第六章生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)剖析

1、第六章生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)（張婷婷）請(qǐng)對(duì)發(fā)現(xiàn)的文字錯(cuò)誤及格式等進(jìn)行修訂，同時(shí)對(duì)我藍(lán)色標(biāo)出的要求進(jìn)行補(bǔ)充完善。注意此章節(jié)中公式編輯器所編輯的公式均可正常顯示并編輯，所以不用更改為word格式。辛苦了，謝謝！孔秀琴、底物降解速率底物降解速率即每天每公斤活性污泥能降解多少公斤的BOD,其單位為：kgBOD5/kgVSS d，是反映生物反應(yīng)器處理能力的重要參數(shù)。生物反應(yīng)系統(tǒng)中，反應(yīng)器容積等重要參數(shù)是根據(jù)系統(tǒng)的底物降解速率（污泥負(fù)荷）來(lái)確定的。底物降解速率的函數(shù)關(guān)系式如下：dSSvXdt max ks S(6-1)式中：X：比降解速率，單位d-1Vm a 最大比底物降解速率，即單位微生物量利用底物的最大速

2、率Ks飽和常數(shù)X微生物濃度s底物濃度環(huán)境工程中，一般 S較小，當(dāng)s仝Ks時(shí)，分母略去S,并令 丄竺=k2，,即可得下式: ksdSk?S（ 6-2）Xdt上式積分可得：錯(cuò)誤！未找到引用源。St 二 Se 2(6-3)那么已降解的底物含量為：S.）二 So s 二 So（1-e*2Xt）(6-4)式中：S降解的有機(jī)底物濃度S初始的有機(jī)底物濃度S t時(shí)刻剩余的有機(jī)底物濃度上式中，因一般生物系統(tǒng)活性污泥濃度x為定值，所以可令 k2X = k1，同時(shí)把已降解的底物濃度用BOIDM度代替，初始底物濃度用 BOD代替，即得下式：k tBODt 二 BODu（1 -e1）（6-5）即得5日生化需氧量和總需氧

3、量之間的換算關(guān)系式：BOD5 二 BODu（1- ek15）（ 6-6）因20。C時(shí)，k| = 0.23，則可得到:BOD5 二 0.68BODu環(huán)境工程中，用污泥負(fù)荷來(lái)表示有機(jī)物 （底物）的降解速率，是特定工藝處理能力的度量參數(shù)。在工程設(shè)計(jì)中，在確定生物反應(yīng)器的容積及排泥量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)時(shí)，污泥負(fù)荷是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，其值的選取直接關(guān)系到整個(gè)工程的造價(jià)。根據(jù)工程參數(shù)所確定的污泥負(fù)荷定義式如下：(6-7 )Q(S0-Se) =(S-Se)xv - Xt式中：N污泥負(fù)荷，單位 kg/kgVSS - dV 反應(yīng)器的有效容積，單位mi污泥負(fù)荷即底物比降解速率，其函數(shù)關(guān)系式也可寫(xiě)作Nmax 為=k2S(6-

4、8)二、微生物增殖有機(jī)底物經(jīng)過(guò)微生物降解作用后，其中一部分經(jīng)氧化產(chǎn)能代謝為H0和CO、小分子的有機(jī)物等，一部分則通過(guò)微生物合成作用轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌募?xì)胞物質(zhì)，表現(xiàn)為微生物的增殖， 同時(shí)微生物還通過(guò)內(nèi)源呼吸作用而不斷衰亡，表現(xiàn)為污泥的衰減。所以底物降解和微生物增殖之間存在著必然聯(lián)系。生物反應(yīng)系統(tǒng)需要根據(jù)微生物的增殖速率來(lái)確定泥齡、進(jìn)而確定剩余污泥排放量等重要數(shù)據(jù)，所以其相互之間的關(guān)系可用下式表示:dXXdtXdtKd(6-9 )其中： 空一微生物比增殖速度，單位d-1Xdt-dS 底物比降解速度，單位d -1XdtY 產(chǎn)率系數(shù)，單位 kgVSS/kgBOD5K d 污泥衰減系數(shù)，單位d環(huán)境工程中微生物的

5、比增殖速率一般用通過(guò)泥齡來(lái)確定，泥齡的倒數(shù)即為微生物比增殖速率：（6-10）其中：禮一泥齡，即污泥停留時(shí)間，d泥齡可通過(guò)負(fù)荷確定，泥齡和負(fù)荷之間的關(guān)系可推導(dǎo)如下：在體積為V的反應(yīng)器內(nèi)，id的污泥增量（即剩余污泥量）為：X二YQ（S）-Se） - KdVX（6-11）錯(cuò)誤！未找到引用源。兩邊同除VX，則得：X _YQ（S0-Se）K VX - VXVXN =Q（S0Se）VX1則得：YN-Kdedc上式將工程上的負(fù)荷和泥齡聯(lián)系起來(lái)，其實(shí)質(zhì)類(lèi)同與式（6-12）（6-13）6-9），即底物比降解速率和微生物比增殖速率之間的關(guān)系。在工程設(shè)計(jì)時(shí)先確定負(fù)荷，泥齡也就可以確定;工程上可通過(guò)泥齡確定剩余污泥體

