第四章-(43)活性污泥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)課件

§4．3有機(jī)物降解與活性污泥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)4.3.1概述4.3.2莫諾方程式4.3.3勞倫斯——麥卡蒂方程式§4．3有機(jī)物降解與活性污泥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)4.3.114.3.1概述其值不同，就會(huì)導(dǎo)致、∴動(dòng)力學(xué)是研究討論下列函數(shù)關(guān)系：

∵、的變化生物化學(xué)反應(yīng)是一種以生物酶為催化劑的化學(xué)反應(yīng)。污水生物處理中，人們總是創(chuàng)造合適的環(huán)境條件去得到希望的反應(yīng)速度。4.3.1概述其值不同，就會(huì)導(dǎo)致、∴動(dòng)力學(xué)是研究討論下列2

即研究:(1)底物降解速率與底物濃度、生物量、環(huán)境因素等方面的關(guān)系；(2)微生物增長(zhǎng)速率與底物濃度、生物量、環(huán)境因素等方面的關(guān)系；(3)反應(yīng)機(jī)理研究，從反應(yīng)物過(guò)渡到產(chǎn)物所經(jīng)歷的途徑。即研究:3

在生化反應(yīng)中，反應(yīng)速度是指單位時(shí)間里底物的減少量、最終產(chǎn)物的增加量或細(xì)胞的增加量。在廢水生物處理中，是以單位時(shí)間里底物的減少或細(xì)胞的增加來(lái)表示生化反應(yīng)速度。

圖中的生化反應(yīng)可以用下式表示：

即

該式反映了底物減少速率和細(xì)胞增長(zhǎng)速率之間的關(guān)系，是廢水生物處理中研究生化反應(yīng)過(guò)程的一個(gè)重要規(guī)律。反應(yīng)速度及式中：反應(yīng)系數(shù)又稱產(chǎn)率系數(shù)，mg（生物量）/mg（降解的底物）。反應(yīng)速度及式中：反應(yīng)系數(shù)4實(shí)驗(yàn)表明反應(yīng)速度與一種反應(yīng)物A的濃度ρA成正比時(shí)，稱這種反應(yīng)對(duì)這種反應(yīng)物是一級(jí)反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明反應(yīng)速度與二種反應(yīng)物A、B的濃度ρA、ρB成正比時(shí)，或與一種反應(yīng)物A的濃度ρA的平方ρA2成正比時(shí)，稱這種反應(yīng)為二級(jí)反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明反應(yīng)速度與ρA·ρB2成正比時(shí)，稱這種反應(yīng)為三級(jí)反應(yīng)；也可稱這種反應(yīng)是A的一級(jí)反應(yīng)或B的二級(jí)反應(yīng)。在生化反應(yīng)過(guò)程中，底物的降解速度和反應(yīng)器中的底物濃度有關(guān)。

一般地：aA+bB→gG+hH如果測(cè)得反應(yīng)速度：v＝dcA/dt=kcAa

·cBba+b=n,n為反應(yīng)級(jí)數(shù)。反應(yīng)級(jí)數(shù)實(shí)驗(yàn)表明反應(yīng)速度與一種反應(yīng)物A的濃度ρA成正比時(shí)，稱這種反應(yīng)5

設(shè)生化反應(yīng)方程式為：現(xiàn)底物濃度ρS以[S]表示，則生化反應(yīng)速度：

式中：k——反應(yīng)速度常數(shù)，隨溫度而異；

n——反應(yīng)級(jí)數(shù)。上式亦可改寫為：該式可用圖表示，圖中直線的斜率即為反應(yīng)級(jí)數(shù)n。或lgvlg[S]或lgvlg[S]6反應(yīng)速度不受反應(yīng)物濃度的影響時(shí)，為零級(jí)反應(yīng)。在溫度不變時(shí)零級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)速度是常數(shù)。對(duì)反應(yīng)物A而言，零級(jí)反應(yīng)：式中：v——反應(yīng)速度；

t——反應(yīng)時(shí)間；

k——反應(yīng)速度常數(shù),受溫度影響。

在反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)物A的量增加時(shí)，k為正值；在廢水生物處理中，有機(jī)污染物逐漸減少，反應(yīng)常數(shù)為負(fù)值。反應(yīng)速度不受反應(yīng)物濃度的影響時(shí)，為零級(jí)反應(yīng)。在溫度不變時(shí)零級(jí)7

