活性污泥反应动力学及工艺的设计与计算

基础概念： 基础概念： 微生物比增殖速率： µ=(d ρc/dt)/ ρc ； 单位基质利用率： 单位微生物量的底物利用率，q=(d ρs/dt)µ/ ρc ； 生物固体平均停留时间： 单位重量的微生物在活性污泥反应系统中 θc=V ρc /⊿ρc ；
基本方程： 第1方程： d ρc /dt=Y(d ρs/dt)u- Kd ρca 1/ θ c=Yq－Kd 第2方程： V＝Vmax S/(Ks+S) 有机质降解速率等于其被微生物利用速率，即V=q， Vmax=qmax (d ρs/dt) u = V max S ρca/(Ks+S)
（4）总产率系数（Y）与表观产率系数（Yobs） 间的关系: Yobs＝Y/(1+Kdθc) 即实测污泥产率系数较理论总降低。
活性污泥系统的工艺设计及计算
活性污泥系统由曝气池、二次沉淀池及污泥回流 设备等组成。其工艺计算和设计主要包括五个方面内 容，即 (1)工艺流wenku.baidu.com的选择： (2)曝气他的汁算与设计： (3)曝气系统的计算与设计； (4二次沉淀池的计算与设计； (5)污泥回流系统的计算与设计。
二次沉淀他的作用是泥水分离，使混合液澄清、 二次沉淀他的作用是泥水分离，使混合液澄清、浓缩 和回流活性污泥， 和回流活性污泥，其工作性能对活性污泥处理系统的出水 水质和回流污泥的浓度有直接关系。 水质和回流污泥的浓度有直接关系。初次沉淀池的设计原 则一般也适用于二次沉淀池，但要考虑如下特点： 则一般也适用于二次沉淀池，但要考虑如下特点
活性污泥反应动力学
活性污泥反应动力学是以酶工程的米凯利斯— 活性污泥反应动力学是以酶工程的米凯利斯—门坦 是以酶工程的米凯利斯 方程和生化工程的莫诺方程为基础。 方程和生化工程的莫诺方程为基础。它能够通过数 学式定量地或半定量地揭示活性污泥系统有机物降 污泥增长、耗氧等作用与各项设计参数、 解、污泥增长、耗氧等作用与各项设计参数、运行 参数以环境因素之间的关系。 参数以环境因素之间的关系。 在应用动力学方程时，应根据具体的条件， 在应用动力学方程时，应根据具体的条件，包括所 处理的废水成分 温度等近行修正或实验确定动力 废水成分、 等近行修正 处理的废水成分、温度等近行修正或实验确定动力 学参数。 学参数。
主要假设：
曝气池中呈完全混合状态； 活件污泥系统运行条件绝对稳定； 活性污泥在二次沉淀池内不产生微生物代谢 活动，而且其量不变； 处理系统中不含有有毒物质和抑制物质。
莫诺特(Monod)方程式 莫诺特(Monod)方程式 (Monod) 法国学者Monod于1942年采用纯菌种在培养基稀溶 法国学者Monod于1942年采用纯菌种在培养基稀溶 Monod 液中进行了微生物生长的实验研究， 液中进行了微生物生长的实验研究，并提出了微生物生 长速度和底物浓度间的关系式： 长速度和底物浓度间的关系式： μ= µmax S/KS +S 微生物在对数期和静止期的典型生长模式。 微生物在对数期和静止期的典型生长模式。 式中： 为微生物比增长速度，即单位生物量的增长速度. 式中：µ为微生物比增长速度，即单位生物量的增长速度. 为微生物最大比增长速度； µmax为微生物最大比增长速度； 饱和常数， μ=1/2μmax底物浓度 底物浓度， KS：饱和常数，为μ=1/2μmax底物浓度，故又称 半速度常数。 半速度常数。 S：底物浓度。 底物浓度。
(2)参数选择 (2)参数选择 在进行曝气池( 容积计算时， 在进行曝气池(区)容积计算时，应在一定的范围内合 理地确定污泥负荷和混合液悬浮固体浓度，此外． 理地确定污泥负荷和混合液悬浮固体浓度，此外．还应同 时考虑处理效率、污泥容积指数(SVl)和污泥龄等参数。 (SVl)和污泥龄等参数 时考虑处理效率、污泥容积指数(SVl)和污泥龄等参数。 污泥负荷的的取值应低于0.2kgBOD/(kgMLVSS d)。 污泥负荷的的取值应低于 。
