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活性污泥反应动力学是以酶工程的米凯利斯—门坦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。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：μ=µmaxS/KS+S微生物在对数期和静止期的典型生长模式。式中：µ为微生物比增长速度，即单位生物量的增长速度.µmax为微生物最大比增长速度；KS：饱和常数，为μ=1/2μmax底物浓度，故又称半速度常数。S：底物浓度。讨论：（1）当底物过量存在时，微生物生长不受底物限制。处于对数增长期，速度达到最大值,为一常数。∵SKS、KS+S≈S∴μ=umax。此时反应速度和底物浓度无关，呈零级反应，即n=0。（2）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。∵S＜＜KS、KS+S≈Ks∴μ=μmaxS/Ks=KS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=μmaxS/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+Smonod方程的结论使米一门方程式引入了废水工程的理论中。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＝YVµmax＝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。基础概念：微生物比增殖速率：μ=(dρc/dt)/ρc；单位基质利用率：单位微生物量的底物利用率，q=(dρs/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=Vρc/⊿ρc；基本方程：第1方程：dρc/dt=Y(dρs/dt)u-Kdρca1/θc=Yq－Kd第2方程：V＝VmaxS/(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(dρs/dt)u=VmaxSρca/(Ks+S)方程的应用（1）确立处理水有机底物浓度（Se）与生物固体平均停留时间（θc）之间的关系对完全混合式Se＝Ks(1/θc+Kd)/[Y(Sa-Se)-(1/θc+Kd)]对推流式1/θc=YVmax(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，就必须适当提高θc。（2）确立微生物浓度（X）与θc间的关系。对完全混合式：X＝θcY(Sa-Se)/t(1+Kdθc)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。（3）确立了污泥回流比(R)与θc的关系。1/θc=qV[1+R-R(Xr/Xa)]/V式中：Xr为回流污泥浓度:(Xr)max=106/SVI。（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)工艺流程的选择：(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。进行活性污泥处理系统的工艺计算和设计时、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。主要是下列各项：(1)废水的水量、水质及变化规律；(2)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；(4)污泥负荷率与BOD5去除率：(5)混合液浓度与污泥回流比：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(区)容积的计算．需氧量和供气量的计算、池体设汁等几项。1．曝气池(区)容积的计算(1)计算方法与计算公式计算曝气区容积，常用的有机负荷计算法．也称BOD负荷计算法。负荷有两种表示方法，即污泥负荷和容积负荷。曝气池(区)容积计算公式列于表2—l—2中。(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/(kgMLVSSd)。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，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。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：(1)活性污泥混合液的浓度较高，有絮凝性能，其沉降属于成层沉淀；(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)或—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，所以需要适当地增大污泥区容积。二次沉淀池的计算与设计包括：池型的选择；沉淀池(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。1．二次沉淀池池型的选择平流式、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．近年来人们在平流式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，方形多斗辐流式沉淀池。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。在实际工程设计中常用的是表面负荷法。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。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。为厂保证二次沉淀他的水力效率和有效容积，池的水深和直径应保持一定的比例关系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。由于活性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：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，其污泥排放量应等于污泥增长量。污泥回流系统的计算和设计内容包括污泥回流星的计算；污泥回流设备的选择与设计。1．污泥回流量的计算污泥回流量是关系到处理效果的重要设计参数，应根据不同的水质、水量和运行方式，确定适宜的回流比。回流比的大小取决于混合液污泥浓度和回流污泥浓度，而回流污泥浓度又与SVI值有关。在实际曝气池运行中，由于SVI值在一定的幅度内变化，并且需要根据进水负荷的变化，调整混合液污泥浓度，因此，在进行污泥回流设备设汁时，应按最大回流比设计。污泥回流系统的计算与设计2污泥回流设备的选择与议计合建式的曝气沉淀池，活性污泥可从沉淀区通过回流缝自行回流入曝气区，而对分建式曝气池，活性污泥则要通过污泥回流设备回流。污泥回流设备包括提升设备和输泥管渠。常用的污泥提升设备是污泥泵和空气提升器。污泥泵的型式主要有螺旋泵和轴流泵，其远行效率较高，可用于各种规模的废水处理工程。空气提升器的效率低，但结构简单，管理方便，且可在提升过程中对活性污泥充氧。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。1．曝气沉淀他的池体2．回流窗孔3．回流缝4．导流区下降流速5．容积系数小结1、活性污泥反应动力学2、活性污泥系统的工艺设计及计算