北京大学环境工程概论第四章

Qw X r QY kd (S0 S ) VX VX

公式的物理意义： V/Q= 水力停留时间；VX/QwXr=c 平均细胞停留时 间。

如果出水中生物浓度不能忽略，则必须对上面的c表 达式进行校正：
c
VX Qw X r (Q Qw ) X e

只要知道c就可以得到出水中溶解性BOD5浓度（S）：


由第一条假设可以将生物量平衡方程简化为：
V(
m SX
Ks S
m S
Ks S
kd X ) Qw X r


将该方程重排为Monod方程的形式：
Qw X r kd VX
系统的食物量平衡方程也化为Monod方程的形式：
m S

由以上两式得到：
Ks S

QY ( S0 S ) VX


值得注意的是：离开系统的溶解性 BOD5浓度只受平 均细胞停留时间的影响而不受进入曝气池中的 BOD5 量或水力停留时间的影响。 强调：S为溶解性BOD5的浓度，部分在二沉池中未沉 降的悬浮固体也会增加受纳水体的 BOD5。因此在下 式中： K s (1 kd c )
S
c ( m kd ) 1
V( Y (Ks S ) )

出水食物量是离厂处理水流量（ Q-Qw ）与出水溶解性 BOD5浓度（S）的成绩。S与曝气池中的浓度相同。


因 BOD5是溶解性的，所以不会在二沉池因沉降而减 少，因此流入沉淀池和流出沉淀池的水中 BOD5浓度 也是相同的。废弃污泥中的食物量是进水中溶解性 BOD5浓度（S）与废弃污泥流量（Qr）的乘积。 系统的食物量平衡方程在稳定状态下可表示为：

ru Ks S

Xavg ：曝气池中平均微生物浓度。

根据上述假设推导得到的设计方程为：
1
c

Y m ( S0 S ) S ( S0 S ) (1 ) K s ln( i ) S
kd
式中，-回流率，Qr/Q；Si-循环水稀释后的曝 气池进水浓度，Si=(S0+S)/(1+ ), mg/L。 Example: 某厂计划将其一级水处理厂升级为二 级 水 处 理 厂 ， 以 达 到 30.0mg/LBOD5 及 30.0mg/LSS的出水标准。选择完全混合式活性 污泥系统。假设 SS 中 BOD5 等于 SS 浓度的 63% ， 试估算曝气池所需体积。现有一级处理厂的出 水特性：流量=0.15m3/s， BOD5=84.0mg/L。假 设生长系数值为：Ks=100mg/LBOD5; m=2.5d-1; kd=0.050d-1; Y=0.50mgVSS/mg BOD5。
在稳定状态下，生物量的质量平衡方程为： 进水生物量-出水生物量-废弃生物量=累积生物量 进水中的生物量是进水中微生物浓度（X0：用悬浮固体浓 度表示）和流量（Q）的乘积。累积在曝气池中的生物量 是池体积与描述微生物质量生长的Monod方程式的乘积：
V(
m SX
Ks S
kd X )

出水中的生物量是离开废水处理厂的已处理水的流量（QQw）与二次沉淀池中未沉淀的微生物浓度（Xe）的乘积。 离厂废水量并不等于进厂废水量，因为有部分微生物被排 弃掉。废弃的生物量是废弃活性污泥中微生物浓度（Xr） 和流量Qr的乘积。整个系统对于生物量的质量平衡方程为：

CD t n (Q / A)


C：单位体积的平均生物膜量 D：滤池深度，m Q：水力负荷 A：废水接触的滤池面积 n：与滤池介质有关的经验常数
单位体积的平均生物膜量可近似表示为：C1/Dm 其中m是经验常数，表示生物膜分布的指标。通常假设 分布均匀，因此，m=0，C=1。

