活性污泥的增長(zhǎng)規(guī)律研究

三．活性污泥的增長(zhǎng)規(guī)律活性污泥中微生物的增殖是活性污泥在曝氣池內(nèi)發(fā)生反應(yīng)、有機(jī)物被降解的必然結(jié)果，而微生物增殖的結(jié)果則是活性污泥的增長(zhǎng)。一般可用活性污泥的增長(zhǎng)曲線來(lái)描述:（見(jiàn)附圖1）注意：1)間歇靜態(tài)培養(yǎng)；2)底物是一次投加；3)圖中同時(shí)還表示了有機(jī)底物降解和氧的消耗曲線。F/M值:在溫度適宜、DO充足、且不存在抑制物質(zhì)的條件下，活性污泥微生物的增殖速率主要取決于微生物與有機(jī)基質(zhì)的相對(duì)數(shù)量，即有機(jī)基質(zhì)(Food)與微生物(Microorganism)的比值，即F/M值。F/M值也是影響有機(jī)物去除速率、氧利用速率的重要因素。實(shí)際上，F(xiàn)/M值就是以BOD5表示的進(jìn)水污泥負(fù)荷()，即：3、一般來(lái)說(shuō)，可將增長(zhǎng)曲線分為以下四個(gè)時(shí)期：適應(yīng)期；(2)對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期；(3)減速增長(zhǎng)期；(4)內(nèi)源呼吸期。適應(yīng)期:是活性污泥微生物對(duì)于新的環(huán)境條件、污水中有機(jī)物污染物的種類等的一個(gè)短暫的適應(yīng)過(guò)程；經(jīng)過(guò)適應(yīng)期后，微生物從數(shù)量上可能沒(méi)有增殖，但發(fā)生了一些質(zhì)的變化：a.菌體體積有所增大；b.酶系統(tǒng)也已做了相應(yīng)調(diào)整；c.產(chǎn)生了一些適應(yīng)新環(huán)境的變異；等等。BOD5、COD等各項(xiàng)污染指標(biāo)可能并無(wú)較大變化。對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期：F/M值高(2.2)，所以有機(jī)底物異常豐富，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不是微生物增殖的控制因素；微生物的增長(zhǎng)速率與基質(zhì)濃度無(wú)關(guān)，呈零級(jí)反應(yīng)，它僅由微生物本身所特有的最小世代時(shí)間所控制，即只受微生物自身的生理機(jī)能的限制；微生物以最高速率對(duì)有機(jī)物進(jìn)行攝取，也以最高速率增殖，而合成新細(xì)胞；此時(shí)的活性污泥具有很高的能量水平，其中的微生物活動(dòng)能力很強(qiáng)，導(dǎo)致污泥質(zhì)地松散，不能形成較好的絮凝體，污泥的沉淀性能不佳；活性污泥的代謝速率極高，需氧量大；一般不采用此階段作為運(yùn)行工況，但也有采用的，如高負(fù)荷活性污泥法。減速增長(zhǎng)期:F/M值下降到一定水平后，有機(jī)底物的濃度成為微生物增殖的控制因素；微生物的增殖速率與殘存的有機(jī)底物呈正比，為一級(jí)反應(yīng)；有機(jī)底物的降解速率也開(kāi)始下降；微生物的增殖速率在逐漸下降，直至在本期的最后階段下降為零，但微生物的量還在增長(zhǎng)；活性污泥的能量水平已下降，絮凝體開(kāi)始形成，活性污泥的凝聚、吸附以及沉淀性能均較好；由于殘存的有機(jī)物濃度較低，出水水質(zhì)有較大改善，并且整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)活性污泥處理廠是將曝氣池的運(yùn)行工況控制在這一范圍內(nèi)的。內(nèi)源呼吸期:(1)內(nèi)源呼吸的速率在本期之初首次超過(guò)了合成速率，因此從整體上來(lái)說(shuō)，活性污泥的量在減少，最終所有的活細(xì)胞將消亡，而僅殘留下內(nèi)源呼吸的殘留物，而這些物質(zhì)多是難于降解的細(xì)胞壁等；污泥的無(wú)機(jī)化程度較高，沉降性能良好，但凝聚性較差；有機(jī)物基本消耗殆盡，處理水質(zhì)良好；一般不采用這一階段作為運(yùn)行工況，但也有采用，如延時(shí)曝氣法。