌两个作用，沟中混合液流速约为0.30.6m/s， 使活性污泥呈悬浮状态。 氧 化 沟 纯氧代替 空气，可以提 高生物处理的 速度。纯氧曝 气池的构造见 右图。 纯 氧 曝 气 纯氧曝气的缺点是纯氧发生器容易出现故障， 装置复杂，运转管理较麻烦。 在密闭的容器中，溶解氧的饱和度可提高，氧溶 解的推动力也随着提高，氧传递速率增加了，因而处理 效果好，污泥的

60、沉淀性也好。纯氧曝气并没有改变活性 污泥或微生物的性质，但使微生物充分发挥了作用。 活性污泥生物滤池（ABF工艺） 上图为ABF的流程，在通常的活性污泥过程之前设置一 个塔式滤池，它同曝气池可以是串联或并联的。 塔式滤池滤料表面附着很多的活性污泥，因此滤 料的材质和构造不同于一般生物滤池。 滤池也可以看作采用表面曝气特殊形式的曝气 池，塔是一外置的强烈充氧器。因而ABF可以认 为是一种复合式活性污泥法。 活性污泥生物滤池（ABF工艺） 吸附生物降解工艺（AB法） A级以高负荷或超高负荷运行，B级以低 负荷运行，A级曝气池停留时间短，30 60min，B级停留时间24h。 该系统不设初沉池，A级