第三章 活性污泥法2-動(dòng)力學(xué)（1學(xué)時(shí)）

1、第三節(jié) 活性污泥動(dòng)力學(xué)污水生物處理過程中的有機(jī)底物濃度、活性污泥微生物量等因素之間的關(guān)系；活性污泥微生物的增值速度（即活性污泥的增長(zhǎng)速度）與有機(jī)底物濃度、微生物量等因素之間的關(guān)系微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)米門方程式莫諾特方程式高底物濃度低底物濃度在完全混合曝氣池中的應(yīng)用勞-麥方程式勞-麥第一方程式勞-麥第二方程式勞-麥方程式推論主要內(nèi)容：基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)：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(zhǎng)動(dòng)力學(xué)：微生物增長(zhǎng)與基質(zhì)濃度、生物量、增長(zhǎng)常數(shù)等因素的關(guān)系底物降解與生物量增長(zhǎng)、底物降解與需氧量、營(yíng)養(yǎng)要求之間的關(guān)系反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的假設(shè)反應(yīng)器處理完全混合狀態(tài)活性污泥系統(tǒng)處于絕對(duì)穩(wěn)定二沉池內(nèi)無微生物活動(dòng)、也

2、無污泥累積、且泥水分離效果好進(jìn)水有機(jī)物均為溶解性有機(jī)物，且濃度恒定，不含微生物進(jìn)水中不含對(duì)微生物有毒性或一致性的物質(zhì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的發(fā)展酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（基礎(chǔ)）莫諾德模型勞倫斯-麥卡蒂模型米歇里斯-門坦（Michaelis-Menten）方程式微生物生長(zhǎng)與底物的關(guān)系？首先介紹酶促 反應(yīng)速率與底物之間關(guān)系的研究酶促反應(yīng)速率的影響因素及底物濃度的作用特征酶促反應(yīng)速度受酶濃度、底物濃度、pH、溫度、反應(yīng)產(chǎn)物、活化劑和抑制劑等因素的影響。當(dāng)?shù)孜餄舛仍谳^低范圍內(nèi)，而其他因素恒定時(shí)，這個(gè)反應(yīng)速度與底物濃度成正比，是一級(jí)反應(yīng)。當(dāng)?shù)孜餄舛仍黾拥揭欢ㄏ薅葧r(shí)，所有的酶全部與底物結(jié)合后，酶反應(yīng)速度達(dá)到最大值，此時(shí)再增加底

3、物的濃度對(duì)速度就無影響，是零級(jí)反應(yīng)。如何通過一些參數(shù)來定量表達(dá)VS之間的關(guān)系？ 米門方程式1913年前后，米歇里斯和門坦提出了表示整個(gè)反應(yīng)中底物濃度與酶促反應(yīng)速度之間關(guān)系的式子，是一個(gè)生化反應(yīng)速率表達(dá)式，稱為米歇里斯門坦方程式，簡(jiǎn)稱米-門方程式。（單一基質(zhì)）式中:v酶促反應(yīng)速度；Vmax最大酶促反應(yīng)速度； S底物濃度； Km米氏常數(shù)。（2-26）vmaxn=00n1n=1Km底物濃度S1/2 vmax酶反應(yīng)速率v米-門方程式圖反應(yīng)速率是一個(gè)連續(xù)的過程；SKm; 一級(jí)反應(yīng)，SKm；零級(jí)反應(yīng)；中間為混合區(qū)。由上式：當(dāng)v = 1/2vmax時(shí)，Km=S，即：Km是v = 1/2vmax時(shí)的底物濃度，

4、故又稱半速率常數(shù)。 米氏常數(shù)Km的意義 上述分析表明：當(dāng)Km 和Vmax已知時(shí)，酶反應(yīng)速度與底物濃度之間的定量關(guān)系可以確定。（2-27）幾種酶的米氏常數(shù)目前，一般用的圖解求Km值法為蘭維福布克作圖法或稱雙倒數(shù)作圖法。 實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇不同的S，測(cè)定對(duì)應(yīng)的v。求出兩者的倒數(shù)，作圖即可得出如下圖的直線。量取直線在兩坐標(biāo)軸上的截距1/vmax和 -1/Km ，就可以求出Km及vmax。米氏常數(shù)的測(cè)定（2-28）莫諾特（Monod）模式方程式-微生物增長(zhǎng)底物濃度酶促反應(yīng)速率微生物增長(zhǎng)速率底物利用速率莫諾特（Monod）認(rèn)為：可以通過米-門方程式描述底物濃度與微生物比增殖速度之間的關(guān)系莫諾特（Monod)方