6、積流量QW，計(jì)算公式推導(dǎo)如下:根據(jù)圖6-1所示進(jìn)行物料衡算:圖6-1污泥衡算系統(tǒng)相對(duì)曝氣池列出污泥量平衡式:Q R X r = (Q 亠 Q R)X(6-14)其中：R 污泥回流比%Xr二沉池回流污泥，mg/L由上式得出:X RXr 1k(6-15)根據(jù)剩余污泥體積流量的定義可有下式:Qwm3/d(6-16)(6-17)工程上通常在負(fù)荷、泥齡確定O2 -a Q Sr b V X(6-18)代入式（6-15），則有:Q V RQW 二 _兀(1R)Qw 剩余污泥體積流量，m/d 式中：禮一泥齡，即污泥停留時(shí)間，d上式將反應(yīng)器有效體積、泥齡、回流比和增殖污泥聯(lián)系起來(lái)。之后，用此式確定剩余污泥體積流

7、量，據(jù)此進(jìn)行污泥處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。三、活性污泥系統(tǒng)需氧與曝氣（一）需氧好氧活性污泥因?yàn)楫a(chǎn)能代謝的作用需要耗氧。氧氣是好氧微生物進(jìn)行生化反應(yīng)的最終電子接受體?；钚晕勰辔⑸镄柩趿坑袃刹糠纸M成：一部分為內(nèi)源呼吸需氧量、一部分為外源呼吸需氧量，一般內(nèi)源呼吸和外源呼吸同時(shí)進(jìn)行，所以活性污泥需氧量公式如下：O2 活性污泥需氧量，kg/da外源呼吸代謝有機(jī)物的需氧系數(shù)；a Q Sr 外源呼吸代謝有機(jī)物的需氧量；其中Q為進(jìn)水量，kg/d,S r為進(jìn)出水BOD濃度差,mg/L,b內(nèi)源呼吸代謝有機(jī)物的需氧系數(shù)；b V X 內(nèi)源呼吸需氧量,其中V為反應(yīng)器有效體積，X為反應(yīng)器內(nèi)的活性污泥濃度。需氧量與污泥負(fù)荷之間的關(guān)

8、系推導(dǎo)如下：將。2二a Q Sr b V X兩邊同時(shí)除以 Q Sr得:因污泥負(fù)荷。2Q SrblQ Sr(6-19)Q(So-Se)XVQSrXV從而得出(6-20)O2Q Sr式中：N污泥負(fù)荷，單位 kg/kgVSS - dV 反應(yīng)器的有效容積，單位m53Q 進(jìn)水流量，單位 mS r 進(jìn)出水 BOD濃度差，即（So-Se）單位mg/L從上式可看出，左邊kgBOD所需要的氧量和污泥負(fù)荷成反比，負(fù)荷越大，降解BOD 的需氧量越小。這是因?yàn)樨?fù)荷即有機(jī)底物的比降解速率， 其倒數(shù)即為降解單位 BOD所需的微 生物量，當(dāng)負(fù)荷較大時(shí)，則降解單位BOD所需的微生物量較， 所以單位公斤BOD的需氧量就 少。為

9、了進(jìn)一步理解需氧量，將 02二a Q Sr b V X兩邊同時(shí)除以VX，則得。2X V b=a N b(6-21 )上式說(shuō)明，單位kgMLVSS （活性污泥）的需氧量隨負(fù)荷增大是增大的，因?yàn)樨?fù)荷即有機(jī)底物的比降解速率， 負(fù)荷較大時(shí)，單位公斤活性污泥所要降解的BOD總量較大，導(dǎo)致單位公斤活性污泥需氧量增大。（二）供氧好氧活性污泥生物反應(yīng)工程中，氧氣的來(lái)源主要有兩種，一種是曝氣設(shè)備供氧， 即鼓風(fēng) 曝氣，其主要設(shè)備為：空氣壓縮裝置和空氣擴(kuò)散裝置；另一種是表面機(jī)械曝氣，利用動(dòng)力驅(qū)使轉(zhuǎn)刷或葉輪旋轉(zhuǎn)，把水揚(yáng)起來(lái)，使液面不斷與空氣接觸，促使空氣中的氧轉(zhuǎn)移到水中去。氧氣在水中的溶解轉(zhuǎn)移牽涉氣-液兩相之間的傳質(zhì)

