第43節(jié)活性污泥反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)

1、1三、活性污泥反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)三、活性污泥反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)1、概述：、概述： 從前面介紹可以看出，微生物的增殖、代謝與有機從前面介紹可以看出，微生物的增殖、代謝與有機底物濃度、底物濃度、 c c以及生化反應(yīng)速度等密切相關(guān)。反應(yīng)以及生化反應(yīng)速度等密切相關(guān)。反應(yīng)動力學(xué)則是從生化角度來研究彼此的關(guān)系，以提高我動力學(xué)則是從生化角度來研究彼此的關(guān)系，以提高我們理論認識水平，并指導(dǎo)我們優(yōu)化工藝與設(shè)備。們理論認識水平，并指導(dǎo)我們優(yōu)化工藝與設(shè)備。 22 2、莫諾特、莫諾特(Monod)(Monod)方程式方程式 法國學(xué)者法國學(xué)者MonodMonod于于19421942年采用純菌種在培養(yǎng)基稀溶年采用純菌種在培養(yǎng)基稀

2、溶液中進行了微生物生長的實驗研究，并提出了微生物生液中進行了微生物生長的實驗研究，并提出了微生物生度和底物濃度間的關(guān)系式：度和底物濃度間的關(guān)系式： = = maxmaxS/S/（Ks+SKs+S）式中：式中： 微生物比增長速度微生物比增長速度，即單位生物量的增長速度，即單位生物量的增長速度. .maxmax微生物最大比增長速度；微生物最大比增長速度；Ks Ks 飽和常數(shù)，飽和常數(shù)， = =（1/21/2） maxmax時底物濃度，時底物濃度， 故又稱半速度常數(shù)。故又稱半速度常數(shù)。S S 底物濃度。底物濃度。 34（1 1）當(dāng)?shù)孜镞^量存在時，微生物生長不受底物限制。）當(dāng)?shù)孜镞^量存在時，微生物生長

3、不受底物限制。 處于對數(shù)增長期，速度達到最大值處于對數(shù)增長期，速度達到最大值, ,為一常數(shù)。為一常數(shù)。 SKsSKs、Ks+SS Ks+SS =u=umaxmax。 此時反應(yīng)速度和底物濃度無關(guān)，呈零級反應(yīng)，即此時反應(yīng)速度和底物濃度無關(guān)，呈零級反應(yīng)，即n=0n=0。（2 2）當(dāng)?shù)孜餄舛容^小時，微生物生長受到限制。）當(dāng)?shù)孜餄舛容^小時，微生物生長受到限制。 處于靜止增長期，微生物增長速度與底物濃度成正比。處于靜止增長期，微生物增長速度與底物濃度成正比。 SSKsKs、Ks+SKs Ks+SKs =maxmaxS/KS/Ks s=K.S=K.S 此時，此時，SS，與底物濃度或正，呈一級反應(yīng)。，與底物濃

4、度或正，呈一級反應(yīng)。（3 3）隨著底物濃度逐步增加，微生物增長速度和底物濃）隨著底物濃度逐步增加，微生物增長速度和底物濃度度 呈呈=maxmaxS/S/（K Ks s+S+S），），即不成正比關(guān)系。即不成正比關(guān)系。 此時此時0 0n n1 1呈混合反應(yīng)區(qū)的生化反應(yīng)。呈混合反應(yīng)區(qū)的生化反應(yīng)。5 米米- -門方程式如下門方程式如下: : V VV VmaxmaxS/S/（K Ks s+S+S）； monodmonod方程的結(jié)論使米方程的結(jié)論使米- -門方程式引入了廢水工程的門方程式引入了廢水工程的 理論中。具體推導(dǎo)如下：理論中。具體推導(dǎo)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微生物增長量；微生物增長量；dx/dtdx/dt微生物增長速率（即微生物增長速率（即r r）；）；dsds底物消耗量；底物消耗量； r/xr/x ，即微生物比增長速度；，即微生物比增長速度； 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- -門方程式。門方程式。 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將將monodmonod方程倒裝得：方程倒裝得： 1/1/1/1/maxmax .( k .( ks s/s+1)= k/s+1)= ks s/ /maxmax.(1/s)+1/.(1/s)+1/maxmax。根據(jù)根據(jù)monodmonod方程與米方程與米- -門方程的相關(guān)性，門方程的相關(guān)性， 前面已推導(dǎo)前面已推導(dǎo)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 當(dāng)我們以當(dāng)我們以1/V1/V為縱坐標(biāo)，以為縱坐標(biāo)，以1/S1/Se e為為 橫坐標(biāo)；對一組實驗結(jié)果進行統(tǒng)

