2活性污泥反应动力学及其应用(二)09

Lawrence-McCarty
VX c X / t
反应器内微生物总量
2.6
△X—每天从系统中排出增殖的微生物总量；mg
X—反应器内微生物浓度，mg/l
2.4.3 劳伦斯—麦卡蒂模式的基本概念
针对两种不同的排泥方式 传统方式
Lawrence-McCarty
一般Xe值很低，可以 忽略
VX a c Qw X r (Q Qw ) X e
Vmax— 最大酶反应速度； S— 基质浓度； Km— 米氏常数。
一级反应区 （n=1）
Km
基质浓度（S）
纯酶单一基质培养
2.4.2
活性污泥反应动力学基础
莫诺模式
Monod 比增殖速率（μ）
max
莫诺于1942年和 1950年曾两次进行了 单一基质的纯菌种培 养试验，关联出微生 物比增殖速率和基质 浓度之间的关系，如 右图所示。
劳伦斯—麦卡蒂模式的基本概念
微生物比增殖速率
当微生物增长的全部必要条件得到满足时，对于某一 时间增量△t，微生物体浓度增量△x，微生物体浓度 的增量△x与现存的微生物体浓度x成正比
x xt 引入比例常数µ x xt
取极限：
dx x dt
2.4.3 劳伦斯—麦卡蒂模式的基本概念
S e f ( c )
如欲提高处理效果，降低Se值，就必须适当提高θc值。
2.4.5 劳伦斯—麦卡蒂基本方程式的应用
dX
dt
对比
X
c
1

VX c x Baidu Nhomakorabea t

1
c
2.11
2.4.4
Lawrence-McCarty
劳伦斯—麦卡蒂基本方程式
劳伦斯—麦卡蒂以微生物增殖和对有机基质的利用为基础，1970年 建立了活性污泥反应动力学方程式
1、第一基本方程式
在反应器内，微生物量因增殖而增加，同时又因内源代谢而减少， 其综合变化可用下式表示：
max
零级 反应 区 混合级反应区 （n=0） （0＜n＜1）

max S
Ks S
2.2
1 max 2
μ— 微生物比增殖速率，d-1；
μ max—微生物最大比增殖速率，d-1；
S— 溶液中限制微生物生长的基质浓度， mg/L、g/m3；
一级反应区 （n=1）
Ks
基质浓度（S）
Ks— 饱和常数。即当μ=μｍax/2时的基质浓度，故又 称为半速度常数，mg/L、g/m3。
水处理工程（二）
—活性污泥反应动力学及其应用
2.4 活性污泥反应动力学及其应用
2.4.1 概述
2.4.2 活性污泥反应动力学基础 2.4.3 劳伦斯—麦卡蒂模式的基本概念 2.4.4 劳伦斯—麦卡蒂基本方程式 2.4.5 劳伦斯—麦卡蒂基本方程式的应用
2.4.6 动力学参数的测定
2.4.7 例题
兴趣是最好的老师！
c
2.4.3 劳伦斯—麦卡蒂模式的基本概念
减轻二次沉淀池的负荷，有利于污 劳伦斯—麦卡蒂建议的排泥方式 泥浓缩，所得回流污泥的浓度较高
劳伦斯—麦卡蒂推 荐的排泥方式 Ⅱ Qw、Xa
Lawrence-McCarty
Q、S0
曝气池 V、Xa、Se
Q(1+R)
Xa、Se
二沉池
(Q-Qw)
RQ、Xr、Se
2.4.5 劳伦斯—麦卡蒂基本方程式的应用 ———————六个方面的应用
1、确立出水基质浓度（Se）与生物固体平均停留时间（θc）之间的关系 2、确立微生物浓度（X）与生物固体平均停留时间θc之间的关系。
Lawrence-McCarty
3、确立活性污泥回流比（R）与生物固体平均停留时间（θc）之间的关系
微生物比增殖速率
单位重量微生物（活性污泥）的增殖速率，以μ表示，单位d-1
Lawrence-McCarty
其中
dX dt 2.4 X dX 为微生物的增殖速率,mg/d dt
X—反应器内微生物浓度，mg/l;
µ--微生物比增值速率，d-1
2.4.3 劳伦斯—麦卡蒂模式的基本概念
Xe、Se 传统的排 泥方式 Ⅰ Qw、Xr、Se
Q为废水流量；S0为废水基质（有机污染物）浓度； Se为处理 水基质浓度； Xa为曝气池内微生物（活性污泥）浓度；V为曝 气池容积；R为污泥回流比； Qw为排泥量； Xr为二沉池底部 的活性污泥浓度； Xe为处理水中的活性污泥浓度。
2.4.3
Lawrence-McCarty
劳伦斯—麦卡蒂基本方程式
2.14
用qmax值代替vmax ，得到
劳伦斯－麦卡蒂第二基本方程式
q X S dS max a Ks S dt u
2.15
式中：S－反应器内基质浓度； ｑmax－单位生物量的最大基质利用速率（在高底物浓度条件） 1 q qmax 时的基质浓度 Ｋs－半速率系数，其值等于 2 劳-麦第二基本方程式表示基质降解速率与反应器内微生物浓度 和基质浓度之间的关系
2.4.2
活性污泥反应动力学基础
假设：微生物比增殖速率（μ）与基质比降解速率（v）呈比例关 系，即
v
基质比降解速率（v），可以用莫诺模式加以描述：
v vmax
S Ks S
2.3
v 式中： －基质比降解速率，d-1 ；
vmax
－基质最大比降解速率，d-1 。
对废水处理来说，有机物的降解是其基本目的，因此，式2.3的实 际意义较大
2.4.4
dX dS Y K d X a 左右除以Xa dt dt u
dX dt Y Xa
Lawrence-McCarty
劳伦斯—麦卡蒂基本方程式
dS dt u Kd Xa
1
c

