第四章 (4.3)活性污泥反应动力学.ppt

1、 43 有机物降解与活性污泥反应动力学基础,4.3.1 概述 4.3.2 莫诺方程式 4.3.3 劳伦斯麦卡蒂方程式,4.3.1 概述,其值不同，就会导致,、,动力学是研究讨论下列函数关系：,、,的变化,生物化学反应是一种以生物酶为催化剂的化学反应。污水生物处理中，人们总是创造合适的环境条件去得到希望的反应速度。,即研究:(1)底物降解速率与底物浓度、生物量、环境因素等方面的关系；(2)微生物增长速率与底物浓度、生物量、环境因素等方面的关系；(3)反应机理研究，从反应物过渡到产物所经历的途径。,在生化反应中，反应速度是指单位时间里底物的减少量、最终产物的增加量或细胞的增加量。在废水生物处理中，

2、是以单位时间里底物的减少或细胞的增加来表示生化反应速度。图中的生化反应可以用下式表示：即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。,反 应 速 度,及,式中：反应系数 又称产率系数，mg（生物量）/mg（降解的底物）。,实验表明反应速度与一种反应物A的浓度A成正比时，称这种反应对这种反应物是一级反应。 实验表明反应速度与二种反应物A、B的浓度A、B成正比时，或与一种反应物A的浓度A的平方A2成正比时，称这种反应为二级反应。 实验表明反应速度与AB2成正比时，称这种反应为三级反应；也可称这种反应是A的一级反应或B的二级反应。 在生化反应过程中

3、，底物的降解速度和反应器中的底物浓度有关。 一般地： aA+bB gG+hH 如果测得反应速度：vdcA/dt=kcAa cBb a+b=n, n为反应级数。,反 应 级 数,设生化反应方程式为：现底物浓度S以S表示，则生化反应速度： 式中：k反应速度常数，随温度而异；n反应级数。上式亦可改写为：该式可用图表示，图中直 线的斜率即为反应级数n。,或,反应速度不受反应物浓度的影响时，为零级反应。在温度不变时零级反应的反应速度是常数。对反应物A而言，零级反应：式中：v反应速度；t反应时间；k反应速度常数,受温度影响。在反应过程中，反应物A的量增加时，k为正值；在废水生物处理中，有机污染物逐渐减少，

4、反应常数为负值。,反应速度与反应物浓度的一次方成正比关系，称这种反应为一级反应。对反应物A而言，一级反应：式中：v 反应速度；t反应时间；k反应速度常数,受温度影响。在反应过程中，反应物A的量增加时，k为正值；在废水生物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值。,反应速度与反应物浓度的二次方成正比，称这种反应为二级反应。对反应物A而言，二级反应：式中：v反应速度；t反应时间；k反应速度常数,受温度影响。在反应过程中，反应物A的量增加时，k为正值；在废水生物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值。,4.3.2 莫诺方程式,1. Monod（莫诺,1942）公式的由来与演变,1）米门公式：（

5、1913年）,纯酶单一基质,酶促反应中基质比降解速率,2） Monod公式（1942年）,微生物的比增长速率,纯菌种单一基质,3） Monod公式（1950年）,微生物的比增长速率,（4-29）,异养微生物群体单一基质,（4-30）,（4-32）,4） Lawrence公式：（19601970年）异养微生物群体（活性污泥）污水中混合有机物证实有机物降解速率也符合Monod公式,2Monod公式的推论1）当混合液中SKS则（4-32）式中KS可忽略不计高有机物浓度 由（4-32）式可简化为：,结论：在高有机物浓度下，有机底物以最大的速度进行降解，而与有机底物浓度无关，呈零级反应；而有机底物的降解

6、速度与污泥浓度的一次方成正比关系，呈一级反应。,将（4-36）积分：,(4-37),(4-38),2）在低有机物浓度条件下，SKS，分母中S可忽略,结论：在低有机物浓度条件下，有机底物的降解速度与有机物的一次方成正比，呈一级反应。,3） 当混合液中S在SS之间中等有机物浓度,4）一相说与二相说一相说Monod公式,二相说Eckenfelder二相说非连续函数,3Monod公式的应用与参数的确定,1）, SSeS并为定值且处于减速生长期，属一级反应：, 适合于,（4-36）,在稳定条件下，对有机物进行物料平衡：,+,（4-39）,进入曝气池的 流出曝气池的 在曝气池降解的,（4-40）,（4-4

7、1）,当以Se代替莫诺方程式（4-32）式中的S得出：,（4-42）,并在等式两边同时除以X得出：,当Se Ks时，呈一级反应，而Se、 在稳定条件下均为常数,可以由4-41确定曝气池体积V ，如何求K2,（4-44）,（4-45）,由（4-41）或（445）式可知：,（4-43）,（4-46）,（4-47）,4K2、Vmax、KS的求定1） K2的求定（图4-14）,（4-41）,2）据443求定Vmax、KS（图4-15）,=,+,为纵坐标 斜率 为横坐标 截距,（4-48）,倒数式,5对推流式曝气池的分析 1）分析与问题的提出,QwQ，Xe0,2) 对完全混合式曝气池分析,3） 完全混合

8、式、推流式二者水力停留时间的比较,根据给水工程（第四版）P249 表143：,则,CFSTR ContinuousFlow Stirred Tank Rector PFPlugFlow,1概述 1） 提出单位微生物量的底物利用率q为一常数,（4-49）,以C、q作为基本参数，并以第一、二两个基本方程式表达。2） 劳麦第一基本方程式（在420 基础上建立）,（4-50）,4.3.3 劳伦斯麦卡蒂活性污泥反应动力学方程式,3） 劳麦第二基本方程式：由 V q 为基础推出有机物的降解速度等于其被微生物的利用速度。,反映有机底物的利用速率（降解速率）与曝气池内微生物浓度 Xa及有机底物浓度S之间的关系

9、。K为单位生物量第最高底物利用速度。,（4-52）,2劳麦方程式的推论与应用1） 处理水有机底物浓度Se与 的关系,（4-53）,Y微生物产率：mg微生物量/mg有机物量 Ks半速度系数,（4-53）公式的推导：由（4-25）与（4-44）式可得出：,移项整理：,( 4-53 ),Se,0,min,c,c值提高，处理水Se下降 有机物去除E提高；低某值，变化剧烈,2） 反应器内活性污泥浓度Xa与 的关系,（4-54）公式的推导：由（4-25）与（4-44）公式得出：,（4-54）,移项：,（4-54）,3） 污泥回流比R与c值之间的关系,（4-55）,而,4）完全混合式曝气池有机底物降解速度的推导： Monod式在低有机物浓度下，有机底物的降解速度,劳麦式：有机底物的降解速度等于其被微生物的利用速度,（4-56）,而,则,（4-49）,（4-58）,(4-57),或,（4-60）,（4-59）,5）活性污泥的二种产率（合成产率Y与表观产率Yobs）与c的关系Y合成产率，表示微生物的增殖总量，没有去除内源呼吸 而消亡的那一部分Yobs表观产率，实测所得微生物的增殖量，即微生物的净增殖量，已去除了因内源呼吸而消亡的那一部分。,（4-61）,Yobs的用处？,