清華大學(xué)《水處理工程2》

1、三.活性污泥的增長規(guī)律 1、活性污泥中微生物的增殖是活性污泥在曝氣池內(nèi)發(fā)生反應(yīng)、有機(jī)物被降解的必然結(jié)果，而微生物增殖的結(jié)果則是活性污泥的增長。2、一般可用活性污泥的增長曲線來描述:數(shù)量，即有機(jī)基質(zhì)(Food)與微生物(Mic，oorga廊時的比值，即F/M值。F/M值也是影響有機(jī)物去除速率、氧利用速率的重要因素。實際上，F(xiàn)/M值就是以BOD5表示的進(jìn)水污泥負(fù)荷(LsBOD，即：FM = L B = 0 BV. X (kgBOD5/kgVSS d)3、一般來說，可將增長曲線分為以下四個時期：適應(yīng)期；(2)對數(shù)增長期；(3)減速增長期；(4)內(nèi)源呼吸期。適應(yīng)期：是活性污泥微生物對于新的環(huán)境條件、污

2、水中有機(jī)物污染物的種類等的一個短暫的適應(yīng)過程；經(jīng)過適應(yīng)期后，微生物從數(shù)量上可能沒有增殖，但發(fā)生了一些質(zhì)的變化：a.菌體體積有所增大；b.酶系統(tǒng)也已做了相應(yīng) 調(diào)整；c.產(chǎn)生了一些適應(yīng)新環(huán)境的變異；等等。bod5、cod等各項污染指標(biāo)可能并無較大變化。對數(shù)增長期：F/M值高(2.2 kgBOD5 / kgVSS - d)，所以有機(jī)底物非常豐富，營養(yǎng)物質(zhì)不是微生物增殖的控制因素；微生物的增長速率與基質(zhì)濃度無關(guān)，呈零級反應(yīng)，它僅由微生物本身所特有的最小世代時間所控制，即只受微生物自身 的生理機(jī)能的限制；微生物以最高速率對有機(jī)物進(jìn)行攝取，也以最高速率增殖，而合成新細(xì)胞；此時的活性污泥具有很高的能量水平，

3、其中的微生物活動能力很強(qiáng)，導(dǎo)致污泥質(zhì)地松散，不能形成較好的絮凝體，污泥 的沉淀性能不佳；活性污泥的代謝速率極高，需氧量大；一般不采用此階段作為運行工況，但也有采用的，如高負(fù)荷活性污泥法。減速增長期:F/M值下降到一定水平后，有機(jī)底物的濃度成為微生物增殖的控制因素；微生物的增殖速率與殘存的有機(jī)底物呈正比，為一級反應(yīng)；有機(jī)底物的降解速率也開始下降；微生物的增殖速率在逐漸下降，直至在本期的最后階段下降為零，但微生物的量還在增長；活性污泥的能量水平已下降，絮凝體開始形成，活性污泥的凝聚、吸附以及沉淀性能均較好；由于殘存的有機(jī)物濃度較低，出水水質(zhì)有較大改善，并且整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定；一般來說，大多數(shù)活性污泥

4、處理廠是將曝氣池的運行工況控制在這一范圍內(nèi)的。內(nèi)源呼吸期：內(nèi)源呼吸的速率在本期之初首次超過了合成速率，因此從整體上來說，活性污泥的量在減少，最終所有的活細(xì)胞將消亡，而僅殘留下內(nèi)源呼吸的殘留物，而這些物質(zhì)多是難于降解的細(xì)胞壁等；污泥的無機(jī)化程度較高，沉降性能良好，但凝聚性較差；有機(jī)物基本消耗殆盡，處理水質(zhì)良好；一般不采用這一階段作為運行工況，但也有采用，如延時曝氣法。4、活性污泥增殖規(guī)律的應(yīng)用：活性污泥的增殖狀況，主要是由F/M值所控制；處于不同增長期的活性污泥，其性能不同，處理出水的水質(zhì)也不同；可以通過調(diào)整F/M值，來調(diào)控曝氣池的運行工況，以達(dá)到所要求的出水水質(zhì)和活性污泥的良好性能；推流式：一

