第四章-(43)活性污泥反應動力學課件

§4．3有機物降解與活性污泥反應動力學基礎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有機物降解與活性污泥反應動力學基礎4.3.114.3.1概述其值不同，就會導致、∴動力學是研究討論下列函數(shù)關系：

∵、的變化生物化學反應是一種以生物酶為催化劑的化學反應。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速度。4.3.1概述其值不同，就會導致、∴動力學是研究討論下列2

即研究:(1)底物降解速率與底物濃度、生物量、環(huán)境因素等方面的關系；(2)微生物增長速率與底物濃度、生物量、環(huán)境因素等方面的關系；(3)反應機理研究，從反應物過渡到產(chǎn)物所經(jīng)歷的途徑。即研究:3

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

圖中的生化反應可以用下式表示：

即

該式反映了底物減少速率和細胞增長速率之間的關系，是廢水生物處理中研究生化反應過程的一個重要規(guī)律。反應速度及式中：反應系數(shù)又稱產(chǎn)率系數(shù)，mg（生物量）/mg（降解的底物）。反應速度及式中：反應系數(shù)4實驗表明反應速度與一種反應物A的濃度ρA成正比時，稱這種反應對這種反應物是一級反應。實驗表明反應速度與二種反應物A、B的濃度ρA、ρB成正比時，或與一種反應物A的濃度ρA的平方ρA2成正比時，稱這種反應為二級反應。實驗表明反應速度與ρA·ρB2成正比時，稱這種反應為三級反應；也可稱這種反應是A的一級反應或B的二級反應。在生化反應過程中，底物的降解速度和反應器中的底物濃度有關。

一般地：aA+bB→gG+hH如果測得反應速度：v＝dcA/dt=kcAa

·cBba+b=n,n為反應級數(shù)。反應級數(shù)實驗表明反應速度與一種反應物A的濃度ρA成正比時，稱這種反應5

設生化反應方程式為：現(xiàn)底物濃度ρS以[S]表示，則生化反應速度：

式中：k——反應速度常數(shù)，隨溫度而異；

n——反應級數(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級數(shù)n。或lgvlg[S]或lgvlg[S]6反應速度不受反應物濃度的影響時，為零級反應。在溫度不變時零級反應的反應速度是常數(shù)。對反應物A而言，零級反應：式中：v——反應速度；

t——反應時間；

k——反應速度常數(shù),受溫度影響。

在反應過程中，反應物A的量增加時，k為正值；在廢水生物處理中，有機污染物逐漸減少，反應常數(shù)為負值。反應速度不受反應物濃度的影響時，為零級反應。在溫度不變時零級7

反應速度與反應物濃度的一次方成正比關系，稱這種反應為一級反應。對反應物A而言，一級反應：

式中：v——反應速度；

t——反應時間；

k——反應速度常數(shù),受溫度影響。

在反應過程中，反應物A的量增加時，k為正值；在廢水生物處理中，有機污染物逐漸減少，反應常數(shù)為負值。反應速度與反應物濃度的一次方成正比關系，稱這種反應為8

反應速度與反應物濃度的二次方成正比，稱這種反應為二級反應。對反應物A而言，二級反應：

式中：v——反應速度；

t——反應時間；

k——反應速度常數(shù),受溫度影響。在反應過程中，反應物A的量增加時，k為正值；在廢水生物處理中，有機污染物逐漸減少，反應常數(shù)為負值。反應速度與反應物濃度的二次方成正比，稱這種反應為二級94.3.2莫諾方程式1.Monod（莫諾,1942）公式的由來與演變4.3.2莫諾方程式1.Monod（莫諾,1942）公101）米－門公式：（1913年）純酶→單一基質酶促反應中基質比降解速率1）米－門公式：（1913年）純酶→單一基質酶促反應112）Monod公式（1942年）微生物的比增長速率純菌種→單一基質3）Monod公式（1950年）微生物的比增長速率（4-29）異養(yǎng)微生物群體→單一基質2）Monod公式（1942年）微生物的比增長速率純菌種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）→污水中混合有機物證實有機物降解速率也符合Monod公式2．Monod公式的推論1）當混合液中S＞＞KS則（4-32）式中KS可忽略不計——高有機物濃度由（4-32）式可簡化為：

