第五章 活性污泥法(1)

1、第第5章章 活性污泥法活性污泥法5-1 活性污泥法的活性污泥法的基本概念基本概念5-2 活性污泥净化反应活性污泥净化反应影响因素影响因素5-3 活性污泥活性污泥反应反应动力学基础动力学基础5-4 气体传递原理气体传递原理和曝气池和曝气池5-5 活性污泥活性污泥法类型法类型5-6 活性污泥法系统设计和活性污泥法系统设计和 运行中的问题探讨运行中的问题探讨5-7 活性污泥法的设计计算活性污泥法的设计计算5-8 曝气系统曝气系统与空气扩散装置与空气扩散装置污水的生化处理法污水的生化处理法按氧的利用方式不同：按氧的利用方式不同： 好氧生物处理好氧生物处理 厌氧生物处理厌氧生物处理按微生物在水中的集聚状

2、态按微生物在水中的集聚状态不同不同： 悬浮生长系统悬浮生长系统 固定膜系统固定膜系统1.活性污泥活性污泥法的基本概念与流程法的基本概念与流程 2. 活性污泥活性污泥的形态与活性污泥微生物的形态与活性污泥微生物3. 活性污泥净化反应过程活性污泥净化反应过程5-1 活性污泥法的基本概念活性污泥法的基本概念当前应用当前应用最广泛的技术之一最广泛的技术之一已有已有90多年的历史多年的历史5-1 活性污泥法的基本概念活性污泥法的基本概念1. 活性污泥活性污泥法的基本概念与流程法的基本概念与流程 活性污泥法是利用某些微生物在生长繁殖过程中形活性污泥法是利用某些微生物在生长繁殖过程中形成表面积较大的成表面积

3、较大的菌胶团菌胶团，大量絮凝和吸附废水中的污染，大量絮凝和吸附废水中的污染物，并将这些物质摄入细胞体内，物，并将这些物质摄入细胞体内，在有氧条件下在有氧条件下，将这，将这些物质同化为菌体本身的组分，或将这些物质氧化为二些物质同化为菌体本身的组分，或将这些物质氧化为二氧化碳、水等物质。这种氧化碳、水等物质。这种具有活性的微生物菌胶团或絮具有活性的微生物菌胶团或絮状污泥颗粒的微生物群体状污泥颗粒的微生物群体即称为活性污泥。以活性污泥即称为活性污泥。以活性污泥为主体的污水生物处理技术就叫活性污泥法。为主体的污水生物处理技术就叫活性污泥法。 活性污泥法的基本流程活性污泥法的基本流程 活性污泥反应器活性

4、污泥反应器曝气池曝气池 核心核心 二次沉淀池二次沉淀池 固液分离固液分离 污泥回流系统污泥回流系统 补充微生物，接种补充微生物，接种 曝气与空气扩散系统曝气与空气扩散系统 充氧充氧、搅拌搅拌活性污泥法的基本流程系统活性污泥法的基本流程系统清水清水二沉池二沉池剩余污泥剩余污泥曝气池曝气池回流污泥回流污泥空气空气经预处理后的经预处理后的污水污水（1）活性污泥的性状特征活性污泥的性状特征 正常工作的活性污泥一般呈正常工作的活性污泥一般呈黄褐色絮状颗粒。黄褐色絮状颗粒。有机物占有机物占75%-85%，主要为微生物，主要为微生物， 无机物占无机物占15-25%供氧不足或出现厌氧状态时呈黑色，供氧过多营养

5、不足时呈供氧不足或出现厌氧状态时呈黑色，供氧过多营养不足时呈灰白色。灰白色。粒径：粒径： 0.02-0.2mm较大比表面积：较大比表面积： 20-100cm2/mL含水率较高：含水率较高： 99%比重：比重： 1.002-1.006(一般随含水率变化一般随含水率变化) 固体物质：固体物质： 1% 2. 活性污泥活性污泥的形态与活性污泥微生物的形态与活性污泥微生物 活性污泥的物质组成活性污泥的物质组成 具有代谢功能活性的微生物群体（具有代谢功能活性的微生物群体（Ma）微生物内源代谢和自身氧化的残留物微生物内源代谢和自身氧化的残留物由原污水挟入的由原污水挟入的难降解有机物难降解有机物Mi由污水挟入

6、的无机物由污水挟入的无机物MiiMe（也属于难降解有机物也属于难降解有机物）（2）活性污泥微生物及其作用活性污泥微生物及其作用 活性污泥的微生物有活性污泥的微生物有细菌、霉菌细菌、霉菌、真菌、真菌、原生动物原生动物和后和后生动物生动物等等组成。组成。细菌是活性污泥中最重要的成员细菌是活性污泥中最重要的成员，除一般的，除一般的球菌、杆菌、螺旋菌外，还有许多比较高级的丝状细菌。球菌、杆菌、螺旋菌外，还有许多比较高级的丝状细菌。 活性污泥中活性污泥中的细菌以异养型的原核微生物的细菌以异养型的原核微生物细菌为主细菌为主。正常成熟的活性污泥上的细菌数量大致介于正常成熟的活性污泥上的细菌数量大致介于107

7、108个个/mL在活性污泥处理系统中，有大量的原生动物和微型动物，在活性污泥处理系统中，有大量的原生动物和微型动物，它们以游离的细菌和有机微粒作为食物，因此可以起到提高它们以游离的细菌和有机微粒作为食物，因此可以起到提高出水水质的作用。原生动物和微型动物还可作为指示生物来出水水质的作用。原生动物和微型动物还可作为指示生物来推测废水处理的效果和系统运行是否正常。如果活性污泥系推测废水处理的效果和系统运行是否正常。如果活性污泥系统统运转不正常运转不正常，出水水质差，则，出水水质差，则原生动物以游泳型的纤毛类原生动物以游泳型的纤毛类为主，如草履虫（为主，如草履虫（Paramecium）。如果如果运转