5、段線段；完全混合式： 一個點 5、有機(jī)物降解與微生物增殖：活性污泥微生物增殖是微生物增殖和自身氧化(內(nèi)源呼吸)兩項作用的綜合結(jié)果，所以，微生物的凈增殖速率為:式中:(dx、dt /gdx、式中:(dx、dt /gdx、dt /活性污泥微生物的凈增殖速率(kgVSS /d)；(I dt活性污泥微生物的合成速率；su降解每kgBOD 5所產(chǎn)生的VSS值，即產(chǎn)率系數(shù)(kgVSS：kgBOD5 -d)；I dt )e=bxV活性污泥微生物自身氧化速率;b 每kgVSS每日自身氧化的炫數(shù)，即自身氧化系數(shù)(d -1 )；VSS(kg)因此，活性污泥微生物增殖的基本方程式:(dx I dt )g(ds )(

6、dx I dt )g=-a- bxk dt ) Vu積分后，得出活性污泥微生物在曝氣池內(nèi)每日得凈增長量為:Ax = aQS - bVX式中：Ax =每日污泥增長量(VSS ),kg /d ； = Qw -XQ 每日處理廢水量(m3/d )；S = S - SSj 進(jìn)水 B0D5 濃度(kgBOD5 / m3 或 mgB0D5 /1)；Se 出水 bod5 濃度(kgBOD5 / m3 或 mgBODj/l)。 a，人的經(jīng)驗值：(1)對于生活污水活與之性J 幾種工業(yè)廢水的a,b值責(zé)相近的工業(yè)廢水，a = .5.65，b = .050.1；:廢水a(chǎn)b合成纖維廢水0.380.10含酚廢水0.550.

7、13制漿與造紙廢水0.760.016制藥廢水0.77釀造廢水0.93亞硫酸漿粕廢水0.550.13 通過小試求得：A xQS八將上式改寫為：A、，=a - bVXvVXv6、有機(jī)物降解與需氧：微生物的代謝需要氧：(1)需要將一部分有機(jī)物氧化分解；(2)也需要對自身細(xì)胞的一部分物質(zhì)進(jìn)行自身氧化。需氧量：0 2 = aQ - S + b V - X式中02 曝氣池混合液的需氧量，kgO2l d ；a代謝每kgBOD$所需的氧量，kgO?/ kgBOD5 - d ；b每kgVSS每天進(jìn)行自身氧化所需的氧量，kgO2l kgVSS -d。O2O2V - Xv=a Q Sr + b= a L + bV

8、- XsrBOD$v或其中:AO2O或其中:AO2O2VXM = aW 工=a，T Q - Sr Q - Sr單位重量污泥的需氧量LsrBOD$kgOJ kgVSS - d ；ao2 = Qs 去除每 kgB0D 5 的需氧量，依02 /kgBOD$ -d。 ra，b值的確定:活性污泥法處理城市污水時的、02和a,b值:運行方式AO2ab完全混合式0.7110.420.11生物吸附法0.71.1傳統(tǒng)曝氣法0.81.1延時曝氣法1.41.80.530.188(2)幾種工業(yè)廢水的a，b值:廢水a(chǎn)b石油化工廢水0.750.16合成纖維廢水0.550.142含酚廢水0.56制漿與造紙廢水0.380.0

9、92制藥廢水0.350.354釀造廢水0.93漂染廢水0.50.60.065煉油廢水0.550.12亞硫酸漿粕廢水0.400.185試驗法:將上述方程式改寫成:V X _ a L srBO D 5 + b將上述方程式改寫成:V四.活性污泥法反應(yīng)動力學(xué)及其應(yīng)用活性污泥法反應(yīng)動力學(xué)：可以定量或半定量地揭示系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)物降解、污泥增長、耗氧等作用與各項設(shè)計參數(shù)、運行參數(shù)以及環(huán)境因素之間的關(guān)系；它主要包括：基質(zhì)降解的動力學(xué)，涉及基質(zhì)降解與基質(zhì)濃度、生物量等因素的關(guān)系；微生物增長動力學(xué)，涉及微生物增長與基質(zhì)濃度、生物量、增長常數(shù)等因素的關(guān)系；還研究底物降解與生物量增長、底物降解與需氧、營養(yǎng)要求等的關(guān)系。在

