活性污泥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)概念和基礎(chǔ)水質(zhì)工程學(xué)

1、活性污泥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)概念和基礎(chǔ)水質(zhì)工程學(xué)傳統(tǒng)活性污泥法，是污水生物處理的開端。原污水從曝氣池首端進(jìn)入池內(nèi)，由二次沉淀池回流的回流污泥也同步注入。污水與回流污泥形成的混合液在池內(nèi)呈推流形式流動(dòng)至池的末端，贏出池外進(jìn)入二次沉淀池，在這里處理后的污水與活性污泥分離，部分污泥回流曝氣池，部分污泥則作為剩余污泥排出系統(tǒng)?；钚晕勰喾ǖ母拍?活性污泥法的物料平衡 生物處理動(dòng)力學(xué)和數(shù)學(xué)建模的意義 在廢水生物處理系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)中，往往采用經(jīng)驗(yàn)與半經(jīng)驗(yàn)的方法，這些方法未能反應(yīng)生化過(guò)程中各種變量之間的相互關(guān)系，設(shè)計(jì)帶有一定的盲目性，難以經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)污水處理系統(tǒng)，也難以預(yù)測(cè)和指導(dǎo)處理系統(tǒng)的運(yùn)行和管理。生物處理動(dòng)力學(xué)研

2、究進(jìn)展指導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)不夠經(jīng)濟(jì)合理，定量化程度不夠；通過(guò)數(shù)學(xué)模型模擬相應(yīng)過(guò)程，進(jìn)行理論設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)更切合實(shí)際情況。模擬處理系統(tǒng)的實(shí)際過(guò)程，指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)運(yùn)行管理的自動(dòng)化。對(duì)廢水處理系統(tǒng)的不同情況進(jìn)行模擬，改變參數(shù)，通過(guò)模擬計(jì)算的方法輸出結(jié)果，反映各種不同情況，代替或部分代替實(shí)驗(yàn)，節(jié)省人力物力。生物處理數(shù)學(xué)模式 50年代以來(lái)，國(guó)外一些學(xué)者把反映生化過(guò)程機(jī)理的微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)引入廢水處理領(lǐng)域，提高了人們對(duì)廢水生物處理機(jī)理的認(rèn)識(shí)，是處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行更加理論化和系統(tǒng)化。美國(guó)的Momod、Eckenfelder、Heukelekian、Lawrence、McCarty、McKinne

3、y、Andrews對(duì)廢水生物處理的動(dòng)力學(xué)研究奠定了這一領(lǐng)域的基礎(chǔ)。 基質(zhì)（底物）去除動(dòng)力學(xué)：有機(jī)底物的降解速率與有機(jī)底物濃度、微生物量之間的關(guān)系；微生物降解動(dòng)力學(xué)：反映微生物增殖速率與有機(jī)底物濃度、微生物的量之間的關(guān)系；基質(zhì)降解與微生物生長(zhǎng)之間的關(guān)系，以及基質(zhì)降解、微生物生長(zhǎng)與需氧量和營(yíng)養(yǎng)量之間的關(guān)系。對(duì)生物處理動(dòng)力學(xué)研究的主要內(nèi)容 近年來(lái)，應(yīng)用數(shù)學(xué)工具建立數(shù)學(xué)模型對(duì)活性污泥系統(tǒng)的復(fù)雜過(guò)程進(jìn)行模擬。1983年國(guó)際水污染研究和控制協(xié)會(huì)（IAWPRC）成立課題組，對(duì)已有的懸浮生長(zhǎng)反應(yīng)器的模型進(jìn)行評(píng)估從中提出切合實(shí)際、可以在實(shí)踐當(dāng)中應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型，專家組經(jīng)過(guò)3年的研究于1986年推出ASM1，相繼于

4、1995年推出ASM2，1999年推出ASM3。生物處理動(dòng)力學(xué)研究新進(jìn)展 進(jìn)水中的有機(jī)組分各種各樣，活性污泥微生物的多樣性，而且是在非穩(wěn)態(tài)的條件下描述活性污泥系統(tǒng)的復(fù)雜反應(yīng)過(guò)程，導(dǎo)致數(shù)學(xué)模型非常復(fù)雜，以計(jì)算機(jī)作為工具，提高了數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用價(jià)值。 生物處理動(dòng)力學(xué)研究新進(jìn)展 莫諾Monod方程式Monod于1942年用純種的微生物在單一基質(zhì)的培養(yǎng)基上進(jìn)行微生物增殖速率與底物濃度之間的關(guān)系試驗(yàn)。試驗(yàn)的結(jié)果與米凱利斯-門坦（Michaelis-Menten）于1913年得出的酶促反應(yīng)速度與底物濃度之間的關(guān)系是一樣的。因此，Monod認(rèn)為可以用米-門方程式來(lái)描述底物濃度與微生物增殖速度之間的關(guān)系，即：

5、活性污泥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模式微生物的比增殖速率同時(shí)認(rèn)為，微生物的比增殖速率與對(duì)應(yīng)的底物的比降解速率成正比： 則有機(jī)底物的比降解速率 ?？腺M(fèi)爾德Eckenfelder方程式Eckenfelder認(rèn)為，象城市污水的底物濃度低的情況（COD為400 mg/L以下，BOD5濃度為300 mg/L以下），有機(jī)的物的比降解速率和底物濃度的關(guān)系應(yīng)表示為 對(duì)于完全混合型系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)有機(jī)底物進(jìn)行物料平衡得出： 經(jīng)整理后得： 對(duì)于完全混合型系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)有機(jī)底物進(jìn)行物料平衡得出： 經(jīng)整理后得： 應(yīng)用Monod方程和Eckenfelder方程式，聯(lián)合上式即可得出： 經(jīng)整理后得： 則BOD去除-污泥負(fù)荷率 BOD去除-容