8、正常运转正常，出水良好，出水良好，原生动物则以固着的纤毛类为主，例如钟虫、累枝虫原生动物则以固着的纤毛类为主，例如钟虫、累枝虫（Epistylis）等，并有后生动物出现，如轮虫、甲壳虫和线虫。等，并有后生动物出现，如轮虫、甲壳虫和线虫。（）污泥性状不好时出现的一种原生动物污泥性状不好时出现的一种原生动物草草履虫履虫污泥状态良好时常见到的一种原生动物污泥状态良好时常见到的一种原生动物钟虫钟虫活性污泥法水处理过程微生物的增殖与变迁活性污泥法水处理过程微生物的增殖与变迁原生动物原生动物 称之为活性污泥系统中的称之为活性污泥系统中的指示性生物指示性生物。活性污泥是高度富集的有机体，只有将其活性污泥是高

9、度富集的有机体，只有将其分离分离处理才能达到净化目的。处理才能达到净化目的。 减速增殖期（稳定期）减速增殖期（稳定期） 污泥污泥凝聚沉降性能好。凝聚沉降性能好。 对数增殖期对数增殖期 微生物不受基质限微生物不受基质限制，细菌趋于以制，细菌趋于以最大最大表面积的游离表面积的游离单体的形式存在于高浓度有机物废单体的形式存在于高浓度有机物废水中，水中，污泥沉降性不好，污泥沉降性不好，不易分离，不易分离，导致出水水质不好导致出水水质不好。常见于。常见于高有机高有机负荷处理负荷处理。活性污泥生长曲线与纯细菌生长曲线相似。活性污泥生长曲线与纯细菌生长曲线相似。比值比值F/M是重要参数。是重要参数。（3）活

10、性污泥活性污泥生长曲线生长曲线 适应期适应期 是微生物的细胞内各是微生物的细胞内各种酶系统对环境的适应过程。种酶系统对环境的适应过程。对数增长期对数增长期减速增殖期减速增殖期a内源呼吸期内源呼吸期量量X0bcdS(BOD)（污泥）污泥）时间时间0氧的利用速度氧的利用速度活性污泥增长曲线及其和有机污染物（活性污泥增长曲线及其和有机污染物（BOD）降解、氧利用速度的关系（有机污染物一次投加）降解、氧利用速度的关系（有机污染物一次投加） 2 . 2MF2 . 21 . 0MF内源呼吸阶段内源呼吸阶段，微生物开，微生物开始代谢菌胶团多糖体或自身始代谢菌胶团多糖体或自身原生质，处于饥饿状态，污原生质，处

11、于饥饿状态，污泥较松散泥较松散。 活性污泥法废水处理，活性污泥法废水处理，主要运行于减速增殖期。主要运行于减速增殖期。为为了保证高稳定的出水，了保证高稳定的出水，可适可适当进行内源呼吸阶段运行。当进行内源呼吸阶段运行。（3）活性污泥活性污泥生长曲线生长曲线1 . 0MF对数增长期对数增长期减速增殖期减速增殖期a内源呼吸期内源呼吸期量量X0bcdS(BOD)（污泥）污泥）时间时间0氧的利用速度氧的利用速度活性污泥增长曲线及其和有机污染物（活性污泥增长曲线及其和有机污染物（BOD）降解、氧利用速度的关系（有机污染物一次投加）降解、氧利用速度的关系（有机污染物一次投加） 3. 3. 活性污泥净化反应

12、过程活性污泥净化反应过程（1 1）初期吸附）初期吸附 活性污泥有很大的比表活性污泥有很大的比表面积，可以较高的速度吸附面积，可以较高的速度吸附悬浮或胶体状污染物。悬浮或胶体状污染物。一般一般在在5-10min内，污水中的有机内，污水中的有机物可被大量去除。物可被大量去除。物理吸附物理吸附与生物吸附的交织作用与生物吸附的交织作用。 生活污水处理中活性污生活污水处理中活性污泥在泥在10-30分钟内可因吸附作分钟内可因吸附作用除去用除去85-90的的BOD; 废废水中的水中的金属离子，有大约金属离子，有大约30-90能被活性污泥通过吸能被活性污泥通过吸附除去。附除去。污水与活性污泥混和曝气后污水与活

13、性污泥混和曝气后BOD5值的变化情况值的变化情况吸附阶段吸附阶段（2）微生物代谢：微生物对有机物的氧化分解或代谢过程）微生物代谢：微生物对有机物的氧化分解或代谢过程HOH2yxCOO)2z4yx(OHC222zyx酶HOH)4y(2nCO)5x(n)NOHC(O)52z4yx(nnNHOHnC22n27523zyx式微生物细胞组织的化学酶HnNHOnH2nCO5nO5)NOHC(3222n275酶1氧化分解氧化分解2合成代谢（合成新细胞）合成代谢（合成新细胞）3内源代谢内源代谢（2）微生物代谢：微生物对有机物的氧化分解或代谢过程）微生物代谢：微生物对有机物的氧化分解或代谢过程内源呼吸内源呼吸微

14、生物对有机物的分解代谢与合成代谢及其产物的模式图微生物对有机物的分解代谢与合成代谢及其产物的模式图（3）凝聚沉淀）凝聚沉淀 二沉池内的泥水分离二沉池内的泥水分离可降解可降解有机物有机物氧化氧化1/32/3合成合成无机物能量无机物能量新细胞物质新细胞物质残留物质残留物质无机物能量无机物能量2080内源代谢内源代谢微生物三项代谢活动之间的数量关系（麦金尼提出）微生物三项代谢活动之间的数量关系（麦金尼提出）1活性污泥活性污泥净化反应影响因素净化反应影响因素2、 活性污泥法的工作参数活性污泥法的工作参数5-2 活性污泥净化反应影响因素活性污泥净化反应影响因素1活性污泥活性污泥净化反应影响因素净化反应影

