第三章 廢水好氧生物處理工藝（1）——活性污泥法

*節(jié) 活性污泥法的基本原理

一、活性污泥法的基本工藝流程

1、活性污泥法的基本組成

① 曝氣池：反應(yīng)主體

② 二沉池： 1）進(jìn)行泥水分離，保證出水水質(zhì)；2）保證回流污泥，維持曝氣池內(nèi)的污泥濃度。

③ 回流系統(tǒng)：  1）維持曝氣池的污泥濃度；2）改變回流比，改變曝氣池的運(yùn)行工況。

④ 剩余污泥排放系統(tǒng)：  1）是去除有機(jī)物的途徑之一；2）維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

⑤ 供氧系統(tǒng)：  提供足夠的溶解氧

2、活性污泥系統(tǒng)有效運(yùn)行的基本條件是：

① 廢水中含有足夠的可容性易降解有機(jī)物；

② 混合液含有足夠的溶解氧；

③ 活性污泥在池內(nèi)呈懸浮狀態(tài)；

④ 活性污泥連續(xù)回流、及時(shí)排除剩余污泥，使混合液保持一定濃度的活性污泥；

⑤ 無(wú)有毒有害的物質(zhì)流入。

二、活性污泥的性質(zhì)與性能指標(biāo) 

1、活性污泥的基本性質(zhì)

① 物理性能：“菌膠團(tuán)”、“生物絮凝體”：

顏色：褐色、（土）黃色、鐵紅色；

氣味：泥土味（城市污水）；

比重：略大于1，（1.002~1.006）；

粒徑：0.02~0.2 mm；

比表面積：20~100cm2/ml。

② 生化性能：

1) 活性污泥的含水率：99.2~99.8%；

固體物質(zhì)的組成：活細(xì)胞（Ma）、微生物內(nèi)源代謝的殘留物（Me）、吸附的原廢水中難于生物降解的有機(jī)物（Mi）、無(wú)機(jī)物質(zhì)（Mii）。

2、活性污泥中的微生物：

① 細(xì)菌：    是活性污泥凈化功能zui活躍的成分，

主要菌種有：動(dòng)膠桿菌屬、假單胞菌屬、微球菌屬、黃桿菌屬、芽胞桿菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬、無(wú)色桿菌屬等；

基本特征：1) 絕大多數(shù)都是好氧或兼性化能異養(yǎng)型原核細(xì)菌；

2) 在好氧條件下，具有很強(qiáng)的分解有機(jī)物的功能；

3) 具有較高的增殖速率，世代時(shí)間僅為20~30分鐘；

4) 其中的動(dòng)膠桿菌具有將大量細(xì)菌結(jié)合成為“菌膠團(tuán)”的功能。

② 其它微生物------原生動(dòng)物、后生動(dòng)物----在活性污泥中大約為103個(gè)/ml

3、活性污泥的性能指標(biāo)：

① 混合液懸浮固體濃度（MLSS）（Mixed  Liquor  Suspended  Solids）：

MLSS = Ma + Me + Mi + Mii   單位：  mg/l  g/m3

② 混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度（MLVSS）（Mixed  Volatile  Liquor  Suspended  Solids）：

MLVSS = Ma + Me + Mi；

在條件一定時(shí)，MLVSS/MLSS是較穩(wěn)定的，對(duì)城市污水，一般是0.75~0.85

③ 污泥沉降比（SV）（Sludge  Volume）：

是指將曝氣池中的混合液在量筒中靜置30分鐘，其沉淀污泥與原混合液的體積比，一般以%表示；

能相對(duì)地反映污泥數(shù)量以及污泥的凝聚、沉降性能，可用以控制排泥量和及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期的污泥膨脹；

正常數(shù)值為20~30%。

④ 污泥體積指數(shù)（SVI）（Sludge Volume Index）：

曝氣池出口處混合液經(jīng)30分鐘靜沉后，1g干污泥所形成的污泥體積， 單位是  ml/g。

能更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)污泥的凝聚性能和沉降性能，其值過(guò)低，說(shuō)明泥粒小，密實(shí)，無(wú)機(jī)成分多；其值過(guò)高，說(shuō)明其沉降性能不好，將要或已經(jīng)發(fā)生膨脹現(xiàn)象；

城市污水的SVI一般為50~150 ml/g；

三、活性污泥的增殖規(guī)律及其應(yīng)用

活性污泥中微生物的增殖是活性污泥在曝氣池內(nèi)發(fā)生反應(yīng)、有機(jī)物被降解的必然結(jié)果，而微生物增殖的結(jié)果則是活性污泥的增長(zhǎng)。

1、活性污泥的增殖曲線

注意：1)間歇靜態(tài)培養(yǎng)；2)底物是一次投加；3)圖中同時(shí)還表示了有機(jī)底物降解和氧的消耗曲線。

① 適應(yīng)期：

是活性污泥微生物對(duì)于新的環(huán)境條件、污水中有機(jī)物污染物的種類等的一個(gè)短暫的適應(yīng)過(guò)程；經(jīng)過(guò)適應(yīng)期后，微生物從數(shù)量上可能沒(méi)有增殖，但發(fā)生了一些質(zhì)的變化：a.菌體體積有所增大；b.酶系統(tǒng)也已做了相應(yīng)調(diào)整；c.產(chǎn)生了一些適應(yīng)新環(huán)境的變異；等等。BOD5、COD等各項(xiàng)污染指標(biāo)可能并無(wú)較大變化。

② 對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期：

F/M值高(>2.2)，所以有機(jī)底物非常豐富，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不是微生物增殖的控制因素；微生物的增長(zhǎng)速率與基質(zhì)濃度無(wú)關(guān)，呈零級(jí)反應(yīng)，它僅由微生物本身所*的zui小世代時(shí)間所控制，即只受微生物自身的生理機(jī)能的限制；微生物以zui高速率對(duì)有機(jī)物進(jìn)行攝取，也以zui高速率增殖，而合成新細(xì)胞；此時(shí)的活性污泥具有很高的能量水平，其中的微生物活動(dòng)能力很強(qiáng)，導(dǎo)致污泥質(zhì)地松散，不能形成較好的絮凝體，污泥的沉淀性能不佳；活性污泥的代謝速率*，需氧量大；一般不采用此階段作為運(yùn)行工況，但也有采用的，如高負(fù)荷活性污泥法。

③ 減速增長(zhǎng)期：

F/M值下降到一定水平后，有機(jī)底物的濃度成為微生物增殖的控制因素；微生物的增殖速率與殘存的有機(jī)底物呈正比，為一級(jí)反應(yīng)；有機(jī)底物的降解速率也開(kāi)始下降；微生物的增殖速率在逐漸下降，直至在本期的zui后階段下降為零，但微生物的量還在增長(zhǎng)；活性污泥的能量水平已下降，絮凝體開(kāi)始形成，活性污泥的凝聚、吸附以及沉淀性能均較好；由于殘存的有機(jī)物濃度較低，出水水質(zhì)有較大改善，并且整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)活性污泥處理廠是將曝氣池的運(yùn)行工況控制在這一范圍內(nèi)的。

④ 內(nèi)源呼吸期：

內(nèi)源呼吸的速率在本期之初超過(guò)了合成速率，因此從整體上來(lái)說(shuō)，活性污泥的量在減少，zui終所有的活細(xì)胞將消亡，而僅殘留下內(nèi)源呼吸的殘留物，而這些物質(zhì)多是難于降解的細(xì)胞壁等；污泥的無(wú)機(jī)化程度較高，沉降性能良好，但凝聚性較差；有機(jī)物基本消耗殆盡，處理水質(zhì)良好；一般不用這一階段作為運(yùn)行工況，但也有采用，如延時(shí)曝氣法。

2、活性污泥增殖規(guī)律的應(yīng)用：

① 活性污泥的增殖狀況，主要是由F/M值所控制；

② 處于不同增值期的活性污泥，其性能不同，出水水質(zhì)也不同；

③ 通過(guò)調(diào)整F/M值，可以調(diào)控曝氣池的運(yùn)行工況，達(dá)到不同的出水水質(zhì)和不同性質(zhì)的活性污泥；

④ 活性污泥法的運(yùn)行方式不同，其在增值曲線上所處位置也不同。

3、有機(jī)物降解與微生物增殖：

活性污泥微生物增殖是微生物增殖和自身氧化(內(nèi)源呼吸)兩項(xiàng)作用的綜合結(jié)果，

活性污泥微生物在曝氣池內(nèi)每日的凈增長(zhǎng)量為:

              ;