4、活性污泥增殖規(guī)律的應(yīng)用：活性污泥的增殖狀況，主要是由F/M值所控制；處于不同增長(zhǎng)期的活性污泥，其性能不同，處理出水的水質(zhì)也不同；可以通過(guò)調(diào)整F/M值，來(lái)調(diào)控曝氣池的運(yùn)行工況，以達(dá)到所要求的出水水質(zhì)和活性污泥的良好性能；推流式：一段線段；完全混合式：一個(gè)點(diǎn)5、有機(jī)物降解與微生物增殖：活性污泥微生物增殖是微生物增殖和自身氧化（內(nèi)源呼吸）兩項(xiàng)作用的綜合結(jié)果，所以，微生物的凈增殖速率為：式中：——活性污泥微生物的凈增殖速率（）；——活性污泥微生物的合成速率；——降解每所產(chǎn)生的值，即產(chǎn)率系數(shù)（）； ——活性污泥微生物自身氧化速率； ——每每日自身氧化的數(shù)，即自身氧化系數(shù)（）；——。因此，活性污泥微生物增殖的基本方程式:積分后，得出活性污泥微生物在曝氣池內(nèi)每日得凈增長(zhǎng)量為:式中:每日污泥增長(zhǎng)量(),；；——每日處理廢水量()；——進(jìn)水濃度(或)；——出水濃度(或)。的經(jīng)驗(yàn)值：對(duì)于生活污水活與之性質(zhì)相近的工業(yè)廢水，，；幾種工業(yè)廢水的值:廢水合成纖維廢水0.380.10含酚廢水0.550.13制漿與造紙廢水0.760.016制藥廢水0.77釀造廢水0.93亞硫酸漿粕廢水0.550.13通過(guò)小試求得：將上式改寫(xiě)為:6、有機(jī)物降解與需氧:微生物的代謝需要氧：(1)需要將一部分有機(jī)物氧化分解；(2)也需要對(duì)自身細(xì)胞的一部分物質(zhì)進(jìn)行自身氧化。需氧量:式中——曝氣池混合液的需氧量，；——代謝每所需的氧量，；——每每天進(jìn)行自身氧化所需的氧量，。上式可改寫(xiě)成:或其中:——單位重量污泥的需氧量，；——去除每的需氧量，。值的確定:活性污泥法處理城市污水時(shí)的和值:運(yùn)行方式完全混合式0.71.10.420.11生物吸附法0.7-1.1傳統(tǒng)曝氣法0.8-1.1延時(shí)曝氣法1.4-1.80.530.188(2)幾種工業(yè)廢水的值:廢水石油化工廢水0.750.16合成纖維廢水0.550.142含酚廢水0.56制漿與造紙廢水0.380.092制藥廢水0.350.354釀造廢水0.93漂染廢水0.5-0.60.065煉油廢水0.550.12亞硫酸漿粕廢水0.400.185(3)試驗(yàn)法:將上述方程式改寫(xiě)成:

四．活性污泥法反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用活性污泥法反應(yīng)動(dòng)力學(xué):——可以定量或半定量地揭示系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)物降解、污泥增長(zhǎng)、耗氧等作用與各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)以及環(huán)境因素之間的關(guān)系；——它主要包括:基質(zhì)降解的動(dòng)力學(xué)，涉及基質(zhì)降解與基質(zhì)濃度、生物量等因素的關(guān)系；微生物增長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，涉及微生物增長(zhǎng)與基質(zhì)濃度、生物量、增長(zhǎng)常數(shù)等因素的關(guān)系；還研究底物降解與生物量增長(zhǎng)、底物降解與需氧、營(yíng)養(yǎng)要求等的關(guān)系。