Schulze-Velz方程，求得BOD去除率：

在活性污泥处理工艺中，每天需排出部分 污泥量（称为废弃活性污泥）。如果排出 过多的污泥，则混合液中微生物的浓度太 低，无法有效处理废水；如果排出量太少， 微生物就会累积到很高浓度，以致于从二 次沉淀池中溢流出去，并最终进入到受纳 水体中。 微生物停留在系统中的平均时间，称为细 胞停留时间（固体停留时间、污泥龄）。 为了适应某些特殊的处理需要，人们提出 了许多改进的活性污泥法。
因此，曝气池中微生物浓度是平均细胞停留时间、水 利停留时间及进水与出水浓度差的函数。
（2）带循环的推流式反应器
推流式反应器可看作一系列串联的反应器。虽然理 想的推流很难实现，但许多长而窄的曝气池用推流 模型来分析比用完全混流模型更合适。 推流系统的动力学模型很难从基本的质量平衡方程 导出。利用两个简化假设，Lawrence & McCarty提出 了一个有用的设计方程： （1）流入曝气池和流出曝气池的水中微生物浓度大 致相同，此假设在c/ >5时成立； （2）当废水经过曝气池时，溶解性BOD5的利用率 为： m SX avg

曝气池中活性污泥和废水的混合物称为混合液。混合液 从曝气池流到二次沉淀池，以使活性污泥沉降下来。二 次沉淀池中大部分的沉淀污泥又回流到曝气池中，以维 持较高的微生物浓度，快速去除有机物。该工艺中污泥 产生量通常多于需要量，多余的污泥排放到污泥处理系 统中被进一步处置或利用。 传统的活性污泥系统中，空气由曝气系统从曝气池底部 注入。回流到曝气池中的污泥体积通常是废水流量的 20%~30%。


完全混合式活性污泥法 其设计公式是应用质量平衡理论建立的方程式和描述微生 物生长动力学的方程式。反应器的设计需要两个质量平衡： 生物量和食物量（溶解性BOD5）。
曝气池 二沉池
Q, S0
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Q+Qr X, S, V
X, S
Qr, S, Xr 污泥回流
Q-Qw, S, Xe
Qw, S, Xe


用Schulze-Velz方程计算出水BOD5：
St KD exp[ ] S0 (Q / A) n
将各数据代入方程之中，得到出水BOD5=16.8mg/L。
4.7.3 活性污泥法
将废水与活性污泥（微生物）混合搅拌并曝气，使废水 中的有机污染物分解，生物固体随后从已处理废水中分 离，并可根据需要将部分污泥回流到曝气池中。 微生物与有机物完全混合，微生物利用有机物为食物而 生长。当微生物随空气的搅拌而混合在一起时，单个微 生物就会凝聚而形成微生物团块（生物絮体），称谓活 性污泥。 实际上，废水不断流入曝气池，空气被注入池中以使活 性污泥和废水混合，并向微生物提供氧气以去除有机物。
根据二次沉淀池的出水条件，估算出水的 BOD5： S= 出 水 中 总 的 BOD5 - SS 中 的 BOD5=300.63*30=11.1mg/L； 由 S K s (1 kd c ) 计算c： c=5.00d。

c ( m kd ) 1

假设混合液挥发性悬浮固体（MLVSS）浓度为 2000mg/L，可求得水力停留时间：

E2-经过第一级滤池，在20C下 的BOD5去除部分，包括回流和 沉淀； E1-一级滤池BOD5去除部分； Ce-一级出水中BOD5浓度。

温度对处理效率的影响可用下式表示：
ET E20
(T 20)

= 1.053 T： C

Schulze 方程：滴滤池中废水与微生物的接触时间与滤 池深度成正比，而与水力负荷成反比：
St KD exp[ ] S0 (Q / A) n

K：经验速率常数，(m/d)n/m S0, St 分别为进水和出水的 BOD, mg/L

不同温度下，K值可以用下列公式校正： KT K20 (T 20)
Example: 试 求 一 直 径 35.0m ， 深 1.5m 滴 滤 池 的 出 水 BOD5 。 设 水 力 负 荷 为 150.0mg/L ， 速 率 常 数 为 2.3(m/d)n/m，且n=0.67。 Solution：首先计算滴滤池面积： A=(35.0)2/4=962.11m2 水力负荷：Q/A=1900/962.11=1.97m3/(dm2)
QS0 V (
m SX
Y (Ks S )
) (Q Qw ) S Qw S
为了推导实用的设计方程式，做如下假设： （1）与曝气池中的生物浓度相比，进水与出水中的生 物浓度可以忽略，即X0和Xe都比X小得多； （2）根据完全混合系统的定义，进水食物浓度立即被 稀释为曝气池中的浓度； （3）所有反应均在完全混合系统内发生。