式中:    每日污泥增長(zhǎng)量(),； ；

——每日處理廢水量()；

；

 ——進(jìn)水濃度(或)；

——出水濃度(或)。

a, b ——經(jīng)驗(yàn)值：對(duì)于生活污水活與之性質(zhì)相近的工業(yè)廢水，，；

                ——或試驗(yàn)值：通過(guò)試驗(yàn)獲得。

4、有機(jī)物降解與需氧量：

活性污泥中的微生物在進(jìn)行代謝活動(dòng)時(shí)需要氧的供應(yīng)，氧的主要作用有：① 將一部分有機(jī)物氧化分解；② 對(duì)自身細(xì)胞的一部分物質(zhì)進(jìn)行自身氧化。

因此，活性污泥法中的需氧量:

式中：   ——曝氣池混合液的需氧量，；

——代謝每所需的氧量，；

——每每天進(jìn)行自身氧化所需的氧量，。

         二者的取值同樣可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)來(lái)獲得。

5、活性污泥凈化廢水的實(shí)際過(guò)程：

在活性污泥處理系統(tǒng)中，有機(jī)污染物物從廢水中被去除的實(shí)質(zhì)就是有機(jī)底物作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被活性污泥微生物攝取、代謝與利用的過(guò)程，這一過(guò)程的結(jié)果是污水得到了凈化，微生物獲得了能量而合成新的細(xì)胞，活性污泥得到了增長(zhǎng)。一般將這整個(gè)凈化反應(yīng)過(guò)程分為三個(gè)階段：① 初期吸附；② 微生物代謝；③ 活性污泥的凝聚、沉淀與濃縮。

所謂“初期吸附”是指:在活性污泥系統(tǒng)內(nèi)，在污水開(kāi)始與活性污泥接觸后的較短時(shí)間(10~30min)內(nèi)，由于活性污泥具有很大的表面積因而具有很強(qiáng)的吸附能力，因此在這很短的時(shí)間內(nèi)，就能夠去除廢水中大量的呈懸浮和膠體狀態(tài)的有機(jī)污染物，使廢水的BOD5值(或COD值)大幅度下降。但這并不是真正的降解，隨著時(shí)間的推移，混合液的BOD5值會(huì)回升，再之后，BOD5值才會(huì)逐漸下降。

活性污泥吸附能力的大小與很多因素有關(guān)：

① 廢水的性質(zhì)、特性：對(duì)于含有較高濃度呈懸浮或膠體狀有機(jī)污染物的廢水，具有較好的效果；

② 活性污泥的狀態(tài)：在吸附飽和后應(yīng)給以充分的再生曝氣，使其吸附功能得到恢復(fù)和增強(qiáng)，一般應(yīng)使活性污泥微生物進(jìn)入內(nèi)源代謝期。

四、活性污泥法的基本工藝參數(shù)

1、容積負(fù)荷（Volumetric Organic Loading Rate）：

        ;            

2、污泥負(fù)荷（Sludge Organic Loading Rate）：

    ;

3、水力停留時(shí)間（Hydraulic  Retention  Time）：       （h）

4、污泥齡或污泥停留時(shí)間（Sludge  Retention  Time）：（h 或 d）

5、回流比：

第二節(jié) 活性污泥法的主要運(yùn)行方式

一、各種活性污泥法工藝

迄今為止，在活性污泥法工程領(lǐng)域，應(yīng)用著多種各具特色的運(yùn)行方式。主要有以下幾種：① 傳統(tǒng)推流式活性污泥法；② *混合活性污泥法；③ 階段曝氣活性污泥法；④ 吸附—再生活性污泥法；⑤ 延時(shí)曝氣活性污泥法；⑥ 高負(fù)荷活性污泥法；⑦ 純氧曝氣活性污泥法；⑧ 淺層低壓曝氣活性污泥法；⑨ 深水曝氣活性污泥法；⑩ 深井曝氣活性污泥法。

1、傳統(tǒng)推流式活性污泥法：

① 工藝流程：

② 供需氧曲線：

③ 主要優(yōu)點(diǎn)：1) 處理效果好：BOD5的去除率可達(dá)90-95%；2) 對(duì)廢水的處理程度比較靈活，可根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。

④ 主要問(wèn)題：1) 為了避免池首端形成厭氧狀態(tài)，不宜采用過(guò)高的有機(jī)負(fù)荷，因而池容較大，占地面積較大；2) 在池末端可能出現(xiàn)供氧速率高于需氧速率的現(xiàn)象，會(huì)浪費(fèi)了動(dòng)力費(fèi)用；3) 對(duì)沖擊負(fù)荷的適應(yīng)性較弱。

⑤ 一般所采用的設(shè)計(jì)參數(shù)(處理城市污水)：

2、*混合活性污泥法

① 主要特點(diǎn)：a.可以方便地通過(guò)對(duì)F/M的調(diào)節(jié)，使反應(yīng)器內(nèi)的有機(jī)物降解反應(yīng)控制在*狀態(tài)；b.進(jìn)水一進(jìn)入曝氣池，就立即被大量混合液所稀釋，所以對(duì)沖擊負(fù)荷有一定的抵抗能力；c.適合于處理較高濃度的有機(jī)工業(yè)廢水。

② 主要結(jié)構(gòu)形式：a.合建式（曝氣沉淀池）：b.分建式

3、階段曝氣活性污泥法——又稱分段進(jìn)水活性污泥法或多點(diǎn)進(jìn)水活性污泥法

① 工藝流程：

② 主要特點(diǎn)：a.廢水沿池長(zhǎng)分段注入曝氣池，有機(jī)物負(fù)荷分布較均衡，改善了供養(yǎng)速率與需氧速率間的矛盾，有利于降低能耗；b.廢水分段注入，提高了曝氣池對(duì)沖擊負(fù)荷的適應(yīng)能力；

③ 主要設(shè)計(jì)參數(shù)：

4、吸附再生活性污泥法——又稱生物吸附法或接觸穩(wěn)定法。

主要特點(diǎn)是將活性污泥法對(duì)有機(jī)污染物降解的兩個(gè)過(guò)程——吸附、代謝穩(wěn)定，分別在各自的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行。

① 工藝流程：

② 主要優(yōu)點(diǎn)：

a.廢水與活性污泥在吸附池的接觸時(shí)間較短，吸附池容積較小，再生池接納的僅是濃度較高的回流污泥，因此，再生池的容積也較小。吸附池與再生池容積之和低于傳統(tǒng)法曝氣池的容積，基建費(fèi)用較低；

b.具有一定的承受沖擊負(fù)荷的能力，當(dāng)吸附池的活性污泥遭到破壞時(shí)，可由再生池的污泥予以補(bǔ)充。

③ 主要缺點(diǎn)：處理效果低于傳統(tǒng)法，特別是對(duì)于溶解性有機(jī)物含量較高的廢水，處理效果更差。

④ 主要設(shè)計(jì)參數(shù)：

5、延時(shí)曝氣活性污泥法——*氧化活性污泥法

① 主要特點(diǎn)：

a.有機(jī)負(fù)荷率非常低，污泥持續(xù)處于內(nèi)源代謝狀態(tài)，剩余污泥少且穩(wěn)定，勿需再進(jìn)行處理；

b.處理出水出水水質(zhì)穩(wěn)定性較好，對(duì)廢水沖擊負(fù)荷有較強(qiáng)的適應(yīng)性；

c.在某些情況下，可以不設(shè)初次沉淀池。

② 主要缺點(diǎn)：

池容大、曝氣時(shí)間長(zhǎng)，建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用都較高，而且占地大；一般適用于處理水質(zhì)要求高的小型城鎮(zhèn)污水和工業(yè)污水，水量一般在1000m3/d以下。

③ 主要設(shè)計(jì)參數(shù)：

6、高負(fù)荷活性污泥法——又稱短時(shí)曝氣法或不*曝氣活性污泥法

① 主要特點(diǎn)：有機(jī)負(fù)荷率高，曝氣時(shí)間短，處理效果較差；而在工藝流程和曝氣池的構(gòu)造等方面與傳統(tǒng)法基本相同。

② 主要設(shè)計(jì)參數(shù)：

7、純氧曝氣活性污泥法

① 主要特點(diǎn)：

a.純氧中氧的分壓比空氣約高5倍，純氧曝氣可大大提高氧的轉(zhuǎn)移效率；

b.氧的轉(zhuǎn)移率可提高到80~90%，而一般的鼓風(fēng)曝氣僅為10%左右；

c.可使曝氣池內(nèi)活性污泥濃度高達(dá)4000~7000mg/l，能夠大大提高曝氣池的容積負(fù)荷；

d.剩余污泥產(chǎn)量少，SVI值也低，一般無(wú)污泥膨脹之慮。

② 曝氣池結(jié)構(gòu)：

③ 主要設(shè)計(jì)參數(shù)：

8、淺層低壓曝氣法

① 理論基礎(chǔ)：只有在氣泡形成和破碎的瞬間，氧的轉(zhuǎn)移率zui高，因此，沒(méi)有必要延長(zhǎng)氣泡在水中的上升距離；

② 其曝氣裝置一般安裝在水下0.8~0.9米處，因此可以采用風(fēng)壓在1米以下的低壓風(fēng)機(jī)，動(dòng)力效率較高，可達(dá)1.80~2.60kgO2/kw.h；

