2活性污泥反应动力学及其应用(二)09

—活性污泥反应动力学及其应用水处理工程（二）2.4活性污泥反应动力学及其应用2.4.1概述2.4.2活性污泥反应动力学基础2.4.3劳伦斯—麦卡蒂模式的基本概念2.4.4劳伦斯—麦卡蒂基本方程式2.4.5劳伦斯—麦卡蒂基本方程式的应用2.4.6动力学参数的测定2.4.7例题兴趣是最好的老师！1、活性污泥动力学主要研究那几种因素之间的关系？2、monod模式建立的基础是什么？3、劳伦斯—麦卡蒂模式建立需要的几个基本概念的含义是什么？4、劳伦斯—麦卡蒂模式第一方程式、第二方程式各自描述那几个因素之间的关系？5、劳伦斯—麦卡蒂模式基本方程式的应用主要用于求解哪几个参数？6、动力学参数如何通过测定得到？兴起于上个世纪五、六十年代。能够通过数学式定量地或半定量的解释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。对工程设计与优化运行管理有着一定的指导意义。反应动力学研究的主要内容研究化学反应速度与各项物理因素之间的定量关系研究反应动力学的目的针对某一反应，选择合适的反应条件、反应器的结构形式、确定反应器的尺寸及其处理能力2.4.1概述从活性污泥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究重点在于确定活性污泥反应速度和各项主要环境因素之间的关系，研究的主要内容：1、有机基质的降解速度与有机基质浓度、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度与有机基质浓度、微生物量等因素之间的关系。很多学者根据各自的研究成果，提出了描述上述两项关系的动力学表达式，我们将主要介绍劳伦斯—麦卡蒂模式。2.4.1概述活性污泥动力学研究的主要内容米—门公式（1913）Michaelis—MentenV—酶反应速度；Vmax—最大酶反应速度；S—基质浓度；Km—米氏常数。基质浓度（S）酶反应速度（V）max21VmaxV一级反应区（n=1）混合级反应区（0＜n＜1）零级反应区（n=0）KmSKSVVmmax2.1活性污泥反应动力学基础2.4.2纯酶单一基质培养莫诺模式Monod基质浓度（S）比增殖速率（μ）max21max一级反应区（n=1）混合级反应区（0＜n＜1）零级反应区（n=0）Ks莫诺于1942年和1950年曾两次进行了单一基质的纯菌种培养试验，关联出微生物比增殖速率和基质浓度之间的关系，如右图所示。活性污泥反应动力学基础2.4.2莫诺发现微生物比增殖速率和基质浓度之间的关系与酶促反应速度与基质浓度之间的关系相同，从而提出了与米—门方程式相似的莫诺模式SKSsmax2.2活性污泥反应动力学基础2.4.2μ—微生物比增殖速率，d-1；μmax—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；莫诺模式Monod基质浓度（S）比增殖速率（μ）max21max一级反应区（n=1）混合级反应区（0＜n＜1）零级反应区（n=0）KsKs—饱和常数。即当μ=μｍax/2时的基质浓度，故又称为半速度常数，mg/L、g/m3。v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，即式中：－基质比降解速率，d-1；－基质最大比降解速率，d-1。vmaxv基质比降解速率（v），可以用莫诺模式加以描述：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SKSvvsmax2.3活性污泥反应动力学基础2.4.2莫诺模式是通过单一基质的纯菌种培养试验得出的，但活性污泥处理系统的微生物是多种属的微生物群体，污水中的有机基质也是多种类的，莫诺方程能否应用？