q
劳伦斯－麦卡蒂第一基本方程式
1
1 max 2
零级 反应 区 混合级反应区 （n=0） （0＜n＜1）
一级反应区 （n=1）
Ks
基质浓度（S）
莫诺发现微生物比增殖速率和基质浓度之间的关系与酶促反应 速度与基质浓度之间的关系相同，从而提出了与米—门方程式相 似的莫诺模式
2.4.2
活性污泥反应动力学基础
莫诺模式
Monod 比增殖速率（μ）
4、总产率（Y）与表现产率（Yobs）之间的关系 5、θc值与Se值及E的关系 6、对方程式 v vmax
S 的推论 Ks S
2.4.5 劳伦斯—麦卡蒂基本方程式的应用
通过劳-麦的基本方程式加以整理，可以得到：
Lawrence-McCarty
1、确立处理水基质浓度（Se）与生物固体平均停留时间（θc）之间的关系
很多学者根据各自的研究成果，提出了描述上述两项关系 的动力学表达式，我们将主要介绍劳伦斯—麦卡蒂模式。
2.4.2
活性污泥反应动力学基础
米—门公式（1913）
Michaelis—Menten 酶反应速度（V）
Vmax
Vmax S V Km S
V— 酶反应速度；
2.1
1 Vmax 2
零级 反应 区 混合级反应区 （n=0） （0＜n＜1）
VX a Qw X a (Q Qw ) X e
2.7 2.8
VX a c Qw X r V c Qw
2.9 2.10
劳-麦推荐 c
生物固体平均停留时间与微生物比增殖速率的关系？
dX dt X
VX c X / t
生物固体平均停留时间与微生物比增殖速率 的关系
2.4.2
活性污泥反应动力学基础
莫诺模式是通过单一基质的纯菌种培养试验得出的， 但活性污泥处理系统的微生物是多种属的微生物群 体，污水中的有机基质也是多种类的，莫诺方程能 否应用？
在60～70年代，劳伦斯等人将莫诺模式引入 污水生物处理领域，证实该式完全适用。
2.4.2
活性污泥反应动力学基础
dX dt
dX dS Y Kd X a dt dt u
为微生物净增殖速率， mg/(L· d)；
2.12
Y－活性污泥产率，mg（生物量）/mg（降解的有机基质）；
dS d)； 为基质利用速率（降解速率），mg/(L· dt u
Kｄ－微生物内源代谢作用的自身氧化率，又称衰减系数，d-1； Xa－反应器内微生物浓度，mg/L；
c
Yq K d
2.13
劳-麦第一基本方程式表示的是生物固体平均停留时间（θc）与产率 （Y）、单位基质利用速率（q）及衰减系数（Kd）之间的关系
2.4.4
2、第二基本方程式
Lawrence-McCarty
劳伦斯—麦卡蒂基本方程式
在莫诺模式的基础上建立起来的，提出有机基质的降解速率 等于其被微生物的利用速率，即
1、活性污泥动力学主要研究那几种因素之间的关系？ 2、monod模式建立的基础是什么？ 3、劳伦斯—麦卡蒂模式建立需要的几个基本概念的含 义是什么？ 4、劳伦斯—麦卡蒂模式第一方程式、第二方程式各自 描述那几个因素之间的关系？ 5、劳伦斯—麦卡蒂模式基本方程式的应用主要用于求 解哪几个参数？ 6、动力学参数如何通过测定得到？
2.4.1 概 述
反应动力学研究的主要内容 研究化学反应速度与各项物理因素之间的定量关系 研究反应动力学的目的
针对某一反应，选择合适的反应条件、反应器的结构形式、确 定反应器的尺寸及其处理能力
兴起于上个世纪五、六十年代。能够通过数学式定量 地或半定量的解释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。对工程设计与优化运行管理有着 一定的指导意义。
2.4.1 概 述
活性污泥动力学研究的主要内容
从活性污泥处理系统的工程实践要求考虑，对活性污泥反 应动力学的研究重点在于确定活性污泥反应速度和各项主要 环境因素之间的关系，研究的主要内容：
1、有机基质的降解速度与有机基质浓度、活性污泥微生物 量等因素之间的关系；
2、活性污泥微生物的增殖速度与有机基质浓度、微生物量 等因素之间的关系。
vq
已知
v vmax
S Ks S
2.3
dS dt u q X
推出
2.5
X aS dS v max Ks S dt u
2.14
2.4.4
X aS dS v max Ks S dt u
Lawrence-McCarty
2.4.3 劳伦斯—麦卡蒂模式的基本概念
dX dt X
Lawrence-McCarty
劳伦斯—麦卡蒂建议的排泥方式 微生物比增殖速率(μ) 单位基质利用速率(q) 生物固体平均停留时间(θc)
dS dt u q X
c
1


