3.3 活性污泥反应动力学及其应用
污泥生物降解动力学模型的研究与应用
污泥生物降解动力学模型的研究与应用污泥是生活中产生的有机废弃物，包括废水处理和有机垃圾处理产生的污泥。
然而，污泥中的有机物质含量和生物数量很高，如果不加以处理，将对环境产生极大的影响。
目前，生物降解是处理污泥的主要方法之一，其中，污泥生物降解动力学模型是对污泥中生物降解过程进行研究和预测的基础。
一、污泥生物降解动力学模型的基本概念污泥生物降解动力学模型是指对污泥中生物降解过程进行建模，推导出与时间相关的污泥中生物数量和生物降解速率的函数关系式。
这些函数关系式可以用来预测污泥中有机物质的降解速率和生物数量，从而确定何时达到稳定状态。
污泥生物降解动力学模型主要包括一阶动力学模型、二阶动力学模型和放物线动力学模型等。
二、污泥生物降解动力学模型的研究进展随着环境污染和资源短缺的日益严重，污泥生物降解动力学模型的研究逐渐得到了关注。
目前，国内外学者在该领域取得了很多研究成果。
例如，美国休斯顿大学的研究表明，一阶动力学模型可以精确反映微生物对有机废物的生物降解，但是在长时间处理情况下不适用；英国桑德兰大学的研究发现，二阶动力学模型和放物线动力学模型较一阶动力学模型更加适用于预测微生物在处理污泥中有机废物的生物降解过程。
三、污泥生物降解动力学模型的应用污泥生物降解动力学模型在处理污泥中有机废物方面具有广泛的应用。
例如，在废水处理工程中，工艺运行稳定和优化水平的确定是至关重要的，而通过建立污泥生物降解动力学模型可以预测处理过程中微生物数量和生物降解速率，为工艺运行稳定和优化提供依据。
此外，污泥生物降解动力学模型也能应用于土壤修复、有机垃圾处理和生态系统模拟等领域。
四、污泥生物降解动力学模型的发展方向随着科技的不断发展，污泥生物降解动力学模型也在不断完善。
目前，一些新的研究方向已经引起了学者们的关注，例如，基于机器学习方法的污泥生物降解动力学模型、应用反应性流体力学对生物降解过程进行建模等等。
可以预见，在不久的将来，这些新技术的应用将极大地促进污泥生物降解动力学模型的研究。
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2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
活性污泥反应动力学及其应用 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
பைடு நூலகம்
谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
活性污泥反应动力学及工艺的设计与计算
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 法国学者Monod于1942年采用纯菌种在培养基稀溶
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：
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
底物浓度呈μ =μ maxS/Ks+S关系，即不成正比关系，
此时0＜n＜1为混合反应区的生化反应。
上述研究结果，与米—门方程式十分相近。 米—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
∴ µ＝YV µmax＝YVmax； 带入μ=μmaxS/Ks+S 得： V＝VmaxS/Ks+S 即米一门方程式。
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： 传统的排泥方式； 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，所得回流污泥 的浓度较高。
(2)参数选择 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．还应同 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)。
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。