結論：在高有機物濃度下，有機底物以最大的速度進行降解，而與有機底物濃度無關，呈零級反應；而有機底物的降解速度與污泥濃度的一次方成正比關系，呈一級反應。

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

(4-37)

(4-38)2）在低有機物濃度條件下，S<<KS，分母中S可忽略結論：在低有機物濃度條件下，有機底物的降解速度與有機物的一次方成正比，呈一級反應。將（4-36）積分：(4-37)153）當混合液中S在S′～S′′之間——中等有機物濃度4）一相說與二相說一相說——Monod公式二相說——Eckenfelder二相說——非連續(xù)函數(shù)

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

∵S＝Se＜＜S′′并為定值且處于減速生長期，屬一級反應：∴適合于

（4-36）

在穩(wěn)定條件下，對有機物進行物料平衡：

＝+（4-39）

進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期，屬一級反應18（4-41）當以Se代替莫諾方程式（4-32）式中的S得出：

（4-42）

并在等式兩邊同時除以X得出：

當Se＜＜Ks時，呈一級反應，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)活性污泥反應動力學課件222）據(jù)4－43求定Vmax、KS（圖4-15）=

+

為縱坐標斜率為橫坐標截距（4-48）

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

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

2)對完全混合式曝氣池分析2)對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、二兩個基本方程式表達。2）勞－麥第一基本方程式（在4－20基礎上建立）（4-50）4.3.3勞倫斯——麥卡蒂活性污泥反應動力學方程式（4-49）以θC、q作為基本參數(shù)，并以第一、二兩個283）勞－麥第二基本方程式：由V＝q為基礎推出

有機物的降解速度等于其被微生物的利用速度。反映有機底物的利用速率（降解速率）與曝氣池內(nèi)微生物濃度Xa及有機底物濃度S之間的關系。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用1）處理水有機底物濃度Se與的關系（4-53）Y——微生物產(chǎn)率：mg微生物量/mg有機物量Ks——半速度系數(shù)3）勞－麥第二基本方程式：由V＝q為基礎推出反映29（4-53）公式的推導：由（4-25）與（4-44）式可得出：（4-53）公式的推導：30移項整理：

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

2）反應器內(nèi)活性污泥濃度Xa與的關系（4-533（4-54）

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

勞－麥式：有機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底物降解速度的推導：勞－麥式：有機底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的關系Y——合成產(chǎn)率，表示微生物的增殖總量，沒有去除內(nèi)源呼吸而消亡的那一部分Yobs——表觀產(chǎn)率，實測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有機物降解與活性污泥反應動力學基礎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有機物降解與活性污泥反應動力學基礎4.3.1374.3.1概述其值不同，就會導致、∴動力學是研究討論下列函數(shù)關系：

∵、的變化生物化學反應是一種以生物酶為催化劑的化學反應。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速度。4.3.1概述其值不同，就會導致、∴動力學是研究討論下列38

即研究:(1)底物降解速率與底物濃度、生物量、環(huán)境因素等方面的關系；(2)微生物增長速率與底物濃度、生物量、環(huán)境因素等方面的關系；(3)反應機理研究，從反應物過渡到產(chǎn)物所經(jīng)歷的途徑。即研究:39

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

圖中的生化反應可以用下式表示：

即

該式反映了底物減少速率和細胞增長速率之間的關系，是廢水生物處理中研究生化反應過程的一個重要規(guī)律。反應速度及式中：反應系數(shù)又稱產(chǎn)率系數(shù)，mg（生物量）/mg（降解的底物）。反應速度及式中：反應系數(shù)40實驗表明反應速度與一種反應物A的濃度ρA成正比時，稱這種反應對這種反應物是一級反應。實驗表明反應速度與二種反應物A、B的濃度ρA、ρB成正比時，或與一種反應物A的濃度ρA的平方ρA2成正比時，稱這種反應為二級反應。實驗表明反應速度與ρA·ρB2成正比時，稱這種反應為三級反應；也可稱這種反應是A的一級反應或B的二級反應。在生化反應過程中，底物的降解速度和反應器中的底物濃度有關。

