⑴ 环保专业一讲义：活性污泥法的动力学基础
2.1.5活性污泥法的动力学基础
活性污泥法动力学研究的目的是：定量地研究微生物在一定条件下对有机污染物的降解速率，使污水处理在比较理想的条件下，达到处理效率，并且使得工艺设计和运行管理更加合理。此外，通过动力学研究，明确有机物代谢和降解的内在规律，以便人们能够主动地对污水生物处理的生化反应速度进行控制，以达到处理的要求。
本书主要介绍了莫诺德方程和以此为基础建立的劳伦斯－麦卡蒂方程。
1、莫诺德方程
该方程是莫诺德在1942年用纯种微生物在单
一无毒性的有机底物的培养基上进行的微生物增殖速率和底物浓度之间的关系研究试验中得到的，并提出了与描述酶促反应速度与有机底物关系式类似的微生物增殖速率和底物浓度关系式，此后，他人进行的混合微生物群体组成的活性污泥对多种有机底物的微生物增殖试验，也取得了与莫诺德提出关系相似的结果，这说明莫诺德方程是适合活性污泥过程的。
要熟悉莫诺德方程的推导及推论，熟悉莫诺德方程中各常数的求解。
2、劳伦斯－麦卡蒂方程
劳伦斯－麦卡蒂基本方程是根据莫诺德方程建立的动力学关系式，仍是基于微生物的增殖和有机物的降解过程。该方程强调污泥龄（即细胞停留时间）的重要性，由于污泥龄可以通过控制污泥的排放量进行调节，因此，劳伦斯－麦卡蒂基本方程在实际应用中的可操作性强。另外，由劳伦斯－麦卡蒂基本方程衍生的其他关系式可以确定曝气池出水有机物浓度、曝气池微生物与污泥龄的关系浓度，确定污泥龄与污泥回流比的关系，确定有机物在高浓度与低浓度时的降解关系，确定活性污泥表观产率与污泥产率的关系等等。
2.1.6活性污泥法的净化机理、过程及影响因素
1、净化机理及过程
⑴活性污泥中的微生物在酶的催化作用下，利用污水中的有机物和氧，将有机物氧化为水和二氧化碳，达到去除水中有机污染物的目的。
⑵净化过程
活性污泥去除污水中有机物的过程一般分为三个阶段：
①初期的吸附去除阶段
在该阶段，污水和污泥在刚开始接触的5～10min内就出现了很高的BOD去除率，通常30min内完成污水中的有机物被大量去除，这主要是由于活性污泥的物理吸附和生物吸附作用共同作用的结果。
活性污泥法初期的吸附去除的主要特点包括以下几点：
a.初期的吸附去除完成时间短，去除量大；b.去除的有机物对象主要是胶体和悬浮性有机物；c.活性污泥的性质与初期的吸附去除关系密切，一般处于内源呼吸期的活性污泥微生物吸附能力强，而氧化过度的活性污泥微生物初期吸附的效果不好；d.初期吸附有机物的效果与生物反应池的混合及传质效果密切相关；e.被吸附的有机物没有从根本上被矿化，通过数小时的曝气后，在胞外酶的作用下，被分解为小分子有机物后才可能被微生物酶转化。
②代谢阶段
活性污泥吸附了污水中呈非溶解状态的大分子有机物后，被微生物的胞外酶分解成小分子的溶解性有机物，与污水中溶解性的有机物一起进入微生物细胞内被降解和转化，一部分有机物质进行分解代谢，氧化为二氧化碳和水，并获得合成新细胞所需的能量，另一部分物质进行合成代谢，形成新的细胞物质。
③活性污泥絮体的分离沉淀
无论分解还是代谢，都能去除有机污染物，但是产物却不同，分解代谢的产物是二氧化碳和水，而合成代谢的产物则是新的细胞，并以剩余污泥的方式排出活性污泥系统。
沉淀是混合液中固相活性污泥颗粒同废水分离的过程。固液分离的好坏，直接影响出水水质。如果处理水挟带生物体，出水BOD和SS将增大。所以，活性污泥法的处理效率，同其他生物处理方法一样，应包括二次沉淀池的效率，即用曝气池及二沉池的总效率表示，除了重力沉淀外，也可用气浮法进行固液分离。
2、二次沉淀池及工艺参数