曝气沉淀池的构造设计
曝气沉淀池多呈圆形并用表面机械曝气装置。在 构造设计方面有下列基本要求。
2活性污泥反应动力学及其应用(二)09
1、活性污泥系统运行条件处于稳定状态 2、活性污泥在二次沉淀池内不产生微生物代谢活动 3、系统中不含有毒性物质和抑制物质 4、进水底物浓度保持恒定 5、全部生物可降解的底物处于溶解状态
Lawrence-McCarty
VX c X / t
反应器内微生物总量
2.6
△X—每天从系统中排出增殖的微生物总量；mg
X—反应器内微生物浓度，mg/l
2.4.3 劳伦斯—麦卡蒂模式的基本概念
针对两种不同的排泥方式 传统方式
Lawrence-McCarty
一般Xe值很低，可以 忽略
VX a c Qw X r (Q Qw ) X e
2.4.2
活性污泥反应动力学基础
假设：微生物比增殖速率（μ）与基质比降解速率（v）呈比例关 系，即
v
基质比降解速率（v），可以用莫诺模式加以描述：
v vmax
S Ks S
2.3
v 式中： －基质比降解速率，d-1 ；
vmax
－基质最大比降解速率，d-1 。
对废水处理来说，有机物的降解是其基本目的，因此，式2.3的实 际意义较大
max
零级 反应 区 混合级反应区 （n=0） （0＜n＜1）
max S
Ks S
2.2
1 max 2
μ— 微生物比增殖速率，d-1；
μ max—微生物最大比增殖速率，d-1；
S— 溶液中限制微生物生长的基质浓度， mg/L、g/m3；
活性污泥反应动力学及其应用26页PPT
▪
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆Fra bibliotek的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
活性污泥反应动力学及其应用
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克
▪
30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
26
活性污泥法的原理及应用
利用物联网、大数据和人工智能等技术，实现活性污泥法的智能 化控制，提高处理过程的稳定性和可靠性。
资源化利用
将活性污泥中的有用物质提取和利用，实现资源化利用，减少二 次污染。
活性污泥法在未来的应用前景
城市污水处理
随着城市化进程的加速，城市污水处理需求不断增加，活 性污泥法将继续作为主流的污水处理技术得到广泛应用。
VS
详细描述
污泥膨胀的主要原因是污泥中丝状菌过度 繁殖，导致污泥结构松散、沉降性差。此 外，低溶解氧、高碳水化合物负荷、缺乏 营养等也会引起丝状菌过度繁殖。解决污 泥膨胀的对策包括控制溶解氧浓度、调整 营养物质比例、使用药剂抑制丝状菌等。
泡沫问题
总结词
泡沫问题是活性污泥法中另一个常见问题， 会导致处理效率下降、影响出水水质。
营养物质的影响
活性污泥中的微生物需要适量的营养物质，如氮、磷等，以维持正常的代谢活动。缺乏必要的营养物 质会导致微生物的生长受限，从而影响有机污染物的去除效率。
在实际应用中，需要根据具体工艺要求和进水水质情况，合理控制营养物质的投加量，以保证微生物 的正常生长和代谢。
有毒物质的影响
有毒物质的存在会对活性污泥中的微生物产生抑制作用，降低有机污染物的去除效率。常见的有毒物质包括重金属、有毒有 机物等。
02
活性污泥法的应用
在生活污水处理中的应用
去除有机物
活性污泥中的微生物能够吸附和 降解污水中的有机物，将其转化 为无害的物质，达到净化水质的 目的。
去除氮、磷等营养
物质
通过活性污泥的吸附和微生物的 代谢作用，可以有效去除污水中 的氮、磷等营养物质，从而降低 水体富营养化的风险。
改善水体环境
活性污泥法能够降低水体的浊度 、色度等指标，提高水体的透明 度和溶解氧含量，改善水体的环 境质量。
活性污泥反应动力学及工艺的设计与计算
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。
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
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。