进行活性污泥处理系统的工艺计算和设计 首先应比较充分地掌握与废水、 时、首先应比较充分地掌握与废水、污泥有关 的原始资料并确定设计的基础数据。 的原始资料并确定设计的基础数据。主要是下 列各项： 列各项： (1)废水的水量、水质及变化规律； (1)废水的水量、水质及变化规律； 废水的水量 (2)对处理后出水的水质要求； (2)对处理后出水的水质要求； 对处理后出水的水质要求 (3)对处理中所产生污泥的处理要求； (3)对处理中所产生污泥的处理要求； 对处理中所产生污泥的处理要求 (4)污泥负荷率与BOD 去除率： (4)污泥负荷率与BOD5去除率： 污泥负荷率与 (5)混合液浓度与污泥回流比： (5)混合液浓度与污泥回流比： 混合液浓度与污泥回流比
二次沉淀池的计算与设计包括：池型的选择； 二次沉淀池的计算与设计包括：池型的选择；沉淀 澄清区)面积、有效水深的计算；污泥区容积的计算； 池(澄清区)面积、有效水深的计算；污泥区容积的计算； 污泥排放量计算等。 污泥排放量计算等。 1．二次沉淀池池型的选择 平流式、 平流式、竖流式和辐流式三种类型沉淀池都可作为 二次沉淀池。为了提高沉淀效率． 二次沉淀池。为了提高沉淀效率．近年来人们在平流式 和竖流式沉淀池上加装斜板( 形成斜板沉淀池。 和竖流式沉淀池上加装斜板(管)，形成斜板沉淀池。 另外，还有辐流式沉淀池，适合大型污水处理厂， 另外，还有辐流式沉淀池，适合大型污水处理厂， 方形多斗辐流式沉淀池。 方形多斗辐流式沉淀池。
3．污泥斗容积的计算 污泥斗的作用是贮存和浓缩沉淀污泥。 污泥斗的作用是贮存和浓缩沉淀污泥。由于活性 污泥易因缺而失去活性和腐败 而失去活性和腐败， 污泥易因缺而失去活性和腐败，因此污泥斗容积不能 过大。故可采用下式来计算： 过大。故可采用下式来计算：
4．污泥排放量的计算 二次沉淀池中的污泥部分作为剩余污泥排放， 二次沉淀池中的污泥部分作为剩余污泥排放，其污泥 排放量应等于污泥增长量。 排放量应等于污泥增长量。
劳伦斯—麦卡蒂模式的基础概念 劳伦斯 麦卡蒂模式的基础概念
建议的排泥方式 有两种剩余污泥排放方式： 有两种剩余污泥排放方式： 传统的排泥方式； 传统的排泥方式； 劳伦斯—麦卡蒂推荐的排泥方式。 劳伦斯—麦卡蒂推荐的排泥方式。 第二种排泥方式的主要优点在于减轻二次沉 淀池的负荷，有刊于污泥浓缩， 淀池的负荷，有刊于污泥浓缩，所得回流污泥 的浓度较高。 的浓度较高。
曝气池的计算与设计 曝气他的计算与设计主要包括：曝气池( 曝气他的计算与设计主要包括：曝气池(区) 容积的计算．需氧量和供气量的计算、 容积的计算．需氧量和供气量的计算、池体设 汁等几项。 汁等几项。 1．曝气池(区)容积的计算 曝气池( (1)计算方法与计算公式 (1)计算方法与计算公式 计算曝气区容积， 计算曝气区容积，常用的有机负荷计算 也称BOD 负荷计算法。 法．也称BOD 负荷计算法。负荷有两种表示方 即污泥负荷和容积负荷。曝气池( 法，即污泥负荷和容积负荷。曝气池(区)容积 计算公式列于表2 计算公式列于表2—l—2中。
2 需氧量和供气量的计算 (1)需氧量 活性污泥法处理系统的日平均需氧量(Q)和去除每 kgBOD的需氧量(⊿Q)可分别按动力学公式计算．也可 根据经验数据选用。
(2)供气量 供气量应按照鼓风曝气型式或机械曝气型式两种情况 分别求定。最小时供气量可按平均供气量的1／2计算。
二次沉淀池的计算与设计
方程的应用
（1）确立处理水有机底物浓度（Se）与生物固体平均停 确立处理水有机底物浓度（Se） 留时间（θc） 留时间（θc）之间的关系 对完全混合式 Se＝ (Sa-Se)Se＝Ks(1/θc+Kd)/[Y (Sa-Se)-(1/θc+Kd)] 对推流式 (Sa-Se)/[(SaKs㏑Sa/Se]－ 1/θc= Y Vmax(Sa-Se)/[(Sa-Se)+ Ks㏑Sa/Se]－Kd 上式表示Se=f(θc)，欲提高处理效果，降低Se值 上式表示Se=f(θc)，欲提高处理效果，降低Se值， Se=f(θc) Se 就必须适当提高θc θc。 就必须适当提高θc。