活性污泥反应动力学基础2.4.2在60～70年代，劳伦斯等人将莫诺模式引入污水生物处理领域，证实该式完全适用。有关活性污泥动力学模式都是以完全混合式曝气池为基础建立的，经过修正再应用到推流式曝气池系统。活性污泥反应动力学模型的建立，均是在理想条件下建立的，在应用时，还需根据具体条件加以修正。一般建立活性污泥反应的动力学模式的假设条件是：活性污泥反应动力学基础2.4.21、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劳伦斯—麦卡蒂模式的基本概念劳伦斯—麦卡蒂建议的排泥方式微生物比增殖速率(μ)单位基质利用速率(q)生物固体平均停留时间(θc)2.4.3Lawrence-McCartyXdtdXXdtdSqutXVXc/1cc1劳伦斯—麦卡蒂建议的排泥方式Q为废水流量；S0为废水基质（有机污染物）浓度；Se为处理水基质浓度；Xa为曝气池内微生物（活性污泥）浓度；V为曝气池容积；R为污泥回流比；Qw为排泥量；Xr为二沉池底部的活性污泥浓度；Xe为处理水中的活性污泥浓度。传统的排泥方式劳伦斯—麦卡蒂推荐的排泥方式减轻二次沉淀池的负荷，有利于污泥浓缩，所得回流污泥的浓度较高劳伦斯—麦卡蒂模式的基本概念2.4.3Lawrence-McCarty曝气池V、Xa、Se二沉池Q、S0Q(1+R)Xa、SeXe、SeⅡQw、XaRQ、Xr、SeⅠQw、Xr、Se(Q-Qw)微生物比增殖速率劳伦斯—麦卡蒂模式的基本概念2.4.3Lawrence-McCarty当微生物增长的全部必要条件得到满足时，对于某一时间增量△t，微生物体浓度增量△x，微生物体浓度的增量△x与现存的微生物体浓度x成正比txx引入比例常数µtxx取极限：xdtdx微生物比增殖速率XdtdX2.4劳伦斯—麦卡蒂模式的基本概念2.4.3Lawrence-McCarty其中dtdX为微生物的增殖速率,mg/dX—反应器内微生物浓度，mg/l;µ--微生物比增值速率，d-1单位重量微生物（活性污泥）的增殖速率，以μ表示，单位d-1单位重量微生物的基质利用速率，用q表示，单位d-1(F/M?)单位基质利用速率（也称单位有机底物利用速率）XdtdSqu2.5udtdS--表示基质的利用速率（u-绝对值）mg/dX—反应器内微生物浓度，mg/l劳伦斯—麦卡蒂模式的基本概念2.4.3Lawrence-McCarty指在反应系统内，微生物从其生成开始到排出系统的平均停留时间，也就是反应系统内的微生物全部更新一次所需的时间。从工程上来说，就是反应系统内微生物总量与每日排放的剩余微生物量的比值。以θc或ts表示，单位为d。△X—每天从系统中排出增殖的微生物总量；mgX—反应器内微生物浓度，mg/l生物固体平均停留时间（又称细胞平均停留时间，工程上习惯称为污泥龄）劳伦斯—麦卡蒂模式的基本概念2.4.3tXVXc/2.6Lawrence-McCarty反应器内微生物总量针对两种不同的排泥方式生物固体平均停留时间与微生物比增殖速率的关系？劳伦斯—麦卡蒂模式的基本概念2.4.3ewrwacXQQXQVX)(ewawacXQQXQVX)(传统方式劳-麦推荐2.72.8Lawrence-McCarty一般Xe值很低，可以忽略rwacXQVXwcQV2.92.10XdtdXtXVXc/1cc12.11txVXc/XdtdX生物固体平均停留时间与微生物比增殖速率的关系对比1、第一基本方程式在反应器内，微生物量因增殖而增加，同时又因内源代谢而减少，其综合变化可用下式表示：dtdXudtdS为微生物净增殖速率，mg/(L·d)；为基质利用速率（降解速率），mg/(L·d)；Y－活性污泥产率，mg（生物量）/mg（降解的有机基质）；Kｄ－微生物内源代谢