15、响因素（1）营养物质营养物质 活性污泥微生物的近似化学式为活性污泥微生物的近似化学式为C5H7O2N，考虑磷，考虑磷的细胞分子式：的细胞分子式：C60H87O23N12P, 原生动物的近似化学式为原生动物的近似化学式为C7H14O3N。可按菌体的主要成分比例供给营养。可按菌体的主要成分比例供给营养。研究者研究者SawyerSimpsonMckinneyEekenfelderBOD:N:P100:4.3:190:5.3:180:5.0:1100:5.0:1营养物比例的某些研究结果营养物比例的某些研究结果5-2 活性污泥净化反应影响因素活性污泥净化反应影响因素（5）有毒物质有毒物质（2）溶解氧溶解

16、氧 活性污泥法是好氧生物处理技术。但对溶解氧的要求并不严格，活性污泥法是好氧生物处理技术。但对溶解氧的要求并不严格，只要细菌能获得所需的溶解氧进行代谢，其代谢速率基本不受溶解只要细菌能获得所需的溶解氧进行代谢，其代谢速率基本不受溶解氧浓度的影响。如果溶解氧浓度过低，就会影响代谢活动，使净化氧浓度的影响。如果溶解氧浓度过低，就会影响代谢活动，使净化能力下降，还易于形成丝状菌占优，产生污泥膨胀现象。能力下降，还易于形成丝状菌占优，产生污泥膨胀现象。一般曝气一般曝气池内的溶解氧应保持在池内的溶解氧应保持在2mg/L以上以上。 （3）pH值值 适宜适宜pH值为值为6.5-8.5之间。当之间。当pH降到

17、降到4.5以下，原生动物消失，以下，原生动物消失，真菌优势，真菌优势，易产生污泥膨胀易产生污泥膨胀。pH超过超过8.5以后微生物代谢速率下降。以后微生物代谢速率下降。 微生物代谢活动可调节改变环境的微生物代谢活动可调节改变环境的pH值。对于值。对于pH值过大或过值过大或过小的废水应作适当的预处理。小的废水应作适当的预处理。 （4）水温水温 好氧处理的适宜温度为好氧处理的适宜温度为15 -35。温度过高和过低时都可对。温度过高和过低时都可对污泥活性产生不利影响、污泥活性产生不利影响、BOD去除率降低。另外应避免温度的突去除率降低。另外应避免温度的突然大幅度变化。一般应控制在然大幅度变化。一般应控

18、制在2 以内。以内。 评价活性污泥的工作状态，除了根据其中微生物种类、数量来判断外，评价活性污泥的工作状态，除了根据其中微生物种类、数量来判断外，还主要根据以下参数来分析控制活性污泥的处理过程。还主要根据以下参数来分析控制活性污泥的处理过程。（1）混合液混合液悬浮固体悬浮固体（MLSS，Mixed Liquor Suspended Solids） MLSS为为1L曝气池混合液中所含悬浮固体的干重，单位为曝气池混合液中所含悬浮固体的干重，单位为g/L或或mg/L，一般活性污泥的一般活性污泥的MLSS控制在控制在2g/L4g/L。MLSS = Ma + Me + Mi + MiiMa: 活性污泥中

19、具有活性的细胞部分活性污泥中具有活性的细胞部分Me：微生物代谢残留物，这部分物质无活性难于生物降解。微生物代谢残留物，这部分物质无活性难于生物降解。Mi：难于降解的有机物难于降解的有机物Mii:附着在活性污泥上的无机物附着在活性污泥上的无机物（2）混合液混合液挥发性悬浮固体挥发性悬浮固体（MLVSS，Mixed Liquor Volatile Suspended Solids ） 为为1L混合液中所含挥发性悬浮固体（指能被完全燃烧的物质）的重量，混合液中所含挥发性悬浮固体（指能被完全燃烧的物质）的重量，单位用单位用g/L表示表示，为为MLSS 中的有机物部分中的有机物部分。一般城市污水的一般城

20、市污水的MLVSS与与MLSS之比在之比在0.750.85左右。左右。2活性污泥的活性污泥的运行运行参数参数有机物有机物无机物无机物（1）污泥沉降比（污泥沉降比（SV） SV是指一定量的混合液静置是指一定量的混合液静置30min以后，沉降的污泥体积与原混合液体积以后，沉降的污泥体积与原混合液体积之比，以百分数表示。之比，以百分数表示。正常的污泥在静正常的污泥在静置置30分钟后，可接近最大密度，所以分钟后，可接近最大密度，所以SV反映了曝气池正常运行的污泥量。反映了曝气池正常运行的污泥量。 控制剩余污泥的排放量控制剩余污泥的排放量 及时反映污泥膨胀等异常现象及时反映污泥膨胀等异常现象 SV易测且

21、便于说明问题，是评价活易测且便于说明问题，是评价活性污泥特征的重要指标。性污泥特征的重要指标。一般城市污水一般城市污水的的SV值在值在15%30%左右。左右。 SV应用应用1000mL或或100mL量筒测定。量筒测定。 SVI又称又称污泥指数污泥指数，指曝气池混合液经，指曝气池混合液经30min静静置沉降后污泥的体积与干重之比置沉降后污泥的体积与干重之比。SVISVMLSS(g/mL)(mL/g)（2）污泥容积系数（污泥容积系数（SVI） 它反映活性污泥的凝聚性和沉降性，它反映活性污泥的凝聚性和沉降性，一般一般SVI控控制在制在70100之间之间为好。为好。 SVI 过低，沉降性能虽好，过低，

22、沉降性能虽好，污泥活性差；污泥活性差；SVI 过高，表明污泥已发生膨胀。过高，表明污泥已发生膨胀。习惯上只称数字习惯上只称数字不带单位不带单位V 曝气池容积曝气池容积m3 X 曝气池的曝气池的MLSS浓度浓度 kg/m3Q 废水流量废水流量 m3/d Qw 污泥排出量污泥排出量 m3/dXr排放污泥浓度排放污泥浓度kg/ m3 Xe 净化水的污泥浓度净化水的污泥浓度kg/ m3 （Xr）max最大排放污泥浓度最大排放污泥浓度mg/ Lc=V X(Q-Qw)Xe + Qw XrV XQw Xr 污泥龄值高，意味着污泥龄值高，意味着F/M低、池容积大，效率低。但由于必须考虑细低、池容积大，效率低。