5、程微生物比增長(zhǎng)速度，即單位生物量的增殖速度（t-1);max_微生物最大比增殖速度，（t-1);Ks 飽和常數(shù)，為=1/2max時(shí)的底物濃度，也稱之為半速度常數(shù)S有機(jī)底物濃度，mg/L；純種微生物的集群增長(zhǎng)效應(yīng)，可表示活性污泥的增值（2-29）設(shè)定微生物比增殖速度（）與底物的比降解速度(v)成正比關(guān)系：或有機(jī)底物比降解速度v，可用米-門公式描述：式中： v有機(jī)物比降解速度(t-1); vmax有機(jī)物最大比降解速度(t-1); 其余符號(hào)同前。（2-30）有機(jī)物比降解速度（按物理意義）：式中： S0原污水中有機(jī)底物的原始濃度; S經(jīng)t時(shí)間反應(yīng)后混合液中殘留的有機(jī)底物濃度; t活性污泥反應(yīng)時(shí)間； X

6、混合液中活性污泥總量。 根據(jù)（2-30）、（2-31）兩式得:（2-31）（2-32）莫諾特（Monod）方程式推論:(1)高底物濃度條件下,SKS在高有機(jī)物濃度條件下，有機(jī)物以最大速度降解，與有機(jī)物濃度無關(guān)，呈零級(jí)反應(yīng);在這一條件下，微生物處于對(duì)數(shù)增殖期，酶系統(tǒng)的活性位置為有機(jī)物所飽和。（2-33）莫諾特（Monod）方程式推論:(2)低底物濃度條件下,SKS在低底物濃度條件下，有機(jī)物降解遵循一級(jí)反應(yīng)，有機(jī)底物含量成為其降解的控制性因素；微生物增殖處于減數(shù)增殖期或內(nèi)源呼吸期，微生物酶系統(tǒng)多未被飽和。（2-34）城市生活污水COD一般在400mg/L，BOD5在300mg/L以下，符合該公式底

7、物濃度條件；完全混合曝氣池內(nèi)活性污泥一般處于減速增長(zhǎng)期，且池內(nèi)混合液中的有機(jī)底物濃度是均一的，且與出水濃度相同，符合該公式條件。上式積分、移項(xiàng)整理后：（2-35）莫諾特（Monod）方程式在完全混合曝氣池的應(yīng)用QS0曝氣池二沉池V, Se, XQ+RQSe, XQSe，RQ, Se, Xr QwXr在穩(wěn)定條件下，對(duì)系統(tǒng)中的有機(jī)底物進(jìn)行物料平衡：整理得：（2-36）（2-37）Xe將（2-34）式代入（2-37）中得：（2-38）根據(jù)完全混合曝氣池的特征，式（2-32）可以改寫，即以Se取代式中之S，得：（2-39）（2-40）代入（2-37）得：以BOD去除量為基礎(chǔ)的BOD污泥去除負(fù)荷率（Nr

8、s）為（依據(jù)式（2-38、2-40）：容積去除負(fù)荷率（Nrv）為：（2-41）（2-42）對(duì)（2-38）歸納整理得：或（2-43）（2-44）（2-38）、（2-43）、（2-44）是重要結(jié)論，經(jīng)常用于工程設(shè)計(jì)計(jì)算常數(shù)值K2、max及Ks的確定（1）常數(shù)值K2的確定對(duì)常數(shù)值K2可用（2-38），通過圖解法確定：將式按通過原點(diǎn)的直線方程的形式考慮。以為縱坐標(biāo)，以Se值為橫坐標(biāo)，將從污水處理廠或通過試驗(yàn)取得的S0、Se、X及t等各項(xiàng)數(shù)據(jù)，加以分組整理，列入坐標(biāo)圖內(nèi)，得到下圖所示的圖。斜率即為K2值。(S0-Se)/Xt（kgBOD/kgMLSSd）Se（mg/L）K2（2）常數(shù)值max、Ks值的確

