活性污泥反应动力学
国家精品课程《水污染控制工程》3-活性污泥法
第四章、污水的生物处理
教学要求
1、掌握活性污泥法的基本原理及其反应机理 2、理解活性污泥法的重要概念与指标参数：如活性 污泥、剩余污泥、MLSS、MLVSS、SV、SVI、Qc、 容积负荷、污泥产率等。 3、理解活性污泥反应动力学基础及其应用。 4、掌握活性污泥的工艺技术或运行方式； 5、掌握曝气理论。 6、熟练掌握活性污泥系统的计算与设计； 时间安排 20h（其中机动2h）
7
后生动物(主要指轮虫），捕食菌胶团和原生动物，是水质稳 定的标志。因而利用镜检生物相评价活性污泥质量与污水处 理的质量。
• 思考题：后生动物的出现反映了处理水质较好，因此能否说 明出水氨氮较低，氨氮在生物处理过程中被硝化？
③微生物增殖与活性污泥的增长：
a、微生物增值：在污水处理系统或曝气池内微生物的增殖规 律与纯菌种的增殖规律相同，即停滞期（适应期），对数期， 静止期（也减速增殖期）和衰亡期（内源呼吸期）。
③泥龄（Sludge age）Qc：生物固体平均停留时间或活性污泥在 曝气池的平均停留时间，即曝气池内活性污泥总量与每日排 放污泥量之比，用公式表示：θc＝VX/⊿X＝VX/QwXr 。式中： ⊿X为曝气池内每日增长的活性污泥量，即要排放的活性污泥 量。
Qw为排放的剩余污泥体积。 Xr为剩余污泥浓度。其与SVI的关系为(Xr) max＝106 /SVI • Qc是活性污混处理系统设计、运行的重要参数，在理论上也 具重要意义。因为不同泥龄代表不同微生物的组成，泥龄越 长，微生物世代长，则微生物增殖慢，但其个体大；反之， 增长速度快，个体小，出水水质相对差。 Qc长短与工艺组合 密切相关，不同的工艺微生物的组合、比例、个体特征有所 不同。污水处理就是通过控制泥龄或排泥，优选或驯化微生 物的组合，实现污染物的降解和转化。
第四章 (4.3)活性污泥反应动力学
图中的生化反应可以用下式表示：
S yX zP
及
dX dS y dt dt
即
dS 1 dX dt y dt
式中：反应系数 y 又称产率系数，mg（生物量）/mg（降解的 dS 底物）。 该式反映了底物减少速率和细胞增长速率之间的关系，是废水生物处理 中研究生化反应过程的一个重要规律。
（4-29）
V
1 ds X dt
∵
r V max r Vmax Vmax max r
V
V：比降解速率
∴
1 maxS max S S Vmax r r KS S r KS S KS S
（4-30）
∴
有机底物降解速度
XS e ds Vmax dt K S Se
（4-41）
（4-42）
将（ 4 42） 代入（ 4 40） 式后：
并在等式两边同时除以X得出：
Vmax
XSe Q( S 0 S e ) K S Se V
Vmax
Se Q(S 0 S e ) (S 0 S e ) K S Se XV Xt
的变化
∴动力学是研究讨论下列函数关系：
S V Vmax KS S ds f s, x XS dt ds V max dt KS S
S max KS S dx g(S, X) XS dt dx max dt KS S
S0 Se K 2Se Xt S0 Se K 2Se Xt Se (1 K 2 Xt )
有机物地残留率
去除率
活性污泥法实验
活性污泥实验一、 实验目的1、观察完全混合活性污泥处理系统的运行，掌握活性污泥处理法中控制参数（如污泥负荷、泥龄、溶解氧浓度）对系统的影响；2、加深对活性污泥生化反应动力学基本概念的理解；3、掌握生化反应动力学系数K 、Ks 、Vmax 、Y 、Kd 、a 、b 等的测定。