活性污泥反应动力学
Nrv
Q(S0 Se ) V
S0
Se t
X
• K2Se
Vmax
XSe KS Se
（4-45）
由（4-41）或（4－45）式可知：
S0 Se Xt
K2Se
S0 Se K2SeXt S0 Se K2SeXt Se (1 K2Xt)
有机物地残留率 Se 1 S0 1 K2Xt
则
tCFSTR
tPF
VCFSTR Q
VPF Q
VCFSTR VPF
CFSTR—— Continuous—Flow Stirred Tank Rector PF——Plug－Flow
4.3.3 劳伦斯——麦卡蒂活性污泥反应动力学方程式
1．概述
1） 提出单位微生物量的底物利用率q为一常数
ds q dt u
图中的生化反应可以用下式表示：
S y X z P 及 dX y dS
dt
dt
即
dS 1 dX
dt y dt
式中：反应系数 底物）。
y
dX dS
又称产率系数，mg（生物量）/mg（降解的
该式反映了底物减少速率和细胞增长速率之间的关系，是废水生物处理
中研究生化反应过程的一个重要规律。
则直线的斜率即为K2
S0X-tSe(kgBOD/kgMLSS·d)
3组
2组 1组
5组
4组 K2
0
图4-14 图解法确定K2值
Se(mg/L)
( )( ) 2）据4－43求定Vmax、KS（图4-1V5）maxS0X-KtSe=SSvKmeasx
S
S1e+Qv1m(aSx 0
e
XV
活性污泥法
MLSS (mg/l) MLVSS (mg/l)
回流比 (%) 曝气时间HRT (h) BOD5去除率 (%)
0.20.4
0.30.6 515
15003000 12002400
2550 48 8595
2. 阶段曝气法（分段进水法）
有机物降解与需氧：
氧在微生物代谢过程中的用途：
(1)氧化分解有机物；
(2)氧化分解自身的细胞物质。
O2 a'Q Sr b'V X v
式中：O2——曝气池中混合液的需氧量，kgO2/d; a’——代谢每kgBOD所需的氧量， kgO2/kgBOD.d; b’——每kgVSS每天进行自身氧化所需的氧量， kgO2/kgVSS.d 。
0.76
制药废水
0.77
酿造废水
0.93
亚硫酸浆粕废水
0.55
b 0.10 0.13 0.016
0.13
a、b经验值的获得：
（3）通过实验获得：
x aQS r bVX v 可 改 写 为 ：
x a QS r b
VX v
VX v
x/VXv( /d)
1
b
a
＋
＋
＋
＋
＋
QSr/VXv(kgBOD/kgVSS.d)
思考题：如何解释单位质量污泥的需氧量与负荷成正比，而去除单位 质量BOD的需要量与负荷成反比？
a’、b’值的确定:
活性污泥法处理城市污水：
运行方式 完全混合式 生物吸附法 传统曝气法 延时曝气法
O2
0.71.1 0.71.1 0.81.1 1.41.8
a’
b’
0.42 0.11
活性污泥法的反应动力学原理及其应用
活性污泥法的反应动力学原理及其应用活性污泥法（activated sludge process）是一种常见的生物处理废水的方法，广泛应用于污水处理厂。
它的反应动力学原理涉及到生物物理和化学反应过程，其应用可以有效去除污水中的有机物、氮、磷等污染物。
接触氧化污泥法是将污水与活性污泥充分接触，通过氧化降解有机物。
在这个过程中，有机物首先被吸附到污泥团聚体的表面，然后被微生物降解。
微生物通过对有机物进行代谢，产生酶来催化有机物的降解。
反应过程中，溶解氧和微生物是限制因素。
溶解氧的供应主要通过曝气作用，污水中的氧被转移到活性污泥颗粒上，为微生物呼吸提供氧气。
间歇氧化污泥法是将污水与活性污泥进行间歇接触和氧化降解。
在间歇氧化污泥法中，活性污泥以混合液的形式存在，定期进入污泥沉淀池进行沉淀。
通过周期性地供氧和去除微生物产物，可以提高微生物的降解效率。
间歇氧化污泥法可以减小活性污泥容积，减少处理设备和设备的尺寸。
活性污泥法的应用非常广泛。
首先，它可用于去除污水中的有机物。
微生物通过分解有机物来获取能量，降解有机物为二氧化碳和水，从而达到去除有机物的目的。
其次，活性污泥法也可用于去除污水中的氮和磷。
氮有机物在细菌的作用下，先转化为氨氮，然后转化为亚硝酸盐和硝酸盐。
