13-2活性污泥反应动力学基础水质工程学

O QS
2 r
= a + b
1 N
rs
开题报告 — 38
开题报告 — 39
开题报告 — 11
生物处理动力学研究新进展
– 进水中的有机组分各种各样，活性污泥微生 物的多样性，而且是在非稳态的条件下描述 活性污泥系统的复杂反应过程，导致数学模 型非常复杂，以计算机作为工具，提高了数 学模型的应用价值。
开题报告 — 12
活性污泥反应动力学数学模式
莫诺Monod方程式
Monod于1942年用纯种的微生物在单一基质 的培养基上进行微生物增殖速率与底物浓 度之间的关系试验。试验的结果与米凯利 斯-门坦（Michaelis-Menten）于1913年得 出的酶促反应速度与底物浓度之间的关系 是一样的。因此，Monod认为可以用米-门 方程式来描述底物浓度与微生物增殖速度 之间的关系，即：
YV max( S 0 − S e ) θc = − Kd So ( S 0 − S e ) + K s Ln ( ) Se
开题报告 — 26
微生物平均浓度
S0 1 X= (S0 − Se ) + K s Ln( S ) tqmax e
开题报告 — 27
Mckinney（麦金尼）模式
开题报告 — 9
对生物处理动力学研究的主要内容
基质（底物）去除动力学：有机底物的 降解速率与有机底物浓度、微生物量之 间的关系； 微生物降解动力学：反映微生物增殖速 率与有机底物浓度、微生物的量之间的 关系； 基质降解与微生物生长之间的关系，以 及基质降解、微生物生长与需氧量和营 养量之间的关系。
1
θ
= YN
c
rs
− K
d
上式即为以下Lawrence-McCarty方程式所 描述的内容。
开题报告 — 21
劳伦斯- 麦卡蒂（ 劳伦斯 麦卡蒂（Lawrence-McCarty）方程式 ）
根据完全混合活性污泥系统的物料平衡式， Lawrence-McCarty方程式也可表示为：
ds 1 = Y ( − ) − K d = Yq − K d θc dt X 1
s 1 ds v =− = vmax X dt Ks + s
开题报告 — 23
代入上百度文库得
完全混合活性污泥系统出水浓度（S） 与污泥龄之间的关系为：
K S
e s
(
1
= Yv
max
θ
+ K
c
d
)
d
− (
1
θ
+ K
c
)
开题报告 — 24
由
1
θ
= Yq − K
d
和 解得
(S0 − Se ) 1 ds = − = q Xt X dt
开题报告 — 35
⑥出水的BOD5 活性污泥出水中的可降解有机物，一部分是溶 水中的溶解性有机物；一部分是从二沉池飘出 的悬浮固体中（SS）的有机物，主要是细胞物 质Ma。因而，活性污泥工艺出水的BOD5值为 Ef （ BOD5 ） =Se+1.37×0.58× （ Ma/M ） Ef （SS）
开题报告 — 36
开题报告 — 33
⑤各种形态的活性污泥的细胞组成基本相 同。其组成可用C5H9O2.5N或C5H7O2N表 示。其氧单量可由下式表示：
C5H9O2.5N + 5.25O2 —5CO2 + NH3 + 3H2O 123 168
开题报告 — 34
由上式可知，当微生物以C5H9O2.5N表示时， 氧 单 量 为 168/123=1.37 ； 同 样 可 得 ， 以 C5H7O2N表示时为1.42。 1个单位的BOD5 合成1.15个氧单量的细胞物 质，以质量来表示时为1.15/1.37=0.84个质量 单位。即合成细胞物质的理论产率Ym=（细 胞物质的质量）/〖生物氧化的有机物（以 BOD5 计）〗=0.84。此值称为麦氏细胞产率 系数。
开题报告 — 32
④由于内源代谢产物的不可生物降解性，使 可生物降解有机物的化学需氧量CODB不等于完 全 生 化 需 氧 量 BODU 。 上 图 虚 框 部 分 即 BODU=1/3CODB+2/3CODB×0.8=0.87CODB 而 BOD5≈2/3 BODU=0.58 CODB 即 BOD5/ CODB≈0.58 对 于 城 市 污 水 而 言 ， 1 个 单 位 的 BOD5 相 应 的 CODB 为 1.72 个 单 位 ， 合 成 1.72×2/3=1.15 个 氧 单 量 的 细 胞 物 质 ， 消 耗 1.72×1/3=0.57个单位（氧单量）的氧。
其中q的物理意义是：单位微生物量对有机底 物的降解速率，也即比降解速率。
开题报告 — 22
通过对完全混合活性污泥系统进行物料衡算， 通过对完全混合活性污泥系统进行物料衡算 ， 结合Lawrence-McCarty方程式得出如下结 结合 方程式得出如下结 论：
由
1 ds = Y (− ) − Kd = Yq − Kd θc X dt 1
应用Eckenf.模式时，还可得出完全 混合活性污泥系统的去除率
η
S = 1 − S
e 0
K 2 Xt = 1 + K 2 Xt
开题报告 — 19
霍克莱金Heukelekian方程式
在废水处理中，微生物增长和底物降解存在着一 个基本关系，即Heukelekian 在1951年提出的方程式：
dX dt
c
完全混合活性泥 反应器内活性污 泥的浓度X与污 泥龄的关系为：
θcY (S0 − Se ) X= t(1+ Kdθc )
开题报告 — 25