二、 实验原理活性污泥好氧生物处理是指在有氧参与的条件下，微生物降解污水中的有机物。
整个过程包括微生物的生长、有机底物降解和氧的消耗，整个过程变化规律如何正是活性污泥生化反应动力学研究的内容，活性污泥生化反应动力学内容包括：（1）底物的降解速度与有机底物浓度、活性污泥微生物量之间的关系；（2）活性污泥微生物的增殖速度与有机底物浓度、活性污泥微生物量之间的关系；（3）有机底物降解与氧需。
1、底物降解动力学方程Monod 方程：SKs S V dt dS +=-max （1） Vmax-------有机底物最大比降解速度，Ks-----------饱和常数，在稳定条件下，对完全混合活性污泥系统中的有机底物进行物料平衡：0)(=++-+dtdS VSe Q R Q Se Q R Q So （2） 整理后，得dtdS V Se So Q -=-)( （3） 于是有SKs S V Xt Se So XV Se So Q +=-=-max )( （4） 而M F XtSe So XV Se So Q /)(=-=-，F/M 为污泥负荷。
完全混合曝气池中S=Se ，所以（4）式整理后可得max11max V Se V Ks Se So t X +=- （5） （5）式为一条直线方程，以Se 1为横坐标，Xt Se So -（污泥负荷）为纵坐标，直线的斜率为max V Ks ，截距为max1V ，可分别求得max V 、Ks 。
又因为在低底物浓度条件下，Se<<Ks ，所以有Se K KsSe V Se Ks Se V dt dS ==+=-max max （6） 即 K S e XtSe So =- （7） 以Se 为横坐标，Xt Se So -（污泥负荷）为纵坐标，可求得直线斜率K 。
活性污泥系统的常见异常现象与对策
活性污泥系统的常见异常现象与对策第三节活性污泥法的反应动力学原理及其应用1、污泥腐化：现象：活性污泥呈灰黑色、污泥发生厌氧反应，污泥中出现硫细菌，出水水质恶化；原因：1)负荷量增高；2)曝气不足；3)工业废水的流入等；对策：1)控制负荷量；2)增大曝气量；3)切断或控制工业废水的流入。
2、污泥上浮：现象：污泥沉淀30~60分钟后呈层状上浮，多发生在夏季；原因：硝化作用导致在二沉池中被还原成N2，引起污泥上浮；对策：1)减少污泥在二沉池的HRT；2)减少曝气量。
3、污泥解体：现象：在沉淀后的上清液中含有大量的悬浮微小絮体，出水透明度下降；原因：污泥解体；曝气过度；负荷下降，活性污泥自身氧化过度；对策：减少曝气；增大负荷量。
4、泥水界面不明显：原因：高浓度有机废水的流入，使微生物处于对数增长期；污泥形成的絮体性能较差；对策：降低负荷；增大回流量以提高曝气池中的MLSS，降低F/M值。
5、污泥膨胀：是指活性污泥质量变轻、膨大，沉降性能恶化，在二沉池中不能正常沉淀下来，SVI异常增高，可达400以上。
1)因丝状菌异常增殖而导致的丝状菌性膨胀；主要是由于丝状菌异常增殖而引起的，主要的丝状菌有：球衣菌属、贝氏硫细菌、以及正常活性污泥中的某些丝状菌如芽孢杆菌属等、某些霉菌；(1)污泥膨胀理论：①低F/M比（即低基质浓度）引起的营养缺乏型膨胀；②低溶解氧浓度引起的溶解氧缺乏型膨胀；③高H2S浓度引起的硫细菌型膨胀。
活性污泥中存在着两大类群微生物，一是菌胶团细菌；一是丝状菌。
二者的生长速率与基质浓度的关系正好相反，即：在低基质浓度下，丝状菌的生长速率要高于菌胶团细菌；而在高基质浓度条件下，菌胶团细菌的生长速率则要高于丝状菌。