磷则被微生物分离吸附到活性污泥中。
最后，活性污泥法还可用于去除重金属和其他有害物质。
然而，对于有害物质的降解程度则受到微生物菌群的结构和活性因素的限制。
除了以上应用，活性污泥法还可用于废水的预处理、提高水体的自净能力、生物氮除磷等。
此外，活性污泥法还可以与其他处理方法结合使用，如沉淀、过滤和气浮等，以更好地达到废水处理的目的。
总之，活性污泥法是一种基于微生物代谢的处理方法，通过微生物的作用和生物反应动力学原理，可以有效去除污水中的有机物、氮、磷等污染物，具有广泛的应用前景。
污水处理动力学模型及其在工程实践中的应用
污水处理动力学模型及其在工程实践中的应用随着城市化进程的加快，城市污水处理成为当务之急。
污水处理是一项复杂的过程，需要使用各种科技手段来处理，其中动力学模型是一个关键的部分。
一、污水处理动力学模型的概念和分类污水处理动力学模型是一种利用数学方法来描述污水处理过程中各种环境因素变化和污染物转化的模型。
总体来说，污水处理动力学模型可以分为两类，即生物动力学模型和物化动力学模型。
生物动力学模型主要是针对污染物在生物处理过程中的转化和降解情况，它是通过对处理过程中微生物种群含量和代谢反应过程的研究，建立一种数学模型。
这类型的模型包括了活性污泥法、厌氧/好氧调节坑等等。
物化动力学模型则主要考虑的是生化因素以外的因素如流体力学以及污染物间的化学反应。
这类型的模型包括了曝气池、喷淋池等等。
二、污水处理动力学模型在工程实践中的应用在实际工程中，动力学模型可以帮助工程一步步进行，且具有较高的预测能力。
污水处理一般采用活性污泥法和SBR法，这两种方法便最常用到的动力学模型。
活性污泥法是指将有机废水和活性污泥混合进行好氧条件下的处理。
在整个处理过程中，要控制一些污染物如COD和BOD的控制系数。
而为了使这个控制过程达到更好的效果，就需要对这种物质在正常情况下的处理过程以及有机物的降解成果做成一种动力学模型。
这一方面可以帮助监管机构的监督以及废水处理厂的运行控制，另一方面也可以帮助废水处理厂的规划设计。
SBR法是指替代了一些活性污泥的设备，它采用周期性的好氧池处理污水，过程如下：注入氧气，污水充分的接触氧气，各种污染物到达高峰时投放反应剂，然后进行沉淀/曝气。
整个过程中要控制反应器内的温度、氧气浓度、混合器的速度、曝气功率、pH等等。
这样才能是此种处理技术达到最佳状态。
在废水处理中，为了使活性污泥法和SBR法能以最好的结果的方式来运作，我们需要使用适当的算法来进行处理。
而这些处理算法都是基于动力学模型的。
因此，动力学模型在废水处理工程中具有相当的意义。
活性污泥法除磷动力学研究
活性污泥法除磷动力学研究活性污泥法除磷动力学研究摘要：近年来，水污染问题日益严重，其中磷污染是水体富营养化的主要原因之一。
活性污泥法是目前处理废水中磷污染的一种常见方法。
本文通过实验研究，在不同条件下对活性污泥法除磷的动力学进行了探究。
实验结果表明，温度、PH 值、氧化还原电位以及污泥浓度等因素对除磷效果有着显著影响，了解这些影响因素对于提高除磷效率至关重要。
1.引言磷是生命活动中不可缺少的元素之一，但过量的磷释放到水体中会导致水体富营养化，引发诸多环境问题。
活性污泥法是一种高效、经济的废水处理方法，多用于处理含磷废水。
当前研究主要集中在优化活性污泥工艺、改进除磷效果等方面，探究活性污泥法除磷的动力学特性，对于提升处理效果具有重要意义。
2.材料与方法2.1 实验装置实验采用A/B/C反应器系统，每个反应器分别控制不同条件，A为常温常压系统，B为不同温度控制系统，C为不同pH值控制系统。
2.2 实验过程通过在反应器中投加磷酸盐溶液，控制不同的温度、pH值等条件下活性污泥的处理效果。
收集样品，进行COD测定、总磷测定、微生物分析等实验。
3.结果与讨论3.1 温度对除磷效果的影响实验结果表明，随着温度的升高，活性污泥中磷的去除率逐渐提高，但超过一定温度后，除磷效果开始下降。
这是因为在低温下，微生物的代谢速率较慢，导致活性较差；而在高温下，微生物过度繁殖会导致污泥结构破坏，进而降低除磷效率。
3.2 pH值对除磷效果的影响实验结果显示，pH值对活性污泥法除磷效果具有重要影响。
当pH值在一定范围内（通常为6-9）时，除磷效果较好；而当pH值超过此范围后，活性污泥中的微生物活性受到抑制，除磷效果下降。