6、積負(fù)荷率 應(yīng)用Eckenf.模式時(shí)，還可得出完全混合活性污泥系統(tǒng)的去除率 霍克萊金Heukelekian方程式在廢水處理中，微生物增長(zhǎng)和底物降解存在著一個(gè)基本關(guān)系，即Heukelekian在1951年提出的方程式： 其中Y-產(chǎn)率系數(shù)，即微生物代謝單位有機(jī)底物所合成的微生物量；Kd-微生物自身的內(nèi)源（衰減）呼吸系數(shù)，即在單位時(shí)間內(nèi)單位微生物量自身氧化而減少的微生物量（1/d）。由上式得： 上式以XvV除之，并整理得 上式即為以下Lawrence-McCarty方程式所描述的內(nèi)容。 勞倫斯- 麥卡蒂（Lawrence-McCarty）方程式根據(jù)完全混合活性污泥系統(tǒng)的物料平衡式，Lawrence-M

7、cCarty方程式也可表示為： 其中q的物理意義是：?jiǎn)挝晃⑸锪繉?duì)有機(jī)底物的降解速率，也即比降解速率。 通過(guò)對(duì)完全混合活性污泥系統(tǒng)進(jìn)行物料衡算，結(jié)合Lawrence-McCarty方程式得出如下結(jié)論： 由 代入上式得 完全混合活性污泥系統(tǒng)出水濃度（S）與污泥齡之間的關(guān)系為： 由 和 解得 完全混合活性泥反應(yīng)器內(nèi)活性污泥的濃度X與污泥齡的關(guān)系為： Eckenfelder模式和Lawrence-McCarty模式都是針對(duì)完全混合活性污泥系統(tǒng)得出的一些有意義的結(jié)論，不適用于推流型反應(yīng)器。 例如在推流式反應(yīng)器中：污泥齡與衰減系數(shù)有如下關(guān)系：微生物平均濃度 Mckinney（麥金尼）模式基本觀點(diǎn)： a、

8、認(rèn)為生活污水或工業(yè)污水中污染物的狀態(tài)和組成可圖示如下：b、污染物的吸附轉(zhuǎn)化情況可用下圖表示：c、可生物降解污染物的轉(zhuǎn)化關(guān)系可用下圖表示： 在良好的狀態(tài)下，無(wú)機(jī)和不可生物降解的懸浮固體經(jīng)活性污泥法處理基本上被微生物吸附，其量不變。 對(duì)于城市生活污水，其中可生物降解的有機(jī)贊量約有23轉(zhuǎn)化為微生物細(xì)胞；1/3氧化為CO2和水。氧化過(guò)程釋放的能量，供微生物繁殖和活動(dòng)之需。 說(shuō)明： 活性污泥法系統(tǒng)中，既存在著有機(jī)物質(zhì)的代謝和微生物的增長(zhǎng)繁殖，也存在著細(xì)胞物質(zhì)的自身代謝和微生物之間通過(guò)食物鏈進(jìn)行的代謝過(guò)程，統(tǒng)稱為內(nèi)源代謝或內(nèi)源呼吸。細(xì)胞物質(zhì)經(jīng)過(guò)代謝，最終約有80轉(zhuǎn)化為CO2和H2O，殘留的20為不可生物降

9、解的有機(jī)物（內(nèi)源代謝殘留物），這主要是細(xì)胞壁的某些組成和壁外的粘液層。 由于內(nèi)源代謝產(chǎn)物的不可生物降解性，使可生物降解有機(jī)物的化學(xué)需氧量CODB不等于完全生化需氧量BODU。上圖虛框部分即BODU=1/3CODB+2/3CODBB 而BOD52/3 BODU=0.58 CODB即BOD5/ CODB對(duì)于城市污水而言，1個(gè)單位的BOD5相應(yīng)的CODB為個(gè)單位，合成個(gè)氧單量的細(xì)胞物質(zhì)，消耗個(gè)單位（氧單量）的氧。各種形態(tài)的活性污泥的細(xì)胞組成基本相同。其組成可用C5H9ON或C5H7O2N表示。其氧單量可由下式表示：C5H9O2 5CO2 + NH3 + 3H2O 123 168由上式可知，當(dāng)微生物以C5H9ON表示時(shí)，氧單量為；同樣可得，以C5H7O2N表示時(shí)為。1個(gè)單位的BOD5合成個(gè)氧單量的細(xì)胞物質(zhì)，以質(zhì)量來(lái)表示時(shí)為個(gè)質(zhì)量單位。即合成細(xì)胞物質(zhì)的理論產(chǎn)率Ym=（細(xì)胞物質(zhì)的質(zhì)量）/生物氧化的有機(jī)物（以BOD5計(jì)）。此值稱為麥?zhǔn)霞?xì)胞產(chǎn)率系數(shù)。出水的BOD5活性污泥出水中的可降解有機(jī)物，一部分是溶水中的溶解性有機(jī)物；一部分是從二沉池飄出的懸浮固