10、建立活性污泥法反應(yīng)動力學(xué)模型時,有以下假設(shè)：除特別說明外，都認(rèn)為反應(yīng)器內(nèi)物料是完全混合的，對于推流式曝氣池系統(tǒng)，則是在此基礎(chǔ)上加以修正；活性污泥系統(tǒng)的運行條件絕對穩(wěn)定；二次沉淀池內(nèi)無微生物活動，也無污泥累積并且水與固體分離良好；進(jìn)水基質(zhì)均為溶解性的，并且濃度不變，也不含微生物；系統(tǒng)中不含有毒物質(zhì)和抑制物質(zhì)。主要介紹：勞倫斯麥卡蒂(LawnceMcCarty)模式莫諾德(Monod)模式I、酶促反應(yīng)動力學(xué)公式(米一口公式)(MichaelisMenton)(一)活性污泥反應(yīng)動力學(xué)的基礎(chǔ)一一米一門公式與莫諾德模式米一門公式Michaelis-Menton提出酶的“中間產(chǎn)物”學(xué)說，通過理論推導(dǎo)和實驗

11、驗證，提出了含單一基質(zhì)單一反應(yīng)的酶促反應(yīng)動 力學(xué)公式，即米一門公式：V = V max-K + S式中：v 酶促反應(yīng)中產(chǎn)物生成的反應(yīng)速率；vmaxvmax產(chǎn)物生成的最高速率;即莫諾德模式:式中：）尤微生物的比增殖速率，kgVSS IkgVSS d ；2）即莫諾德模式:式中：）尤微生物的比增殖速率，kgVSS IkgVSS d ；2）H max基質(zhì)達(dá)到飽和濃度時，微生物的最大比增殖速率，S 反應(yīng)器內(nèi)的基質(zhì)濃度，mg/l；K飽和常數(shù)，也是半速常數(shù)。隨后發(fā)現(xiàn)，用由混合微生物群體組成的活性污泥對多種基質(zhì)進(jìn)行微生物增殖實驗，3）可以假定：在微生物比增殖速率與底物的比降解速率之間存在下列比例關(guān)系：也取得了

12、符合這種關(guān)系的結(jié)果。則與比增殖速率相對應(yīng)的比底物降解速率也可以用類似公式表示，即：V = Vmax式中：比底物降解速率（kgBODkgVSS d）；米氏常數(shù)（又稱飽和常數(shù)，半速常數(shù)）;S基質(zhì)濃度。中間產(chǎn)物學(xué)說：E + SESE + P米門公式的圖示：莫諾德模式：1）Monod于1942年和1950年曾兩次進(jìn)行了單一基質(zhì)的純菌種培養(yǎng)實驗，也發(fā)現(xiàn)了與上述酶促反應(yīng)類似的規(guī)律，進(jìn)而 提出了與米門公式想類似的表達(dá)微生物比增殖速率與基質(zhì)濃度之間的動力學(xué)公式，1）vmax 底物的最大比降解速率；S限制增殖的底物濃度；K s 飽和常數(shù)。對于廢水處理來說，有機(jī)物的降解是其基本目的，因此上式的實際意義更大。莫諾德

13、模式的圖示：莫諾德方程式的推論:（1）在高底物濃度的條件下，即S K，呈零級反應(yīng)，則有:s日=日，V = Vmax ，maxdSn=VX = K Xdtmax1(2)在低底物濃度的條件下，即 S Ks，則：、，、，ScdSV = V=K Snmax K2dt(二)Lawrence_McCarty 模式:1）LawrenceMcCarty建議的排泥方式:2）有關(guān)基本概念：微生物比增殖速率:單位基質(zhì)利用率：2）有關(guān)基本概念：微生物比增殖速率:單位基質(zhì)利用率：即:兩種排泥方式：I.剩余污泥從污泥回流系統(tǒng)排出；II.剩余污泥從曝氣池直接排出。第二種排泥方式的優(yōu)點：1）減輕了二沉池的負(fù)擔(dān)；2）可將剩余污

14、泥單獨濃縮處理；3）便于控制曝氣池的運行。a、b、c、生物固體平均停留時間（又稱細(xì)胞平均停留時間，在工程上習(xí)稱污泥齡）:在反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)，微生物從其生成開始到排出系統(tǒng)的平均停留時間;也可以說是反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的微生物全部更新一次所需要的平均時間;從工程上來說，就是反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)微生物總量與每日排放的剩余污泥量的比值，以 表示，單位為d，式中：Ax每日增殖的微生物量，穩(wěn)態(tài)運行時，就是每日排放的剩余污泥量。 因此：1）按傳統(tǒng)排泥方式：9Q - X + (Q - Q ) - X - Q - Xi式中：Ax每日增殖的微生物量，穩(wěn)態(tài)運行時，就是每日排放的剩余污泥量。 因此：1）按傳統(tǒng)排泥方式：9Q - X + (Q