23、但由于必须考虑细菌世代时间、排放污泥量和出水质量，菌世代时间、排放污泥量和出水质量，c c也不能过小。一般也不能过小。一般c为为3-10天，天，为较好的除去可溶性有机物应采用较小的为较好的除去可溶性有机物应采用较小的c ，为使污泥有较好的沉降性应，为使污泥有较好的沉降性应采用中等大小的采用中等大小的c ，为减少污泥排放量应采用较长的，为减少污泥排放量应采用较长的c 。 曝气池中工作的活性污泥总量与每日排放的（剩余）污泥量之比。曝气池中工作的活性污泥总量与每日排放的（剩余）污泥量之比。又称微生物又称微生物/或细胞或细胞/或生物固体平均停留时间或生物固体平均停留时间（SRT） ，单位，单位: dS

24、VIXmaxr610)(（1） BOD污泥负荷（污泥负荷（Ns） 指单位时间内，单位重量的活性污泥所能够接受，并将其降解到指单位时间内，单位重量的活性污泥所能够接受，并将其降解到预定程度的有机污染物量，预定程度的有机污染物量，kg（BOD）/kg（MLSS）d。 污泥负荷也可称为食物与微生物比值，即污泥负荷也可称为食物与微生物比值，即F/M，工程上用，工程上用BOD-污污泥负荷（泥负荷（Ns）。）。Ns过高会引起污泥膨胀，一般过高会引起污泥膨胀，一般Ns取值在取值在0.3d-10.6d-1之间。之间。lF 指指BOD 、COD（有机物或营养物）（有机物或营养物）Sa进水进水BOD，mg/L l

25、M 污泥，一般以污泥，一般以MLVSS表示表示 Se出水出水BOD，mg/L lQ污水流量，污水流量，m3/d X MLSS，mg/LlV曝气池容积，曝气池容积，m3 Sr去除去除BOD，mg/L lNsBOD-污泥负荷污泥负荷 NrsBOD-污泥去除负荷污泥去除负荷XVQSNMFasXVQSXV)-SQ(SNrears区别区别（2）BOD容积负荷率（容积负荷率（Nv） 指单位曝气池容积，在单位时间内能够接受，并指单位曝气池容积，在单位时间内能够接受，并将其降解到预定程度的有机污染物量（将其降解到预定程度的有机污染物量（BOD），），kg（BOD）/m3d。VQSNavXNNsv则则 污泥负荷

26、过低时污泥负荷过低时，可因，可因两种情况引起两种情况引起SVI升高：升高：其其一是营养物不足时，比表面一是营养物不足时，比表面积大的丝状菌生长快、积大的丝状菌生长快、占主占主要优势，造成要优势，造成SVI升高升高；其其二是形成菌胶团的细胞外多二是形成菌胶团的细胞外多糖基质被细菌作为营养消耗，糖基质被细菌作为营养消耗，絮粒小，絮粒小，SVI升高升高。 污泥负荷过高时污泥负荷过高时，微生，微生物营养非常丰富，游离菌生物营养非常丰富，游离菌生长有利，菌胶团细菌趋于解长有利，菌胶团细菌趋于解絮成单体游离菌，以增加比絮成单体游离菌，以增加比表面，也会使表面，也会使SVI升高。升高。 避免避免BOD污泥负

27、荷介于污泥负荷介于0.5-1.5kg/(kgMLSSd)污泥容积系数（污泥容积系数（SVI）与污泥负荷的相关关系）与污泥负荷的相关关系 01002005004003002.52.01.01.50.50SVI(mL/g)高负荷高负荷一般负荷一般负荷低低负负荷荷BOD-污泥负荷率污泥负荷率(kgBOD/kgMLSSd) 污泥负荷与污泥负荷与SVI值之间的关系值之间的关系bVXaQSXrearSSS污水中的有机物得到降解去除，同时活性污泥得到增长。污水中的有机物得到降解去除，同时活性污泥得到增长。（1） 活性污泥微生物在曝气池内每日净增殖量活性污泥微生物在曝气池内每日净增殖量X（kg/d）是微生是微

28、生物合成反应和内源代谢的综合结果，即物合成反应和内源代谢的综合结果，即 式中：式中：a污泥产率（污泥转换率）污泥产率（污泥转换率） Sr污水中被降解、去除的有机污染物的浓度（污水中被降解、去除的有机污染物的浓度（BOD），），kg/m3X曝气池混合液的活性污泥浓度，曝气池混合液的活性污泥浓度，MLSS,kg/m3b自身氧化率（衰减系数），自身氧化率（衰减系数），d1（15）（16）S Sa a原水中有机污染物的浓度（原水中有机污染物的浓度（BODBOD），），kg/mkg/m3 3S Sb b出水中有机污染物的浓度（出水中有机污染物的浓度（BODBOD），），kg/mkg/m3 3计算剩余污泥

29、量计算剩余污泥量式中：式中：Y 污泥产率系数；污泥产率系数； Kd微生物自身氧化率（衰减系数），微生物自身氧化率（衰减系数），d-1； 对于生活污水：对于生活污水：Kd0.050.1 XvMLVSSvdeavVXK)SS(YQXa、b一般在工程设计与运行中应用，并以一般在工程设计与运行中应用，并以MLSS为基准考虑为基准考虑Y、Kd一般在科研和学术探讨上应用，且以一般在科研和学术探讨上应用，且以MLVSS为计算基准为计算基准 07. 0) 1 . 005. 0(075. 007. 0)k(b5 . 04 . 0)65. 05 . 0(73. 049. 0)Y(ad城市污水：城市污水：对于生活污

30、水：vdeavVXK)SS(YQXdvvvKVXSSQYVXX)(ba 将上式各项除以将上式各项除以VXv得得活性污泥微生物净增殖（活性污泥微生物净增殖（也是剩余污泥量也是剩余污泥量）的基本方程式：）的基本方程式：vearsVXSSQN)(cvvVXX1drscKYN1计算污泥龄或确定计算污泥龄或确定Y、Kd 微生物对有机污染物的降解包括：微生物对有机污染物的降解包括：氧化分解和合成、内源呼吸氧化分解和合成、内源呼吸降解降解，故其需氧量为：，故其需氧量为： 式中：式中：a为微生物对有机污染物氧化分解的需氧率；为微生物对有机污染物氧化分解的需氧率； b为活性污泥自身氧化的需氧率。为活性污泥自身氧