一般地：aA+bB→gG+hH如果測得反應速度：v＝dcA/dt=kcAa

·cBba+b=n,n為反應級數(shù)。反應級數(shù)實驗表明反應速度與一種反應物A的濃度ρA成正比時，稱這種反應41

設生化反應方程式為：現(xiàn)底物濃度ρS以[S]表示，則生化反應速度：

式中：k——反應速度常數(shù)，隨溫度而異；

n——反應級數(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級數(shù)n?；騦gvlg[S]或lgvlg[S]42反應速度不受反應物濃度的影響時，為零級反應。在溫度不變時零級反應的反應速度是常數(shù)。對反應物A而言，零級反應：式中：v——反應速度；

t——反應時間；

k——反應速度常數(shù),受溫度影響。

在反應過程中，反應物A的量增加時，k為正值；在廢水生物處理中，有機污染物逐漸減少，反應常數(shù)為負值。反應速度不受反應物濃度的影響時，為零級反應。在溫度不變時零級43

反應速度與反應物濃度的一次方成正比關系，稱這種反應為一級反應。對反應物A而言，一級反應：

式中：v——反應速度；

t——反應時間；

k——反應速度常數(shù),受溫度影響。

在反應過程中，反應物A的量增加時，k為正值；在廢水生物處理中，有機污染物逐漸減少，反應常數(shù)為負值。反應速度與反應物濃度的一次方成正比關系，稱這種反應為44

反應速度與反應物濃度的二次方成正比，稱這種反應為二級反應。對反應物A而言，二級反應：

式中：v——反應速度；

t——反應時間；

k——反應速度常數(shù),受溫度影響。在反應過程中，反應物A的量增加時，k為正值；在廢水生物處理中，有機污染物逐漸減少，反應常數(shù)為負值。反應速度與反應物濃度的二次方成正比，稱這種反應為二級454.3.2莫諾方程式1.Monod（莫諾,1942）公式的由來與演變4.3.2莫諾方程式1.Monod（莫諾,1942）公461）米－門公式：（1913年）純酶→單一基質酶促反應中基質比降解速率1）米－門公式：（1913年）純酶→單一基質酶促反應472）Monod公式（1942年）微生物的比增長速率純菌種→單一基質3）Monod公式（1950年）微生物的比增長速率（4-29）異養(yǎng)微生物群體→單一基質2）Monod公式（1942年）微生物的比增長速率純菌種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）→污水中混合有機物證實有機物降解速率也符合Monod公式2．Monod公式的推論1）當混合液中S＞＞KS則（4-32）式中KS可忽略不計——高有機物濃度由（4-32）式可簡化為：

結論：在高有機物濃度下，有機底物以最大的速度進行降解，而與有機底物濃度無關，呈零級反應；而有機底物的降解速度與污泥濃度的一次方成正比關系，呈一級反應。

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

(4-37)

(4-38)2）在低有機物濃度條件下，S<<KS，分母中S可忽略結論：在低有機物濃度條件下，有機底物的降解速度與有機物的一次方成正比，呈一級反應。將（4-36）積分：(4-37)513）當混合液中S在S′～S′′之間——中等有機物濃度4）一相說與二相說一相說——Monod公式二相說——Eckenfelder二相說——非連續(xù)函數(shù)

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

∵S＝Se＜＜S′′并為定值且處于減速生長期，屬一級反應：∴適合于

（4-36）

在穩(wěn)定條件下，對有機物進行物料平衡：

＝+（4-39）

進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期，屬一級反應54（4-41）當以Se代替莫諾方程式（4-32）式中的S得出：

（4-42）

并在等式兩邊同時除以X得出：

當Se＜＜Ks時，呈一級反應，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)活性污泥反應動力學課件582）據(jù)4－43求定Vmax、KS（圖4-15）=

+

為縱坐標斜率為橫坐標截距（4-48）

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

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

2)對完全混合式曝氣池分析2)對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、二兩個基本方程式表達。2）勞－麥第一基本方程式（在4－20基礎上建立）（4-50）4.3.3勞倫斯——麥卡蒂活