在建立活性污泥法反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型時(shí),有以下假設(shè):除特別說(shuō)明外，都認(rèn)為反應(yīng)器內(nèi)物料是完全混合的，對(duì)于推流式曝氣池系統(tǒng)，則是在此基礎(chǔ)上加以修正；活性污泥系統(tǒng)的運(yùn)行條件絕對(duì)穩(wěn)定；二次沉淀池內(nèi)無(wú)微生物活動(dòng)，也無(wú)污泥累積并且水與固體分離良好；進(jìn)水基質(zhì)均為溶解性的，并且濃度不變，也不含微生物；系統(tǒng)中不含有毒物質(zhì)和抑制物質(zhì)。主要介紹：勞倫斯——麥卡蒂（Lawrence—McCarty）模式莫諾德（Monod）模式酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)公式（米—門(mén)公式）（Michaelis—Menton）活性污泥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)——米—門(mén)公式與莫諾德模式米—門(mén)公式Michaelis—Menton提出酶的“中間產(chǎn)物”學(xué)說(shuō)，通過(guò)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出了含單一基質(zhì)單一反應(yīng)的酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)公式，即米—門(mén)公式：式中：——酶促反應(yīng)中產(chǎn)物生成的反應(yīng)速率；——產(chǎn)物生成的最高速率；——米氏常數(shù)（又稱飽和常數(shù)，半速常數(shù)）；——基質(zhì)濃度。中間產(chǎn)物學(xué)說(shuō)：米門(mén)公式的圖示：B.莫諾德模式：Monod于1942年和1950年曾兩次進(jìn)行了單一基質(zhì)的純菌種培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)了與上述酶促反應(yīng)類似的規(guī)律，進(jìn)而提出了與米門(mén)公式想類似的表達(dá)微生物比增殖速率與基質(zhì)濃度之間的動(dòng)力學(xué)公式，即莫諾德模式：式中：——微生物的比增殖速率，；——基質(zhì)達(dá)到飽和濃度時(shí)，微生物的最大比增殖速率，——反應(yīng)器內(nèi)的基質(zhì)濃度，mg/l；——飽和常數(shù)，也是半速常數(shù)。隨后發(fā)現(xiàn)，用由混合微生物群體組成的活性污泥對(duì)多種基質(zhì)進(jìn)行微生物增殖實(shí)驗(yàn)，也取得了符合這種關(guān)系的結(jié)果。3）可以假定：在微生物比增殖速率與底物的比降解速率之間存在下列比例關(guān)系：則與比增殖速率相對(duì)應(yīng)的比底物降解速率也可以用類似公式表示，即：式中：——比底物降解速率（）；——底物的最大比降解速率；——限制增殖的底物濃度；——飽和常數(shù)。對(duì)于廢水處理來(lái)說(shuō)，有機(jī)物的降解是其基本目的，因此上式的實(shí)際意義更大。莫諾德模式的圖示：莫諾德方程式的推論：在高底物濃度的條件下，即>>，呈零級(jí)反應(yīng)，則有：，在低底物濃度的條件下，即<<，則：Lawrence—McCarty模式：Lawrence—McCarty建議的排泥方式：兩種排泥方式：I.剩余污泥從污泥回流系統(tǒng)排出；II.剩余污泥從曝氣池直接排出。第二種排泥方式的優(yōu)點(diǎn)：1）減輕了二沉池的負(fù)擔(dān)；2）可將剩余污泥單獨(dú)濃縮處理；3）便于控制曝氣池的運(yùn)行。