31、化的需氧率。 两边同除以两边同除以VXv 得得或或 两边同除以两边同除以QSr 得得可以看出：可以看出：a（27）式为单位重量活性污泥的耗氧量，与）式为单位重量活性污泥的耗氧量，与NS有关。有关。 b（28）式为降解）式为降解1kgBOD的需氧量，其与的需氧量，其与NS的倒数有关。的倒数有关。NS负荷负荷越高，泥龄越短，则降解单位越高，泥龄越短，则降解单位BOD需氧量就越低。需氧量就越低。式中式中 a、b可以通过一组试验结果作图求得可以通过一组试验结果作图求得(P113图图410)。 a值：值：生活污水为生活污水为 0.40.53。b值：介于值：介于0.11 0.188之间。之间。O2aQSr

32、bVXvO2 / VXv = aNrs bO2 / QSr =ab1/ Nrs （27）（28）5-3 活性污泥活性污泥反应动力学基础反应动力学基础1 概述概述2 莫诺方程式莫诺方程式3 劳伦斯劳伦斯麦卡蒂方程式麦卡蒂方程式 1概概 述述 对活性污泥反应动力学更深一层研讨的目的，是对对活性污泥反应动力学更深一层研讨的目的，是对反应机理进行研究。研讨的主要内容是：反应机理进行研究。研讨的主要内容是：（1）有机底物的降解速度与有机底物浓度、活性污泥有机底物的降解速度与有机底物浓度、活性污泥微生物量等因素之间的关系；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（亦即活性污泥的增活性污泥微

33、生物的增殖速度（亦即活性污泥的增长速度）与有机底物浓度、微生物量等因素之间的关系。长速度）与有机底物浓度、微生物量等因素之间的关系。 2莫诺方程莫诺方程 SKSSmaxSKSSmax微生物的比增殖速度，微生物的比增殖速度，t-1 S有机底物浓度有机底物浓度max微生物最大比增殖速度，微生物最大比增殖速度，t-1 有机底物的比降解速度，有机底物的比降解速度， t-1 Ks饱和常数，为当饱和常数，为当 = max 时的底物浓度时的底物浓度 max有机底物的最大比降解速度，有机底物的最大比降解速度， t-1 微生物的比增长速率微生物的比增长速率纯菌种纯菌种单一基质单一基质纯酶纯酶单一基质单一基质酶促

34、反应中基质比降解速率酶促反应中基质比降解速率SKSSmaxdtdSX1SKXSdtdSSmax有机底物降解速度有机底物降解速度dtdS 2莫诺方程莫诺方程 （1）莫诺基本方程）莫诺基本方程XKXSKXSdtdSSKSmaxSmaxmaxSmax1推论：推论：在高浓度有机物的条件下，有机底物以最大的速度进行降解，而在高浓度有机物的条件下，有机底物以最大的速度进行降解，而与有机与有机底物浓度无关，呈零级反应关系底物浓度无关，呈零级反应关系，S-S区段。区段。在高浓度有机物的条件下，在高浓度有机物的条件下，有机底物的降解速度与污泥浓度（生物量）有机底物的降解速度与污泥浓度（生物量）有关，并呈一级反应

35、关系有关，并呈一级反应关系。 当混合液中当混合液中SKS，则，则KS可忽略不计可忽略不计高底物浓度条件下高底物浓度条件下 2莫诺方程莫诺方程 （2）莫诺方程的推论）莫诺方程的推论 Monod方程式是描述有机底物比降解速度（或微生物比增殖速度）方程式是描述有机底物比降解速度（或微生物比增殖速度）与有机底物浓度之间的函数关系。在两种极限条件下，进行推论：与有机底物浓度之间的函数关系。在两种极限条件下，进行推论：XSKSKXSdtdSSKKSSKSSmaxSmaxSmax22推论：推论：在低底物浓度的条件下，有机底物降解在低底物浓度的条件下，有机底物降解与有机底物浓度遵循一级反应与有机底物浓度遵循一

36、级反应。0-S区段，其斜率即为区段，其斜率即为K2。 当混合液中当混合液中SKS，则，则S可忽略不计可忽略不计低底物浓度条件下低底物浓度条件下 2莫诺方程莫诺方程 （2）莫诺方程的推论）莫诺方程的推论（3）Monod公式的应用公式的应用 在稳定条件下，对曝气池中的有机底物进行物料平衡：在稳定条件下，对曝气池中的有机底物进行物料平衡：0QSeQSVdtdS + +进入曝气池进入曝气池 流出曝气池流出曝气池 在曝气池降解的在曝气池降解的 V)SQ(SdtdSe0(1+R)QX, SeQ - QwXe, SeQS0X0=0RQ, Xr, SeVX, Se二沉池二沉池物料衡算范围完全混合连续流系统物料

37、衡算图完全混合连续流系统物料衡算图Qw，Xr剩余污泥 城市污水属低浓度污水，在完全混合曝气池内活性污泥城市污水属低浓度污水，在完全混合曝气池内活性污泥处于减速增长期，处于减速增长期， SSeS，且为定值，属一级反应：，且为定值，属一级反应： 此式成立此式成立 eXSKdtdS2V)SQ(SdtdSe0 结合结合Monod方程，可得方程，可得 e2SKXV)SQ(Se0e2SKXtSSNXV)SQ(Serse00XtKXtKXtKSSSSSee22200011111去除率 而而 V)SQ(SdtdSe0可得可得 SKXSXV)SQ(SSemax0SKXSXtSSNXV)SQ(SSersemax0