反應(yīng)速度與反應(yīng)物濃度的一次方成正比關(guān)系，稱這種反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)。對(duì)反應(yīng)物A而言，一級(jí)反應(yīng)：

式中：v——反應(yīng)速度；

t——反應(yīng)時(shí)間；

k——反應(yīng)速度常數(shù),受溫度影響。

在反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)物A的量增加時(shí)，k為正值；在廢水生物處理中，有機(jī)污染物逐漸減少，反應(yīng)常數(shù)為負(fù)值。反應(yīng)速度與反應(yīng)物濃度的一次方成正比關(guān)系，稱這種反應(yīng)為8

反應(yīng)速度與反應(yīng)物濃度的二次方成正比，稱這種反應(yīng)為二級(jí)反應(yīng)。對(duì)反應(yīng)物A而言，二級(jí)反應(yīng)：

式中：v——反應(yīng)速度；

t——反應(yīng)時(shí)間；

k——反應(yīng)速度常數(shù),受溫度影響。在反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)物A的量增加時(shí)，k為正值；在廢水生物處理中，有機(jī)污染物逐漸減少，反應(yīng)常數(shù)為負(fù)值。反應(yīng)速度與反應(yīng)物濃度的二次方成正比，稱這種反應(yīng)為二級(jí)94.3.2莫諾方程式1.Monod（莫諾,1942）公式的由來(lái)與演變4.3.2莫諾方程式1.Monod（莫諾,1942）公101）米－門公式：（1913年）純酶→單一基質(zhì)酶促反應(yīng)中基質(zhì)比降解速率1）米－門公式：（1913年）純酶→單一基質(zhì)酶促反應(yīng)112）Monod公式（1942年）微生物的比增長(zhǎng)速率純菌種→單一基質(zhì)3）Monod公式（1950年）微生物的比增長(zhǎng)速率（4-29）異養(yǎng)微生物群體→單一基質(zhì)2）Monod公式（1942年）微生物的比增長(zhǎng)速率純菌種12∵∴（4-30）（4-32）

∴∵∴（4-30）（4-32）∴134）Lawrence公式：（1960～1970年）異養(yǎng)微生物群體（活性污泥）→污水中混合有機(jī)物證實(shí)有機(jī)物降解速率也符合Monod公式2．Monod公式的推論1）當(dāng)混合液中S＞＞KS則（4-32）式中KS可忽略不計(jì)——高有機(jī)物濃度由（4-32）式可簡(jiǎn)化為：

結(jié)論：在高有機(jī)物濃度下，有機(jī)底物以最大的速度進(jìn)行降解，而與有機(jī)底物濃度無(wú)關(guān)，呈零級(jí)反應(yīng)；而有機(jī)底物的降解速度與污泥濃度的一次方成正比關(guān)系，呈一級(jí)反應(yīng)。

4）Lawrence公式：（1960～1970年）2．Mo14將（4-36）積分：

(4-37)

(4-38)2）在低有機(jī)物濃度條件下，S<<KS，分母中S可忽略結(jié)論：在低有機(jī)物濃度條件下，有機(jī)底物的降解速度與有機(jī)物的一次方成正比，呈一級(jí)反應(yīng)。將（4-36）積分：(4-37)153）當(dāng)混合液中S在S′～S′′之間——中等有機(jī)物濃度4）一相說(shuō)與二相說(shuō)一相說(shuō)——Monod公式二相說(shuō)——Eckenfelder二相說(shuō)——非連續(xù)函數(shù)

3）當(dāng)混合液中S在S′～S′′之間——中等有機(jī)物濃度4）一163．Monod公式的應(yīng)用與參數(shù)的確定1）3．Monod公式的應(yīng)用與參數(shù)的確定1）17

