第四章43活性污泥反应动力学1b255df7770bf78a65295408

§4．3有机物降解与活性污泥反应动力学基础4.3.1概述4.3.2莫诺方程式4.3.3劳伦斯——麦卡蒂方程式MFNSdtdsdtdxdtdo2SKXSVdtdsSKSVVx,sfdtdsSmaxSmaxSKXSdtdxSKS)X,S(gdtdxSmaxSmaxvr22VXbQSao)X,SHdtdo4.3.1概述其值不同，就会导致、∴动力学是研究讨论下列函数关系：∵、的变化生物化学反应是一种以生物酶为催化剂的化学反应。污水生物处理中，人们总是创造合适的环境条件去得到希望的反应速度。即研究:(1)底物降解速率与底物浓度、生物量、环境因素等方面的关系；(2)微生物增长速率与底物浓度、生物量、环境因素等方面的关系；(3)反应机理研究，从反应物过渡到产物所经历的途径。在生化反应中，反应速度是指单位时间里底物的减少量、最终产物的增加量或细胞的增加量。在废水生物处理中，是以单位时间里底物的减少或细胞的增加来表示生化反应速度。图中的生化反应可以用下式表示：即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。反应速度tytdXd1dSdSdXdyPXSzytytdSddXd及式中：反应系数又称产率系数，mg（生物量）/mg（降解的底物）。实验表明反应速度与一种反应物A的浓度ρA成正比时，称这种反应对这种反应物是一级反应。实验表明反应速度与二种反应物A、B的浓度ρA、ρB成正比时，或与一种反应物A的浓度ρA的平方ρA2成正比时，称这种反应为二级反应。实验表明反应速度与ρA·ρB2成正比时，称这种反应为三级反应；也可称这种反应是A的一级反应或B的二级反应。在生化反应过程中，底物的降解速度和反应器中的底物浓度有关。一般地：aA+bB→gG+hH如果测得反应速度：v＝dcA/dt=kcAa·cBba+b=n,n为反应级数。反应级数设生化反应方程式为：现底物浓度ρS以[S]表示，则生化反应速度：式中：k——反应速度常数，随温度而异；n——反应级数。上式亦可改写为：该式可用图表示，图中直线的斜率即为反应级数n。PXSzyknvlg]Slg[lgntv]S[d]S[dnktv]S[d]S[d或lgvlg[S]反应速度不受反应物浓度的影响时，为零级反应。在温度不变时零级反应的反应速度是常数。对反应物A而言，零级反应：式中：v——反应速度；t——反应时间；k——反应速度常数,受温度影响。在反应过程中，反应物A的量增加时，k为正值；在废水生物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值。ktkvddA，ktA0A反应速度与反应物浓度的一次方成正比关系，称这种反应为一级反应。对反应物A而言，一级反应：式中：v——反应速度；t——反应时间；k——反应速度常数,受温度影响。在反应过程中，反应物A的量增加时，k为正值；在废水生物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值。AAddktkvA，tk3.2lglgA0A反应速度与反应物浓度的二次方成正比，称这种反应为二级反应。对反应物A而言，二级反应：式中：v——反应速度；t——反应时间；k——反应速度常数,受温度影响。在反应过程中，反应物A的量增加时，k为正值；在废水生物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值。2A2AddktkvA，ktA0A11μmaxμmaxμmax0SS=KsS=S'SKs+SμmaxSμ=2μ=图4-11莫诺方程式与其μ=f(S)关系曲线1dsdtdsVXdt降解速率：－比降解速率：4.3.2莫诺方程式1.Monod（莫诺,1942）公式的由来与演变vmaxv=vmaxv=2vmax图4-12米-门方程式与其v=f(S)关系曲线SKSVXdtdshkgkgSKSVdtdsXVSSmaxmax)/(11）米－门公式：（1913年）纯酶→单一基质酶促反应中基质比降解速率dtdsXV1)/(1maxhkgkgSKSdtdsXS2）Monod公式（1942年）微生物的比增长速率纯菌种→单一基质max1SSdxXdtKS3）Monod公式（1950年）微生物的比增长速率（4-29）异养微生物群体→单一基质dtdsX1dtdxX1dtdsX1VrVVrVrmaxmaxmaxmaxSKSVSKSrSKSr1rVSmaxSmaxSmaxmaxSdsXSVdtKS有机底物降解速度——莫诺方程式∵∴（4-30）（4-32）∴V：比降解速率4）Lawrence公式：（1960～1970年）异养微生物群体（活性污泥）→污水中混合有机物证实有机物降解速率也符合Monod公式1max1max433434VVKdsVXKXdt呈零级反应（）－与生物量有关（）2．Monod公式的推论1）当混合液中S＞＞KS则（4-32）式中KS可忽略不计——高有机物浓度由（4-32）式可简化为：结论：在高有机物浓度下，有机底物以最大的速度进行降解，而与有机底物浓度无关，呈零级反应；而有机底物的降解速度与污泥浓度的一次方成正比关系，呈一级反应。）