38、0SKXSdtdSSmax 莫诺方程：莫诺方程： 以上式中的以上式中的K2、max及及Ks等各值，对一定的污水等各值，对一定的污水来说，为一常数值，一般通过对实际运行污水处理来说，为一常数值，一般通过对实际运行污水处理厂的运行数据或试验数据进行分析可推导出。厂的运行数据或试验数据进行分析可推导出。 （4）K2、Vmax、KS的确定的确定erseeSKNSKXtSS220 即20KSNXtSSerse的斜率即为为横坐标作图，则直线为纵坐标，以即以 常数常数K2的确定的确定0 0S Se e(mg/L)(mg/L)S S0 0- -SeSeXtXt(kgBOD/kgMLSS(kgBOD/kgMLS

39、Sd)d)1 1组组2 2组组3 3组组4 4组组5 5组组K K2 2图图4-14 4-14 图解法确定图解法确定K2值值 Vmax、KS的确定的确定eSSXt0maxSVKeS1maxV1 = + 为纵坐标 斜率 为横坐标 截距 esemaxeSKSXtSS0 上式取倒数上式取倒数 ，得，得1XtvmaxS0-Se=Ks11()(vmaxSevmax+XtS0-SeKsvmaxSe1Ks1确定常数值确定常数值vmax、Ks的图解法的图解法 Vmax、KS的确定的确定（1）概述）概述auXdtdSq3. 劳伦斯劳伦斯麦卡蒂方程式麦卡蒂方程式 “污泥龄污泥龄”的新概念：单位重量的微生物在活性污

40、泥反应系统中的平均的新概念：单位重量的微生物在活性污泥反应系统中的平均停留时间，停留时间，“生物固体平均停留时间生物固体平均停留时间”，以，以c c表示表示 单位微生物量的底物利用率为一常数，以单位微生物量的底物利用率为一常数，以q表示表示 异养微生物群体（活性污泥）异养微生物群体（活性污泥）污水中混合有机物污水中混合有机物 证实有机物降解速率也符合证实有机物降解速率也符合Monod公式公式Xa单位微生物量；单位微生物量； 微生物对有机底物的降解速度。微生物对有机底物的降解速度。udtdS)( 以以c、q作为基本参数，并以第一、二两个基本方程式表达。作为基本参数，并以第一、二两个基本方程式表达

41、。 dcKYq13. 劳伦斯劳伦斯麦卡蒂方程式麦卡蒂方程式 劳麦第一基本方程式劳麦第一基本方程式 是在表示微生物净增殖速度与有机底物被微生物利用速度之是在表示微生物净增殖速度与有机底物被微生物利用速度之间关系的式（间关系的式（4-20）的基础上建立的。）的基础上建立的。 vdugXKdtdSYdtdXY Y微生物产率系数，微生物产率系数，mg微生物量微生物量/mg被微生物利用（降解）的有机底物；被微生物利用（降解）的有机底物； Kd 衰减系数，微生物的自身氧化率，衰减系数，微生物的自身氧化率，d-1；q单位有机底物利用率。单位有机底物利用率。 劳劳-麦第一基本方程式表示的是：生物固体平均停留时

42、间与微麦第一基本方程式表示的是：生物固体平均停留时间与微生物产率系数、单位底物利用率以及微生物的衰减系数之间的关生物产率系数、单位底物利用率以及微生物的衰减系数之间的关系。系。 SKSXKdtdSsau1 在莫诺方程的基础上，且在概念上在莫诺方程的基础上，且在概念上q。经归纳整理，劳经归纳整理，劳-麦第二基本方程式：麦第二基本方程式： 劳劳-麦第二基本方程表示的是：有机底物的利用速率（降解麦第二基本方程表示的是：有机底物的利用速率（降解速率）与曝气池内微生物浓度速率）与曝气池内微生物浓度 Xa及有机底物浓度及有机底物浓度S之间的关系。之间的关系。 劳麦第二基本方程式劳麦第二基本方程式K1单位微

43、生物量的最高底物利用速度，即单位微生物量的最高底物利用速度，即max；Xa 曝气池内微生物浓度，即活性污泥浓度，曝气池内微生物浓度，即活性污泥浓度，mg/L。（2）劳麦方程式的推论与应用）劳麦方程式的推论与应用 dcmaxdcseKYKKS11Y微生物产率系数：微生物产率系数：mg微生物量微生物量/mg有机物量有机物量 处理水有机底物浓度处理水有机底物浓度Se与生物固体平均停留时间与生物固体平均停留时间c的关系的关系 反应器内活性污泥浓度反应器内活性污泥浓度Xa与与c的计算的计算cdecaKtSSYX10t污水在反应器内的反应时间，污水在反应器内的反应时间，d 污泥回流比污泥回流比R与与c值之

44、间的关系值之间的关系arcXXRRVQ11Xr从二沉池回流的污泥浓度，剩余污泥浓度也同此值从二沉池回流的污泥浓度，剩余污泥浓度也同此值SVI)(Xmaxr610（4-11）SKq2 完全混合式曝气池有机底物降解速度的推导：完全混合式曝气池有机底物降解速度的推导：Monod式在低有机物浓度下，有机底物的降解速度式在低有机物浓度下，有机底物的降解速度劳麦式：有机底物的降解速度等于其被微生物的利用速度劳麦式：有机底物的降解速度等于其被微生物的利用速度 对完全混合曝气池，可推出：对完全混合曝气池，可推出：SK2qeaeSXKVSSQ20 qSKVXSSQeae20或或 活性污泥的二种产率（合成产率活性

45、污泥的二种产率（合成产率Y与表观产率与表观产率Yobs）与）与c的关系的关系 cdobsKYY1Y合成产率系数，合成产率系数，表示微生物的增殖总量表示微生物的增殖总量，代谢单位质量有机底物自身增，代谢单位质量有机底物自身增殖量；殖量；Yobs表观产率系数，实测所得微生物的增殖量，表观产率系数，实测所得微生物的增殖量，即微生物的净增殖量即微生物的净增殖量，已，已去除了因内源呼吸而消亡的那一部分。去除了因内源呼吸而消亡的那一部分。自学例题自学例题4-15-4 气体传递原理和曝气池气体传递原理和曝气池氧转移原理氧转移原理影响氧转移的因素影响氧转移的因素需氧量与供氧量的计算需氧量与供氧量的计算曝气池曝