∵S＝Se＜＜S′′并為定值且處于減速生長(zhǎng)期，屬一級(jí)反應(yīng)：∴適合于

（4-36）

在穩(wěn)定條件下，對(duì)有機(jī)物進(jìn)行物料平衡：

＝+（4-39）

進(jìn)入曝氣池的流出曝氣池的在曝氣池降解的（4-40）

∴∵S＝Se＜＜S′′并為定值且處于減速生長(zhǎng)期，屬一級(jí)反應(yīng)18（4-41）當(dāng)以Se代替莫諾方程式（4-32）式中的S得出：

（4-42）

并在等式兩邊同時(shí)除以X得出：

當(dāng)Se＜＜Ks時(shí)，呈一級(jí)反應(yīng)，而Se、在穩(wěn)定條件下均為常數(shù)可以由4-41確定曝氣池體積V，如何求K2（4-41）當(dāng)以Se代替莫諾方程式（4-32）式中的S得出：19（4-44）（4-45）由（4-41）或（4－45）式可知：

（4-43）（4-44）（4-45）由（4-41）或（4－45）式可知：20

（4-46）（4-47）4．K2、Vmax、KS的求定1）K2的求定（圖4-14）（4-41）（4-46）（4-47）4．K2、Vmax、KS的求定（421第四章-(43)活性污泥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)課件222）據(jù)4－43求定Vmax、KS（圖4-15）=

+

為縱坐標(biāo)斜率為橫坐標(biāo)截距（4-48）

倒數(shù)式2）據(jù)4－43求定Vmax、KS（圖4-15）=+23

5．對(duì)推流式曝氣池的分析1）分析與問(wèn)題的提出Qw＜＜Q，Xe≈05．對(duì)推流式曝氣池的分析Qw＜＜Q，Xe≈024

2)對(duì)完全混合式曝氣池分析2)對(duì)完全混合式曝氣池分析253）完全混合式、推流式二者水力停留時(shí)間的比較根據(jù)給水工程（第四版）P249表14－3：●●3）完全混合式、推流式二者水力停留時(shí)間的比較根據(jù)給水工程（26則

CFSTR——Continuous—FlowStirredTankRectorPF——Plug－Flow則CFSTR——Continuous—FlowSti271．概述1）提出單位微生物量的底物利用率q為一常數(shù)（4-49）以θC、q作為基本參數(shù)，并以第一、二兩個(gè)基本方程式表達(dá)。2）勞－麥第一基本方程式（在4－20基礎(chǔ)上建立）（4-50）4.3.3勞倫斯——麥卡蒂活性污泥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式（4-49）以θC、q作為基本參數(shù)，并以第一、二兩個(gè)283）勞－麥第二基本方程式：由V＝q為基礎(chǔ)推出

有機(jī)物的降解速度等于其被微生物的利用速度。反映有機(jī)底物的利用速率（降解速率）與曝氣池內(nèi)微生物濃度Xa及有機(jī)底物濃度S之間的關(guān)系。K為單位生物量第最高底物利用速度。（4-52）2．勞－麥方程式的推論與應(yīng)用1）處理水有機(jī)底物濃度Se與的關(guān)系（4-53）Y——微生物產(chǎn)率：mg微生物量/mg有機(jī)物量Ks——半速度系數(shù)3）勞－麥第二基本方程式：由V＝q為基礎(chǔ)推出反映29（4-53）公式的推導(dǎo)：由（4-25）與（4-44）式可得出：（4-53）公式的推導(dǎo)：30移項(xiàng)整理：

(4-53)移項(xiàng)整理：(4-53)31Se0θminθcθc值提高，處理水Se下降有機(jī)物去除E提高；低某值，變化劇烈Se0θminθcθc值提高，322）反應(yīng)器內(nèi)活性污泥濃度Xa與的關(guān)系（4-54）公式的推導(dǎo)：由（4-25）與（4-44）公式得出：（4-54）移項(xiàng)：