这是因为pH值改变会影响微生物生长与代谢过程，进而影响活性污泥的除磷能力。
3.3 氧化还原电位对除磷效果的影响实验结果显示，氧化还原电位是影响活性污泥法除磷效果的重要因素之一。
氧化还原电位的不同，直接影响废水中磷的形态变化，进而影响除磷效果。
活性污泥法水处理过程的反应动力学研究
活性污泥法水处理过程的反应动力学研究随着工业和城市化的发展，人们对于水的需求越来越高，同时，水污染也变得越来越严重。
为了保障人民健康和维护生态环境，水处理成为至关重要的问题。
活性污泥法是一种常用的水处理方法，也是较为有效的污水处理技术之一。
反应动力学研究是活性污泥法水处理过程的重要组成部分，本文将从反应动力学的角度探讨活性污泥法水处理的研究现状及未来发展趋势。
一、活性污泥法的工艺原理和优势活性污泥法是一种将生物技术应用于水处理的方法，主要利用微生物对污水中的有毒有害物质进行降解，从而实现排放标准的水质。
其中，活性污泥是通过让微生物在一定温度、pH值、搅拌条件下生长繁殖形成的。
该方法在研究和应用中不断地被改进和完善，现已成为一种稳定、节能、环保的高效水处理工艺。
活性污泥法具有的优势主要包括以下几点：1. 处理能力强。
活性污泥法能够同时处理多种污染物，将多种有机物转化为无机物，消除氨氮及硝酸盐等有害物质。
同时，活性污泥法的处理效率很高，可将有机物质降解至90%以上。
2. 适应性强。
活性污泥法可适用于多种污染物类型及浓度，适应性广泛。
通过调节污泥的数量、质量、新陈代谢和清除机能，能够处理不同种类何浓度的废水。
3. 运行费用低。
相比于其他的水处理工艺，活性污泥法的运行费用较低，并且处理效果稳定可靠。
此外，工艺过程中能够利用氧气和碳源，从而达到省能减排的目的。
4. 适用范围广。
活性污泥法可广泛应用于染料、电镀、造纸、农业等行业的水处理问题。
二、活性污泥法水处理过程的反应动力学研究活性污泥法经过多年的应用和研究，涵盖了处理剂量、污泥浓度、温度、pH 值、水质、紫外线辐照等众多因素。
其中，反应动力学研究最为重要。
反应动力学以重心反应动力学和区域反应动力学为主要研究方法，可以通过实验及建模进行研究。
重心反应动力学的研究方法主要基于化学反应速率法，以化学反应中活性物质的浓度为研究对象，将废水的水质状况与活性污泥的活动状况作为反应动力学的研究对象，在探讨废水对活性污泥的影响、污泥流出指数、反应动力学常数等方面有较为广泛的应用。
活性污泥反应动力学
13.3 活性污泥反应动力学及应用13.3.1 概述活性污泥反应动力学能够通过数学式定量地或半定量地揭示活性污泥系统内有机物降解、污泥增长、耗氧等作用与各项设计参数、运行参数以及环境因素之间的关系。
在活性污泥法系统中主要考虑有机物降解速度、微生物增长速度和溶解氧利用速度。
目前，动力学研究主要内容包括：（1）有机底物降解速度与有机物浓度、活性污泥微生物量之间的关系。
（2）活性污泥微生物的增殖速度与有机底物浓度、微生物量之间的关系。
（3）微生物的耗氧速率与有机物降解、微生物量之间的关系。
13.3.2 反应动力学的理论基础（1）有机物降解与活性污泥微生物增殖曝气池是一个完整的反应体系，池内微生物增殖是微生物合成反应和内援代谢两项胜利活动的综合结果，即：微生物增殖速率= 降解有机物合成的生物量速率—内源代谢速率式中，Y——产率系数，即微生物降解1kgBOD所合成的MLSS量，kgMLSS/kgBOD；K d——自身氧化率，即微生物内源代谢的自身减少率；对于完全混合式活性污泥系统，曝气池中的微生物量物料平衡关系式如下：每日池内微生物污泥增殖量=每日生成的微生物量—每日自身氧化掉的量∴式中，S0——原水BOD浓度；S e——处理出水BOD浓度；Q——日处理水量，m3/d；V——曝气池容积，m3；X——曝气池中污泥平均浓度，mg/L。
两边除以VX ，式子变为而q称为BOD比降解速率，其量纲与污泥负荷相同，单位一般用kgBOD/（kgMLSS?d）表示。
即，θc为泥龄。
可见高去除负荷下，污泥增长很快，导致排泥加快，污泥龄就短，生物向不够丰富，因此原水的可生化性要好。
对于一个稳定的反应体系，Y、K d是常数，可以设计实验获得。
一般生活污水类水质，Y=0.5~0.65，K d=0.05~0.1；部分工业废水的Y、K d值见设计手册。