在常规的活性污泥系统中，由于需要获得较高的出水水质，即至少在曝气池的出口处要求其中的有机物浓度要达到很低水平，即维持在很低的基质浓度，因此常常会引起丝状菌的生长占优，而引起丝状菌性污泥膨胀的问题。
活性污泥法的基本原理活性污泥法中污泥产率的计算及浓度测定
活性污泥法的基本原理一．基本概念和工艺流程（一）基本概念1．活性污泥法：以活性污泥为主体的污水生物处理。
2．活性污泥：颜色呈黄褐色，有大量微生物组成，易于与水分离，能使污水得到净化，澄清的絮凝体（二）工艺原理1．曝气池：作用：降解有机物（BOD5）2．二沉池：作用：泥水分离。
3．曝气装置：作用于①充氧化②搅拌混合4．回流装置：作用：接种污泥5．剩余污泥排放装置：作用：排除增长的污泥量，使曝气也内的微生物量平衡。
混合液：污水回流污泥和空气相互混合而形成的液体。
二．活性污泥形态和活性污泥微生物（一）形态：1、外观形态：颜色黄褐色，絮绒状2．特点：①颗粒大小：0.02－0.2mm ②具有很大的表面积。
③含水率>99%,C<1%固体物质。
④比重1.002－1.006，比水略大，可以泥水分离。
3.组成：有机物：{具有代谢功能，活性的微生物群体Ma{微生物内源代谢，自身氧化残留物Me{源污水挟入的难生物降解惰性有机物Mi无机物：全部有原污水挟入Mii（二）活性污泥微生物及其在活性污泥反应中作用1．细菌：占大多数，生殖速率高，世代时间性20-30分钟；2．真菌：丝状菌→污泥膨胀。
3．原生动物鞭毛虫，肉足虫和纤毛虫。
作用：捕食游离细菌，使水进一步净化。
活性污泥培养初期：水质较差，游离细菌较多，鞭毛虫和肉足虫出现，其中肉足虫占优势，接着游泳型纤毛虫到活到活性污泥成熟，出现带柄固着纤毛虫。
☆原生动物作为活性污泥处理系统的指示性生物。
4．后生动物：（主要指轮虫）在活性污泥处理系统中很少出现。
作用：吞食原生动物，使水进一步净化。
存在完全氧化型的延时曝气补充中，后生动物是不质非常稳定的标志。
（三）活性污泥微生物的增殖和活性污泥增长四个阶段：1．适应期（延迟期，调整期）特点：细菌总量不变，但有质的变化2．对数增殖期增殖旺盛期或等速增殖期）细菌总数迅速增加，增殖表速率最大，增殖速率大于衰亡速率。
3．减速增殖期（稳定期或平衡期）细菌总数达最大，增殖速率等于衰亡速率。
5 活性污泥法的理论基础-3
4.3.3.3 莫诺特公式在完全混合曝气池中的应用
完全混合曝气池内的活性污泥一般处在减衰增 殖期。此外，池内混合液中的有机物浓度是均一 的，并与出水的浓度（Se）相同，其值较低，有 Se<S＂。因此，采用式（19）是适宜的。
No. 25
进水
Q，S0
完全混合式活性污泥法处理系统 V，Se， X Q+RQ 曝气池 二沉池 Se，X
量纲为[体积][质量]-1[时间]-1，一般用m3/（kg·d） 或L/（mg·h）表示。 No. 21
ν ν max ν
max
ν ν max
S ν ν KS S
max
零级反应
2
0
S`` K S =S
S`
S
在图中即为横坐标S=0到S=S＂ 这样的一个区段。这个区段的 曲线表现为通过原点的直线， 其斜率即为K2。
处理水
Q-QW Se，Xe
回流污泥
RQ，Se， Xr
剩余污泥排放
Qw，Xr
Q——污水流量； S0——原污水底物浓度；Se——处理水底物浓度； X——曝气池内活性污泥浓度； R——污泥回流比； Xr——回流污泥浓度； V——曝气池的容积； Xe——处理水中的污泥浓度
No. 24
