⑴ 環保專業一講義：活性污泥法的動力學基礎
2.1.5活性污泥法的動力學基礎
活性污泥法動力學研究的目的是：定量地研究微生物在一定條件下對有機污染物的降解速率，使污水處理在比較理想的條件下，達到處理效率，並且使得工藝設計和運行管理更加合理。此外，通過動力學研究，明確有機物代謝和降解的內在規律，以便人們能夠主動地對污水生物處理的生化反應速度進行控制，以達到處理的要求。
本書主要介紹了莫諾德方程和以此為基礎建立的勞倫斯－麥卡蒂方程。
1、莫諾德方程
該方程是莫諾德在1942年用純種微生物在單
一無毒性的有機底物的培養基上進行的微生物增殖速率和底物濃度之間的關系研究試驗中得到的，並提出了與描述酶促反應速度與有機底物關系式類似的微生物增殖速率和底物濃度關系式，此後，他人進行的混合微生物群體組成的活性污泥對多種有機底物的微生物增殖試驗，也取得了與莫諾德提出關系相似的結果，這說明莫諾德方程是適合活性污泥過程的。
要熟悉莫諾德方程的推導及推論，熟悉莫諾德方程中各常數的求解。
2、勞倫斯－麥卡蒂方程
勞倫斯－麥卡蒂基本方程是根據莫諾德方程建立的動力學關系式，仍是基於微生物的增殖和有機物的降解過程。該方程強調污泥齡（即細胞停留時間）的重要性，由於污泥齡可以通過控制污泥的排放量進行調節，因此，勞倫斯－麥卡蒂基本方程在實際應用中的可操作性強。另外，由勞倫斯－麥卡蒂基本方程衍生的其他關系式可以確定曝氣池出水有機物濃度、曝氣池微生物與污泥齡的關系濃度，確定污泥齡與污泥迴流比的關系，確定有機物在高濃度與低濃度時的降解關系，確定活性污泥表觀產率與污泥產率的關系等等。
2.1.6活性污泥法的凈化機理、過程及影響因素
1、凈化機理及過程
⑴活性污泥中的微生物在酶的催化作用下，利用污水中的有機物和氧，將有機物氧化為水和二氧化碳，達到去除水中有機污染物的目的。
⑵凈化過程
活性污泥去除污水中有機物的過程一般分為三個階段：
①初期的吸附去除階段
在該階段，污水和污泥在剛開始接觸的5～10min內就出現了很高的BOD去除率，通常30min內完成污水中的有機物被大量去除，這主要是由於活性污泥的物理吸附和生物吸附作用共同作用的結果。
活性污泥法初期的吸附去除的主要特點包括以下幾點：
a.初期的吸附去除完成時間短，去除量大；b.去除的有機物對象主要是膠體和懸浮性有機物；c.活性污泥的性質與初期的吸附去除關系密切，一般處於內源呼吸期的活性污泥微生物吸附能力強，而氧化過度的活性污泥微生物初期吸附的效果不好；d.初期吸附有機物的效果與生物反應池的混合及傳質效果密切相關；e.被吸附的有機物沒有從根本上被礦化，通過數小時的曝氣後，在胞外酶的作用下，被分解為小分子有機物後才可能被微生物酶轉化。
②代謝階段
活性污泥吸附了污水中呈非溶解狀態的大分子有機物後，被微生物的胞外酶分解成小分子的溶解性有機物，與污水中溶解性的有機物一起進入微生物細胞內被降解和轉化，一部分有機物質進行分解代謝，氧化為二氧化碳和水，並獲得合成新細胞所需的能量，另一部分物質進行合成代謝，形成新的細胞物質。
③活性污泥絮體的分離沉澱
無論分解還是代謝，都能去除有機污染物，但是產物卻不同，分解代謝的產物是二氧化碳和水，而合成代謝的產物則是新的細胞，並以剩餘污泥的方式排出活性污泥系統。
沉澱是混合液中固相活性污泥顆粒同廢水分離的過程。固液分離的好壞，直接影響出水水質。如果處理水挾帶生物體，出水BOD和SS將增大。所以，活性污泥法的處理效率，同其他生物處理方法一樣，應包括二次沉澱池的效率，即用曝氣池及二沉池的總效率表示，除了重力沉澱外，也可用氣浮法進行固液分離。
2、二次沉澱池及工藝參數