9、定?。?-41）的倒數(shù)將公式取倒數(shù)得：可以將上式按直線方程式y(tǒng)=aX+b考慮，項(xiàng)是隨項(xiàng)變化的線性函數(shù)，以項(xiàng)為縱坐標(biāo)，以 為橫坐標(biāo)，同樣將試驗(yàn)取得的S0、Se、X及t數(shù)據(jù)，按上式格式加以歸納整理，并將所得到的各組數(shù)據(jù)列入坐標(biāo)圖內(nèi)，得出下圖。直線的斜率為 ，在縱坐標(biāo)上的截距為 ，在橫坐標(biāo)上的截距為通過這些數(shù)據(jù)可求出常數(shù)值 max、Ks值。勞倫斯-麥卡蒂（Lawrence-Mc Carty）方程式1970年，勞倫斯-麥卡蒂以微生物增殖和對(duì)有機(jī)底物的利用為基礎(chǔ)建立了活性污泥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式。勞-麥對(duì)“污泥齡”這一參數(shù)，提出了新概念：?jiǎn)挝恢亓康奈⑸镌诨钚晕勰喾磻?yīng)系統(tǒng)中的平均停留時(shí)間，建議更名為“生物固

10、體平均停留時(shí)間”或“細(xì)胞平均停留時(shí)間”，以c表示。勞-麥還提出了“單位底物利用率”這一概念，即：?jiǎn)挝晃⑸锪康牡孜锢寐蕿橐怀?shù)，以q表示：式中：Xa單位微生物量；微生物對(duì)有機(jī)底物的利用（降解）速度。（2-45）與公式（2-34）對(duì)比 為進(jìn)一步深入探討活性污泥增殖，將其增殖通過增殖速度表示?？紤]到細(xì)胞合成與內(nèi)源代謝同步進(jìn)行，單位曝氣池容積內(nèi)活性污泥的增殖速度為：式中：活性污泥微生物增殖速度；活性污泥微生物合成速度；式中：活性污泥微生物對(duì)有機(jī)物的利用（降解）速度；Y產(chǎn)率系數(shù)，即微生物每代謝1kgBOD所產(chǎn)生的MLVSS kg數(shù)；活性污泥微生物內(nèi)源代謝速度；式中：Kd活性污泥微生物自身氧化率，d-

11、1,亦稱為衰減系數(shù)；XVMLVSS。綜合上述結(jié)果得出活性污泥微生物增殖的基本方程式：上式兩端同除XV：即：式中：c生物固體平均停留時(shí)間，d;Y 微生物產(chǎn)率，mg微生物量/ mg被微生物利用（降解）的有機(jī)底物；q單位有機(jī)底物利用率；Kd衰減系數(shù)，即微生物的自身氧化率， d-1。勞-麥第一基本方程式（2-46）（2-47）將式（2-46）放大到整個(gè)曝氣池活性污泥反應(yīng)系統(tǒng)，得到活性污泥微生物在曝氣池中每日凈增值量：（2-48）活性污泥系統(tǒng)中剩余污泥量的計(jì)算基礎(chǔ)式中：X每日增長(zhǎng)（排放）的揮發(fā)性污泥量（VSS），kg/d;Q（Sa-Se）每日的有機(jī)物降解量，kg/d;VXV曝氣池內(nèi)混合液揮發(fā)性懸浮固體總

12、量，kg；XV=MLVSS；Y污泥產(chǎn)率系數(shù)（kgVSS/kgBOD5），200C為0.40.8；Kd 衰減系數(shù)（污泥自身氧化率）， kgVSS/kgVSSd或d-1， 200C為0.040.075。應(yīng)按水溫修正。活性污泥增殖量（剩余污泥）的另一計(jì)算公式：（2-49）式中：X活性污泥微生物的凈增殖量，kg/d;Sr在活性污泥微生物作用下，污水中被降解去除的有機(jī)污染物（BOD）量，kg/d;a微生物合成代謝產(chǎn)生的有機(jī)物的污泥轉(zhuǎn)化率，即污泥產(chǎn)率；b微生物內(nèi)源代謝反應(yīng)的自身氧化率；X曝氣池內(nèi)混合液含有的活性污泥量，kg。（2-48）與（2-49）的異同：（1）從物理意義上看，a值與Y值，b值與Kd是相