③ 其氧轉(zhuǎn)移率較低，一般只有2.5%；

④ 池中設(shè)有導(dǎo)流板，可使混合液呈循環(huán)流動(dòng)狀態(tài)。

9、深水曝氣活性污泥法

① 主要特點(diǎn)：a.曝氣池水深在7~8m以上，b.由于水壓較大，洋的轉(zhuǎn)移率可以提高，相應(yīng)也能加快有機(jī)物的降解速率；c.占地面積較小。

② 一般有兩種形式：a.深水中層曝氣法：b.深水深層曝氣法：

10、深井曝氣活性污泥法——又稱超深水曝氣法

① 工藝流程：一般平面呈圓形，直徑約介于1~6m，深度一般為50~150m。

② 主要特點(diǎn)：a.氧轉(zhuǎn)移率高，約為常規(guī)法的10倍以上；b.動(dòng)力效率高，占地少，易于維護(hù)運(yùn)行；c.耐沖擊負(fù)荷，產(chǎn)泥量少；d.一般可以不建初次沉淀池；e.但受地質(zhì)條件的限制。

③ 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

各種活性污泥法的設(shè)計(jì)參數(shù)(處理城市污水，僅為參考值)

二、曝氣池的型式與構(gòu)造

1、曝氣池的類型

① 根據(jù)混合液在曝氣池內(nèi)的流態(tài)，可分為推流式、*混合式和循環(huán)混合式三種；

② 根據(jù)曝氣方式，可分為鼓風(fēng)曝氣池、機(jī)械曝氣池以及二者聯(lián)合使用的機(jī)械¾¾鼓風(fēng)曝氣池；

③ 根據(jù)曝氣池的形狀，可分為長(zhǎng)方廊道形、圓形、方形以及環(huán)狀跑道形等四種；

④ 根據(jù)曝氣池與二沉池之間的關(guān)系，可分為合建式（即曝氣沉淀池）和分建式兩種。

2、曝氣池的流態(tài)

① 推流式曝氣池

② *混合式曝氣池

③ 循環(huán)混合式曝氣池：¾¾氧化溝

3、曝氣池的構(gòu)造

曝氣池在構(gòu)造上應(yīng)滿足曝氣充氧、混合的要求，因此，曝氣池的構(gòu)造首先取決于曝氣方式和所采用的曝氣裝置。

第三節(jié) 活性污泥法的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理及其應(yīng)用

活性污泥法反應(yīng)動(dòng)力學(xué)可以定量或半定量地揭示系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)物降解、污泥增長(zhǎng)、耗氧等作用與各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)以及環(huán)境因素之間的關(guān)系。

它主要包括：① 基質(zhì)降解的動(dòng)力學(xué)，涉及基質(zhì)降解與基質(zhì)濃度、生物量等因素的關(guān)系；② 微生物增長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，涉及微生物增長(zhǎng)與基質(zhì)濃度、生物量、增長(zhǎng)常數(shù)等因素的關(guān)系；③ 還研究底物降解與生物量增長(zhǎng)、底物降解與需氧、營(yíng)養(yǎng)要求等的關(guān)系。

在建立活性污泥法反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型時(shí),有以下假設(shè)：① 除特別說(shuō)明外，都認(rèn)為反應(yīng)器內(nèi)物料是*混合的，對(duì)于推流式曝氣池系統(tǒng)，則是在此基礎(chǔ)上加以修正；② 活性污泥系統(tǒng)的運(yùn)行條件穩(wěn)定；③ 二次沉淀池內(nèi)無(wú)微生物活動(dòng)，也無(wú)污泥累積并且水與固體分離良好；④ 進(jìn)水基質(zhì)均為溶解性的，并且濃度不變，也不含微生物；⑤ 系統(tǒng)中不含有毒物質(zhì)和抑制物質(zhì)。

一、活性污泥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)——米—門公式與莫諾德模式

1、米—門公式

    Michaelis—Menton提出酶的“中間產(chǎn)物”學(xué)說(shuō)，通過(guò)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出了含單一基質(zhì)單一反應(yīng)的酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)公式，即米—門公式：

式中：——酶促反應(yīng)中產(chǎn)物生成的反應(yīng)速率；

     ——產(chǎn)物生成的zui高速率；

      ——米氏常數(shù)（又稱飽和常數(shù)，半速常數(shù)）；

      ——基質(zhì)濃度。

中間產(chǎn)物學(xué)說(shuō)：

米門公式的圖示：

2、莫諾德模式

① 莫諾德模式的基本形式：

Monod于1942年和1950年曾兩次進(jìn)行了單一基質(zhì)的純菌種培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)了與上述酶促反應(yīng)類似的規(guī)律，進(jìn)而提出了與米門公式想類似的表達(dá)微生物比增殖速率與基質(zhì)濃度之間的動(dòng)力學(xué)公式，即莫諾德模式：

式中： ——微生物的比增殖速率，；

       ——基質(zhì)達(dá)到飽和濃度時(shí)，微生物的zui大比增殖速率，

       ——反應(yīng)器內(nèi)的基質(zhì)濃度，mg/l；

       ——飽和常數(shù)，也是半速常數(shù)。

隨后發(fā)現(xiàn)，用由混合微生物群體組成的活性污泥對(duì)多種基質(zhì)進(jìn)行微生物增殖實(shí)驗(yàn)，也取得了符合這種關(guān)系的結(jié)果。

可以假定：在微生物比增殖速率與底物的比降解速率之間存在下列比例關(guān)系：

則與比增殖速率相對(duì)應(yīng)的比底物降解速率也可以用類似公式表示，即： 

式中： ——比底物降解速率（）；

      ——底物的zui大比降解速率；

      ——限制增殖的底物濃度；

      ——飽和常數(shù)。

對(duì)于廢水處理來(lái)說(shuō)，有機(jī)物的降解是其基本目的，因此上式的實(shí)際意義更大。

② 莫諾德模式的圖示：

③ 莫諾德方程式的推論：

1) 在高底物濃度的條件下，即>>，呈零級(jí)反應(yīng)，則有：

              ，     

2) 在低底物濃度的條件下，即<<，則：

二、Lawrence—McCarty模式：

1、 有關(guān)基本概念：

    ① 微生物比增殖速率： 

    ② 單位基質(zhì)利用率： 

    ③ 生物固體平均停留時(shí)間（又稱細(xì)胞平均停留時(shí)間，在工程上習(xí)稱污泥齡）：

      在反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)，微生物從其生成開(kāi)始到排出系統(tǒng)的平均停留時(shí)間；也可以說(shuō)是反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的微生物全部更新一次所需要的平均時(shí)間；從工程上來(lái)說(shuō)，就是反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)微生物總量與每日排放的剩余污泥量的比值，以表示，單位為d，即： 

    式中:——每日增殖的微生物量，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，就是每日排放的剩余污泥量。

