活性污泥反应动力学及其应用

4.2.2
有机物降解与需氧量
在曝气池内，活性污泥微生物对有机物的氧化分解和其自 身氧化都是需氧过程。这两部分氧化过程所需要的氧量，一般 用下列公式求定 :
△o2 = a QSr
式中 ΔO2 —— a —— b —— kgO2/d 表示；
b XV
（9）
混合液需氧量，其量纲为 [ 质量 ][ 时间 ]-1 ，一般用 活性污泥微生物对有机物氧化分解过程的需氧率，
从活性污泥法处理系统的工程实践要求考虑，对活 性污泥反应动力学的研讨重点在于“确定生化反应速率与各 项主要环境因素之间的关系”，研讨的主要内容是： （ 1 ） 有机物的降解速率与有机物浓度、活性污泥 微生物量等因素之间的关系； （ 2 ） 活性污泥微生物的增殖速率（亦即活性污泥 的增长速率）与有机物浓度、微生物量等因 素之间的关系。 （ 3 ） 微生物的好氧速率与有机物降解、微生物量 等因素之间的关系。
ν
ν ν ν

S KS S
max
ν
（ 13 ）
—— 底物的比降解速率， [ 时间 ]-1 ，常用 h-l 或 d-1 表示 ； —— 底物的最大比降解速率， [ 时间 ]-1 ，常用 h-l 或 d-1 表 max 示；
对于完全混合式曝气池，底物的比降解速率，按物理 意义考虑，下式成立：
ν
dt t
b q
1
（ 11 ）
o2
——
去除每 kgBOD 的需氧量， [ 质量 ][ 质量 ]-1[ 时间 ]-1 ， 用 kgO2/(kgBOD·d) 表示。
QSr
一般
从上式可看出，当在高 BOD 比降解速率条件下运行时，活 性污泥的污泥龄较短，每降解单位重量（ 1kg ） BOD 的需氧量 就较低。这是因为在高负荷条件下，一部分被吸附而未被摄入细 胞体内的有机物随剩余污泥排出。此外，在高负荷条件下，活性 污泥微生物的自身氧化作用很低，因此，需氧量较低。
即活性污泥微生物每代谢 1kgBOD 所需氧量的 kg 数； 每千克活性污泥单位时间进行自身氧化所需的氧的 千克数，即污泥自身氧化需氧速率，其量纲为 [ 时 间 ]-1 ，一般用 d-1 表示。
（ 9 ）式可改写为下列两种形式
QSr = a XV XV
△o2
b = aq
b
（ 10 ）
生活污水的 a 值为 0.42 ～ 0.53 ， b 值介于 0.10 ～ 0.20 之间
令
Sr= S0 — Se
-1
Sr —— 污水中被利用的有机物浓度，其量纲为 [ 质量 ][ 体积 ] △X XV
，一般用 kg/
m3 表示。将（ 5 ）式各项以 XV 除之，则上式变为
= Y
Q Sr
XV
Kd
（6）
BOD 比降解速率 q ，其量纲与污泥负荷相同，单位用 kgBOD/ （ kgMLSS· d ）表示。
对 活性污 泥反应动 力学进 行研讨 的目的
明确各项因素对反应速率的影响，使人们能够创造更适宜于 活性污泥系统内生化反应进行的环境条件，使反应能够在比较 理想的速率下进行，使活性污泥法处理系统的设计和运行更合 理化和科学化。 对反应机理进行研究，探讨活性污泥对有机物的代谢、降解 过程，揭示这一反应过程的本质，使人们能够更自觉地对反应速 率加以控制和调节。
4.3.3
莫诺 特公式在完全混合曝气池中的应 用
完全混合曝气池内的活性污泥一般处在减衰增殖 期。此外，池内混合液中的有机物浓度是均一的， 并与出水的浓度（ Se ）相同，其值较低，有 Se<S ＂。因此，采用式（ 19 ）是适宜的。
进水
Q ， S0
完全混合式活性污泥法处理系统 V ， Se ， X Q+RQ 曝气池 二沉池 Se ， X
Q(S0 Se) XV
根据完全混合曝气池的 特征，式（ 15 ）可改写， 即以 Se 代入式中之 S ， 得：
=
(S0
Xt
Se)
= K Se
2
（ 22 ）
ds
X Vmax Se = K dt S Se
（ 23 ）
代入式（ 21 ）得：
Q(S0 Se) XV
=
(S0
Xt
S e)
Vmax Se = KS Se
ν=ν
ds
dt
max
S
KS
= K2 S
= K2 SX
（ 19 ）
从式（ 18 ）可见，底物降解 速率与底物浓度呈一级反应， （ 18 ） 底物浓度已成为底物降解的限 制因素。因为在这种条件下， 混合液中底物浓度已经不高， 微生物增殖处于减衰增殖期或 内源呼吸期，微生物酶系统多 未被饱和，
K2=VMAX/KS, 量纲为 [ 体积 ][ 质量 ]-1[ 时间 ]-1 ，一般用 m3/ （ kg·d ） 或 L/ （ mg·h ）表示。