10、問(wèn)題，下面首先介紹氧轉(zhuǎn)移速率公式。(1 )標(biāo)準(zhǔn)條件下氧轉(zhuǎn)移速率氧轉(zhuǎn)移速率公式如下:dedt二 G(Cs-C)不一水中溶解氧濃度變化速度，即氧轉(zhuǎn)移速度，單位:(6-22)3kgO2/(m h)-1KLa 氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)，hCs 水中飽和溶解氧值，mg/LC (在線)實(shí)際溶解氧值，常用單位,mg/L上式的使用條件若是標(biāo)準(zhǔn)條件，即水溫 20 C，氣壓為1.013 X105Pa，測(cè)定用的水是清潔的水，則上式可寫(xiě)成：K La(20) (CS(20) _ C)( 6-23)dt式中，標(biāo)準(zhǔn)條件下，錯(cuò)誤！未找到引用源。在非標(biāo)準(zhǔn)條件下，即實(shí)際溫度、實(shí)際壓力、污水中，氧轉(zhuǎn)移速率則需要修正。(2) 非標(biāo)準(zhǔn)條件下氧轉(zhuǎn)移

11、速率的修正式如非標(biāo)準(zhǔn)條件為：溫度 T ,氣壓為P，污水充氧，污水中微生物的耗氧速率為Rr則氧轉(zhuǎn)移速率修正如下：(6-24 )乎- Km其中:污水中氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)的修正系數(shù),.：:=0.8 0.94-污水中飽和溶解氧的修正系數(shù),-=0.90 0.95KLa(T)相對(duì)于K La(20)的溫度修正:KLa (T) = K La (20)1.024仃。溫度升咼，傳質(zhì)速率提咼，氧轉(zhuǎn)移系數(shù)提高;Cs（T）溫度T時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)壓力下水的飽和溶解氧值，可以查表得到。溫度降低時(shí)水中飽和溶解氧值是增大的，所以低溫有利于充氧。若是曝氣設(shè)備曝氣充氧，則Cs（T）用Csb（T）代表,關(guān)于Csb（T）見(jiàn)下面的（3）中。飽和溶解氧

12、的地區(qū)壓力修正系數(shù)。因?yàn)轱柡腿芙庋醯拇笮∨c氧的分壓有關(guān)，氧分壓越大，Cs越大。C 水中溶解氧在線值；Rr 污水中微生物的耗氧速率，當(dāng)工藝確定后，其一般為定值。上式中，前半部分:-KLa（T）C ? Cs（T）-C）為供氧速率，后半部分R為耗氧速率，dc兩者決定水中溶解氧 C的變化情況（巳）。而其中錯(cuò)誤！未找到引用源。，錯(cuò)誤！未找到引dt用源。實(shí)際反映了氣相中氧分壓對(duì)傳氧速率的影響。而（Cs -C）反映的是液相中氧的濃度差對(duì)供氧速率的影響。（3）鼓風(fēng)曝氣設(shè)備曝氣時(shí)飽和溶解氧的修正如果是鼓風(fēng)機(jī)曝氣充氧，空氣經(jīng)擴(kuò)散裝置進(jìn)入水中后，以氣泡的方式從底部向水面逸散，氣泡中的氧氣不斷溶解進(jìn)入水中， 氧的分壓

13、隨水深逐漸減少，所以這種情況下飽和溶解 氧的修正除了要考慮溫度、地區(qū)壓力之外，必須進(jìn)行平均氧分壓的修正。鼓風(fēng)機(jī)曝氣充氧裝 置示意如圖6-2 :空氣擴(kuò)散裝置圖6-2鼓風(fēng)機(jī)曝氣充氧裝置圖用錯(cuò)誤！未找到引用源。Csb（T）表示溫度T時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)曝氣設(shè)備作用下污水中飽和溶解氧的實(shí)際修正值。若 Cs（T）為溫度T時(shí)標(biāo)準(zhǔn)壓力下的飽和溶解氧值（可查），擴(kuò)散裝置出口Ot，則在水深H的空氣絕對(duì)壓力為Pb ;氣泡逸散到水面時(shí)，空氣中剩余氧的體積百分?jǐn)?shù)為高度內(nèi)，壓力修正可采用水底壓力修正和水面壓力修正的平均值。擴(kuò)散裝置出口絕對(duì)壓力相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)壓力的修正系數(shù)：b一5，其中1.01300Ot，根據(jù)21Pb =1.013 10