因此：

    簡(jiǎn)化后，則： 

    ④與的關(guān)系： ，而 ，所以有：  或

2、L—M模式的基本方程式：

① *基本方程式：

前面已有：  

式中  ——微生物的產(chǎn)率系數(shù)，；

     ——自身氧化系數(shù)，又稱衰減常數(shù)，，（）；

經(jīng)整理后：   

表示的是污泥齡（）與產(chǎn)率系數(shù)Y、基質(zhì)比利用速率（q）及自身氧化系數(shù)之間的關(guān)系。

② 第二基本方程式：

認(rèn)同莫諾德模式：   

認(rèn)為有機(jī)基質(zhì)的降解速率等于其被微生物的利用速率，即

式中： ——反應(yīng)器內(nèi)的基質(zhì)濃度；

       ——單位生物量的zui大基質(zhì)利用速率；

       ——半速常數(shù)。

表示的是基質(zhì)利用速率與反應(yīng)器內(nèi)微生物濃度和基質(zhì)濃度之間的關(guān)系。

3、L-M模式的導(dǎo)出方程式

① *導(dǎo)出方程——出水水質(zhì)與污泥齡之間的關(guān)系：（對(duì)于*混合式）

將   代入：

則有： 

Lawrence—McCarty建議的排泥方式：

    兩種排泥方式：I.剩余污泥從污泥回流系統(tǒng)排出； II.剩余污泥從曝氣池直接排出。

第二種排泥方式的優(yōu)點(diǎn)：1）減輕了二沉池的負(fù)擔(dān)；2）可將剩余污泥單獨(dú)濃縮處理；3）便于控制曝氣池的運(yùn)行。

    因此按這種排泥方式的污泥齡的計(jì)算就可以變得更簡(jiǎn)單，如下：

     簡(jiǎn)化后， 

     由此可看出這種排泥方式更有利于控制和運(yùn)行管理。

② 第二導(dǎo)出方程——曝氣池內(nèi)微生物濃度與污泥齡的關(guān)系

    對(duì)曝氣池作有機(jī)底物的物料衡算：

    底物的凈變化率 = 底物進(jìn)入曝氣池的速率 - 底物從曝氣池中消失的速率

    代入*基本方程有： 

    由于，則有： 

    上式說(shuō)明：曝氣池中微生物量濃度是與有機(jī)物的濃度、和曝氣時(shí)間等有關(guān)的。

式中，可以稱為污泥循環(huán)因子，其物理意義為：活性污泥從生長(zhǎng)到被排出系統(tǒng)期間與廢水的平均接觸次數(shù)。

③ 第三導(dǎo)出方程——回流比與之間的關(guān)系

    對(duì)曝氣池的生物量進(jìn)行物料衡算：

   （曝氣池內(nèi)生物量的凈變化率）=（生物量進(jìn)入曝氣池的速率）-（生物量離開(kāi)曝氣池的速率）

    其中 ，   所以：

所以：   

式中：——回流污泥的濃度，可由下式估算： 

注意：1）是近似值；2）由算出的是值，應(yīng)再換算成。

④ 產(chǎn)率系數(shù)（）與表觀產(chǎn)率系數(shù)（）之間的關(guān)系：

產(chǎn)率系數(shù)（）是指單位時(shí)間內(nèi)，微生物的合成量與基質(zhì)降解量的比值，即： 

表觀產(chǎn)率系數(shù)（）是指單位時(shí)間內(nèi)，實(shí)際測(cè)定的污泥產(chǎn)量與基質(zhì)降解量的比值，

            即： 

將，以及 代入，則有： 

該式還提供了通過(guò)試驗(yàn)求及的方法，將其取倒數(shù)后得：

    以對(duì)作圖，即可求得及值。     其中

⑤ 與Se及E的關(guān)系：(見(jiàn)附圖3)

 升高  Se 下降  E  升高；     下降  Se  升高 E   下降

因此，對(duì)于一個(gè)活性污泥系統(tǒng)有一個(gè)()min

可以通過(guò)假定Se = SI并代入   

則有：

一般，，所以， 

⑥ 對(duì)方程式的推論

已有：    因  ，所以，

活性污泥處理系統(tǒng)一般為低基質(zhì)濃度，即,所以， ，  其中

又：   ，

所以： 在穩(wěn)態(tài)下， 

所以：             

三、動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定

動(dòng)力學(xué)參數(shù)、、、是模式的重要組成部分，一般是通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定的。

① 、的確定：

   將下式：         取倒數(shù)，得：

    式中       所以   

   取不同的值，即可計(jì)算出值，繪制關(guān)系圖，

    圖中直線的斜率為值，截距為值。

② 、值的確定

    已知       以及  

    取不同的值，并由此可以得出不同的值，代入上式，可得出一系列值。

    繪制的關(guān)系圖，圖中直線的斜率為值，截距為值。

第四節(jié) 曝氣的原理、方法與設(shè)備

一、曝氣的原理與理論基礎(chǔ)

在活性污泥法中，曝氣的作用主要有：① 充氧：向活性污泥中的微生物提供溶解氧，滿足其在生長(zhǎng)和代謝過(guò)程中所需的氧量。② 攪動(dòng)混合：使活性污泥在曝氣池內(nèi)處于懸浮狀態(tài)，與廢水充分接觸。

1、Fick定律

    通過(guò)曝氣，空氣中的氧，從氣相傳遞到混合液的液相中，這實(shí)際上是一個(gè)物質(zhì)擴(kuò)散過(guò)程，即氣相中的氧通過(guò)氣液界面擴(kuò)散到液相主體中。

所以，它應(yīng)該服從擴(kuò)散過(guò)程的基本定律——Fick定律。

    Fick定律認(rèn)為：擴(kuò)散過(guò)程的推動(dòng)力是物質(zhì)在界面兩側(cè)的濃度差，物質(zhì)的分子會(huì)從濃度高的一側(cè)向濃度低的一側(cè)擴(kuò)散、轉(zhuǎn)移。

即                              (1)

式中：  ——物質(zhì)的擴(kuò)散速率，即在單位時(shí)間內(nèi)單位斷面上通過(guò)的物質(zhì)數(shù)；

       ——擴(kuò)散系數(shù)，表示物質(zhì)在某種介質(zhì)中的擴(kuò)散能力，主要取決于擴(kuò)散物質(zhì)和介質(zhì)的特性及溫度；

        ——物質(zhì)濃度；

        ——擴(kuò)散過(guò)程的長(zhǎng)度

       ——濃度梯度，即單位長(zhǎng)度內(nèi)的濃度變化值。

式（1）表明，物質(zhì)的擴(kuò)散速率與濃度梯度呈正比關(guān)系。

    如果以M表示在單位時(shí)間t內(nèi)通過(guò)界面擴(kuò)散的物質(zhì)數(shù)量，以A表示界面面積，則有：

                     (2)

代入（1）式，得：

                    (3)

2、雙膜理論：

    對(duì)于氣體分子通過(guò)氣液界面的傳遞理論，在廢水生物處理界被普遍接受的是Lewis & Whitman于1923年建立的“雙膜理論”。

    雙膜理論認(rèn)為：

    1) 當(dāng)氣、液面相接觸并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接觸界面的兩側(cè)，存在著氣體與液體的邊界層，即氣膜和液膜；

    2) 氣膜和液膜內(nèi)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度屬于層流，而在其外的兩相體系中則均為紊流；

    3) 氧的轉(zhuǎn)移是通過(guò)氣、液膜進(jìn)行的分子擴(kuò)散和在膜外的對(duì)流擴(kuò)散完成；

    4) 對(duì)于難溶于水的氧來(lái)說(shuō)，分子擴(kuò)散的阻力大于對(duì)流擴(kuò)散，傳質(zhì)的阻力主要集中在液膜上；

    5) 在氣膜中存在著氧分壓梯度，而液膜中同樣也存在著氧的濃度梯度，由此形成了氧轉(zhuǎn)移的推動(dòng)力；

    6) 實(shí)際上，在氣膜中，氧分子的傳遞動(dòng)力很小，即氣相主體與界面之間的氧分壓差值很低，一般可認(rèn)為。這樣，就可以認(rèn)為界面處的溶解氧濃度等于在氧分壓條件下的飽和溶解氧濃度值，因此氧轉(zhuǎn)移過(guò)程中的傳質(zhì)推動(dòng)力就可以認(rèn)為主要是界面上的飽和溶解氧濃度值與液相主體中的溶解氧濃度值。

    雙膜理論模型的示意圖：(或稱氧轉(zhuǎn)移模式圖（雙膜理論）)

    設(shè)液膜厚度為（此值是極小的），因此在液膜內(nèi)溶解氧濃度的梯度為：

                （4）

代入式（3），得：

                 （5）

式中   ——氧傳遞速率，kgO2/h；

      ——氧分子在液膜中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/h；

      A ——氣、液兩相接觸界面面積，m2；

      ——在液膜內(nèi)溶解氧的濃度梯度，kgO2/m3.m；

設(shè)液相主體的容積為V(m3)，并用其除以上式，則得：

               （6’）

                   （6）

式中  ——液相主體溶解氧濃度變化速率（或氧轉(zhuǎn)移速率），kgO2/m3.h；

      KL——液膜中氧分子傳質(zhì)系數(shù)，m/h，。

由于氣液界面面積難于計(jì)量，一般以氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)（）代替，則上式改寫為 ： 

                                       （7）

 式中：——氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)，h-1，              （8）

    此值表示在曝氣過(guò)程中氧的總傳遞性，當(dāng)傳遞過(guò)程中阻力大，則值低，反之則值高。

的倒數(shù)1/KLa的單位為（h），它所表示的是曝氣池中溶解氧濃度從提高到Cs所需要的時(shí)間。

    為了提高dC/dt值，可以從兩方面考慮：（式（8））

1) 提高值——加強(qiáng)液相主體的紊流程度，降低液膜厚度，加速氣、液界面的更新，增大氣、液接觸面積等。

2) 提高Cs值——提高氣相中的氧分壓，如采用純氧曝氣、深井曝氣等。

3、氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)（）的求定

氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)（）是計(jì)算氧轉(zhuǎn)移速率的基本參數(shù)，一般是通過(guò)試驗(yàn)求得。