污泥的分離沉澱是在二次沉澱池中進行的，二沉池可以與曝氣池分建或合建。分建式二沉池的類型有豎流式、平流式和輻流式，大中型城市污水處理廠中二沉池一般採用圓形輻流式沉澱池。
二沉池是生物處理工藝中最後一個工藝單元，沉澱效果對出水水質的影響非常大，主要有兩個作用：從曝氣池混合液中分離出符合設計要求的澄清水，濃縮迴流污泥；其關鍵的兩個工藝參數是表面水力負荷和固體負荷。表面水力負荷是流過每平方米沉澱池表面積的污水量，是直接與污泥沉降性能相關的參數；固體負荷是指單位時間內單位二沉池面積所能濃縮的混合液懸浮固體量，是二沉池污泥濃縮能力的指標，對於一定的活性污泥而言，二沉池固體負荷越小污泥濃縮效果越好。應該掌握各負荷的設計參數，對於分建式沉澱池，表面水力負荷為0.6～1.5 m3/m2h，而合建式二沉池的表面水力負荷宜為0.5～1.0 m3/m2h，對於固體負荷來說，傳統活性污泥法二沉池的固體負荷應≤150 kg/m2d。
3、活性污泥凈化污水的影響因素
活性污泥法中的微生物的生長受周圍環境條件影響非常大，營養物質、pH值、溫度、溶解氧的含量以及某些有毒物質等極大地影響著好氧生物處理系統的運行及凈化功能。
⑴營養物質
污水中各種營養物質的量及比例影響著微生物的生長、繁殖，從而影響好氧生物處理系統的處理效果。細菌所需的營養元素分為兩種：主要生物元素和次要生物元素。主要生物元素主要有C、O、H、S、N、P、K、Mg、Ca、Fe等，大多數生物元素都佔0.5%以上；次要元素主要有Zn、Mn、Na、Cl、Cu、B、Ni、Mo和Co等。
在污水的生物處理中，營養物質的平衡是非常重要的，上述主要元素和次要元素都必須滿足要求，而且比例必須適當，任何一種缺乏或比例失調都會影響微生物的代謝作用，影響活性污泥的正常功能發揮，從而影響污水的生物處理效果。由於生活污水的營養源充足，因此對工業廢水進行處理時，可以考慮將生活污水和工業廢水合並處理，可以提高處理效率，並且能降低處理費用。
⑵溶解氧的含量
溶解氧（即DO）是影響好氧生物處理系統運行的主要因素之一。在污水好氧生物處理過程中，為了維持好氧微生物的代謝需求，需要向曝氣池補充氧氣，保證曝氣池混合液中溶解氧濃度不小於2mg/L。
當溶解氧的濃度不足時，輕則使好氧微生物的活性受到影響，新陳代謝能力減弱，出水中有機物濃度升高，反應器處理效率下降，若溶解氧嚴重不足時，厭氧微生物將會大量繁殖，反應器處理效率明顯下降，影響出水的水質。因此，為使反應器內有足夠的溶解氧，從外部供給，一般應該以2～4 mg/L為宜此時其沉降、絮凝效果好。
⑶pH值
由於pH值的改變可能會引起細胞膜電荷的變化，從而影響微生物對營養物質的吸收和微生物代謝過程中酶的活性，會改變營養物質的供給性和有害物質的毒性，而且不利的pH值條件不僅影響微生物的生長，還會影響微生物的形態，所以，在生物處理系統中，pH值的大幅度改變會影響反應器的處理效率。
通常生活污水中含有一些緩沖物質，能夠對pH值的變化起到一定的緩沖作用，但這一緩沖作用是有限的，尤其是工業廢水，緩沖物質含量較少，而且pH值變化幅度較大，當超過微生物生長的pH值范圍時，必須通過調節裝置對pH值進行調整，所以，在反應器的設計與運行時應重點考慮這個問題。
⑷污水的溫度
溫度對好氧生物處理系統的影響是多方面的，水溫的改變，會影響在生物體內所進行的許多生化反應，因而影響生物的代謝活動，另外，污水中溫度的改變可引起其他環境因子的變化，從而影響微生物的生命活動，參與活性污泥生物處理過程的微生物多為嗜溫菌，適宜的溫度范圍為10~45℃，通常設計的活性污泥法的溫度范圍為10~30℃。
⑸有毒物質