14、5 9.8 103H，式中：H為擴(kuò)散裝置的安裝高度，m。水面剩余氧體積百分?jǐn)?shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)空氣中總氧體積百分?jǐn)?shù)的修正系數(shù):其中水面剩余氧體積百氣體定律，此時(shí)體積比即為壓力比，此值即等于水面壓力修正系數(shù)。分?jǐn)?shù)Ot可用下式計(jì)算:Ot 21(1 - Ea)100%( 6-25)79 21(1 -Ea)Ea 空氣擴(kuò)散裝置的空氣轉(zhuǎn)移效率，一般為 612% ；下式即為平均修正后的曝氣設(shè)備曝氣時(shí)飽和溶解氧表達(dá)式：CSb(T)=CS(T)(1.0鳥(niǎo)05 兮)/2=%)(2.02；：105 詩(shī)(6-26)如果是表曝裝置充氧， 其飽和溶解氧相對(duì)的氧分壓就是大氣中總氧分壓，因之前做過(guò)地區(qū)壓力修正，此處不用再做特殊的

15、壓力修正。dc(4) 氧轉(zhuǎn)移速率dC的曲線形式探討dt氧轉(zhuǎn)移速率的公式(6-12)如下：dcdtLa(T)(卩 p Csb(T)-C)-Rr上式中，當(dāng)所有條件都一定，即 , -T都定，Rr也為定值,dc凹只隨濃度差進(jìn)行變dt化，王淑瑩在利用 SBR法進(jìn)行有機(jī)污水的處理實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn),有如下的變化規(guī)律，見(jiàn)dt圖 6-3.剛開(kāi)始，水中溶解氧濃度 C小，濃度差最大，供氧速率KLa(T)C f Cs(T)-C) Rr ,充氧作用導(dǎo)致C不斷升高，曲線上升；隨C不斷升高，濃度差變小，供氧速率減少，當(dāng)其跟耗氧速率統(tǒng)供氧和耗氧達(dá)到平衡，水中溶解氧濃度C不再變化；Rr相等時(shí),蟲(chóng)=0，系dt當(dāng)?shù)孜?COD達(dá)到難于

16、生物降解階段時(shí)，微生物轉(zhuǎn)為以內(nèi)源呼吸耗氧為主，耗氧速率R減少，這時(shí)候平衡被打破，供氧速率耗氧速率，C又開(kāi)始上升，直至達(dá)到新的平衡。曲線形式如圖6-3 :圖6-3 SBR反應(yīng)器中溶解氧濃度變化規(guī)律(王淑瑩，1998)(5 )標(biāo)準(zhǔn)氧轉(zhuǎn)移總量因?yàn)槠貧庠O(shè)備在出廠時(shí)經(jīng)過(guò)檢測(cè)，銘牌上面會(huì)標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)供氣量，即標(biāo)準(zhǔn)條件下的供氣量，是風(fēng)機(jī)出口的供氣量，其需要通過(guò)空氣擴(kuò)散裝置出口的氧轉(zhuǎn)移總量R)來(lái)推算。標(biāo)準(zhǔn)條件下的氧轉(zhuǎn)移總量的定義：清水，溫度20C，壓力1.013 xiO5Pa，初始溶解氧濃度C = 0,即在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的脫氧清水中作充氧實(shí)驗(yàn)，一直充氧直到飽和，溶解氧濃度de達(dá)CS(2o)時(shí)，其充氧速率(KLa(20

17、)CS(20), kg/m3 d )和反應(yīng)器有效體積 V的乘積，dt即為轉(zhuǎn)移到曝氣池的總氧量R,:RO K La (20) Cs(20) V , kg / h(6-27)而在曝氣設(shè)備作用下的 污水中，非標(biāo)準(zhǔn)條件下實(shí)際氧轉(zhuǎn)移總量R為：R - KLa(20) 1.024)( - Csb(T)- C) V , kg /h (6-28)上式中，非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的實(shí)際氧轉(zhuǎn)移總量等于曝氣供氧速率乘以曝氣池體積V。為了設(shè)計(jì)安全，略去了微生物耗氧速率R?，F(xiàn)在的問(wèn)題，是要求標(biāo)準(zhǔn)供氧量 RO，即要尋找&和R之間的換算系數(shù)。所以以上兩式相比，消去KLa(20)和體積V ,可得: Csb(T)R CS(20)-C 1.024(T0)(6-29)上式中，除了 R，其它參數(shù)均可選、可查。而實(shí)際氧轉(zhuǎn)移總量R應(yīng)該等于微生物的外源需氧量和內(nèi)源需氧量的總和（前面章節(jié)已經(jīng)講過(guò)），見(jiàn)下式：R = a Q S b V X kg/h上式是可求的。標(biāo)準(zhǔn)氧轉(zhuǎn)移總量可通過(guò)式（6-29 ）求得。（6 ）鼓風(fēng)機(jī)出口標(biāo)準(zhǔn)供氣量因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)氧轉(zhuǎn)移總量 Ro只