2）反應(yīng)器內(nèi)活性污泥濃度Xa與的關(guān)系（4-533（4-54）

3）污泥回流比R與θc值之間的關(guān)系（4-55）而（4-54）3）污泥回流比R與θc值之間的關(guān)系（4-55344）完全混合式曝氣池有機(jī)底物降解速度的推導(dǎo)：Monod式在低有機(jī)物濃度下，有機(jī)底物的降解速度

勞－麥?zhǔn)剑河袡C(jī)底物的降解速度等于其被微生物的利用速度

（4-56）而則（4-49）（4-58）

(4-57)4）完全混合式曝氣池有機(jī)底物降解速度的推導(dǎo)：勞－麥?zhǔn)剑河袡C(jī)底35或（4-60）（4-59）5）活性污泥的二種產(chǎn)率（合成產(chǎn)率Y與表觀產(chǎn)率Yobs）與θc的關(guān)系Y——合成產(chǎn)率，表示微生物的增殖總量，沒(méi)有去除內(nèi)源呼吸而消亡的那一部分Yobs——表觀產(chǎn)率，實(shí)測(cè)所得微生物的增殖量，即微生物的凈增殖量，已去除了因內(nèi)源呼吸而消亡的那一部分。（4-61）

Yobs的用處？或（4-60）（4-59）5）活性污泥的二種產(chǎn)率（合成產(chǎn)率Y36§4．3有機(jī)物降解與活性污泥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)4.3.1概述4.3.2莫諾方程式4.3.3勞倫斯——麥卡蒂方程式§4．3有機(jī)物降解與活性污泥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)4.3.1374.3.1概述其值不同，就會(huì)導(dǎo)致、∴動(dòng)力學(xué)是研究討論下列函數(shù)關(guān)系：

∵、的變化生物化學(xué)反應(yīng)是一種以生物酶為催化劑的化學(xué)反應(yīng)。污水生物處理中，人們總是創(chuàng)造合適的環(huán)境條件去得到希望的反應(yīng)速度。4.3.1概述其值不同，就會(huì)導(dǎo)致、∴動(dòng)力學(xué)是研究討論下列38

即研究:(1)底物降解速率與底物濃度、生物量、環(huán)境因素等方面的關(guān)系；(2)微生物增長(zhǎng)速率與底物濃度、生物量、環(huán)境因素等方面的關(guān)系；(3)反應(yīng)機(jī)理研究，從反應(yīng)物過(guò)渡到產(chǎn)物所經(jīng)歷的途徑。即研究:39

在生化反應(yīng)中，反應(yīng)速度是指單位時(shí)間里底物的減少量、最終產(chǎn)物的增加量或細(xì)胞的增加量。在廢水生物處理中，是以單位時(shí)間里底物的減少或細(xì)胞的增加來(lái)表示生化反應(yīng)速度。

圖中的生化反應(yīng)可以用下式表示：

即

該式反映了底物減少速率和細(xì)胞增長(zhǎng)速率之間的關(guān)系，是廢水生物處理中研究生化反應(yīng)過(guò)程的一個(gè)重要規(guī)律。反應(yīng)速度及式中：反應(yīng)系數(shù)又稱產(chǎn)率系數(shù)，mg（生物量）/mg（降解的底物）。反應(yīng)速度及式中：反應(yīng)系數(shù)40實(shí)驗(yàn)表明反應(yīng)速度與一種反應(yīng)物A的濃度ρA成正比時(shí)，稱這種反應(yīng)對(duì)這種反應(yīng)物是一級(jí)反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明反應(yīng)速度與二種反應(yīng)物A、B的濃度ρA、ρB成正比時(shí)，或與一種反應(yīng)物A的濃度ρA的平方ρA2成正比時(shí)，稱這種反應(yīng)為二級(jí)反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明反應(yīng)速度與ρA·ρB2成正比時(shí)，稱這種反應(yīng)為三級(jí)反應(yīng)；也可稱這種反應(yīng)是A的一級(jí)反應(yīng)或B的二級(jí)反應(yīng)。在生化反應(yīng)過(guò)程中，底物的降解速度和反應(yīng)器中的底物濃度有關(guān)。