將式（7）整理，得：          （9）

積分后得：               （10’）

換成的以10為底，則           (10)

式中：C0——當(dāng)t=0時(shí)，液體主體中的溶解氧濃度(mg/l)；

      Ct——當(dāng)t=t時(shí)，液體主體中的溶解濃度(mg/l)；

      Cs——是在實(shí)際水溫、當(dāng)?shù)貧鈮合氯芙庋踉谝合嘀黧w中飽和濃度(mg/l)。

由式（10）可見(jiàn)與t之間存在著直線關(guān)系，直線的斜率即為KLa/2.3。

測(cè)定值的方法與步驟如下：

1) 向受試清水中投加Na2SO3和CoCl2，以脫除水中的氧；每脫除1mg/L的氧，在理論上需7.9mg/L Na2SO3，但實(shí)際投藥量要高出理論值10~20%；CoCl2的投量則以保持Co2+離子濃度不低于1.5mg/L為準(zhǔn)，Co2+是催化劑。

2) 當(dāng)水中溶解氧*脫除后，開(kāi)始曝氣充氧，一般每隔10分鐘取樣一次，（開(kāi)始時(shí)可以更密集一些），取6~10次，測(cè)定水樣的溶解氧；

3) 計(jì)算值，繪制與t之間的關(guān)系曲線，直線的斜率即為KLa/2.3。

二、氧轉(zhuǎn)移速率的影響因素

    標(biāo)準(zhǔn)氧轉(zhuǎn)移速率——指脫氧清水在20°C和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下測(cè)得的氧轉(zhuǎn)移速率，一般以R0表示（kgO2/h）；

    實(shí)際氧轉(zhuǎn)移速率——以城市廢水或工業(yè)廢水為對(duì)象，按當(dāng)?shù)貙?shí)際情況（指水溫、氣壓等）進(jìn)行測(cè)定，所得到的為實(shí)際氧轉(zhuǎn)移速率，以R表示，單位為kgO2/h。

影響氧轉(zhuǎn)移速率的主要因素：——廢水水質(zhì)、水溫、氣壓等

1、水質(zhì)對(duì)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)（KLa）值的影響：

廢水中的污染物質(zhì)將增加氧分子轉(zhuǎn)移的阻力，使KLa值降低；為此引入系數(shù)a，對(duì)KLa值進(jìn)行修正：

式中   KLaw——廢水中的氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)；a值可以通過(guò)試驗(yàn)確定，一般a = 0.8~0.85

2、水質(zhì)對(duì)飽和溶解氧濃度（Cs）的影響：

廢水中含有的鹽分將使其飽溶解氧濃度降低，對(duì)此，以系數(shù)b加以修正：

，

式中   Csw——廢水的飽和溶解氧濃度，mg/l；b值一般介于0.9~0.97之間。

3、水溫對(duì)氧總轉(zhuǎn)移系（KLa）的影響：

水溫升高，液體的粘滯度會(huì)降低，有利于氧分子的轉(zhuǎn)移，因此KLa值將提高；水溫降低，則相反。溫度對(duì)KLa值的影響以下式表示： 

式中   KLa（T）和KLa（20）——分別為水溫T°C和20C°時(shí)的氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)；T——設(shè)計(jì)水溫 °C；

4、水溫對(duì)飽和溶解氧濃度（Cs）的影響：

水溫升高，Cs值就會(huì)下降，在不同溫度下，蒸餾水中的飽和溶解氧濃度可以從表中查出。

5、壓力對(duì)飽和溶解氧濃度（Cs）值的影響：

    壓力增高，Cs值提高，Cs值與壓力(P)之間存在著如下關(guān)系：

                  （15）

式中  P——所在地區(qū)的大氣壓力，Pa；

      Cs(P)和Cs(760)——分別是壓力P和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力條件下的Cs值，mg/l；

      P’——水的飽和蒸氣壓力，Pa；

    由于P’很小（在幾kPa范圍內(nèi)），一般可忽略不計(jì)，則得：

    其中  

    對(duì)于鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)，曝氣裝置是被安裝在水面以下，其Cs值以擴(kuò)散裝置出口和混合液表面兩處飽和溶解氧濃度的平均值Csm計(jì)算，如下所示：

             (18)

式中Ot——從曝氣池逸出氣體中含氧量的百分率，%；                  (19)

EA——氧利用率，%，一般在6%~12%之間；

Pb——安裝曝氣裝置處的壓力，可以按下式計(jì)算：

                (20)

P——曝氣池水面的大氣壓力，P＝1.013×105 Pa；H——曝氣裝置距水面的距離，m。

三、氧轉(zhuǎn)移速率與供氣量的計(jì)算

1、氧轉(zhuǎn)移速率的計(jì)算：

標(biāo)準(zhǔn)氧轉(zhuǎn)移速度（R0）為： ，

式中  CL——水中的溶解氧濃度，對(duì)于脫氧清水CL=0;

V——曝氣池的體積，（m3）；

為求得水溫為T，壓力為P條件下的廢水中的實(shí)際氧轉(zhuǎn)移速率（R），則需對(duì)上式加以修正，需引入各項(xiàng)修正系數(shù)，即：

，

因此，R0/R為：            （23）

一般來(lái)說(shuō)：R0/R = 1.33~1.61。

將（23）式重寫：         （24）

式中CL——曝氣池混合液中的溶解氧濃度，一般按2mg/l來(lái)考慮。

2、氧轉(zhuǎn)移效率與供氣量的計(jì)算：

① 氧轉(zhuǎn)移效率：，

式中：EA——氧轉(zhuǎn)移效率，一般的百分比表示；

OC——供氧量，kgO2/h；，

21%——氧在容氣中的占的百分比；

1.331——20°C時(shí)氧的容重，kg/m3；

Gs ——供氧量，m3/h。

② 供氣量Gs：                       （27）

    對(duì)于鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)，各種曝氣裝置的EA值是制造廠家通過(guò)清水試驗(yàn)測(cè)出的，隨產(chǎn)品向用戶提供；

    對(duì)于機(jī)械曝氣系統(tǒng)，按式（24）求出的R0值，又稱為充氧能力，廠家也會(huì)向用戶提供其設(shè)備的R0值。

③ 需氧量：活性污泥系統(tǒng)中的供氧速率與耗氧速率應(yīng)保持平衡，因此，曝氣池混合液的需氧量應(yīng)等于供氧量。需氧量是可以根據(jù)下式求得：     （28）

四、曝氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

1、鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)：

① 求風(fēng)量即供氣量：  式(28)求得需氧速率O2    根據(jù)供氧速率 =需氧速率，則有：R=O2，

根據(jù)式（24）求得標(biāo)準(zhǔn)氧轉(zhuǎn)移速率R0：，

根據(jù)式（27）求得供氣量（m3/d） Gs’ (m3/min)；

② 求要求的風(fēng)壓（風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓）：

根據(jù)管路系統(tǒng)的沿程阻力、局部阻力、靜水壓力再加上一定的余量，得到所要求的zui小風(fēng)壓。

③ 根據(jù)風(fēng)量與風(fēng)壓選擇合適的風(fēng)機(jī)。

2、機(jī)械曝氣系統(tǒng)：

① 充氧能力R0的計(jì)算：根據(jù)式（28）求得需氧量O2；

R=O2；，

② 根據(jù)R0值選配合適的機(jī)械曝氣設(shè)備。

[例題]

    一個(gè)城市污水處理廠，設(shè)計(jì)流量Q＝10000m3/d，一級(jí)處理出水BOD5＝150mg/l，采用活性污泥法處理，處理水BOD5£15mg/l。采用中微孔曝氣盤作為曝氣裝置。曝氣池容積V＝3000m3，Xr=2000mg/l，EA=10%,曝氣池出口處溶解氧Cl =2mg/l，水溫T=250C，曝氣盤安裝在水下4.5m處。

有關(guān)參數(shù)為：a’=0.5, b’= 0.1, a=0.85, b=0.95，r=1.0

求：(1)采用鼓風(fēng)曝氣時(shí)，所需的供氣量Gs（m3/min）

    (2)采用表面機(jī)械曝氣器時(shí)的充氧量R0(kgO2/h)

 [解]： 

A．鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)

(1)按式（28）計(jì)算需氧量：

(2)按式（18）計(jì)算20°C和25°C時(shí)曝氣池內(nèi)飽和溶解氧濃度的平均值：

①曝氣裝置出口處的壓力Pb：

②氣泡逸出曝氣池表面時(shí)，氧含量的百分比可以按式（19）計(jì)算：

③查表得20°C和25°C時(shí)的飽和溶解氧濃度分別為：

         Cs(20)=9.17mg/l;    Cs(25)=8.38mg/l;     