求解S及c之前应先估算悬浮固体的BOD5量，从出水 总BOD5量中减去悬浮固体的BOD5量，得到S： S=出水总BOD5量-悬浮固体的BOD5量 Y (S S ) 从 Qw X r kd QY (S0 S ) 可以简化得到： X
VX VX
(1 kd c )
c
0
X
cY ( S0 S ) (1 kd c )
代入各数据，得到=1.8h。 曝气池体积可以由V/Q=算出： V=1.8*0.15*3600=972m3。

食物对微生物的比例—食微比（F/M）：
F QS 0 M VX

单位：mg/(mg•d)
F/M 通 过 废 弃 微 生 物 量 来 控 制 ， 因 此 会 减 少 MLVSS。废弃量大会使F/M升高，微生物量会达 到饱和状态，结果使处理效率降低。低废弃量使 F/M 降低，微生物呈饥饿状态，废水中微生物更 完全地被分解掉。 高 c 值（低 F/M 值）不常采用。因为它意味着需 要更大的曝气池，从而需要更多的供氧量，因此 空压机的功率必须增大，能源消耗增大。此外， c太大时，污泥在二次沉淀池的沉降能力就会降 低。低 F/M 下，有机物几乎完全被分解且很少转 变成微生物细胞，所以最后产生的污泥也很少。
QX 0 V (
m SX
Ks S
kd X ) (Q Qw ) X e Qw X r



式 中 X0- 进 入 曝 气 池 的 微 生 物 浓 度 （ 挥 发 性 悬 浮 固 体 VSS），mg/L; V-曝气池体积，m3；S-曝气池和出水中溶 解性BOD5 浓度， mg/L；X- 曝气池中微生物浓度（混合液 挥发性悬浮固体MLVSS），mg/L；Qw-排弃污泥量，m3/d； Xe- 二次沉淀池出水中微生物浓度（VSS ），mg/L；Xr- 排 弃污泥中微生物浓度（VSS），mg/L。 在稳定状态下，食物（溶解性 BOD5 ）的质量平衡方程可 写为： 进水食物量-出水食物量-食物消耗量-废弃污泥中食物量=0 进水食物量是进水中溶解性BOD5浓度S0与废水流量Q的乘 积。曝气池中食物消耗量是曝气池体积V与食物利用率的 乘积： m SX
S K s (1 kd c ) c ( m kd ) 1

典型的微生物生长系数值列于下表：
系数 Ks kd m Y 数值 单位 范围 mg/L BOD5 25~100 -1 d 0.025~0.075 -1 d 2~10 mg VSS/mg 0.4~0.8 BOD5 典型值 60 0.06 5 0.6
包括回流和沉淀；Q-废水流量，m3/s；Cin-进水BOD5， mg/L。；V-滤池体积，m3；F-回流因子。 回流因子等于：
F 1 R (1 0.1R) 2
式中R-回流率，Qr/Q；Qr-回流液流量；Q-废水流量。 二级滤池的处理效率为：

E2 1 4.12 QCe 0.5 1 ( ) 1 E1 VF

着重介绍完全混合式和传统推流式活性污泥法。 （1）完全混合式活性污泥法 完全混合式活性污泥法常用的池型是将二沉池 和曝气池合建的曝气沉淀池，采用表曝机曝气， 污泥回流比为 100% ～ 500% ，污水在池内的水 力停留时间为 3~5h，该工艺优点是无需鼓风机 房和管道、耐冲击负荷能力强。缺点是处理效 率比普通活性污泥法低，BOD5和SS的总处理效 率都只有80% ~ 90% ，活性污泥较易产生污泥 膨胀，此外运行安全性比鼓风曝气低。该工艺 主要适用于小城市或居民区的污水处理，也常 用于工业废水处理。
第四章 废水处理

二级滴滤池可以改善滴滤池性能，使一级出水中的污染 物有更多时间接触微生物，从而使处理效果更好。

NRC 公式 式中E1-经过第一级滤池，在20C下的BOD5去除部分，
1 4.12(
在单级滤池或二级滤池系统中，废水经过第一级滤池的 效率为： 1 E
1
QCin 0.5 ) VF