一般地：aA+bB→gG+hH如果測(cè)得反應(yīng)速度：v＝dcA/dt=kcAa

·cBba+b=n,n為反應(yīng)級(jí)數(shù)。反應(yīng)級(jí)數(shù)實(shí)驗(yàn)表明反應(yīng)速度與一種反應(yīng)物A的濃度ρA成正比時(shí)，稱這種反應(yīng)41

設(shè)生化反應(yīng)方程式為：現(xiàn)底物濃度ρS以[S]表示，則生化反應(yīng)速度：

式中：k——反應(yīng)速度常數(shù)，隨溫度而異；

n——反應(yīng)級(jí)數(shù)。上式亦可改寫為：該式可用圖表示，圖中直線的斜率即為反應(yīng)級(jí)數(shù)n。或lgvlg[S]或lgvlg[S]42反應(yīng)速度不受反應(yīng)物濃度的影響時(shí)，為零級(jí)反應(yīng)。在溫度不變時(shí)零級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)速度是常數(shù)。對(duì)反應(yīng)物A而言，零級(jí)反應(yīng)：式中：v——反應(yīng)速度；

t——反應(yīng)時(shí)間；

k——反應(yīng)速度常數(shù),受溫度影響。

在反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)物A的量增加時(shí)，k為正值；在廢水生物處理中，有機(jī)污染物逐漸減少，反應(yīng)常數(shù)為負(fù)值。反應(yīng)速度不受反應(yīng)物濃度的影響時(shí)，為零級(jí)反應(yīng)。在溫度不變時(shí)零級(jí)43

反應(yīng)速度與反應(yīng)物濃度的一次方成正比關(guān)系，稱這種反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)。對(duì)反應(yīng)物A而言，一級(jí)反應(yīng)：

式中：v——反應(yīng)速度；

t——反應(yīng)時(shí)間；

k——反應(yīng)速度常數(shù),受溫度影響。

在反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)物A的量增加時(shí)，k為正值；在廢水生物處理中，有機(jī)污染物逐漸減少，反應(yīng)常數(shù)為負(fù)值。反應(yīng)速度與反應(yīng)物濃度的一次方成正比關(guān)系，稱這種反應(yīng)為44

反應(yīng)速度與反應(yīng)物濃度的二次方成正比，稱這種反應(yīng)為二級(jí)反應(yīng)。對(duì)反應(yīng)物A而言，二級(jí)反應(yīng)：

式中：v——反應(yīng)速度；

t——反應(yīng)時(shí)間；

k——反應(yīng)速度常數(shù),受溫度影響。在反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)物A的量增加時(shí)，k為正值；在廢水生物處理中，有機(jī)污染物逐漸減少，反應(yīng)常數(shù)為負(fù)值。反應(yīng)速度與反應(yīng)物濃度的二次方成正比，稱這種反應(yīng)為二級(jí)454.3.2莫諾方程式1.Monod（莫諾,1942）公式的由來(lái)與演變4.3.2莫諾方程式1.Monod（莫諾,1942）公461）米－門公式：（1913年）純酶→單一基質(zhì)酶促反應(yīng)中基質(zhì)比降解速率1）米－門公式：（1913年）純酶→單一基質(zhì)酶促反應(yīng)472）Monod公式（1942年）微生物的比增長(zhǎng)速率純菌種→單一基質(zhì)3）Monod公式（1950年）微生物的比增長(zhǎng)速率（4-29）異養(yǎng)微生物群體→單一基質(zhì)2）Monod公式（1942年）微生物的比增長(zhǎng)速率純菌種48∵∴（4-30）（4-32）

∴∵∴（4-30）（4-32）∴494）Lawrence公式：（1960～1970年）異養(yǎng)微生物群體（活性污泥）→污水中混合有機(jī)物證實(shí)有機(jī)物降解速率也符合Monod公式2．Monod公式的推論1）當(dāng)混合液中S＞＞KS則（4-32）式中KS可忽略不計(jì)——高有機(jī)物濃度由（4-32）式可簡(jiǎn)化為：