（－）（呈一级反应3643542maxmax2maxmaxXSKXSKVSKXSVdtdsSKSKVSKSVVSSSSXtKSSLn20XtKeSS20将（4-36）积分：(4-37)(4-38)2）在低有机物浓度条件下，SKS，分母中S可忽略结论：在低有机物浓度条件下，有机底物的降解速度与有机物的一次方成正比，呈一级反应。SKXSVdtdsSKSVVSmaxSmax－呈分数级反应是连续函数SKSVVSmaxXKXVdtdsKVV：1max1max高有机物浓度XSKdtdsSKV：22低有机物浓度3）当混合液中S在S´～S´´之间——中等有机物浓度4）一相说与二相说一相说——Monod公式二相说——Eckenfelder二相说——非连续函数公式的推导完全混合曝气池中dtds曝气池二次沉淀池处理水回流污泥剩余污泥QS0(Q+RQ)SeXQSeQwXrRQSeXrV.Se.X图4-13完全混合活性污泥系统的物料平衡3．Monod公式的应用与参数的确定1）XSKdtds2∵S＝Se＜＜S´´并为定值且处于减速生长期，属一级反应：∴适合于XSKdtds2（4-36）在稳定条件下，对有机物进行物料平衡：e0RQSQSeS)RQQ(Vdtds＝+（4-39）进入曝气池的流出曝气池的在曝气池降解的VSSQdtdse)(0（4-40）∴：）（XSKdtds）（式得出代入将4043642eeSKXVSSQ20)(（4-41）当以Se代替莫诺方程式（4-32）式中的S得出：eSemaxSKXSVdtds（4-42）VSSQSKXSV：）（）（eeSe)(4044240max式后代入将并在等式两边同时除以X得出：当Se＜＜Ks时，呈一级反应，而Se、在稳定条件下均为常数dtds可以由4-41确定曝气池体积V，如何求K2SKSVSKXtSSNSemaxe2e0rs002max()eeerveSeQSSSSXSNXKSVVtKS（4-44）（4-45）由（4-41）或（4－45）式可知：e2e0SKXtSS)XtK1(SXtSKSSXtSKSS2ee2e0e2e0tX)SS(XV)SS(QSKSVe0e0eSemax（4-43）XtK11SS20e有机物地残留率XtK1XtKXtK111SS1SSS2220e0e0去除率（4-46）（4-47）4．K2、Vmax、KS的求定1）K2的求定（图4-14）SKNSKXtSSe2rse2e02ers0S，NK，XtSSe则直线的斜率即为为横坐标作图以为纵坐标即以（4-41）0Se(mg/L)S0-SeXt(kgBOD/kgMLSS·d)图4-14图解法确定K2值K21组2组3组4组5组2）据4－43求定Vmax、KS（图4-15）1vmaxSe1Ks1图4-15确定常数值VmaxKs的图解法1XtvmaxS0-Se=Ks11())(vmaxSevmax+XtS0-SeKsvmaxSe1Ks1图17-9确定常数值vmaxKs的图解法e0SSXt=maxSVKeS1+maxV1为纵坐标斜率为横坐标截距tX)SS(XV)SS(QSKSVe0e0eSemax（4-48）倒数式5．对推流式曝气池的分析1）分析与问题的提出Q、S0RQ、Se、XrQ-QwSe、XeQw、Xr处理水X、Se(Q+RQ)S由大→小；F/M变化X变化，取XVPF对推流式曝气池分析Qw＜＜Q，Xe≈02)对完全混合式曝气池分析处理水Qw、XrQ-QwSe、XeX、Se(Q+RQ)VCFSTRRQ、Se、XrQ、S0QVt：水力停留时间定义)1(1t1t：00iCSTRiPFCCK；CCLnK一级反应3）完全混合式、推流式二者水力停留时间的比较根据给水工程（第四版）P249表14－3：11：02eCFSTRCFSTRSSXKQVt对于完全混合式e02PFPFSSLnXK1QV：t而对于推流式●●QVQVttPFCFSTRPFCFSTRPFCFSTRVV则CFSTR——Continuous—FlowStirredTankRectorPF——Plug－Flow相同要使出水相同时当e0S，CFSTRPFXX、XSQ、1．概述1）提出单位微生物量的底物利用率q为一常数auXdtdsq（4-49）dcKYq1drscKYN：1254式而以θC、q作为基本参数，并以第一、二两个基本方程式表达。2）劳－麦第一基本方程式（在4－20基础上建立）（4-50）4.3.3劳伦斯——麦卡蒂活性污泥反应动力学方程式maxaaussXSXSdsKVdtKSKS3）劳－麦第二基本方程式：由V＝q为基础推出有机物的降解速度等于其被微生物的利用速度。反映有机底物的利用速率（降解速率）与曝气池内微生物浓度Xa及有机底物浓度S之间的关系。K为单位生物量第最高底物利用速度。（4-52）2．劳－麦方程式的推论与应用1）处理水有机底物浓度Se与的关系dcmaxdcseK1YVK1KS（4-53）Y——微生物产率：mg微生物量/mg有机物量Ks——半速度系数c（4-53）公式的推导：由（4-25）与（4-44）式可得出：desedrscKSKSVYKYNmax1：c上面等式两边都cdcesemaxKSKSVY1：SKes上面等式两边都scdcdcmaxeecdscdcemaxescdcemaxesKKKYVSSKKKSYVSKKSYVSK移项整理：1KYVSKKKcdmaxescds1KYVK1KSdmaxccdsedcmaxdcseK1YVK1KSemaxScdKYV处理水有机底物的浓度仅取决于污泥龄。，，均为常数(4-53)Se0θminθcθc值提高，处理水Se下降有机物去除E提高；低某值，变化剧烈2）反应器内