污泥的分离沉淀是在二次沉淀池中进行的，二沉池可以与曝气池分建或合建。分建式二沉池的类型有竖流式、平流式和辐流式，大中型城市污水处理厂中二沉池一般采用圆形辐流式沉淀池。
二沉池是生物处理工艺中最后一个工艺单元，沉淀效果对出水水质的影响非常大，主要有两个作用：从曝气池混合液中分离出符合设计要求的澄清水，浓缩回流污泥；其关键的两个工艺参数是表面水力负荷和固体负荷。表面水力负荷是流过每平方米沉淀池表面积的污水量，是直接与污泥沉降性能相关的参数；固体负荷是指单位时间内单位二沉池面积所能浓缩的混合液悬浮固体量，是二沉池污泥浓缩能力的指标，对于一定的活性污泥而言，二沉池固体负荷越小污泥浓缩效果越好。应该掌握各负荷的设计参数，对于分建式沉淀池，表面水力负荷为0.6～1.5 m3/m2h，而合建式二沉池的表面水力负荷宜为0.5～1.0 m3/m2h，对于固体负荷来说，传统活性污泥法二沉池的固体负荷应≤150 kg/m2d。
3、活性污泥净化污水的影响因素
活性污泥法中的微生物的生长受周围环境条件影响非常大，营养物质、pH值、温度、溶解氧的含量以及某些有毒物质等极大地影响着好氧生物处理系统的运行及净化功能。
⑴营养物质
污水中各种营养物质的量及比例影响着微生物的生长、繁殖，从而影响好氧生物处理系统的处理效果。细菌所需的营养元素分为两种：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，大多数生物元素都占0.5%以上；次要元素主要有Zn、Mn、Na、Cl、Cu、B、Ni、Mo和Co等。
在污水的生物处理中，营养物质的平衡是非常重要的，上述主要元素和次要元素都必须满足要求，而且比例必须适当，任何一种缺乏或比例失调都会影响微生物的代谢作用，影响活性污泥的正常功能发挥，从而影响污水的生物处理效果。由于生活污水的营养源充足，因此对工业废水进行处理时，可以考虑将生活污水和工业废水合并处理，可以提高处理效率，并且能降低处理费用。
⑵溶解氧的含量
溶解氧（即DO）是影响好氧生物处理系统运行的主要因素之一。在污水好氧生物处理过程中，为了维持好氧微生物的代谢需求，需要向曝气池补充氧气，保证曝气池混合液中溶解氧浓度不小于2mg/L。
当溶解氧的浓度不足时，轻则使好氧微生物的活性受到影响，新陈代谢能力减弱，出水中有机物浓度升高，反应器处理效率下降，若溶解氧严重不足时，厌氧微生物将会大量繁殖，反应器处理效率明显下降，影响出水的水质。因此，为使反应器内有足够的溶解氧，从外部供给，一般应该以2～4 mg/L为宜此时其沉降、絮凝效果好。
⑶pH值
由于pH值的改变可能会引起细胞膜电荷的变化，从而影响微生物对营养物质的吸收和微生物代谢过程中酶的活性，会改变营养物质的供给性和有害物质的毒性，而且不利的pH值条件不仅影响微生物的生长，还会影响微生物的形态，所以，在生物处理系统中，pH值的大幅度改变会影响反应器的处理效率。
通常生活污水中含有一些缓冲物质，能够对pH值的变化起到一定的缓冲作用，但这一缓冲作用是有限的，尤其是工业废水，缓冲物质含量较少，而且pH值变化幅度较大，当超过微生物生长的pH值范围时，必须通过调节装置对pH值进行调整，所以，在反应器的设计与运行时应重点考虑这个问题。
⑷污水的温度
温度对好氧生物处理系统的影响是多方面的，水温的改变，会影响在生物体内所进行的许多生化反应，因而影响生物的代谢活动，另外，污水中温度的改变可引起其他环境因子的变化，从而影响微生物的生命活动，参与活性污泥生物处理过程的微生物多为嗜温菌，适宜的温度范围为10~45℃，通常设计的活性污泥法的温度范围为10~30℃。
⑸有毒物质
