第四章-(43)活性污泥反应动力学课件

§4．3有机物降解与活性污泥反应动力学基础4.3.1概述4.3.2莫诺方程式4.3.3劳伦斯——麦卡蒂方程式§4．3有机物降解与活性污泥反应动力学基础4.3.114.3.1概述其值不同，就会导致、∴动力学是研究讨论下列函数关系：

∵、的变化生物化学反应是一种以生物酶为催化剂的化学反应。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。4.3.1概述其值不同，就会导致、∴动力学是研究讨论下列2

即研究:(1)底物降解速率与底物浓度、生物量、环境因素等方面的关系；(2)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；(3)反应机理研究，从反应物过渡到产物所经历的途径。即研究:3

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：

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：反应系数又称产率系数，mg（生物量）/mg（降解的底物）。反应速度及式中：反应系数4实验表明反应速度与一种反应物A的浓度ρA成正比时，称这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A、B的浓度ρA、ρB成正比时，或与一种反应物A的浓度ρA的平方ρA2成正比时，称这种反应为二级反应。实验表明反应速度与ρA·ρB2成正比时，称这种反应为三级反应；也可称这种反应是A的一级反应或B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有关。

一般地：aA+bB→gG+hH如果测得反应速度：v＝dcA/dt=kcAa

·cBba+b=n,n为反应级数。反应级数实验表明反应速度与一种反应物A的浓度ρA成正比时，称这种反应5

设生化反应方程式为：现底物浓度ρS以[S]表示，则生化反应速度：

式中：k——反应速度常数，随温度而异；

n——反应级数。上式亦可改写为：该式可用图表示，图中直线的斜率即为反应级数n。或lgvlg[S]或lgvlg[S]6反应速度不受反应物浓度的影响时，为零级反应。在温度不变时零级反应的反应速度是常数。对反应物A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A的量增加时，k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。反应速度不受反应物浓度的影响时，为零级反应。在温度不变时零级7

反应速度与反应物浓度的一次方成正比关系，称这种反应为一级反应。对反应物A而言，一级反应：

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A的量增加时，k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。反应速度与反应物浓度的一次方成正比关系，称这种反应为8

反应速度与反应物浓度的二次方成正比，称这种反应为二级反应。对反应物A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A的量增加时，k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。反应速度与反应物浓度的二次方成正比，称这种反应为二级94.3.2莫诺方程式1.Monod（莫诺,1942）公式的由来与演变4.3.2莫诺方程式1.Monod（莫诺,1942）公101）米－门公式：（1913年）纯酶→单一基质酶促反应中基质比降解速率1）米－门公式：（1913年）纯酶→单一基质酶促反应112）Monod公式（1942年）微生物的比增长速率纯菌种→单一基质3）Monod公式（1950年）微生物的比增长速率（4-29）异养微生物群体→单一基质2）Monod公式（1942年）微生物的比增长速率纯菌种12∵∴（4-30）（4-32）

∴∵∴（4-30）（4-32）∴134）Lawrence公式：（1960～1970年）异养微生物群体（活性污泥）→污水中混合有机物证实有机物降解速率也符合Monod公式2．Monod公式的推论1）当混合液中S＞＞KS则（4-32）式中KS可忽略不计——高有机物浓度由（4-32）式可简化为：

结论：在高有机物浓度下，有机底物以最大的速度进行降解，而与有机底物浓度无关，呈零级反应；而有机底物的降解速度与污泥浓度的一次方成正比关系，呈一级反应。

4）Lawrence公式：（1960～1970年）2．Mo14将（4-36）积分：

(4-37)

(4-38)2）在低有机物浓度条件下，S<<KS，分母中S可忽略结论：在低有机物浓度条件下，有机底物的降解速度与有机物的一次方成正比，呈一级反应。将（4-36）积分：(4-37)153）当混合液中S在S´～S´´之间——中等有机物浓度4）一相说与二相说一相说——Monod公式二相说——Eckenfelder二相说——非连续函数

3）当混合液中S在S´～S´´之间——中等有机物浓度4）一163．Monod公式的应用与参数的确定1）3．Monod公式的应用与参数的确定1）17

∵S＝Se＜＜S´´并为定值且处于减速生长期，属一级反应：∴适合于

（4-36）

在稳定条件下，对有机物进行物料平衡：

＝+（4-39）

进入曝气池的流出曝气池的在曝气池降解的（4-40）

∴∵S＝Se＜＜S´´并为定值且处于减速生长期，属一级反应18（4-41）当以Se代替莫诺方程式（4-32）式中的S得出：

（4-42）

并在等式两边同时除以X得出：

当Se＜＜Ks时，呈一级反应，而Se、在稳定条件下均为常数可以由4-41确定曝气池体积V，如何求K2（4-41）当以Se代替莫诺方程式（4-32）式中的S得出：19（4-44）（4-45）由（4-41）或（4－45）式可知：