   代入式（18）有：

（3）標(biāo)準(zhǔn)供氧速率R0：

由式（24）有：   

（4）按式（27）計(jì)算供氣量：

B.機(jī)械曝氣器

    按式（29）求充氣能力R0：

五、曝氣方法與設(shè)備

曝氣裝置，又稱為空氣擴(kuò)散裝置，是活性污泥處理系統(tǒng)的重要設(shè)備，按曝氣方式可以將其分為鼓風(fēng)曝氣裝置和表面曝氣裝置兩種。

1、曝氣裝置的技術(shù)性能指標(biāo)：

① 動(dòng)力效率（Ep）：每消耗1度電轉(zhuǎn)移到混合液中的氧量（kgO2/kw.h）；

② 氧的利用率（EA）：又稱氧轉(zhuǎn)移效率，是指通過(guò)鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到混合液中的氧量占總供氧量的百分比（%）；

③ 充氧能力（R0）：通過(guò)表面機(jī)械曝氣裝置在單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移到混合液中的氧量（kgO2/h）。

2、鼓風(fēng)曝氣裝置：

鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)由鼓風(fēng)機(jī)、空氣輸送管道以及曝氣裝置所組成。鼓風(fēng)曝氣裝置可分為：（微）小氣泡型、中氣泡型、大氣泡型、水力剪切型、水力沖擊型、等

① （微）小氣泡型曝氣裝置：

由微孔透氣材料（陶土、氧化鋁、氧化硅或尼龍等）制成的擴(kuò)散板、擴(kuò)散盤和擴(kuò)散管等；氣泡直徑在2mm以下（氣泡在200mm以下者，為微孔）；氧的利用率較高，EA=15~25%，動(dòng)力效率在2 kgO2/kw.h以上；缺點(diǎn)：易堵塞，空氣需經(jīng)過(guò)濾處理凈化，擴(kuò)散阻力大。

② 中氣泡型曝氣裝置：

氣泡直徑為2~6mm。1) 穿孔管：2) 新型中氣泡型曝氣裝置：

③ 水力剪切型空氣擴(kuò)散裝置：

利用裝置本身的構(gòu)造特點(diǎn)，產(chǎn)生水力剪切作用，將大氣泡切割成小氣泡，增加氣液接觸面積，達(dá)到提率的目的。如：定螺旋曝氣器等。

④ 水力沖擊型曝氣器：

射流曝氣：分為自吸式和供氣式——自吸式射流曝氣器由壓力管、噴嘴、吸氣管、混合室和出水管等組成；EA = 20%；噪音小，無(wú)需鼓風(fēng)機(jī)房；一般適用于小規(guī)模污水廠。

3、機(jī)械曝氣裝置

又稱表面曝氣裝置

① 曝氣的原理：

1) 水躍——曝氣機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，表面的混合液不斷地從周邊被拋向四周，形成水躍，液面被強(qiáng)烈攪動(dòng)而卷入空氣；

2) 提升——曝氣機(jī)具有提升作用，使混合液連續(xù)地上下循環(huán)流動(dòng)，不斷更新氣液接觸界面，強(qiáng)化氣、液接觸；

3) 負(fù)壓吸氣——曝氣器的轉(zhuǎn)動(dòng)，使其在一定部位形成負(fù)壓區(qū)，而吸入空氣。分類：按轉(zhuǎn)動(dòng)軸的安裝形式，可分為豎軸式和橫軸式兩大類。

② 豎軸式機(jī)械曝氣裝置：泵型葉輪曝氣器、K型葉輪曝氣器、倒傘型葉輪曝氣器和平板型葉輪曝氣器等。

1) 泵型葉輪曝氣器  （圖9、圖10）

由葉片、進(jìn)氣孔、引氣孔、上壓罩、下壓罩和進(jìn)水口等部分組成；

    對(duì)于泵型葉輪曝氣器，其充氧量和軸功率可按下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

               （30）

          式中  R0——在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下清水的充氧能力，kgO2/h；

      N軸——葉輪軸功率，kw；

      V——葉輪周邊線速度，m/s；

      D——葉輪公稱直徑，m；

      K1——池型結(jié)構(gòu)對(duì)充氧量的修正系數(shù)；

      K2——池型結(jié)構(gòu)對(duì)軸功率的修正系數(shù)；

2) K型葉輪曝氣器  （圖11）

呈雙曲線形；浸沒(méi)深度為0~10mm；線速度為4~5m/s。

3) 倒傘型葉輪曝氣器  （圖12）

由圓錐形殼體及連接在外表面的葉片所組成；轉(zhuǎn)速在30~60r/min；動(dòng)力效率為2~2.5

4) 平板型葉輪曝氣器  （圖13）

由葉片與平板等部件組成；葉片與平板半徑的角度在0~25之間；線速度一般在4.05~4.85之間。

    ③ 橫軸式機(jī)械曝氣裝置：曝氣轉(zhuǎn)刷、曝氣轉(zhuǎn)盤等。

第五節(jié) 活性污泥系統(tǒng)的工藝計(jì)算與設(shè)計(jì)

一、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料

    進(jìn)行活性污泥系統(tǒng)的工藝計(jì)算和設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)比較充分地掌握與廢水、污泥有關(guān)的原始資料并確定設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要有：①廢水的水量、水質(zhì)及其變化規(guī)律；②對(duì)處理后出水的水質(zhì)要求；③對(duì)處理中產(chǎn)生的污泥的處理要求；¾¾以上屬于設(shè)計(jì)所需要的原始資料；④污泥負(fù)荷率與BOD5的去除率；⑤混合液濃度與污泥回流比。¾¾以上屬于設(shè)計(jì)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。對(duì)生活污水和城市污水以及與其類似的工業(yè)廢水，已有一套成熟和完整的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和規(guī)范，一般可以直接應(yīng)用；對(duì)于一些性質(zhì)與生活污水相差較大的工業(yè)廢水或城市廢水，一般需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定有關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

二、工藝計(jì)算與設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

    活性污泥系統(tǒng)由曝氣池、二次沉淀池及污泥回流設(shè)備等組成。其工藝計(jì)算與設(shè)計(jì)主要包括：1)工藝流程的選擇；2)曝氣池的計(jì)算與設(shè)計(jì)；3)曝氣系統(tǒng)的計(jì)算與設(shè)計(jì)；4)二次沉淀池的計(jì)算與設(shè)計(jì)；5)污泥回流系統(tǒng)的計(jì)算與設(shè)計(jì)。

三、工藝流程的選擇

    主要依據(jù)：①廢水的水量、水質(zhì)及變化規(guī)律；②對(duì)處理后出水的水質(zhì)要求；③對(duì)處理中所產(chǎn)生的污泥的處理要求；④當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢谩⒌刭|(zhì)條件、氣候條件等；⑤當(dāng)?shù)氐氖┕に揭约疤幚韽S建成后運(yùn)行管理人員的技術(shù)水平等；⑥工期要求以及限期達(dá)標(biāo)的要求；⑦綜合分析工藝在技術(shù)上的可行性和*性以及經(jīng)濟(jì)上的可能性和合理性等；⑧對(duì)于工程量大、建設(shè)費(fèi)用高的工程，則應(yīng)進(jìn)行多種工藝流程的比較后才能確定。

四、曝氣池的計(jì)算與設(shè)計(jì)

主要內(nèi)容：①曝氣池容積的計(jì)算；②需氧量和供氣量的計(jì)算；③池體設(shè)計(jì)。

1、曝氣池容積的計(jì)算：

① 計(jì)算方法與計(jì)算公式

    常用的是有機(jī)負(fù)荷法，有關(guān)公式有：；；；

② 設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇：

在進(jìn)行曝氣池容積計(jì)算時(shí)，應(yīng)在一定范圍內(nèi)合理地確定或和或值，以及處理效率、、等參數(shù)。

2、需氧量與供氣量的計(jì)算

(1)需氧量：    （kgO2/d）

3、池體尺寸設(shè)計(jì)：

單元數(shù)：不小于2組；

廊道數(shù)：不少于3個(gè)；

廊道長(zhǎng)、寬、高：長(zhǎng) = (5~10) 寬，深度一般為4~5米，超高0.5米；

進(jìn)出水以及污泥回流方式的設(shè)計(jì)；

曝氣裝置的安裝方式與位置；

其它附屬物的設(shè)計(jì)(消泡管等)。

五、曝氣系統(tǒng)的計(jì)算與設(shè)計(jì)

