活性污泥反应动力学概念和基础水质工程学

1、活性污泥反应动力学概念和基础水质工程学传统活性污泥法，是污水生物处理的开端。原污水从曝气池首端进入池内，由二次沉淀池回流的回流污泥也同步注入。污水与回流污泥形成的混合液在池内呈推流形式流动至池的末端，赢出池外进入二次沉淀池，在这里处理后的污水与活性污泥分离，部分污泥回流曝气池，部分污泥则作为剩余污泥排出系统。活性污泥法的概念 活性污泥法的物料平衡 生物处理动力学和数学建模的意义 在废水生物处理系统的功能设计中，往往采用经验与半经验的方法，这些方法未能反应生化过程中各种变量之间的相互关系，设计带有一定的盲目性，难以经济合理的设计污水处理系统，也难以预测和指导处理系统的运行和管理。生物处理动力学研

2、究进展指导系统的设计 经验设计不够经济合理，定量化程度不够；通过数学模型模拟相应过程，进行理论设计，使设计更切合实际情况。模拟处理系统的实际过程，指导生产实践，进一步实现运行管理的自动化。对废水处理系统的不同情况进行模拟，改变参数，通过模拟计算的方法输出结果，反映各种不同情况，代替或部分代替实验，节省人力物力。生物处理数学模式 50年代以来，国外一些学者把反映生化过程机理的微生物生长动力学引入废水处理领域，提高了人们对废水生物处理机理的认识，是处理系统设计和运行更加理论化和系统化。美国的Momod、Eckenfelder、Heukelekian、Lawrence、McCarty、McKinne

3、y、Andrews对废水生物处理的动力学研究奠定了这一领域的基础。 基质（底物）去除动力学：有机底物的降解速率与有机底物浓度、微生物量之间的关系；微生物降解动力学：反映微生物增殖速率与有机底物浓度、微生物的量之间的关系；基质降解与微生物生长之间的关系，以及基质降解、微生物生长与需氧量和营养量之间的关系。对生物处理动力学研究的主要内容 近年来，应用数学工具建立数学模型对活性污泥系统的复杂过程进行模拟。1983年国际水污染研究和控制协会（IAWPRC）成立课题组，对已有的悬浮生长反应器的模型进行评估从中提出切合实际、可以在实践当中应用的数学模型，专家组经过3年的研究于1986年推出ASM1，相继于

4、1995年推出ASM2，1999年推出ASM3。生物处理动力学研究新进展 进水中的有机组分各种各样，活性污泥微生物的多样性，而且是在非稳态的条件下描述活性污泥系统的复杂反应过程，导致数学模型非常复杂，以计算机作为工具，提高了数学模型的应用价值。 生物处理动力学研究新进展 莫诺Monod方程式Monod于1942年用纯种的微生物在单一基质的培养基上进行微生物增殖速率与底物浓度之间的关系试验。试验的结果与米凯利斯-门坦（Michaelis-Menten）于1913年得出的酶促反应速度与底物浓度之间的关系是一样的。因此，Monod认为可以用米-门方程式来描述底物浓度与微生物增殖速度之间的关系，即：

5、活性污泥反应动力学数学模式微生物的比增殖速率同时认为，微生物的比增殖速率与对应的底物的比降解速率成正比： 则有机底物的比降解速率 埃肯费尔德Eckenfelder方程式Eckenfelder认为，象城市污水的底物浓度低的情况（COD为400 mg/L以下，BOD5浓度为300 mg/L以下），有机的物的比降解速率和底物浓度的关系应表示为 对于完全混合型系统，通过对有机底物进行物料平衡得出： 经整理后得： 对于完全混合型系统，通过对有机底物进行物料平衡得出： 经整理后得： 应用Monod方程和Eckenfelder方程式，联合上式即可得出： 经整理后得： 则BOD去除-污泥负荷率 BOD去除-容

6、积负荷率 应用Eckenf.模式时，还可得出完全混合活性污泥系统的去除率 霍克莱金Heukelekian方程式在废水处理中，微生物增长和底物降解存在着一个基本关系，即Heukelekian在1951年提出的方程式： 其中Y-产率系数，即微生物代谢单位有机底物所合成的微生物量；Kd-微生物自身的内源（衰减）呼吸系数，即在单位时间内单位微生物量自身氧化而减少的微生物量（1/d）。由上式得： 上式以XvV除之，并整理得 上式即为以下Lawrence-McCarty方程式所描述的内容。 劳伦斯- 麦卡蒂（Lawrence-McCarty）方程式根据完全混合活性污泥系统的物料平衡式，Lawrence-M

7、cCarty方程式也可表示为： 其中q的物理意义是：单位微生物量对有机底物的降解速率，也即比降解速率。 通过对完全混合活性污泥系统进行物料衡算，结合Lawrence-McCarty方程式得出如下结论： 由 代入上式得 完全混合活性污泥系统出水浓度（S）与污泥龄之间的关系为： 由 和 解得 完全混合活性泥反应器内活性污泥的浓度X与污泥龄的关系为： Eckenfelder模式和Lawrence-McCarty模式都是针对完全混合活性污泥系统得出的一些有意义的结论，不适用于推流型反应器。 例如在推流式反应器中：污泥龄与衰减系数有如下关系：微生物平均浓度 Mckinney（麦金尼）模式基本观点： a、

8、认为生活污水或工业污水中污染物的状态和组成可图示如下：b、污染物的吸附转化情况可用下图表示：c、可生物降解污染物的转化关系可用下图表示： 在良好的状态下，无机和不可生物降解的悬浮固体经活性污泥法处理基本上被微生物吸附，其量不变。 对于城市生活污水，其中可生物降解的有机赞量约有23转化为微生物细胞；1/3氧化为CO2和水。氧化过程释放的能量，供微生物繁殖和活动之需。 说明： 活性污泥法系统中，既存在着有机物质的代谢和微生物的增长繁殖，也存在着细胞物质的自身代谢和微生物之间通过食物链进行的代谢过程，统称为内源代谢或内源呼吸。细胞物质经过代谢，最终约有80转化为CO2和H2O，残留的20为不可生物降

9、解的有机物（内源代谢残留物），这主要是细胞壁的某些组成和壁外的粘液层。 由于内源代谢产物的不可生物降解性，使可生物降解有机物的化学需氧量CODB不等于完全生化需氧量BODU。上图虚框部分即BODU=1/3CODB+2/3CODBB 而BOD52/3 BODU=0.58 CODB即BOD5/ CODB对于城市污水而言，1个单位的BOD5相应的CODB为个单位，合成个氧单量的细胞物质，消耗个单位（氧单量）的氧。各种形态的活性污泥的细胞组成基本相同。其组成可用C5H9ON或C5H7O2N表示。其氧单量可由下式表示：C5H9O2 5CO2 + NH3 + 3H2O 123 168由上式可知，当微生物以C5H9ON表示时，氧单量为；同样可得，以C5H7O2N表示时为。1个单位的BOD5合成个氧单量的细胞物质，以质量来表示时为个质量单位。即合成细胞物质的理论产率Ym=（细胞物质的质量）/生物氧化的有机物（以BOD5计）。此值称为麦氏细胞产率系数。出水的BOD5活性污泥出水中的可降解有机物，一部分是溶水中的溶解性有机物；一部分是从二沉池飘出的悬浮固