46、气池现在通行的曝气方法现在通行的曝气方法机械曝气机械曝气鼓风鼓风- -机械曝气机械曝气鼓风曝气鼓风曝气dXdCDLd值单位长度内的浓度变化浓度梯度：dXdC1扩散过程的基本规律扩散过程的基本规律菲克（菲克（Fick）定律）定律 式中：式中：d物质的扩散速度，单位时间、单位断面上通过物质的扩散速度，单位时间、单位断面上通过 的物质数量；的物质数量；DL扩散系数；扩散系数；C 物质浓度；物质浓度； X 扩散过程的长度；扩散过程的长度； 5-4-1 氧转移原理氧转移原理物质的扩散速率与浓度梯度呈物质的扩散速率与浓度梯度呈正比关系。正比关系。dXdCDAdtdM：Ld d的定义式扩散速率dXdCADd

47、tdML（29）2双膜理论与氧总转移系数双膜理论与氧总转移系数KLaXfPgPiCsC紊紊流流气气相相主主体体气气膜膜液液膜膜液液相相主主体体紊紊流流界界面面（层流）（层流）双膜理论模型双膜理论模型（1）气、液两相接触的界面两侧存在着处于）气、液两相接触的界面两侧存在着处于层流状态层流状态的气膜和液膜的气膜和液膜，在，在其外侧则分别为处于紊流状态的气其外侧则分别为处于紊流状态的气相主体和液相主体相主体和液相主体。 气体分子以分子扩散方式从气相主体气体分子以分子扩散方式从气相主体通过气膜和通过气膜和液膜而进入液相主体液膜而进入液相主体。（2）气、液两相主体的物质浓度基本上是均匀的气、液两相主体的

48、物质浓度基本上是均匀的，不，不存在浓度差，也不存在传质阻力，气体向液相主体的存在浓度差，也不存在传质阻力，气体向液相主体的传递，传递，阻力仅存在于气、液两层膜中阻力仅存在于气、液两层膜中。（3）在气膜中存在氧的分压梯度，在液膜中存在氧的）在气膜中存在氧的分压梯度，在液膜中存在氧的浓度梯度，它们是氧转移的推动力。浓度梯度，它们是氧转移的推动力。（4）氧难溶于水，）氧难溶于水，氧转移决定性的阻力集中在液膜上氧转移决定性的阻力集中在液膜上，因此，因此，氧分子通过液膜是氧转移过程的控制步骤氧分子通过液膜是氧转移过程的控制步骤。双膜理论：双膜理论：）得出，将该式代入式（29fsXCCdXdCfsLXCC

49、ADdtdMCCVXADVdtdMsfLCCKdtdCsLa将上式两边同除以将上式两边同除以V（液相主体的容积，（液相主体的容积，m3）：）： (m) Xf液膜厚度/m)(kg/m 3液膜中氧的浓度梯度fsXCC 氧总转移系数fLLaVXADK)/(2hkgOdtdC3m变化速度，液相主体中溶解氧浓度KLa小，则氧转移过程中阻力大；小，则氧转移过程中阻力大；KLa大，则氧转移过程中阻力小。大，则氧转移过程中阻力小。1/KLa的单位为的单位为h，表示曝气池中溶解氧浓度从，表示曝气池中溶解氧浓度从C提高到提高到Cs所需要的时间。所需要的时间。CCKdtdCsLa提高氧转移效率的方法：提高氧转移效率

50、的方法：（1）提高）提高KLa值。要加强液相主体的紊流程度，降低液膜厚度，加速气、值。要加强液相主体的紊流程度，降低液膜厚度，加速气、液面的更新，增大气、液接触面积等（气泡细小）。液面的更新，增大气、液接触面积等（气泡细小）。（2）提高）提高Cs值。可提高气相中的氧分压，如采用纯氧曝气或高压下曝气值。可提高气相中的氧分压，如采用纯氧曝气或高压下曝气如深井曝气等。如深井曝气等。VAXDKfLaLKLa氧总转移系数是评价空气扩散装置的重要参数。氧总转移系数是评价空气扩散装置的重要参数。 值求出关系根据dtdC，Ct关系坐标图作CdtdC3KLa的测定的测定（1）水中无氧状态下的测定法）水中无氧状态

51、下的测定法 用清水，用用清水，用Na2SO3（或（或N2）对清水脱氧，使）对清水脱氧，使C0 然后进行曝气充氧，每隔一定时间，测定然后进行曝气充氧，每隔一定时间，测定DO值，直至饱和为值，直至饱和为止。止。 直线的斜率即为直线的斜率即为KLaRCCKdtdCsaLmg/L ，C：s度混合液的溶解氧饱和浓式中0直至为混合液中此时使活性污泥悬浮采用小曝气量，DO，CCKR，saL，逐时定点测定直至饱和值混合液中然后用大曝气量ssaLCDOCCK，R坐标图作CdtdC（2） 对曝气池混合液对曝气池混合液KLa的测定的测定 对于混合液，氧的变化率是氧的转移率与活性污泥微生物耗对于混合液，氧的变化率是氧

52、的转移率与活性污泥微生物耗氧率氧率R之差，即：之差，即：R活性污泥微生物的耗氧速率（活性污泥微生物的耗氧速率（mg/Lmin）RCCKdtdCsaL根据dtdCRCKsaLCKaL可写为：可写为： 截截 距距 斜率斜率 清水中污水中aLaLKKaLaLKK污水中1污水水质污水水质污水中存在着溶解性有机物，特别是表面活性物质，如短链脂肪酸和乙污水中存在着溶解性有机物，特别是表面活性物质，如短链脂肪酸和乙醇，是一种两亲分子，极性端亲水羧基醇，是一种两亲分子，极性端亲水羧基COOH或羟基或羟基OH插入液相，而插入液相，而非极性端疏水的碳基链则伸入气相中。由于两亲分子聚集在气液界面上，非极性端疏水的碳

