第43节活性污泥反应动力学基础

1、1三、活性污泥反应动力学基础三、活性污泥反应动力学基础1、概述：、概述： 从前面介绍可以看出，微生物的增殖、代谢与有机从前面介绍可以看出，微生物的增殖、代谢与有机底物浓度、底物浓度、 c c以及生化反应速度等密切相关。反应以及生化反应速度等密切相关。反应动力学则是从生化角度来研究彼此的关系，以提高我动力学则是从生化角度来研究彼此的关系，以提高我们理论认识水平，并指导我们优化工艺与设备。们理论认识水平，并指导我们优化工艺与设备。 22 2、莫诺特、莫诺特(Monod)(Monod)方程式方程式 法国学者法国学者MonodMonod于于19421942年采用纯菌种在培养基稀溶年采用纯菌种在培养基稀

2、溶液中进行了微生物生长的实验研究，并提出了微生物生液中进行了微生物生长的实验研究，并提出了微生物生度和底物浓度间的关系式：度和底物浓度间的关系式： = = maxmaxS/S/（Ks+SKs+S）式中：式中： 微生物比增长速度微生物比增长速度，即单位生物量的增长速度，即单位生物量的增长速度. .maxmax微生物最大比增长速度；微生物最大比增长速度；Ks Ks 饱和常数，饱和常数， = =（1/21/2） maxmax时底物浓度，时底物浓度， 故又称半速度常数。故又称半速度常数。S S 底物浓度。底物浓度。 34（1 1）当底物过量存在时，微生物生长不受底物限制。）当底物过量存在时，微生物生长

3、不受底物限制。 处于对数增长期，速度达到最大值处于对数增长期，速度达到最大值, ,为一常数。为一常数。 SKsSKs、Ks+SS Ks+SS =u=umaxmax。 此时反应速度和底物浓度无关，呈零级反应，即此时反应速度和底物浓度无关，呈零级反应，即n=0n=0。（2 2）当底物浓度较小时，微生物生长受到限制。）当底物浓度较小时，微生物生长受到限制。 处于静止增长期，微生物增长速度与底物浓度成正比。处于静止增长期，微生物增长速度与底物浓度成正比。 SSKsKs、Ks+SKs Ks+SKs =maxmaxS/KS/Ks s=K.S=K.S 此时，此时，SS，与底物浓度或正，呈一级反应。，与底物浓

4、度或正，呈一级反应。（3 3）随着底物浓度逐步增加，微生物增长速度和底物浓）随着底物浓度逐步增加，微生物增长速度和底物浓度度 呈呈=maxmaxS/S/（K Ks s+S+S），），即不成正比关系。即不成正比关系。 此时此时0 0n n1 1呈混合反应区的生化反应。呈混合反应区的生化反应。5 米米- -门方程式如下门方程式如下: : V VV VmaxmaxS/S/（K Ks s+S+S）； monodmonod方程的结论使米方程的结论使米- -门方程式引入了废水工程的门方程式引入了废水工程的 理论中。具体推导如下：理论中。具体推导如下： Y Ydx/ds=(dx/dt)/(ds/dt)=r/

5、q=(r/x)/(q/x)= dx/ds=(dx/dt)/(ds/dt)=r/q=(r/x)/(q/x)= /V/V。式中：式中：dxdx微生物增长量；微生物增长量；dx/dtdx/dt微生物增长速率（即微生物增长速率（即r r）；）；dsds底物消耗量；底物消耗量； r/xr/x ，即微生物比增长速度；，即微生物比增长速度； q qds/dtds/dt（底物降解速度）（底物降解速度）;v;vq/xq/x（底物比降解速度）。（底物比降解速度）。 Y.VY.V；maxmaxY. VY. Vmaxmax； 代入代入=maxmaxS/S/（K Ks s+S+S） 得：得： V VV VmaxmaxS

6、/(KS/(Ks s+S)+S)，即米，即米- -门方程式。门方程式。 V V(ds/dt)/X(ds/dt)/X， -ds/dt= -ds/dt= V VmaxmaxSX/(KSX/(Ks s+S)+S)，即，即p115p115（4 43232）式。）式。6将将monodmonod方程倒装得：方程倒装得： 1/1/1/1/maxmax .( k .( ks s/s+1)= k/s+1)= ks s/ /maxmax.(1/s)+1/.(1/s)+1/maxmax。根据根据monodmonod方程与米方程与米- -门方程的相关性，门方程的相关性， 前面已推导前面已推导Y.VY.V；maxmax