（4-43）（4-44）（4-45）由（4-41）或（4－45）式可知：20

（4-46）（4-47）4．K2、Vmax、KS的求定1）K2的求定（图4-14）（4-41）（4-46）（4-47）4．K2、Vmax、KS的求定（421第四章-(43)活性污泥反应动力学课件222）据4－43求定Vmax、KS（图4-15）=

+

为纵坐标斜率为横坐标截距（4-48）

倒数式2）据4－43求定Vmax、KS（图4-15）=+23

5．对推流式曝气池的分析1）分析与问题的提出Qw＜＜Q，Xe≈05．对推流式曝气池的分析Qw＜＜Q，Xe≈024

2)对完全混合式曝气池分析2)对完全混合式曝气池分析253）完全混合式、推流式二者水力停留时间的比较根据给水工程（第四版）P249表14－3：●●3）完全混合式、推流式二者水力停留时间的比较根据给水工程（26则

CFSTR——Continuous—FlowStirredTankRectorPF——Plug－Flow则CFSTR——Continuous—FlowSti271．概述1）提出单位微生物量的底物利用率q为一常数（4-49）以θC、q作为基本参数，并以第一、二两个基本方程式表达。2）劳－麦第一基本方程式（在4－20基础上建立）（4-50）4.3.3劳伦斯——麦卡蒂活性污泥反应动力学方程式（4-49）以θC、q作为基本参数，并以第一、二两个283）劳－麦第二基本方程式：由V＝q为基础推出

有机物的降解速度等于其被微生物的利用速度。反映有机底物的利用速率（降解速率）与曝气池内微生物浓度Xa及有机底物浓度S之间的关系。K为单位生物量第最高底物利用速度。（4-52）2．劳－麦方程式的推论与应用1）处理水有机底物浓度Se与的关系（4-53）Y——微生物产率：mg微生物量/mg有机物量Ks——半速度系数3）劳－麦第二基本方程式：由V＝q为基础推出反映29（4-53）公式的推导：由（4-25）与（4-44）式可得出：（4-53）公式的推导：30移项整理：

(4-53)移项整理：(4-53)31Se0θminθcθc值提高，处理水Se下降有机物去除E提高；低某值，变化剧烈Se0θminθcθc值提高，322）反应器内活性污泥浓度Xa与的关系（4-54）公式的推导：由（4-25）与（4-44）公式得出：（4-54）移项：

2）反应器内活性污泥浓度Xa与的关系（4-533（4-54）

3）污泥回流比R与θc值之间的关系（4-55）而（4-54）3）污泥回流比R与θc值之间的关系（4-55344）完全混合式曝气池有机底物降解速度的推导：Monod式在低有机物浓度下，有机底物的降解速度

劳－麦式：有机底物的降解速度等于其被微生物的利用速度

（4-56）而则（4-49）（4-58）

(4-57)4）完全混合式曝气池有机底物降解速度的推导：劳－麦式：有机底35或（4-60）（4-59）5）活性污泥的二种产率（合成产率Y与表观产率Yobs）与θc的关系Y——合成产率，表示微生物的增殖总量，没有去除内源呼吸而消亡的那一部分Yobs——表观产率，实测所得微生物的增殖量，即微生物的净增殖量，已去除了因内源呼吸而消亡的那一部分。（4-61）

Yobs的用处？或（4-60）（4-59）5）活性污泥的二种产率（合成产率Y36§4．3有机物降解与活性污泥反应动力学基础4.3.1概述4.3.2莫诺方程式4.3.3劳伦斯——麦卡蒂方程式§4．3有机物降解与活性污泥反应动力学基础4.3.1374.3.1概述其值不同，就会导致、∴动力学是研究讨论下列函数关系：

∵、的变化生物化学反应是一种以生物酶为催化剂的化学反应。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。4.3.1概述其值不同，就会导致、∴动力学是研究讨论下列38

即研究:(1)底物降解速率与底物浓度、生物量、环境因素等方面的关系；(2)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；(3)反应机理研究，从反应物过渡到产物所经历的途径。即研究:39

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：

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：反应系数又称产率系数，mg（生物量）/mg（降解的底物）。反应速度及式中：反应系数40实验表明反应速度与一种反应物A的浓度ρA成正比时，称这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A、B的浓度ρA、ρB成正比时，或与一种反应物A的浓度ρA的平方ρA2成正比时，称这种反应为二级反应。实验表明反应速度与ρA·ρB2成正比时，称这种反应为三级反应；也可称这种反应是A的一级反应或B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有关。