53、基链则伸入气相中。由于两亲分子聚集在气液界面上，阻碍氧分子的扩散转移，增加了氧转移过程的阻力阻碍氧分子的扩散转移，增加了氧转移过程的阻力KLa引入一个小于引入一个小于1的因子的因子来修正表面活性物质对来修正表面活性物质对KLa的影响的影响5-4-2 影响氧转移的因素影响氧转移的因素 CCKdtdCsLa清水中污水中ssCC ssCC1污水水质污水水质 污水中含有盐类，因此，污水中含有盐类，因此，氧在水中的饱和度氧在水中的饱和度也受水质的影响。也受水质的影响。引入小于引入小于1的系数的系数因子来修正因子来修正。5-4-2 影响氧转移的因素影响氧转移的因素 表表4-11为城市污水为城市污水、参考值

54、参考值 CCKdtdCsLa 20200241TaLTaL.KKdtdCCCCTdtdCKTKTssaLaL扩散。，dtdCT但并不会完全抵消有二种相反的影响对2水温水温 总的来说，水温降低有利于氧的转移总的来说，水温降低有利于氧的转移。30-35的盛夏情况不利。的盛夏情况不利。CCKdtdCsLa3氧分压氧分压 式中：式中：压力修正系数压力修正系数 对于对于鼓风曝气池鼓风曝气池 Cs值受氧分压或气压的影响。气压值受氧分压或气压的影响。气压 ，Cs ，反之，反之则提高。在当地气压不是一个标准大气压时，则提高。在当地气压不是一个标准大气压时，C值应乘值应乘以如下修正系数：以如下修正系数：5100

55、131Pa.）所在地区实际气压（5521100262422211001312.POCOC.PCCCCbtstsbssssb4510100131H.Pb式中，AAtEEO12179121气泡内空气量气泡内氧量%SREA1000供氧量氧转移量百分数气泡中未被转移的氧的EA1气泡中未被转移的氧量EA121气泡离开池面的空气量EA12179Ot气泡从曝气池逸出时氧的百分数（）气泡从曝气池逸出时氧的百分数（）式中：式中： EA扩散装置（扩散器）的利用效率，一般为扩散装置（扩散器）的利用效率，一般为612主要影响因素概括主要影响因素概括 1) 气相中氧分压梯度气相中氧分压梯度2) 液相中氧浓度梯度液相中氧

56、浓度梯度3) 气、液之间的接触面积气、液之间的接触面积（气泡的大小）和接触时间（气泡的大小）和接触时间4) 水温水温5) 污水性质污水性质6) 水流的紊流程度水流的紊流程度溶解盐的影响的影响温度对、考虑废水水质的影响，).aKKTLLa 20200241( ， )( 及气压对Cs（T）的影响（）。CCKdtdCTsbTaL2020024.1在上式两边同乘以在上式两边同乘以V（曝气池容积），则得出转移到曝气池的总氧量（曝气池容积），则得出转移到曝气池的总氧量R为：为： VCCKdtdCVORTsbTaL20202024. 15-4-3 需氧量与供氧量的计算需氧量与供氧量的计算1实际条件下转移到曝

57、气池混合液的总氧量的计算实际条件下转移到曝气池混合液的总氧量的计算VCKdtdCVRsbaL20200VCRKsbaL20020： ， 20020公式变形可得出式中的计算代入将RVCRKsbaL 202000241TTsbsb.CCRCR曝气设备在标准条件下（曝气设备在标准条件下（1atm、水温、水温20、脱氧清水）脱氧清水中氧、脱氧清水）脱氧清水中氧 总转移量总转移量R0的计算：的计算：在标准条件下：在标准条件下：1，1，1，C0在标准条件下曝气设备的供氧量：在标准条件下曝气设备的供氧量：2标准条件下转移到曝气池混合液的总氧量的计算标准条件下转移到曝气池混合液的总氧量的计算 RfR.RR：0

58、0 611331一般erSSS0 ：式中而上式中的而上式中的R=O2=aQSr+bVXv （式（式（4-264-26）实际上，处理废水需要转移到曝气池混合液中的总氧量为实际上，处理废水需要转移到曝气池混合液中的总氧量为R，我，我们选定的曝气设备应满足在上述情况下总需氧量们选定的曝气设备应满足在上述情况下总需氧量R的要求。然而曝气的要求。然而曝气设备的制造厂家是在标准条件下测试得出曝气设备的性能参数设备的制造厂家是在标准条件下测试得出曝气设备的性能参数。 首先要确定曝气池混合液所需的需氧量首先要确定曝气池混合液所需的需氧量R 再求出在标准条件再求出在标准条件下曝气设备应转移的需氧量下曝气设备应转

59、移的需氧量R0，这样才能满足实际废水曝气池混，这样才能满足实际废水曝气池混合液所需的需氧量合液所需的需氧量R的要求，再转化成相应的供气量的要求，再转化成相应的供气量选定设备。选定设备。%SREA1000曝气器供氧量氧转移量sAssG.REG.%GS：30 (kg/h) 3043121 0式中/h)(m 10030 /h)(m ：303AssE.RGG供气量式中3氧转移效率氧转移效率EA（氧的利用效率）与供气量（氧的利用效率）与供气量Gs1）2 2） /h)(m 10030 30AsE.RG供气量21%氧在空气中所占百分比；1.43氧的容重，kg/m3 /h)(kgO 379021881820

60、KD.RQ.os)( 2/hkgOQ：os下充氧量度泵型叶轮在标准条件式中) m/s ( 601nD 4机械曝气机械曝气标准条件下充氧量（氧转移总量）标准条件下充氧量（氧转移总量）Qos的计算的计算叶轮线速度叶轮线速度 （m/s）式中式中: n叶轮转速叶轮转速 （转（转/分）分） D叶轮直径叶轮直径 K1池型修正系数（表池型修正系数（表4-14）1）Qos的计算的计算池型修池型修正系数正系数分分 建建 式式圆形曝气圆形曝气沉淀池沉淀池圆池圆池正方池正方池长方池长方池K1K2110.640.810.91.340.850.980.850.87池型修正系数池型修正系数 表表4-14 K1充氧量充氧量