六、二次沉淀池的計(jì)算與設(shè)計(jì)

    二沉池的作用是：分離泥水、澄清混合液、濃縮和回流活性污泥。其工作性能的好壞，對(duì)活性污泥處理系統(tǒng)的出水水質(zhì)和回流污泥的濃度有直接影響。

與初沉池相比，二沉池的特點(diǎn)：①活性污泥混合液的濃度較高，有絮凝性能，其沉降屬于成層沉淀；②活性污泥的質(zhì)量較輕，易產(chǎn)生異重流，因此，其zui大允許的水平流速(對(duì)平流式、輻流式而言)或上升流速（豎流式）都應(yīng)低于初沉池；③由于二沉池還起著污泥濃縮的作用，所以需要適當(dāng)增大污泥區(qū)的容積。

七、污泥回流系統(tǒng)的計(jì)算與設(shè)計(jì)

八、曝氣沉淀池的計(jì)算與設(shè)計(jì)

第六節(jié) 活性污泥法的運(yùn)行管理及常見(jiàn)問(wèn)題與對(duì)策

一、活性污泥法的啟動(dòng)與試運(yùn)行

1、活性污泥的培養(yǎng)與馴化：

¾¾接種污泥：①同類污水廠的剩余污泥；②糞便污水等。

方法：①全流量連續(xù)直接培養(yǎng)法；②流量分階段直接培養(yǎng)法；③間歇培養(yǎng)法；

活性污泥的馴化： a.異步馴化法； b.同步馴化法

2、活性污泥法的試運(yùn)行：

試運(yùn)行的目的是確定*的運(yùn)行條件；作為變數(shù)考慮的因素：①MLSS、空氣量、污水注入方式；②如是吸附再生法，則吸附與再生的時(shí)間比；③N、P的投加。根據(jù)上述各種參數(shù)的組合運(yùn)行結(jié)果，找出*運(yùn)行條件。

二、活性污泥系統(tǒng)重要運(yùn)行參數(shù)的調(diào)節(jié)與觀測(cè)

1、對(duì)活性污泥狀況的鏡檢觀察；

2、對(duì)曝氣時(shí)間（HRT）的調(diào)節(jié)；

3、對(duì)供氣量的調(diào)節(jié)：

4、SV的測(cè)定與調(diào)節(jié)：

5、剩余污泥排放量的調(diào)節(jié)：

6、回流污泥量的調(diào)節(jié)

三、活性污泥系統(tǒng)的水質(zhì)管理

四、活性污泥系統(tǒng)的常見(jiàn)異常現(xiàn)象與對(duì)策

1、污泥腐化：

現(xiàn)象：活性污泥呈灰黑色、污泥發(fā)生厭氧反應(yīng)，污泥中出現(xiàn)硫細(xì)菌，出水水質(zhì)惡化；

原因：1)負(fù)荷量增高；2)曝氣不足；3)工業(yè)廢水的流入等；

對(duì)策：1)控制負(fù)荷量；2)增大曝氣量；3)切斷或控制工業(yè)廢水的流入。

2、污泥上浮：

現(xiàn)象：污泥沉淀30~60分鐘后呈層狀上浮，多發(fā)生在夏季；

原因：硝化作用導(dǎo)致在二沉池中被還原成N2，引起污泥上浮；

對(duì)策：1)減少污泥在二沉池的HRT；2)減少曝氣量。

3、污泥解體：

現(xiàn)象：在沉淀后的上清液中含有大量的懸浮微小絮體，出水透明度下降；

原因：污泥解體；曝氣過(guò)度；負(fù)荷下降，活性污泥自身氧化過(guò)度；

對(duì)策：減少曝氣；增大負(fù)荷量。

4、泥水界面不明顯：

原因：高濃度有機(jī)廢水的流入，使微生物處于對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期；污泥形成的絮體性能較差；

對(duì)策：降低負(fù)荷；增大回流量以提高曝氣池中的MLSS，降低F/M值。

5、污泥膨脹：

是指活性污泥質(zhì)量變輕、膨大，沉降性能惡化，在二沉池中不能正常沉淀下來(lái)，SVI異常增高，可達(dá)400以上。

① 因絲狀菌異常增殖而導(dǎo)致的絲狀菌性膨脹；

主要是由于絲狀菌異常增殖而引起的，主要的絲狀菌有：球衣菌屬、貝氏硫細(xì)菌、以及正常活性污泥中的某些絲狀菌如芽孢桿菌屬等、某些霉菌；

    1) 污泥膨脹理論：

(1) 低F/M比（即低基質(zhì)濃度）引起的營(yíng)養(yǎng)缺乏型膨脹；

    (2) 低溶解氧濃度引起的溶解氧缺乏型膨脹；

(3) 高H2S濃度引起的硫細(xì)菌型膨脹。

    2) 污泥膨脹的選擇性理論：

    3) 污泥膨脹的對(duì)策

  ① 臨時(shí)控制措施：

(l) 污泥助沉法：① 改善、提高活性污泥的絮凝性，投加絮凝劑如：硫酸鋁等；② 改善、提高活性污泥的沉降性、密實(shí)性，投加粘土、消石灰等； 

       (2) 滅菌法：① 殺滅絲狀菌，如投加氯、臭氧、過(guò)氧化氫等的藥劑；② 投加硫酸銅，可控制有球衣菌引起的膨脹。

② 工藝運(yùn)行調(diào)節(jié)措施：

(1) 加強(qiáng)曝氣：① 加強(qiáng)曝氣，提高混合液的DO值；② 使污泥常處于好氧狀態(tài)，防止污泥腐化，加強(qiáng)預(yù)曝氣或再生性曝氣；

(2) 調(diào)節(jié)運(yùn)行條件：① 調(diào)整進(jìn)水pH值；② 調(diào)整混合液中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；③ 如有可能，可考慮調(diào)節(jié)水溫——絲狀菌膨脹多發(fā)生在20°C以上；④ 調(diào)整污泥負(fù)荷，當(dāng)超過(guò)0.35kgBOD/kgMLSS.d時(shí)，易發(fā)生絲狀菌膨脹。

③ *性控制措施：

對(duì)現(xiàn)有設(shè)施進(jìn)行改造，或新廠設(shè)計(jì)時(shí)就加以考慮，從工藝運(yùn)行上確保污泥膨脹不會(huì)發(fā)生；在工藝中增加一個(gè)生物選擇器，該法主要針對(duì)低基質(zhì)濃度下引起的營(yíng)養(yǎng)缺乏型污泥膨脹，其出發(fā)點(diǎn)就是造成曝氣池中的生態(tài)環(huán)境有利于選擇性地發(fā)展菌膠團(tuán)細(xì)菌，應(yīng)用生物競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)制抑制絲狀菌的過(guò)度增殖，從而控制污泥膨脹。    

好氧選擇器：在曝氣池之前增加一個(gè)具有推流特點(diǎn)的預(yù)曝氣池，其停留時(shí)間（HRT為5~30min，多采用20min）的選擇非常重要；