8、橫坐標(biāo)；對一組實驗結(jié)果進行統(tǒng) 計計(p118(p118圖圖4-15)4-15)則可求出則可求出 1/V1/Vmaxmax和和 k ks s/V/Vmaxmax。 73 3、勞倫斯、勞倫斯麥卡蒂麥卡蒂(Lawrence(LawrenceMc Carty)Mc Carty)方方程式程式（1 1）基礎(chǔ)概念）基礎(chǔ)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、單位基質(zhì)利用率、單位基質(zhì)利用率 q=(ds/dt)q=(ds/dt)/X/X c c、生物固體平均停留時間、生物固體平均停留時間 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) 有機質(zhì)降解速率等于其被微生物利用速率，有機質(zhì)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）方程的應(yīng)用）方程的應(yīng)用1 1）確立處理水有機底物濃度確立處理水有機底物濃度（SeSe）與生物固體平均

10、停與生物固體平均停留時間留時間（ c c ）之間的關(guān)系之間的關(guān)系: :對完全混合式：對完全混合式： Se SeKs(1/c+Kd)/Y(Sa-Se)-(1/c+Kd) Ks(1/c+Kd)/Y(Sa-Se)-(1/c+Kd) 對推流式：對推流式： 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為為f(c)f(c)，欲提高處理效果，降低，欲提高處理效果，降低SeSe值，值，就必須適當(dāng)提高就必須適當(dāng)提高cc 。92 2）確立微生物濃度（）確立微生物濃度（X X）與）與c

11、c間的關(guān)系間的關(guān)系: : 對完全混合式：對完全混合式： X X c c Y(SY(Sa a-S-Se e)/t(1+K)/t(1+Kd d c c) ) 對推流式：對推流式： X X c c Y(SY(Sa a-S-Se e)/t(1+K)/t(1+Kd d c c) ) 說明反應(yīng)器內(nèi)微生物濃度說明反應(yīng)器內(nèi)微生物濃度(X)(X)是是c c的函數(shù)。的函數(shù)。3 3）確立了污泥回流比）確立了污泥回流比(R)(R)與與c c的關(guān)系的關(guān)系: : 1/ 1/ c c =Q1+R-R(X=Q1+R-R(Xr r/X/Xa a)/V )/V 式中：式中：XrXr為回流污泥濃度，為回流污泥濃度，(Xr)(Xr)

12、maxmax=10=106 6/SVI /SVI 。104 4）總產(chǎn)率系數(shù)（）總產(chǎn)率系數(shù)（Y Y）與表觀產(chǎn)率系數(shù)（）與表觀產(chǎn)率系數(shù)（YobsYobs）間的關(guān)）間的關(guān)系系. . Yobs YobsY/(1+KY/(1+Kd dc c) ) 即實測污泥產(chǎn)率系數(shù)較理論總降低。即實測污泥產(chǎn)率系數(shù)較理論總降低。5)5)確立了污泥回流比確立了污泥回流比(R)(R)與與cc的關(guān)系。的關(guān)系。 1/c =Q1+R-R(Xr/Xa)/V 1/c =Q1+R-R(Xr/Xa)/V 。 式中：式中：XrXr為回流污泥濃度，為回流污泥濃度，(Xr)max=10(Xr)max=106 6/SVI /SVI 。11e e 、 在 污 水 處 理 系 統(tǒng) 中 （ 低 基 質(zhì) 濃 度 ） 中 ， 對、 在 污 水 處 理 系 統(tǒng) 中 （ 低 基 質(zhì) 濃 度 ） 中 ， 對 V V V VmaxmaxS/(KS/(Ks s+S) +S) 的推論：的推論： 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（低基質(zhì)濃度），（低基質(zhì)濃度）， qq V VmaxmaxS/KS/Ks sK KS S。 VV(ds/dt)(ds/dt)u u/X/