一般地：aA+bB→gG+hH如果测得反应速度：v＝dcA/dt=kcAa

·cBba+b=n,n为反应级数。反应级数实验表明反应速度与一种反应物A的浓度ρA成正比时，称这种反应41

设生化反应方程式为：现底物浓度ρS以[S]表示，则生化反应速度：

式中：k——反应速度常数，随温度而异；

n——反应级数。上式亦可改写为：该式可用图表示，图中直线的斜率即为反应级数n。或lgvlg[S]或lgvlg[S]42反应速度不受反应物浓度的影响时，为零级反应。在温度不变时零级反应的反应速度是常数。对反应物A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A的量增加时，k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。反应速度不受反应物浓度的影响时，为零级反应。在温度不变时零级43

反应速度与反应物浓度的一次方成正比关系，称这种反应为一级反应。对反应物A而言，一级反应：

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A的量增加时，k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。反应速度与反应物浓度的一次方成正比关系，称这种反应为44

反应速度与反应物浓度的二次方成正比，称这种反应为二级反应。对反应物A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A的量增加时，k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。反应速度与反应物浓度的二次方成正比，称这种反应为二级454.3.2莫诺方程式1.Monod（莫诺,1942）公式的由来与演变4.3.2莫诺方程式1.Monod（莫诺,1942）公461）米－门公式：（1913年）纯酶→单一基质酶促反应中基质比降解速率1）米－门公式：（1913年）纯酶→单一基质酶促反应472）Monod公式（1942年）微生物的比增长速率纯菌种→单一基质3）Monod公式（1950年）微生物的比增长速率（4-29）异养微生物群体→单一基质2）Monod公式（1942年）微生物的比增长速率纯菌种48∵∴（4-30）（4-32）

∴∵∴（4-30）（4-32）∴494）Lawrence公式：（1960～1970年）异养微生物群体（活性污泥）→污水中混合有机物证实有机物降解速率也符合Monod公式2．Monod公式的推论1）当混合液中S＞＞KS则（4-32）式中KS可忽略不计——高有机物浓度由（4-32）式可简化为：

结论：在高有机物浓度下，有机底物以最大的速度进行降解，而与有机底物浓度无关，呈零级反应；而有机底物的降解速度与污泥浓度的一次方成正比关系，呈一级反应。

4）Lawrence公式：（1960～1970年）2．Mo50将（4-36）积分：

(4-37)

(4-38)2）在低有机物浓度条件下，S<<KS，分母中S可忽略结论：在低有机物浓度条件下，有机底物的降解速度与有机物的一次方成正比，呈一级反应。将（4-36）积分：(4-37)513）当混合液中S在S´～S´´之间——中等有机物浓度4）一相说与二相说一相说——Monod公式二相说——Eckenfelder二相说——非连续函数

3）当混合液中S在S´～S´´之间——中等有机物浓度4）一523．Monod公式的应用与参数的确定1）3．Monod公式的应用与参数的确定1）53

∵S＝Se＜＜S´´并为定值且处于减速生长期，属一级反应：∴适合于

（4-36）

在稳定条件下，对有机物进行物料平衡：

＝+（4-39）

进入曝气池的流出曝气池的在曝气池降解的（4-40）

∴∵S＝Se＜＜S´´并为定值且处于减速生长期，属一级反应54（4-41）当以Se代替莫诺方程式（4-32）式中的S得出：

（4-42）

并在等式两边同时除以X得出：

当Se＜＜Ks时，呈一级反应，而Se、在稳定条件下均为常数可以由4-41确定曝气池体积V，如何求K2（4-41）当以Se代替莫诺方程式（4-32）式中的S得出：55（4-44）（4-45）由（4-41）或（4－45）式可知：

（4-43）（4-44）（4-45）由（4-41）或（4－45）式可知：56

（4-46）（4-47）4．K2、Vmax、KS的求定1）K2的求定（图4-14）（4-41）（4-46）（4-47）4．K2、Vmax、KS的求定（457第四章-(43)活性污泥反应动力学课件582）据4－43求定Vmax、KS（图4-15）=

+

为纵坐标斜率为横坐标截距（4-48）

倒数式2）据4－43求定Vmax、KS（图4-15）=+59

5．对推流式曝气池的分析1）分析与问题的提出Qw＜＜Q，Xe≈05．对推流式曝气池的分析Qw＜＜Q，Xe≈060

2)对完全混合式曝气池分析2)对完全混合式曝气池分析613）完全混合式、推流式二者水力停留时间的比较根据给水工程（第四版）P249表14－3：●●3）完全混合式、推流式二者水力停留时间的比较根据给水工程（62则

CFSTR——Continuous—FlowStirredTankRectorPF——Plug－Flow则CFSTR——Continuous—FlowSti631．概述1）提出单位微生物量的底物利用率q为一常数（4-49）以θC、q作为基本参数，并以第一、二两个基本方程式表达。2）劳－麦第一基本方程式（在4－20基础上建立）（4-50）4.3.3劳伦斯——麦卡蒂活