Qw——排泥量；
小型试验的流程图
µ ∝ν
或
µ = kν
因此，与微生物比增殖速率 µ 相对应的底物比降解 速率ν 也可以用莫诺特公式描述，即：
S ν ν K S
max
（13）
S
ν ν
——底物的比降解速率，[时间]-1，常用h-l或d-1表示；
-1，常用h-l或d-1表示； —— 底物的最大比降解速率，[时间] max
第一章第二节 活性污泥法生物处理概论
（3）微型后生动物
5、管理中的指示生物
原生动物和后生动物出现的顺序：细菌－植物型 鞭毛虫－肉足类－动物型鞭毛虫－游泳性纤毛虫、 吸管虫－固着性纤毛虫－轮虫
原生动物和微型后生动物的演替判断水质和污水 处理程度，还可以判断污泥培养成熟程度；
根据原生动物的种类判断活性污泥和处理水质的 好坏；
根据原生动物遇恶劣环境改变个体形态及其变化 过程判断进水水质变化和运行中出现的问题。
BOD负荷很低时出现的微生物
游仆虫属 鳞科虫属等 标志：硝化过程正在
进行 解决：提高BOD负荷
或采用两套系统
游仆虫属
个体详细图
游仆虫属捕食
鳞可虫属1
鳞可虫属2
有毒物质流入时微生物的变化
现象： 原生动物和轮虫等后
生动物减少 楯纤属急剧减少 解决措施：增加曝气
池微生物浓度，去除 有毒物质
BOD5/COD>0.3才适宜采用生化处理 未处理城市污水的BOD5/COD在0.3-0.8之间。 投资少、成本低、工艺设备较简单、运行条件平和，不
产生二次污染 成为污水处理工艺的主流技术，已广泛用于生活污水和
工业废水的处理。 世界各国污水处理厂90%以上采用生物处理技术。美国
共有废水处理厂18000多座，其中84%为二级生物处理厂， 英国有废水处理厂3000多座，几乎全部是二级生物处理 厂。
(5) 如出现主要有柄纤毛虫，如钟虫、累枝虫、盖虫、轮虫、 寡毛类时，则水质澄清良好，出水清澈透明，酚类去除率 在90%以上。 (6) 根足虫的大量出现，往往是污泥中毒的表现。 (7) 如在生活污水处理中，累枝虫的大量出现，则是污泥膨 胀、解絮的征兆。 (8) 而在印染废水中，累枝虫则作为污泥正常或改善的指示 生物。 (9) 在石油废水处理中钟虫出现是理想的效果。 (10) 过量的轮虫出现，则是污泥要膨胀的预兆。 另在一些对原生动物不宜生长的污泥中，主要看菌胶团的 大小用数量来判断处理效果。
废水好氧生物处理工艺-——活性污泥法
式中: x——每日的污泥增长量(kgVSS/d)；= Qw·Xr Q ——每日处理废水量(m3/d)；
a、b经验值的获得：
(1) 对于生活污水或相近的工业废水: a = 0.5~0.65，b = 0.05~0.1； (2) 对于工业废水，则：
合成纤维废水
0.38
0.10
含酚废水
0.55
0.13
制浆与造纸废水
0.76
0.016
制药废水
0.77
酿造废水
0.93
工业废水
a
b
亚硫酸浆粕废水
0.55
0.13
a、b经验值的获得：
（3）通过小试获得：
可改写为：
a
b
QSr/VXv(kgBOD/kgVSS.d)
x/VXv(1/d)
一、活性污泥法的工艺流程
回流污泥
二次 沉淀池
废水
曝气池
初次 沉淀池
出水
空气
剩余活性污泥
活性污泥系统的主要组成
曝气池：反应的主体，有机物被降解，微生物得以增殖； 二沉池：1）泥水分离，保证出水水质； 2）浓缩污泥，保证污泥回流，维持曝气池内的污泥浓度。 回流系统：1）维持曝气池内的污泥浓度； 2）回流比的改变，可调整曝气池的运行工况。 剩余污泥： 1）去除有机物的途径之一； 2）维持系统的稳定运行 供氧系统：为微生物提供溶解氧