2．二次沉淀池面积和有效水深的计算 二次沉淀池澄清区的面积和有效水深的计算有 表面负荷法和固体通量法等。 表面负荷法和固体通量法等。在实际工程设计中常用 的是表面负荷法。 的是表面负荷法。二次沉淀池的表面负荷为单位时间 内单位面积所承受的水量。 内单位面积所承受的水量。
二次沉淀他面积以最大时流量作为设计流量， 二次沉淀他面积以最大时流量作为设计流量，面 不计回流污泥量。 不计回流污泥量。为厂保证二次沉淀他的水力效率和 有效容积， 有效容积，池的水深和直径应保持一定的比例关系
上述研究结果，与米—门方程式十分相近。 上述研究结果，与米—门方程式十分相近。 米—门方程式为： 门方程式为： V＝VmaxS/Ks+S monod方程的结论使米一门方程式引入了 monod方程的结论使米一门方程式引入了 废水工程的理论中。 废水工程的理论中。
具体推导如下：
∵ Y＝dx/ds=(dx/dt)/(ds/dt)=r/q=(r/x)/(q/x)= µ/V。 式中：dx为微生物增长量； dx/dt为微生物增长速率（即r）； r/x＝µ，即微生物比增长速度； ds为底物消耗量； q＝ds/dt，为底物降解速度； v＝q/x，为底物比降解速度。 ∴ µ＝YV µmax＝YVmax； 带入µ=µmaxS/Ks+S 得： V＝VmaxS/Ks+S 即米一门方程式。
(1)活性污泥混合液的浓度较高，有絮凝性能，其沉降 (1)活性污泥混合液的浓度较高，有絮凝性能， 活性污泥混合液的浓度较高 属于成层沉淀； 属于成层沉淀； (2)活性污泥的质量较轻 易产生异重流，因此， 活性污泥的质量较轻， (2)活性污泥的质量较轻，易产生异重流，因此，设计 二次沉淀池时，最大允许的水平流速(干流式，辐流式) 二次沉淀池时，最大允许的水平流速(干流式，辐流式) 或—亡升流速(竖流式)都应低于初次沉淀池； 亡升流速(竖流式)都应低于初次沉淀池； (3)由于二次沉淀池起着污泥浓缩作用 由于二次沉淀池起着污泥浓缩作用， (3)由于二次沉淀池起着污泥浓缩作用，所以需要适当 地增大污泥区容积。 地增大污泥区容积。
间的关系。 （2）确立微生物浓度（X）与θc间的关系。 确立微生物浓度（ 对完全混合式： 对完全混合式： X＝θcY(Sa-Se)/t(1+Kdθc) 对推流式： 对推流式： X＝θcY(Sa-Se)/t(1+Kdθc) 说明反应器内微生物浓度(X)是θc的函数 微生物浓度(X) 的函数。 说明反应器内微生物浓度(X)是θc的函数。 （3）确立了污泥回流比(R)与θc的关系。 确立了污泥回流比(R)与 的关系。 (R) [1+R1/θc=qV[1+R-R(Xr/Xa)]/V 式中： 为回流污泥浓度: 式中：Xr为回流污泥浓度: (Xr)max=106/SVI 。
讨论： 讨论： （1）当底物过量存在时，微生物生长不受底物限 当底物过量存在时， 处于对数增长期，速度达到最大值,为一常数。 制。处于对数增长期，速度达到最大值,为一常数。 ∴μ=umax。 ∴μ=umax。 ∵S>>KS、 KS +S≈S 此时反应速度和底物浓度无关， 零级反应 反应， 此时反应速度和底物浓度无关，呈零级反应， n=0。 即n=0。 （2）当底物浓度较小时，微生物生长受到限制， 当底物浓度较小时，微生物生长受到限制， 处于静止增长期，微生物增长速度与底物浓度成正。 处于静止增长期，微生物增长速度与底物浓度成正。 ∵S＜＜ KS 、 KS +S≈Ks ∴μ=μmaxS/Ks=KS 此时，μ∝S，与底物浓度呈一级反应。 此时，μ∝S，与底物浓度呈一级反应。 （3）随着底物浓度逐步增加，微生物增长速度和 随着底物浓度逐步增加， 底物浓度呈μ=μmaxS/Ks+S关系，即不成正比关系， μ=μmaxS/Ks+S关系 底物浓度呈μ=μmaxS/Ks+S关系，即不成正比关系， 此时0 为混合反应区的生化反应。 此时0＜n＜1为混合反应区的生化反应。