許多有毒物質對活性污泥微生物具有一定的影響，例如，重金屬離子對微生物產生毒性作用，它們可以和細胞中的蛋白質結合，使蛋白質變性或沉澱；有些有毒的有機物能促使菌體蛋白凝固，並能對某些酶系統進行抑制，破壞細胞的正常代謝，另外，有的有機物本身的殺菌能力很強。
4、活性污泥法的基本工藝參數
主要有負荷（包括污泥負荷和容積負荷）、水力停留時間、污泥齡、污泥迴流比等。
⑵ 污水處理的有機負荷率和泥齡存在著什麼關系
從動力學的角度講，保持池內生物量濃度MLVSS、進水流量、不變的前提下（請注意這個前提條件），負荷升回高（提高進水COD濃度）會導致出水COD濃度的提高，污泥生長變快，為保持MLVSS，排泥更快，即泥齡變小。反之亦然。但是這個動力學反應有一個范圍的。依據的反應如下：
u=1/SRT=umax*Se/(Se+Ks)------Monod
Ns=Q*So/(V*X)-----有機負荷
對於實際工程中進水負荷增加及應對措施以及樓上engineerxia所言「有機負荷率相對可提高。但也不是絕對的。」可以這樣分析：對於一個已有的系統而言，調節停留時間、改變構築物大都是行不通的，能夠改變的就是污泥濃度、答排泥量控制。為了保證出水水質（Se不變的情況下，單位微生物生長和吸收污染物的速度是不變的），勢必需要提高MLVSS來實現增加負荷的吸收，實際的操作是減少排泥量，然後MLVSS提高，出水達標後，逐步增加排泥量，最終的平衡是MLVSS比負荷增加前要大，絕對排泥量也增大的。最後穩定的條件下，Ns並沒有變化，SRT也沒變化，只是形成了一個新的平衡點！
⑶ 一般的污水處理排泥量怎麼計算的
1剩餘污泥量計算方法
在活性污泥工藝中,為維持生物系統的穩定,每天需不斷有剩餘污泥排出。它們主要由兩部分構成,一是由降解有機物BOD所產生的污泥增殖,二是進水中不可降解及惰性懸浮固體的沉積。因此,剩餘干污泥量可以用式(1)計算:
ΔX=(Y1+Kdθc)Q(BODi-BODo)+fPQ(SSi-SSo)(1)
式中ΔX———系統每日產生的剩餘污泥量,kgMLSS/d;
Y———污泥增殖率,即微生物每代謝1kgBOD所合成的MLVSSkg數;
Kd———污泥自身氧化率,d-1;
θc———污泥齡(生物固體平均停留時間),d;
Y1+Kdθc———污泥凈產率系數,又稱表觀產率(Yobs);
Q———污水流量,m3/d;
BODi,BODo———進、出水中有機物BOD濃度,kgBOD/m3;
fP———不可生物降解和惰性部分佔SSi的百分數;
SSi,SSo———進、出水中懸浮固體SS濃度,kgSS/m3。
德國排水技術協會(ATV)制訂的城市污水設計規范中給出了剩餘污泥量的計算表達式[1]。此式與式(1)本質相同,只是更加細致,考慮了活性污泥代謝過程中的惰性殘余物(約占污泥代謝量的10%左右)及溫度修正。綜合污泥產率系數YBOD(以BOD計,包含不可降解及惰性SS沉積項)寫作:
YBOD=0 6×(1+SSiBODi)-(1-fb)×0 6×0 08×θc×FT1+0 08×θc×FT(2)
FT=1 702(T-15)(3)
式中fb———微生物內源呼吸形成的不可降解部分,取值0 1;
FT———溫度修正系數。
比較(1),(2)兩式,可知在ATV標准中動力學參數Y,Kd分別取值0．6和0．08d-1,進水中不可降解及惰性懸浮固體(fP部分)占總進水SS的60%。由於剩餘污泥中揮發性部分所佔比例與曝氣池中MLVSS與MLSS的比值大體相當,因此剩餘干污泥量也可以表示成下式:
ΔX=YobsQ(BODi-BODo)f(4)
式中f=MLVSSMLSS;其他符號意義同前。
式(4)與式(1)是一致的,均需確定Yobs。