15、- Q ) - X - Q - Xi簡化后，則：92）按第二種排泥方式，則:VXQwX + (Q - Q )X簡化后， 9由此可看出這種排泥方式更有利于控制和運行管理。dx / dt(x)TT( x / A t)T所以有：9 c=/旦或旦=19 c（三）LM模式的基本方程式:1.第一基本方程式:dx前面已有：dt(ds式中Y微生物的產(chǎn)率系數(shù)，kgVSS / kgBOD5 - d ；經(jīng)整理后:自身氧化系數(shù)又稱衰減常數(shù)，d-，（gYqc 表示的是污泥齡（9）與產(chǎn)率系數(shù)Y、基質(zhì)比利用速率（q）c及自身氧化系數(shù)之間的關(guān)系。2. 第二基本方程式:a.認(rèn)同莫諾德模式：V = V maxa.認(rèn)為有機(jī)基質(zhì)的降

16、解速率等于其被微生物的利用速率，即=maxdtdt)式中：S 反應(yīng)器內(nèi)的基質(zhì)濃度;qmax 單位生物量的最大基質(zhì)利用速率;Ks 一半速常數(shù)。表示的是基質(zhì)利用速率與反應(yīng)器內(nèi)微生物濃度和基質(zhì)濃度之間的關(guān)系。（四）L-M模式的應(yīng)用（基本方程的推論）A.第一導(dǎo)出方程一出水水質(zhì)s與污泥齡e 之間的關(guān)系：（對于完全混合式）(ds / dt )(ds / dt )uX代入：V e代入：max S + K s則有:1e-c則有:1e-c(Y vmaxkk (i + k . e )e c ( YV max - K d ) 一 1私第二導(dǎo)出方程一一曝氣池內(nèi)微生物濃度X與污泥齡e c的關(guān)系對曝氣池作有機(jī)底物的物料衡

17、算：底物的凈變化率=底物進(jìn)入曝氣池的速率-底物從曝氣池中消失的速率0 = V (ds / dt) T = QS代入第一基本方程有:+ RQS - (ds / dt) - 0 = V (ds / dt) T = QS代入第一基本方程有:n f也k dt )ue - Y - Q-(S - S )=VG+Ke )e y.（s -s ） 由于 t = HRT = V / Q，則有：X = 了 % * k & ）上式說明：曝氣池中微生物量濃度是與有機(jī)物的濃度、e 和曝氣時間等有關(guān)的。式中O=e j：t，可以稱為污泥循環(huán)因子，其物理意義為：活性污泥從生長到被排出系統(tǒng)期間與廢水的平均接觸次數(shù)。第三導(dǎo)出方程回

18、流比R與ec之間的關(guān)系對曝氣池的生物量進(jìn)行物料衡算:（曝氣池內(nèi)生物量的凈變化率）=（生物量進(jìn)入曝氣池的速率）-（生物量離開曝氣池的速率）=RQX+ =RQX+ QX +riV - Q (1 + R) X其中 q = (ds / dt ) u / X，所以:RQX r +(Yq - K) X - V = Q (1 + R ) X所以:式中:回流污泥的濃度，可由下式估算:Yq - KdX = r SVI表觀產(chǎn)率系數(shù)（Y）是指單位時間內(nèi) obs實際測定的污泥產(chǎn)量與基質(zhì)降解量的比值即:Yobs(dX / dt )(dST/ dt )Yobs表觀產(chǎn)率系數(shù)（Y）是指單位時間內(nèi) obs實際測定的污泥產(chǎn)量與基質(zhì)降解量的比值即:Yobs(dX / dt )(dST/ dt )Yobs(dX / dt ) t / X(dS / dt )u以及YqK 代入，d則有:obs/(該式還提供了通過試驗求Y及K的方法，d將其取倒數(shù)后得:Yobs以 v Yobs對9 c作圖，即可求得Y及Kd值。其中Yobs注意：1）是近似值；2）由SVI算出的是MLSS值，應(yīng)再換算成MLVSS。產(chǎn)率系數(shù)（Y ）與表觀產(chǎn)率系數(shù)（Yo新）之間的關(guān)系：（dX dt）s-(dS dt)產(chǎn)率系數(shù)（Y ）是指單位時間內(nèi)，微生物的合成量與基質(zhì)降解量的比值，即：s-(dS dt)E.9 c與S，及E的關(guān)系：（見附圖3）9 c升高Se下降E升高