Eckenfelder模式和Lawrence-McCarty模式都 是针对完全混合活性污泥系统得出的一些有 意义的结论，不适用于推流型反应器。 例如在推流式反应器中：污泥龄与衰 减系数有如下关系：
开题报告 — 31
③活性污泥法系统中，既存在着有机物质的 代谢和微生物的增长繁殖，也存在着细胞物质的 自身代谢和微生物之间通过食物链进行的代谢过 程，统称为内源代谢或内源呼吸。细胞物质经过 代谢，最终约有80％转化为CO2和H2O，残留的 20％为不可生物降解的有机物（内源代谢残留 物），这主要是细胞壁的某些组成和壁外的粘液 层。
开题报告 — 2
开题报告 — 3
开题报告 — 4
活性污泥法的物料平衡
开题报告 — 5
生物处理动力学研究进展
生物处理动力学和数学建模的意义
在废水生物处理系统的功能设计中，往往采用经 验与半经验的方法，这些方法未能反应生化过 程中各种变量之间的相互关系，设计带有一定 的盲目性，难以经济合理的设计污水处理系统， 也难以预测和指导处理系统的运行和管理。
经整理后得：
开题报告 — 17
应用Monod方程和Eckenfelder方程 式，联合上式即可得出：
经整理后得： 则BOD去除-污泥负荷率
S0 − Se Se N rs = = vmax (= K2 Se , 为Eckenf.模式时） Xt Ks + Se
开题报告 — 18
BOD去除-容积负荷率
需氧量的计算 Mckinney认为，活性污泥的需氧量由 两部分组成，一部分用于基质的代谢； 一部分用于内源代谢：
O2 = aQ(Sa − Se ) + bVX
其中，a为需氧率，即降解单位有机底物所 需要的氧量；
开题报告 — 37
b为内源呼吸需氧速率，即在单位时间内， 单位重量的微生物自身氧化所需要的氧量， 量刚为1/t。 上式以QSr除之，得
基本观点： a、认为生活污水或工业污水中污染物的状态和 组成可图示如下：
开题报告 — 28
b、污染物的吸附转化情况可用下图表示：
开题报告 — 29
c、可生物降解污染物的转化关系可用下图表示：
开题报告 — 30
说明：
①在良好的状态下，无机和不可生物降解的悬 浮固体经活性污泥法处理基本上被微生物吸附，其 量不变。 ②对于城市生活污水，其中可生物降解的有机 赞量约有2／3转化为微生物细胞；1/3氧化为CO2 和水。氧化过程释放的能量，供微生物繁殖和活动 之需。
Eckenfelder认为，象城市污水的底物浓度 低的情况（COD为400 mg/L以下，BOD5 浓度为300 mg/L以下），有机的物的比 降解速率和底物浓度的关系应表示为
开题报告 — 15
对于完全混合型系统，通过对有机底 物进行物料平衡得出：
经整理后得：
开题报告 — 16
对于完全混合型系统，通过对有机底 物进行物料平衡得出：
开题报告 — 13
微生物的比增殖速率
µ = µ max
同时认为，微生物的比增殖速率与 对应的底物的比降解速率成正比：
S Ks + S
µ ∝v
则有机底物的比降解速率
1 ds s v=− = vmax X dt Ks + s
开题报告 — 14
埃肯费尔德Eckenfelder方程式 方程式 埃肯费尔德
开题报告 — 8
生物处理数学模式
50年代以来，国外一些学者把反映生化过程机理 的微生物生长动力学引入废水处理领域，提高 了人们对废水生物处理机理的认识，是处理系 统设计和运行更加理论化和系统化。美国的 Momod、Eckenfelder、Heukelekian、 Lawrence、McCarty、McKinney、Andrews对 废水生物处理的动力学研究奠定了这一领域的 基础。
活性污泥反应动力学
徐乐中
活性污泥法的概念
传统活性污泥法，是污水生物处理的开端。原 污水从曝气池首端进入池内，由二次沉淀池回 流的回流污泥也同步注入。污水与回流污泥形 成的混合液在池内呈推流形式流动至池的末端， 赢出池外进入二次沉淀池，在这里处理后的污 水与活性污泥分离，部分污泥回流曝气池，部 分污泥则作为剩余污泥排出系统。
开题报告 — 6
指导系统的设计
经验设计不够经济合理，定量化程度 不够；通过数学模型模拟相应过程， 进行理论设计，使设计更切合实际情 况。
开题报告 — 7
模拟处理系统的实际过程，指导生产 实践，进一步实现运行管理的自动化。 对废水处理系统的不同情况进行模拟， 改变参数，通过模拟计算的方法输出 结果，反映各种不同情况，代替或部 分代替实验，节省人力物力。
开题报告 — 10
生物处理动力学研究新进展
– 近年来，应用数学工具建立数学模型对活性 污泥系统的复杂过程进行模拟。1983年国 际水污染研究和控制协会（IAWPRC）成立 课题组，对已有的悬浮生长反应器的模型进 行评估从中提出切合实际、可以在实践当中 应用的数学模型，专家组经过3年的研究于 1986年推出ASM1，相继于1995年推出 ASM2，1999年推出ASM3。
ds = Y ( ) − K dt
d
X
其中Y-产率系数，即微生物代谢单位有机底物所合成的微生 物量； Kd-微生物自身的内源（衰减）呼吸系数，即在单位时间内 单位微生物量自身氧化而减少的微生物量（1/d）。
开题报告 — 20
由上式得：
∇X = Y(Sa − Se )Q − KdVXv
上式以XvV除之，并整理得