许多有毒物质对活性污泥微生物具有一定的影响，例如，重金属离子对微生物产生毒性作用，它们可以和细胞中的蛋白质结合，使蛋白质变性或沉淀；有些有毒的有机物能促使菌体蛋白凝固，并能对某些酶系统进行抑制，破坏细胞的正常代谢，另外，有的有机物本身的杀菌能力很强。
4、活性污泥法的基本工艺参数
主要有负荷（包括污泥负荷和容积负荷）、水力停留时间、污泥龄、污泥回流比等。
⑵ 污水处理的有机负荷率和泥龄存在着什么关系
从动力学的角度讲，保持池内生物量浓度MLVSS、进水流量、不变的前提下（请注意这个前提条件），负荷升回高（提高进水COD浓度）会导致出水COD浓度的提高，污泥生长变快，为保持MLVSS，排泥更快，即泥龄变小。反之亦然。但是这个动力学反应有一个范围的。依据的反应如下：
u=1/SRT=umax*Se/(Se+Ks)------Monod
Ns=Q*So/(V*X)-----有机负荷
对于实际工程中进水负荷增加及应对措施以及楼上engineerxia所言“有机负荷率相对可提高。但也不是绝对的。”可以这样分析：对于一个已有的系统而言，调节停留时间、改变构筑物大都是行不通的，能够改变的就是污泥浓度、答排泥量控制。为了保证出水水质（Se不变的情况下，单位微生物生长和吸收污染物的速度是不变的），势必需要提高MLVSS来实现增加负荷的吸收，实际的操作是减少排泥量，然后MLVSS提高，出水达标后，逐步增加排泥量，最终的平衡是MLVSS比负荷增加前要大，绝对排泥量也增大的。最后稳定的条件下，Ns并没有变化，SRT也没变化，只是形成了一个新的平衡点！
⑶ 一般的污水处理排泥量怎么计算的
1剩余污泥量计算方法
在活性污泥工艺中,为维持生物系统的稳定,每天需不断有剩余污泥排出。它们主要由两部分构成,一是由降解有机物BOD所产生的污泥增殖,二是进水中不可降解及惰性悬浮固体的沉积。因此,剩余干污泥量可以用式(1)计算:
ΔX=(Y1+Kdθc)Q(BODi-BODo)+fPQ(SSi-SSo)(1)
式中ΔX———系统每日产生的剩余污泥量,kgMLSS/d;
Y———污泥增殖率,即微生物每代谢1kgBOD所合成的MLVSSkg数;
Kd———污泥自身氧化率,d-1;
θc———污泥龄(生物固体平均停留时间),d;
Y1+Kdθc———污泥净产率系数,又称表观产率(Yobs);
Q———污水流量,m3/d;
BODi,BODo———进、出水中有机物BOD浓度,kgBOD/m3;
fP———不可生物降解和惰性部分占SSi的百分数;
SSi,SSo———进、出水中悬浮固体SS浓度,kgSS/m3。
德国排水技术协会(ATV)制订的城市污水设计规范中给出了剩余污泥量的计算表达式[1]。此式与式(1)本质相同,只是更加细致,考虑了活性污泥代谢过程中的惰性残余物(约占污泥代谢量的10%左右)及温度修正。综合污泥产率系数YBOD(以BOD计,包含不可降解及惰性SS沉积项)写作:
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———微生物内源呼吸形成的不可降解部分,取值0 1;
FT———温度修正系数。
比较(1),(2)两式,可知在ATV标准中动力学参数Y,Kd分别取值0．6和0．08d-1,进水中不可降解及惰性悬浮固体(fP部分)占总进水SS的60%。由于剩余污泥中挥发性部分所占比例与曝气池中MLVSS与MLSS的比值大体相当,因此剩余干污泥量也可以表示成下式:
ΔX=YobsQ(BODi-BODo)f(4)
式中f=MLVSSMLSS;其他符号意义同前。
式(4)与式(1)是一致的,均需确定Yobs。