（2）有机物降解与需氧量同样，曝气池内，因为降解有机物，就要消耗溶解氧O2，同时微生物内源代谢也消耗溶解氧。
《水污染控制工程》第三章 活性污泥法2-动力学
1 Km 1 1 （2-28） v vmax S vmax
酶促反应速率
微生物增长速率 底物利用速率
底物 浓度
莫诺特（Monod）模式方程式-微生物增长
• 主要内容：
基质降解动力学：基质降解与基质浓度、生 物量等因素的关系
微生物增长动力学：微生物增长与基质浓度、 生物量、增长常数等因素的关系
底物降解与生物量增长、底物降解与需氧量、 营养要求之间的关系
反应动力学模型的假设
• 反应器处理完全混合状态 • 活性污泥系统处于绝对稳定
• 二沉池内无微生物活动、也无污泥累积、且泥 水分离效果好
有机物比降解速度（按物理意义）：
v d（S0 S） 1 dS （2-31）
Xdt
X dt
式中：
S0—原污水中有机底物的原始浓度; S—经t时间反应后混合液中残留的有机底物浓度;
t—活性污泥反应时间；
X—混合液中活性污泥总量。
根据（2-30）、（2-31）两式得:
v
vm ax
S KS
S
v d（S0 S） 1 dS
Xdt
X dt
dS
XS
dt vmax KS S
（2-32）
莫诺特（Monod）方程式推论:
dS dt
vm a x
XS KS
S
(1)高底物浓度条件下,S》KS
dS dt
vm a x X
K1 X
活性污泥法反应动力学
4-2活性污泥法反应动力学一、概述 研究目的：定量或半定量地揭示系统内有机物降解、污泥增长、耗氧等作用与各项设计参数、运行参数以及环境因素之间的关系；研究内容:（1）基质降解的动力学，涉及基质降解与基质浓度、生物量等因素的关系； （2）微生物增长动力学，涉及微生物增长与基质浓度、生物量、增长常数等因素的关系； （3）还研究底物降解与生物量增长、底物降解与需氧、营养要求等的关系。
模型假设:①曝气池为完全混合式； ②在稳定状态下； ③进水和出水无微生物；④二沉池中微不发生微生物对有机物的降解； ⑤底物浓度用可降解的有机物浓度表示； ⑥温度不变，进水有机物成分性质不变 二、有机底物降解动力学 1、米氏方程1913年，德国化学家Michaelis 和Menten 根据中间产物学说对酶促反映的动力学进行研究，提出表示整个反应中底物浓度和反应速度关系公式——米氏方程。
在酶促反应中，在低浓度底物情况下，反应相对于底物是一级反应（first order reaction ）；而当底物浓度处于中间范围时，反应是混合级反应（mixed order reaction ）。
当底物浓度增加时，反应由一级反应向零级反应（zero order reaction ）过渡。
maxm v S v K S=+ V max —最大反应速度。
S —反应中底物浓度。
K m —米氏常数；表示反应达到1/2V max 的底物浓度，mol/L ，由酶的性质决定，与酶的浓度无关。
2、Monod 方程1942年Monod 在纯培养的单一底物的试验中发现微生物的增殖速度与底物浓度之关系符合米氏方程。
max S S K Sμμ=+ 微生物比增殖速率：单位质量微生物的增殖速率，T -1；u max —微生物最大比增殖速度，T -1。
K S —饱和常数u=1/2u max 时的底物浓度，或称半速率常数。
S —有机底物浓度。
1950年采用异养微生物群体(混合培养)和单一基质的试验，提出微生物比增长速率max 1S S dXX dtK Sμμ==+假定u=rv ，u max =rv max ，则maxmax 1S S S S dSv v r r K S K S X dtμμ====-++ 得Monod 方程：max S dSXSv dtK S-=+Monod 方程的两个推论： ①高底物浓度S 》K S ，max dSv X dt-=，有机物降解速率=v max ，与底物浓度无关，零级反应。
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3.3.5 劳伦斯－麦卡蒂方程
• 1.概念基本
• 1)微生物的比增殖速率μ
dx / dt x
• 2) 单位基质利用率－基质比利用速率q
ds / dt u q
x
(ds/dt)u－－基质的利用速率