13、通的；（2）a與 b值多在工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行中應(yīng)用，且多以MLSS為計(jì)算基準(zhǔn)；（3）Y與Kd多用于學(xué)術(shù)和科研，且多以MLVSS為計(jì)算基礎(chǔ)。 （4）生活污水a(chǎn)值一般介于0.490.73，b值在0.070.075之間污（廢）水種類污泥轉(zhuǎn)換率a（Y）自身氧化率b（Kd）煉油廢水0.490.620.100.16石油化工廢水0.310.720.050.18釀造廢水0.560.10制藥廢水0.72生活污水0.490.730.075某些污（廢）水的污泥轉(zhuǎn)換率及自身氧化率將式（2-48）各項(xiàng)以XVV除之，則：而式中：NrsBOD污泥去除負(fù)荷，kgBOD/kgMLVSSd。為污泥齡（生物固體平均停留時(shí)間），則（2-

14、32）可改寫為：（2-50）而（2-51）（2-52）與式（2-47）對(duì)比Y與Kd值，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)或運(yùn)行所取得的數(shù)據(jù)，按公式（2-50）以圖解法確定。將此式按直線方程y=ax+b 考慮，以 為縱軸，以為橫坐標(biāo)，將數(shù)據(jù)點(diǎn)代入可得如下坐標(biāo)圖。YKd生活污水，Y值一般介于0.50.65之間，Kd值則可取為0.050.1；城市污水Y值低于生活污水，一般介于0.40.5左右， Kd值在0.07左右工業(yè)廢水Y、 Kd變化較大，應(yīng)通過實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)定。在莫諾方程式基礎(chǔ)上建立了勞-麥第二基本方程式:有機(jī)底物的降解速度等于其被微生物的利用速度：（2-53）結(jié)合莫諾方程式，勞-麥勞第二基本方程式為:式中：v有機(jī)底物的降

15、解速度。（2-54）式中：有機(jī)底物被微生物利用速度（降解速度）；S微生物周圍的有機(jī)底物濃度；mg/L;K單位微生物量的最高底物利用速度，即莫諾方程式中的vmax , t-1;Ks系數(shù)，等于q=1/2K時(shí)的有機(jī)底物濃度，又稱為半速率系數(shù)；Xa反應(yīng)器（曝氣池）內(nèi)微生物濃度，即活性污泥濃度，mg/L。勞-麥勞第二基本方程式表征意義：有機(jī)底物的利用率（降解率）與（反應(yīng)器（曝氣池）內(nèi)微生物濃度之間的關(guān)系。與公式（2-32）對(duì)比勞-麥方程式的推論及應(yīng)用:（1）處理水有機(jī)底物濃度（Se）與生物固體平均停留時(shí)間（c)的關(guān)系（2-55）推導(dǎo)：將式（2-40）代入得：解出Se：處理水有機(jī)底物濃度（Se）只取決于污泥齡c和動(dòng)力學(xué)參數(shù)。將式（2-51）代入（2-52）得：（2-51）（2-52）（2-40）勞-麥方程式的推論及應(yīng)用:（2）反應(yīng)器內(nèi)活性污泥濃度Xa與c之間的關(guān)系式中：t污水在反應(yīng)器中的停留時(shí)間，d。（2-56）由式（2-52）直接解出勞-麥方程式的推論及應(yīng)用:（3）污泥回流比R與c值之間的關(guān)系式中：Xr從二沉池底部流出，回流曝氣池的活性污泥濃度。式中：SVI污泥指數(shù)。（2-57）QS0曝氣池二沉池V, Se, XQ+RQSe, XQSeRQ, Se, Xr QwXr推導(dǎo)：勞-麥方程式的推論及應(yīng)用:穩(wěn)態(tài)條件下對(duì)進(jìn)入和離開曝氣池的微生物建立物料平衡：將式（2-37）代入