作用的自身氧化率，又称衰减系数，d-1；Xa－反应器内微生物浓度，mg/L；劳伦斯—麦卡蒂基本方程式2.4.4aduXKdtdSYdtdX2.12Lawrence-McCarty劳伦斯—麦卡蒂以微生物增殖和对有机基质的利用为基础，1970年建立了活性污泥反应动力学方程式劳-麦第一基本方程式表示的是生物固体平均停留时间（θc）与产率（Y）、单位基质利用速率（q）及衰减系数（Kd）之间的关系劳伦斯—麦卡蒂基本方程式2.4.4dcKYq12.13aduXKdtdSYdtdXdauaKXdtdSYXdtdX左右除以Xa劳伦斯－麦卡蒂第一基本方程式c1qLawrence-McCarty劳伦斯—麦卡蒂基本方程式2.4.4Lawrence-McCartyqv在莫诺模式的基础上建立起来的，提出有机基质的降解速率等于其被微生物的利用速率，即2、第二基本方程式SKSvvsmax2.3已知XdtdSqu2.5SKSXvdtdSsaumax2.14推出劳伦斯—麦卡蒂基本方程式2.4.4SKSXvdtdSsaumax用qmax值代替vmax，得到式中：S－反应器内基质浓度；ｑmax－单位生物量的最大基质利用速率（在高底物浓度条件）Ｋs－半速率系数，其值等于时的基质浓度max21qq2.14SKSXqdtdSsaumax2.15Lawrence-McCarty劳伦斯－麦卡蒂第二基本方程式劳-麦第二基本方程式表示基质降解速率与反应器内微生物浓度和基质浓度之间的关系劳伦斯—麦卡蒂基本方程式的应用———————六个方面的应用2.4.5Lawrence-McCarty1、确立出水基质浓度（Se）与生物固体平均停留时间（θc）之间的关系2、确立微生物浓度（X）与生物固体平均停留时间θc之间的关系。3、确立活性污泥回流比（R）与生物固体平均停留时间（θc）之间的关系4、总产率（Y）与表现产率（Yobs）之间的关系5、θc值与Se值及E的关系6、对方程式的推论SKSvvsmax劳伦斯—麦卡蒂基本方程式的应用2.4.5dcdcseKYvKKS11max2.16对推流式deoseoeocKSSKSSSSvYln)()(1max2.17Lawrence-McCarty1、确立处理水基质浓度（Se）与生物固体平均停留时间（θc）之间的关系从式（2.16）可见，Ks、Kd、Y、vmax都是系数，其值通过实验确定，对某一条件来说，其值为一常数；而Se值仅为θc的函数，即)(cefS如欲提高处理效果，降低Se值，就必须适当提高θc值。通过劳-麦的基本方程式加以整理，可以得到：对完全混合式劳伦斯—麦卡蒂基本方程式的应用2.4.5)1()(cdeocKSSYtX2.18X对推流式（反应器内微生物浓度采用其平均值）。)1()(cdeocKSSYtX2.19Lawrence-McCarty2、确立微生物浓度（X）与生物固体平均停留时间θc之间的关系对曝气池系统中基质的量（S）作物料衡算，对衡算结果整理，可得：水力停留时间从式可知，反应器内微生物的浓度（X）是生物固体平均停留时间（θc）的函数，即X=f(θc)。t—污水在反应器内的反应时间，d对完全混合式对系统中的生物量（X）作物料衡算，对衡算结果加以整理，则可得：式中：Xr－回流污泥的浓度，其最高浓度（Xr）max可由下式估算：式中：SVI－污泥指数。用上式计算所得的Xr值为近似值，此外，以SVI为基础计算所得的Xr值为MLSS，应换算为MLVSS。劳伦斯—麦卡蒂基本方程式的应用2.4.5arcXXRRVQ112.20SVIXr6max10)(2.21Lawrence-McCarty3、确立活性污泥回流比（R）与生物固体平均停留时间（θc）之间的关系产率是单位时间内，微生物的增长量与基质降解量的比值。其表达式为：qXdtdSXdtdXdSdXdtdSdtdXYuuu