• • 3)生物固体平均停留时间－污泥龄θC •
VX C X
因此有：
1
c
20
v max S Km S
E + S ES E + P
其中：Km——饱和常数，或半速常数；反应速度为最 大反应速率一半时，对应的底物浓度，mg/L. 1/Km——基质亲和力
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米门公式的图示
v vmax
v = vmax/2
0
Km
S
9
3.3.4 莫诺特(Monod)方程式
• 法国学者Monod于1942年采用纯菌种在单一底物的培 养基稀溶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。 S • 1. 公式 米－门公式： vmax v S km S ＝ max Ks S
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BOD容积去除负荷 Q(S0 Se） S0 Se Se N rs vmax v (1) XV Xt K s Se
• 当S<<Ks时： v=k2•S
S0 S e N rs k 2 Se (2) Xt
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4.常数k2、Vmax及Ks的确定
S>>Ks，呈零级反应，则有：
dS max X K1 X dt
，
max
max
K1 vmax
（2）在低底物浓度的条件下，即S << Ks，则：
dS K 2 XS dt
K2 v max Ks
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莫诺德模式：
零级反应区
过渡区
一级反应区
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• 高底物浓度条件下，有机物以最大速率降解，与 有机物浓度无关，呈现零级反应关系。而与为生 物量有关。（吃不过来） • 低底物浓度下，有机物降解遵循一级反应，有机 物含量成为控制因素。（不够吃）城市污水一般 有机物浓度低，常用一级反应，描述， ds K 2 SX dt 积分后：
3.3.2、反应动力学理论基础
• 1.有机物降解与微生物的增殖 • 活性污泥微生物增殖是细胞合成与内源代 谢同步进行的结果。 • 单位曝气池内活性污泥净增殖速度为： • (dx/dt) g＝ (dx/dt)s － (dx/dt)e
dX dS 则基本方程为： Y Kd XV dt g dt u
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• 活性污泥微生物在曝气池中的每日净增量 • ∆ X=YQSr—KdVXV • 式中∆ X：活性污泥微生物净增殖量，kg/d； • Q Sr：每日有机物降解量，kg/d
•
VXV：曝气池内，混合液中挥发性悬浮固体总量kg/d
• •
∴ 1/θc ＝Yq － Kd
－－劳伦斯－麦卡蒂基本方程
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2.有机污染物降解与需氧
2
2、重点问题
• ①ν与S、X等因素之间的关系； • ②μ与S、X等因素之间的关系； • ③OUR与ν 、X等因素之间的关系。
3
反应动力学研究的由来
酶促反应动力学公式（米—门公式） （Michaelis—Menton）
莫诺（Monod）模式
劳伦斯—麦卡蒂(Lawrence—McCarty)模式
4
3.3 活性污泥反应动力学基础
1
3.3.1 概述
• 1、基本假设 • 建立在完全混合式曝气池为基础的动力学方程的四 大假设： • ①活性污泥运行系统条件绝对稳定 • ②进水有机物均为溶解性有机物，且浓度恒定 • ③进入曝气池的原污水中不含活性污泥 • ④活性污泥在二沉池中量不变，而且没有代谢作用 • ⑤活性污泥系统中没有毒物质和抑制物质
• 式中： • µ 为微生物比增长速度，即单位生物量的增长速度； • µ 为微生物最大比增长速度； max • Ks：饱和常数 • S：底物浓度。
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• 2. 讨论