7、Y. VY. Vmaxmax。 代入得：代入得：1/V= k1/V= ks s/V/Vmaxmax.(1/s)+1/V.(1/s)+1/Vmaxmax。 由于由于 V=(ds/dt)/XV=(ds/dt)/X，1/V=Xdt/ds=Xt/(S1/V=Xdt/ds=Xt/(Sa a-S-Se e) ) 即即Xt/(SXt/(Sa a-S-Se e)= k)= ks s/V/Vmaxmax.(1/s)+1/V.(1/s)+1/Vmaxmax 即即p118 (4-48)p118 (4-48)式式 当我们以当我们以1/V1/V为纵坐标，以为纵坐标，以1/S1/Se e为为 横坐标；对一组实验结果进行统

8、横坐标；对一组实验结果进行统 计计(p118(p118图图4-15)4-15)则可求出则可求出 1/V1/Vmaxmax和和 k ks s/V/Vmaxmax。 73 3、劳伦斯、劳伦斯麦卡蒂麦卡蒂(Lawrence(LawrenceMc Carty)Mc Carty)方方程式程式（1 1）基础概念）基础概念 a a、微生物比增殖速率、微生物比增殖速率 =(dx/dt)/X(dx/dt)/X b b、单位基质利用率、单位基质利用率 q=(ds/dt)q=(ds/dt)/X/X c c、生物固体平均停留时间、生物固体平均停留时间 c c=VX/=VX/X;X; （2 2）基本方程）基本方程 第第

9、1 1方程：方程：dx/dt=Y(ds/dt)dx/dt=Y(ds/dt)u u-K-Kd dX Xa a； 1/ 1/c c=Yq=YqK Kd d； 第第2 2方程方程: V: VV VmaxmaxS/(KS/(Ks s+S) +S) 有机质降解速率等于其被微生物利用速率，有机质降解速率等于其被微生物利用速率， 即即V=q, VV=q, Vmaxmax=q=qmaxmax (ds/dt) (ds/dt)u u = V = VmaxmaxSXSXa a/(K/(Ks s+S)+S)8（3 3）方程的应用）方程的应用1 1）确立处理水有机底物浓度确立处理水有机底物浓度（SeSe）与生物固体平均

10、停与生物固体平均停留时间留时间（ c c ）之间的关系之间的关系: :对完全混合式：对完全混合式： Se SeKs(1/c+Kd)/Y(Sa-Se)-(1/c+Kd) Ks(1/c+Kd)/Y(Sa-Se)-(1/c+Kd) 对推流式：对推流式： 1/c= YVmax(Sa-Se)/(Sa-Se)+ Ks 1/c= YVmax(Sa-Se)/(Sa-Se)+ KsSa/SeSa/SeKd Kd 上式表示上式表示SeSe为为f(c)f(c)，欲提高处理效果，降低，欲提高处理效果，降低SeSe值，值，就必须适当提高就必须适当提高cc 。92 2）确立微生物浓度（）确立微生物浓度（X X）与）与c

11、c间的关系间的关系: : 对完全混合式：对完全混合式： X X c c Y(SY(Sa a-S-Se e)/t(1+K)/t(1+Kd d c c) ) 对推流式：对推流式： X X c c Y(SY(Sa a-S-Se e)/t(1+K)/t(1+Kd d c c) ) 说明反应器内微生物浓度说明反应器内微生物浓度(X)(X)是是c c的函数。的函数。3 3）确立了污泥回流比）确立了污泥回流比(R)(R)与与c c的关系的关系: : 1/ 1/ c c =Q1+R-R(X=Q1+R-R(Xr r/X/Xa a)/V )/V 式中：式中：XrXr为回流污泥浓度，为回流污泥浓度，(Xr)(Xr)

12、maxmax=10=106 6/SVI /SVI 。104 4）总产率系数（）总产率系数（Y Y）与表观产率系数（）与表观产率系数（YobsYobs）间的关）间的关系系. . Yobs YobsY/(1+KY/(1+Kd dc c) ) 即实测污泥产率系数较理论总降低。即实测污泥产率系数较理论总降低。5)5)确立了污泥回流比确立了污泥回流比(R)(R)与与cc的关系。的关系。 1/c =Q1+R-R(Xr/Xa)/V 1/c =Q1+R-R(Xr/Xa)/V 。 式中：式中：XrXr为回流污泥浓度，为回流污泥浓度，(Xr)max=10(Xr)max=106 6/SVI /SVI 。11e 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 V V VmaxmaxS/(KS/(Ks s+S) +S) 的推论：的推论： VVV VmaxmaxS/(KS/(Ks s+S)+S)，V Vq q； qq V VmaxmaxS/(KS/(Ks s+S)+S) 由于由于K Ks sS S（低基质浓度），（低基质浓度）， qq V VmaxmaxS/KS/Ks sK KS S。 VV(ds/dt)(ds/dt)u u/X/