有關(guān)基本概念：a、微生物比增殖速率：b、單位基質(zhì)利用率：c、生物固體平均停留時(shí)間（又稱細(xì)胞平均停留時(shí)間，在工程上習(xí)稱污泥齡）：——在反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)，微生物從其生成開(kāi)始到排出系統(tǒng)的平均停留時(shí)間；——也可以說(shuō)是反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的微生物全部更新一次所需要的平均時(shí)間；——從工程上來(lái)說(shuō)，就是反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)微生物總量與每日排放的剩余污泥量的比值，以表示，單位為d，即：式中:——每日增殖的微生物量，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，就是每日排放的剩余污泥量。因此：1）按傳統(tǒng)排泥方式：簡(jiǎn)化后，則：2)按第二種排泥方式，則：簡(jiǎn)化后，由此可看出這種排泥方式更有利于控制和運(yùn)行管理。3)與的關(guān)系：，而，所以有：或(三)L—M模式的基本方程式：第一基本方程式：前面已有：式中——微生物的產(chǎn)率系數(shù)，；——自身氧化系數(shù)，又稱衰減常數(shù)，，（）；經(jīng)整理后：表示的是污泥齡（）與產(chǎn)率系數(shù)Y、基質(zhì)比利用速率（q）及自身氧化系數(shù)之間的關(guān)系。第二基本方程式：認(rèn)同莫諾德模式：認(rèn)為有機(jī)基質(zhì)的降解速率等于其被微生物的利用速率，即式中：——反應(yīng)器內(nèi)的基質(zhì)濃度；——單位生物量的最大基質(zhì)利用速率；——半速常數(shù)。表示的是基質(zhì)利用速率與反應(yīng)器內(nèi)微生物濃度和基質(zhì)濃度之間的關(guān)系。(四)L-M模式的應(yīng)用（基本方程的推論）第一導(dǎo)出方程——出水水質(zhì)與污泥齡之間的關(guān)系：（對(duì)于完全混合式）將代入：則有：B.第二導(dǎo)出方程——曝氣池內(nèi)微生物濃度與污泥齡的關(guān)系對(duì)曝氣池做有機(jī)底物的物料衡算：底物的凈變化率=底物進(jìn)入曝氣池的速率-底物從曝氣池中消失的速率代入第一基本方程有：由于，則有：上式說(shuō)明：曝氣池中微生物量濃度是與有機(jī)物的濃度、和曝氣時(shí)間等有關(guān)的。式中，可以稱為污泥循環(huán)因子，其物理意義為：活性污泥從生長(zhǎng)到被排出系統(tǒng)期間與廢水的平均接觸次數(shù)。C.第三導(dǎo)出方程——回流比與之間的關(guān)系對(duì)曝氣池的生物量進(jìn)行物料衡算：（曝氣池內(nèi)生物量的凈變化率）=（生物量進(jìn)入曝氣池的速率）-（生物量離開(kāi)曝氣池的速率）其中，所以：所以：式中：——回流污泥的濃度，可由下式估算：是近似值；由算出的是值，應(yīng)再換算成。D．產(chǎn)率系數(shù)（）與表觀產(chǎn)率系數(shù)（）之間的關(guān)系：產(chǎn)率系數(shù)（）是指單位時(shí)間內(nèi)，微生物的合成量與基質(zhì)降解量的比值，即：表觀產(chǎn)率系數(shù)（）是指單位時(shí)間內(nèi)，實(shí)際測(cè)定的污泥產(chǎn)量與基質(zhì)降解量的比值，即：將，以及代入，則有：該式還提供了通過(guò)試驗(yàn)求及的方法，將其取倒數(shù)后得：以1/Yobs對(duì)作圖，即可求得及值。其中E.與Se及E的關(guān)系：(見(jiàn)附圖3)升高Se下降E升高；下降Se升高E下降因此，對(duì)于一個(gè)活性污泥系統(tǒng)有一個(gè)()min可以通過(guò)假定Se=SI并代入則有：一般，Ks<<Si，所以，F(xiàn)．對(duì)方程式的推論已有：因v=q，所以，活性污泥處理系統(tǒng)一般為低基質(zhì)濃度，即Ks>>Se,