4.4.1 劳伦 斯 - 麦卡蒂（ lawrence － McCarty ）模型的基本概 念
4.4 劳伦 斯 - 麦卡蒂（ lawrence － McCarty ） 模型
微生物比增殖速率
单位重量微生物（活性污泥）的增殖速率，即比增殖速率，仍以 µ
表 示。以
dX
dt
表示微生物的增殖速率，则 µ 值为 :
进水
Q ， S0
曝气池
Q+RQ Se ， X
二沉池
处理水
Q-QW Se ， Xe
回流污泥
RQ ， Se ， Xr
剩余污泥排放
Qw ， Xr
Q—— 污水流量； S0—— 原污水底物浓度； Se—— 处理水底物浓度； X—— 曝气池内活性污泥浓度； R—— 污泥回流比； Xr—— 回流污泥浓度； V—— 曝气池的有效容积； Qw—— 排泥量； Xe—— 处理水中的污泥浓度
4.3
4.3.1
莫诺特（ Monod ）公 式
莫诺 特公式及其推广应 用
max
max
2
莫诺特于 1942 年和 1950 年曾两次用纯种的微生物在单一 底物的培养基上进行微生物增 殖速率与底物浓度之间关系的试 验。得出了如右图所示的形式。 这个结果和米凯利斯 - 门坦于 1 913 年提出的酶促反应速率与 底物浓度之间的关系是相同的。
△
o2
——
单位重量活性污泥的需氧量， [ 质量 ][ 质量 ]-1[ 时间 ]-1 一般用 kgO2/(kgMLVSS·d) 表示；
XV
，
从上式可以看出，在 BOD 比降解速率高，污泥龄短时， 每 kg 活性污泥的需氧量较大，也就是单位容积曝气池的需氧 量较大。
△o2
QSr
△
= a
XV b = a QSr
活性污泥微生物增殖的基本方程式为：
dX dt
g
= Y
dS dt u
Kd X
（4）
活性污泥微生物每日在曝气池内的净增殖量为：
△X
Y S0-Se ） Q = （
Kd V X
（5）
Se
经活性污泥法处理系统处理后，处理水中残 留的有机物浓度， [ 质量 ][ 体 积 ]-1 一般用 kgBOD/m3 ；
完全混合式活性污泥法处理系统 V ， Se ， X
概述 第三节
活性污泥反应动力学及其应用
反应动 力学的理论 基础 莫诺 特公式及其推广应 用 劳伦 斯-麦卡蒂（lawrence－McCarty）模型
IWA（国际 水协 会） 的活性污 泥法动 力学模型
4.1 概述
活性污泥反应动力学通过数学式定量或半定量地揭示活 性污泥系统内有机物降解、污泥增长等与设计运行参数、环境因 素之间的关系，对工程设计与优化运行管理有着一定的指导意 义。 有关的动力学模型都是以完全混合式曝气池为基础建立 的，经过修正后再应用到推流式曝气池系统。 ⑴ ⑵ ⑶ ⑷ 在建立活性污泥反应动力学模型时，作了以下假定： 活性污泥系统运行处于稳定状态； 活性污泥在二沉池内不进行代谢活动且泥水分离良好； 进入系统的有毒物质和抑制物质不超过其毒阈浓度； 进入曝气池的原污水中不含活性污泥。
（ 24 ）
本书提到的动力学参数 K2 、 µmax 、 Vmax 、 Ks 、 Y 、 Kd 、 a 和 b 等各值，在特定条件下，对于特定的污水来说，为一 常数值。本书中的底物一般指有机物，可用 BOD 、 COD 或 TOC 等指标表示；污泥浓度也可用 MLSS 或 MLVSS 等表示。 当采用不同指标时，与其对应的上述动力学参数的数值也有所不 同，因为动力学参数的量纲和单位中包含着不同的指标因素。
ν=ν
max
（ 16 ）
ds dt
νmax X K1 X
（ 17 ）
式中 vmax 为常数值，以 K1 表示。
在高底物浓度的条件 下，底物以最大的速率进 行降解，而与底物浓度无 关，呈零级反应关系。即右 图上所表示的底物浓度大 于 S’ 时的情况。底物浓度 进一步提高，比降解速率 也不会提高，因为在这一条 件下，微生物处于对数增 殖期，其酶系统的活性位 置都被底物所饱和。
4.2
4.2.1
反应动 力学的理论 基础
有机物降解与活性污泥微生物增殖
活性污泥微生物的增殖是微生物合成反应和内源代谢两 项生理活动的综合结果。因此，单位曝气池容积内，活性污 泥的净增殖速率为：
dX dt
g
=
dX dt
_
s
dX dt
e
（1）
dX dt s dS dt u
可用下式计算：
dX = dt s
在稳定条件下，对系统中的有机物进行物料平衡，得：
QS0 + RQSe
经整理后，得：
(Q+RQ)Se
V
0 = dt
ds
（ 20 ）
Q(S0 V