在条件一定时， 较稳定； 对于处理城市污水的活性污泥系统，一般为0.75~0.85
4、活性污泥的性能指标：
（3）污泥沉降比（SV） （Sludge Volume） 定义：将曝气池中的混合液在量筒中静置30分钟，其沉淀污泥与原混合液的体积比，一般以%表示； 功能：能相对地反映污泥数量以及污泥的凝聚、沉降性能，可用以控制排泥量和及时发现早期的污泥膨胀； 正常范围： 2030%
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13.3 活性污泥反应动力学及应用
13.3.1 概述
活性污泥反应动力学能够通过数学式定量地或半定量地揭示活性污泥系统内有机物降解、污泥增长、耗氧等作用与各项设计参数、运行参数以及环境因素之间的关系。
在活性污泥法系统中主要考虑有机物降解速度、微生物增长速度和溶解氧利用速度。
目前，动力学研究主要内容包括：
（1）有机底物降解速度与有机物浓度、活性污泥微生物量之间的关系。
（2）活性污泥微生物的增殖速度与有机底物浓度、微生物量之间的关系。
（3）微生物的耗氧速率与有机物降解、微生物量之间的关系。
13.3.2 反应动力学的理论基础
（1）有机物降解与活性污泥微生物增殖
曝气池是一个完整的反应体系，池内微生物增殖是微生物合成反应和内援代谢两项胜利活动的综合结果，即：
微生物增殖速率= 降解有机物合成的生物量速率—内源代谢速率
式中，Y——产率系数，即微生物降解1kgBOD所合成的MLSS量，kgMLSS/kgBOD；
K d——自身氧化率，即微生物内源代谢的自身减少率；
对于完全混合式活性污泥系统，曝气池中的微生物量物料平衡关系式如下：
每日池内微生物污泥增殖量=每日生成的微生物量—每日自身氧化掉的量
∴
式中，S0——原水BOD浓度；
S e——处理出水BOD浓度；
Q——日处理水量，m3/d；
V——曝气池容积，m3；
X——曝气池中污泥平均浓度，mg/L。
两边除以VX ，式子变为
而
q称为BOD比降解速率，其量纲与污泥负荷相同，单位一般用kgBOD/（kgMLSS?d）表示。
即，
θc为泥龄。
可见高去除负荷下，污泥增长很快，导致排泥加快，污泥龄就短，生物向不够丰富，因此原水的可生化性要好。
对于一个稳定的反应体系，Y、K d是常数，可以设计实验获得。
一般生活污水类水质，Y=0.5~0.65，K d=0.05~0.1；部分工业废水的Y、K d值见设计手册。
（2）有机物降解与需氧量
同样，曝气池内，因为降解有机物，就要消耗溶解氧O2，同时微生物内源代谢也消耗溶解氧。
即：
每日总需氧量= 每日降解有机物耗氧量+ 每日自身氧化需氧量
式中，a——降解需氧率，即活性污泥微生物每代谢1kgBOD所需要的氧量，kgO2/kgBOD；
b——自身氧化需氧率，即每kg活性污泥每天自身氧化所需要的氧量，kgO2/kgMLSS；
S0、S e、Q、V、X 同前。
对于一个稳定的反应体系，a、b是常数，可以设计实验获得。
将式（13-29）变换为：
式中，——污泥需氧负荷，单位量活性污泥在单位时间需氧量，
kgO2/(kgMLSS·d)；
——有机物耗氧率，去除单位量BOD的耗氧量，
kgO2/(kgBOD·d)；
从上式看出：，而
前者表示，要实现高去除负荷，污泥需氧量就很大，要强曝气、耗能；
后者表示，去除一定量的BOD，高去除负荷时需氧量较少，低去除负荷时需氧量较大。
原因是高去除负荷泥龄θc短，污泥尚未来得及降解有机物就已经被排出系统，这种情况下剩余污泥量大、且不稳定。