結(jié)論：在高有機(jī)物濃度下，有機(jī)底物以最大的速度進(jìn)行降解，而與有機(jī)底物濃度無(wú)關(guān)，呈零級(jí)反應(yīng)；而有機(jī)底物的降解速度與污泥濃度的一次方成正比關(guān)系，呈一級(jí)反應(yīng)。

4）Lawrence公式：（1960～1970年）2．Mo50將（4-36）積分：

(4-37)

(4-38)2）在低有機(jī)物濃度條件下，S<<KS，分母中S可忽略結(jié)論：在低有機(jī)物濃度條件下，有機(jī)底物的降解速度與有機(jī)物的一次方成正比，呈一級(jí)反應(yīng)。將（4-36）積分：(4-37)513）當(dāng)混合液中S在S′～S′′之間——中等有機(jī)物濃度4）一相說(shuō)與二相說(shuō)一相說(shuō)——Monod公式二相說(shuō)——Eckenfelder二相說(shuō)——非連續(xù)函數(shù)

3）當(dāng)混合液中S在S′～S′′之間——中等有機(jī)物濃度4）一523．Monod公式的應(yīng)用與參數(shù)的確定1）3．Monod公式的應(yīng)用與參數(shù)的確定1）53

∵S＝Se＜＜S′′并為定值且處于減速生長(zhǎng)期，屬一級(jí)反應(yīng)：∴適合于

（4-36）

在穩(wěn)定條件下，對(duì)有機(jī)物進(jìn)行物料平衡：

＝+（4-39）

進(jìn)入曝氣池的流出曝氣池的在曝氣池降解的（4-40）

∴∵S＝Se＜＜S′′并為定值且處于減速生長(zhǎng)期，屬一級(jí)反應(yīng)54（4-41）當(dāng)以Se代替莫諾方程式（4-32）式中的S得出：

（4-42）

并在等式兩邊同時(shí)除以X得出：

當(dāng)Se＜＜Ks時(shí)，呈一級(jí)反應(yīng)，而Se、在穩(wěn)定條件下均為常數(shù)可以由4-41確定曝氣池體積V，如何求K2（4-41）當(dāng)以Se代替莫諾方程式（4-32）式中的S得出：55（4-44）（4-45）由（4-41）或（4－45）式可知：

（4-43）（4-44）（4-45）由（4-41）或（4－45）式可知：56

（4-46）（4-47）4．K2、Vmax、KS的求定1）K2的求定（圖4-14）（4-41）（4-46）（4-47）4．K2、Vmax、KS的求定（457第四章-(43)活性污泥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)課件582）據(jù)4－43求定Vmax、KS（圖4-15）=

+

為縱坐標(biāo)斜率為橫坐標(biāo)截距（4-48）

倒數(shù)式2）據(jù)4－43求定Vmax、KS（圖4-15）=+59

5．對(duì)推流式曝氣池的分析1）分析與問(wèn)題的提出Qw＜＜Q，Xe≈05．對(duì)推流式曝氣池的分析Qw＜＜Q，Xe≈060

2)對(duì)完全混合式曝氣池分析2)對(duì)完全混合式曝氣池分析613）完全混合式、推流式二者水力停留時(shí)間的比較根據(jù)給水工程（第四版）P249表14－3：●●3）完全混合式、推流式二者水力停留時(shí)間的比較根據(jù)給水工程（62則

CFSTR——Continuous—FlowStirredTankRectorPF——Plug－Flow則CFSTR——Continuous—FlowSti631．概述1）提出單位微生物量的底物利用率q為一常數(shù)（4-49）以θC、q作為基本參數(shù)，并以第一、二兩個(gè)基本方程式表達(dá)。2）勞－麥第一基本方程式（在4－20基礎(chǔ)上建立）（4-50）4.3.3勞倫斯——麥卡蒂活