1
VX c X / t
单位基质利用速率（也称单位有机底物利用速率）
单位重量微生物的基质利用速率，用q表示，单位d-1 (F/M?)
Lawrence-McCarty
dS dt u q X
2.5
dS dt u
--表示基质的利用速率（u-绝对值）mg/d
X—反应器内微生物浓度，mg/l
1 Ks Kd c 1 Yvmax Kd c
对完全混合式
Se

2.16
对推流式
1
c
Y (So
vmax ( S o S e ) So S e ) K s ln Se
Kd
2.17
从式（2.16）可见，Ks、Kd 、Y、vmax 都是系数，其值通过实验确 定，对某一条件来说，其值为一常数；而Se值仅为θc的函数，即
有关活性污泥动力学模式都是以完全混合式曝气池为基础建 立的，经过修正再应用到推流式曝气池系统。 活性污泥反应动力学模型的建立，均是在理想条件下建立的， 在应用时，还需根据具体条件加以修正。 一般建立活性污泥反应的动力学模式的假设条件是：
1、活性污泥系统运行条件处于稳定状态 2、活性污泥在二次沉淀池内不产生微生物代谢活动 3、系统中不含有毒性物质和抑制物质 4、进水底物浓度保持恒定 5、全部生物可降解的底物处于溶解状态
2.4.3 劳伦斯—麦卡蒂模式的基本概念
生物固体平均停留时间
（又称细胞平均停留时间，工程上习惯称为污泥龄） 指在反应系统内，微生物从其生成开始到排出系统的平均停留时 间，也就是反应系统内的微生物全部更新一次所需的时间。从工程 上来说，就是反应系统内微生物总量与每日排放的剩余微生物量的 比值。以θc或ts表示，单位为d。