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莫诺德方程式的推论：
(1) 在高底物浓度的条件下，即
dS XS v max dS dt KS S d (S 0 S ) v dt X Xdt v v max S KS S
1) 由N rs S0 S e ，低底物浓度条件下 k 2 S式 Xt
S0 S e , Xt
0 e
其中 y
X Se， 建立 y aX 方程
• 从污水厂中得到S0、Se、X及t等各项，列表作图，得到 直线的斜率即为K2。 S XtS
k2
S0 Se Se 由 vmax Xt K s Se
2.基本方程
• 1)第一基本方程：反应器内微生物量因增殖而增加， 又因内源代谢而减少：
dX ds Y Kd X dt dt u
• • Y－－增殖系数（或微生物的产量系数），mg微生物/mg降解有机物； Kd－－内源代谢的氧化率，衰减系数，d-1
• 因此有第一基本方程：
• 表示活性污泥反应系统，经过t时间后反应混合液 残留s与原污水SO的关系。
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S S0 e
k2 Xt
3.应用
供氧 Q S0 V Se X 曝气池 Q＋RQ Se X R Q Se Xr Q Se 出水
二沉池
回流污泥
QW Xr 剩余污泥
Se－底物浓度
Xr－污泥浓度
R－回流比
V－曝气池容积
完全混合系统的物料平衡
dx / dt dx Y ds / dt ds
• 实测的产率系数Yobs<Y，因为实测的产率系数没有包括由于内源呼吸 作用而减少的那部分微生物质量。经过实验和理论整理的到：
Yobs
Y 1 K d C
通常是：通过调整污泥龄，选定表 观产率系数。
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作业
• 6.推导污泥龄和污泥负荷之间的关系， 并阐述通过排泥来控制活性污泥法污水 处理厂运行的原因？ • 7.Monod方程在完全混合活性污泥系统中 的应用，根据活性污泥系统稳定运行的 数据，经物料平衡推求动力学参数K2, Ks, vmax 。
倒数 : K Se K Xt 1 1 s s S0 Se vmax S e vmax S e vmax K Xt 1 1 s S0 Se vmax S e vmax
即:
Ks Xt 1 1 令 y ，X ， 建立 y ax b，其中 a， b S0 e S Se v max vmax
1
C
Yq K d
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2）第二基本方程
• 有机基质的降解速率等于其被微生物的利用速率： • 即： v=q • 因此有第二基本方程：
XS ds vmax KS S dt u
其中：Vmax＝qmax
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3).推论与应用
• 总产率系数Y和表观产率系数Yobs • 产率系数Y是活性污泥微生物摄取、利用、代谢单位重量有机物而使 自身增殖的重量，
• 直接氧化分解+合成后再内源呼吸降解 • －－两部分需氧 • 故其需氧量为：O2＝a′QSr＋b′VXv
• •
a′值：对生活污水为 0.4～0.53。 b′值：介于0.11 ～0.188之间。
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3.3.3 米－门公式
• Michaelis—Menton提出酶的“中间产物”学说， 通过理论推导和实验验证，提出了含单一基质单一 反应的酶促反应动力学公式，即米—门公式：
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• 在稳定条件下，曝气池内有机底物物料平得到：
dS S0 Q RQS e (Q RQ ) S e V 0 dt
Q(S S e ） dS 即： 0 － V dt
按比降解速度的物理意 义有： 1 dS v － X dt
而：v vmax
S Ks S
dS XS vmax dt Ks S