生活污水处理系统的a=0.42~0.53，b=0.1~0.2。
13.3.3 莫诺特公式及其应用
（1）莫诺特（monod）公式
1942年、1950年monod用纯种微生物、在单一底物下培养，实验得出微生物增殖速率与底物浓度之间的关系，如图。
结果与米-门于1913年测定的酶促反应速率与底物浓度之间的关系是相同的。
因此，monod采用与米-门方程式相类似的公式来描述微生物比增殖速率与底物浓度之间的定量关系。
即：
式中，μ——微生物比增殖速率，即单位生物量的增殖速率，t-1；
μmax——微生物最大比增殖速率，t-1；
S——有机底物浓度，mg/L；
K s——饱和常数，当μ=μmax/2时的底物浓度，也称半速率常数，质量/容积。
而微生物增殖与底物减少是同步的，假设它们之间存在一定的生成比例关系，则底物降解速率（比速率）可以描述为：
对于完全混合曝气池，有
所以
（2）莫诺特（monod）公式的推论
①当有机物浓度很高时
S＞＞K s，有
说明降解速度与生物量X呈一级反应、与有机物量S无关，系统处于对数增长期阶段。
②当有机物浓度很低时
S＜＜K s，有（13-39）
说明降解速度与有机物浓度S呈一级反应、而生物量X过多，系统处于减速增长期阶段。
其实底物浓度S也会限制X，S↓→X↓。
（3）莫诺特（monod）公式的应用
对于城市污水，一般COD=400~500mg/L，BOD5=200~300mg/L，属于较低值，可以利用式（13-39）。
讨论如下：
∵，积分后加入边界条件
∴，这与水体自净规律相同。
与完全混合式曝气池结合起来看一下：
根据上图，对曝气池中的有机物列物料平衡关系式：
进入量—流出量—降解量= 0 即，
（13-40）
即（13-41）
联合（13-39），（13-41）得：（13-42）
（13-43）
联合（13-41），（13-43）得：
（13-44）
以上关系式反映了，在低负荷曝气池中，当运行稳定时Q、S0、S e、t、V、E等之间的定量关系，其中常
数参数K2、K s、v max代表反应体系的能力（特点），不同的反应系统中K2、K s、v max各不相同，需要测定获得。
（4）常数参数K2、K s、v max的确定
对于确定原污水来说，参数K2、K s、v max为常数，可以通过设计实验计算获得。
由（13-42）两边除以X 得：
据此计算K2。
通过作图斜率即为K2。
将式（13-44）变为倒式：，作图得到斜率及截距，计算得到K s、v max。
13.3.4 劳伦斯-麦卡蒂（Lawrnece-McCarty）模型
（1）基本概念：
微生物比增长速率：单位重量微生物的增殖速率，即比增殖速率，
生物平均停留时间：污泥龄
（2）基本模型
劳伦斯-麦卡蒂模型以生物固体平均停留时间及单位底物利用速率作为基本参数，以第一、第二两个模型表达。
第一模型：
第二模型：。
（3）模型的推论和应用
①处理水有机底物浓度（出水浓度S e）与生物固体平均停留时间（泥龄θc）关系：
（13-48）
对于一个处理系统，K s、v max、K d、Y为常数，则θc决定了S e。
②活性污泥浓度X与θc关系式：（13-50）
说明污泥浓度决定着污泥龄。
③活性污泥合成产率Y、表观产率Y obs与θc关系：
（13-51）
（13-52）
合成产率Y——是微生物降解有机物的增长率；
表观产率Y obs——实测活性污泥增长率，已经扣除了因内源呼吸的减少量。
④低浓度下，处理负荷q与浓度S e的关系：
（13-54）
用于计算反应器的容积。