缺氧選擇器：高的基質(zhì)濃度；菌膠團(tuán)細(xì)菌在缺氧條件下（但有NO3-）有比絲狀菌高得多的基質(zhì)利用率和硝酸鹽還原率；

厭氧選擇器：其作用機(jī)制與缺氧選擇器相似，即在厭氧條件下，絲狀菌具有較低的多聚磷酸鹽的釋放速度而受到抑制。

② 因粘性物質(zhì)大量積累而導(dǎo)致的非絲狀菌性膨脹。

高粘性污泥膨脹： 

現(xiàn)象：廢水凈化效果良好，但污泥難于沉淀，污泥顆粒大量隨出水流失；

原因：

   ①進(jìn)水中溶解性有機(jī)物濃度高，F/M值太高； 

   ②氮、磷缺乏，或溶解氧不足；

   ③細(xì)菌將大量有機(jī)物吸入體內(nèi)，不能及時(shí)降解，分泌過(guò)量的凝膠狀的多糖類物質(zhì)；

    ④這些物質(zhì)中含有很多氫氧基而具有很高的親水性，導(dǎo)致污泥中含有很高的結(jié)合水，使泥水分離困難。

對(duì)策：降低負(fù)荷，調(diào)整工況，加強(qiáng)曝氣等。

    低粘性污泥膨脹：

原因：

   進(jìn)水中含有毒性物質(zhì)，使污泥中毒，使細(xì)菌不能分泌出足夠的粘性物質(zhì)，從而不能有效形成絮凝體，導(dǎo)致泥水分離困難；

對(duì)策：

   控制進(jìn)水水質(zhì)，加強(qiáng)上游工業(yè)廢水的預(yù)處理。

6、泡沫

    主要有兩種，即化學(xué)泡沫和生物

① 化學(xué)泡沫

成因：洗滌劑或工業(yè)用表面活性物質(zhì)等引起，呈乳白色

控制對(duì)策：水沖消泡；消泡劑

② 生物泡沫

成因：諾卡氏菌屬的一類絲狀菌引起；呈褐色

問(wèn)題：可能致病；衛(wèi)生、環(huán)境；影響曝氣

控制對(duì)策：水沖或消泡劑無(wú)效；加氯；排泥，縮短SRT

根本原因：諾卡氏菌在較高溫、富油脂類物質(zhì)的環(huán)境中易于繁殖

（補(bǔ)充第三章中關(guān)于活性污泥系統(tǒng)中的異常現(xiàn)象及對(duì)策）

四、活性污泥系統(tǒng)的常見(jiàn)異常現(xiàn)象與對(duì)策

1、污泥腐化：

現(xiàn)象：活性污泥呈灰黑色、污泥發(fā)生厭氧反應(yīng)，污泥中出現(xiàn)硫細(xì)菌，出水水質(zhì)惡化；

原因：1) 負(fù)荷量增高；2) 曝氣不足；3) 工業(yè)廢水的流入等；

對(duì)策：1) 控制負(fù)荷量；2) 增大曝氣量；3) 切斷或控制工業(yè)廢水的流入。

2、污泥上浮：

現(xiàn)象：污泥沉淀30~60分鐘后呈層狀上浮，多發(fā)生在夏季；

原因：硝化作用導(dǎo)致在二沉池中被還原成N2，引起污泥上浮；

對(duì)策：1) 減少污泥在二沉池的HRT；2) 減少曝氣量。

3、污泥解體：

現(xiàn)象：在沉淀后的上清液中含有大量的懸浮微小絮體，出水透明度下降；

原因：污泥解體；曝氣過(guò)度；負(fù)荷下降，活性污泥自身氧化過(guò)度；

對(duì)策：減少曝氣；增大負(fù)荷量。

4、泥水界面不明顯：

原因：高濃度有機(jī)廢水的流入，使微生物處于對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期；污泥形成的絮體性能較差；

對(duì)策：降低負(fù)荷；增大回流量以提高曝氣池中的MLSS，降低F/M值。

5、污泥膨脹：

是指活性污泥質(zhì)量變輕、膨大，沉降性能惡化，在二沉池中不能正常沉淀下來(lái)，SVI異常增高，可達(dá)400以上。

1) 因絲狀菌異常增殖而導(dǎo)致的絲狀菌性膨脹；

主要是由于絲狀菌異常增殖而引起的，主要的絲狀菌有：球衣菌屬、貝氏硫細(xì)菌、以及正常活性污泥中的某些絲狀菌如芽孢桿菌屬等、某些霉菌；

    (1) 污泥膨脹理論：

① 低F/M比（即低基質(zhì)濃度）引起的營(yíng)養(yǎng)缺乏型膨脹；

    ② 低溶解氧濃度引起的溶解氧缺乏型膨脹；

③ 高H2S濃度引起的硫細(xì)菌型膨脹。

    (2) 污泥膨脹的選擇性理論：

    活性污泥中存在著兩大類群微生物，一是菌膠團(tuán)細(xì)菌；一是絲狀菌。二者的生長(zhǎng)速率與基質(zhì)濃度的關(guān)系正好相反，即：在低基質(zhì)濃度下，絲狀菌的生長(zhǎng)速率要高于菌膠團(tuán)細(xì)菌；而在高基質(zhì)濃度條件下，菌膠團(tuán)細(xì)菌的生長(zhǎng)速率則要高于絲狀菌。在常規(guī)的活性污泥系統(tǒng)中，由于需要獲得較高的出水水質(zhì)，即至少在曝氣池的出口處要求其中的有機(jī)物濃度要達(dá)到很低水平，即維持在很低的基質(zhì)濃度，因此常常會(huì)引起絲狀菌的生長(zhǎng)占優(yōu)，而引起絲狀菌性污泥膨脹的問(wèn)題。

    (3) 污泥膨脹的對(duì)策

  ① 臨時(shí)控制措施：

a. 污泥助沉法：

① 改善、提高活性污泥的絮凝性，投加絮凝劑如：硫酸鋁等；

② 改善、提高活性污泥的沉降性、密實(shí)性，投加粘土、消石灰等； 

b. 滅菌法：

① 殺滅絲狀菌，如投加氯、臭氧、過(guò)氧化氫等的藥劑；

② 投加硫酸銅，可控制有球衣菌引起的膨脹。

② 工藝運(yùn)行調(diào)節(jié)措施：

a. 加強(qiáng)曝氣：

① 加強(qiáng)曝氣，提高混合液的DO值；

② 使污泥常處于好氧狀態(tài)，防止污泥腐化，加強(qiáng)預(yù)曝氣或再生性曝氣；

b. 調(diào)節(jié)運(yùn)行條件：

① 調(diào)整進(jìn)水pH值；

② 調(diào)整混合液中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；

③ 如有可能，可考慮調(diào)節(jié)水溫——絲狀菌膨脹多發(fā)生在20°C以上；

④ 調(diào)整污泥負(fù)荷。

③ *性控制措施：

對(duì)現(xiàn)有設(shè)施進(jìn)行改造，或新廠設(shè)計(jì)時(shí)就加以考慮，從工藝運(yùn)行上確保污泥膨脹不會(huì)發(fā)生；在工藝中增加一個(gè)生物選擇器，該法主要針對(duì)低基質(zhì)濃度下引起的營(yíng)養(yǎng)缺乏型污泥膨脹，其出發(fā)點(diǎn)就是造成曝氣池中的生態(tài)環(huán)境有利于選擇性地發(fā)展菌膠團(tuán)細(xì)菌，應(yīng)用生物競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)制抑制絲狀菌的過(guò)度增殖，從而控制污泥膨脹。    

a. 好氧選擇器：在曝氣池之前增加一個(gè)具有推流特點(diǎn)的預(yù)曝氣池，其停留時(shí)間（HRT為5~30min，多采用20min）的選擇非常重要；

b. 缺氧選擇器：高的基質(zhì)濃度；菌膠團(tuán)細(xì)菌在缺氧條件下（但有NO3-）有比絲狀菌高得多的基質(zhì)利用率和硝酸鹽還原率；

c. 厭氧選擇器：其作用機(jī)制與缺氧選擇器相似，即在厭氧條件下，絲狀菌具有較低的多聚磷酸鹽的釋放速度而受到抑制。

2) 因粘性物質(zhì)大量積累而導(dǎo)致的非絲狀菌性膨脹。

(1) 高粘性污泥膨脹： 

現(xiàn)象：廢水凈化效果良好，但污泥難于沉淀，污泥顆粒大量隨出水流失；

原因：① 進(jìn)水中溶解性有機(jī)物濃度高，F/M值太高； 

② 氮、磷缺乏，或溶解氧不足；

③ 細(xì)菌將大量有機(jī)物吸入體內(nèi)，不能及時(shí)降解，分泌過(guò)量的凝膠狀的多糖類物質(zhì)；

④ 這些物質(zhì)中含有很多羥基而具有很高的親水性，導(dǎo)致污泥中含有很高的結(jié)合水，使泥水分離困難。

對(duì)策：降低負(fù)荷，調(diào)整工況，加強(qiáng)曝氣等。

    (2) 低粘性污泥膨脹：

原因：進(jìn)水中含有毒性物質(zhì)，使污泥中毒，使細(xì)菌不能分泌出足夠的粘性物質(zhì)，從而不能有效形成絮凝體，導(dǎo)致泥水分離困難；

對(duì)策：控制進(jìn)水水質(zhì)，加強(qiáng)上游工業(yè)廢水的預(yù)處理。

6、泡沫

    主要有兩種，即化學(xué)泡沫和生物

(1) 化學(xué)泡沫

成因：洗滌劑或工業(yè)用表面活性物質(zhì)等引起，呈乳白色

控制對(duì)策：水沖消泡；消泡劑

(2) 生物泡沫 

成因：諾卡氏菌屬的一類絲狀菌引起；呈褐色。

問(wèn)題：可能致病；衛(wèi)生、環(huán)境；影響曝氣。

控制對(duì)策：水沖或消泡劑無(wú)效；加氯；排泥，縮短SRT。

根本原因：諾卡氏菌在較高溫、富油脂類物質(zhì)的環(huán)境中易于繁殖。

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第三章 廢水好氧生物處理工藝（1）——活性污泥法

*節(jié) 活性污泥法的基本原理

一、活性污泥法的基本工藝流程

1、活性污泥法的基本組成
① 曝氣池：反應(yīng)主體
② 二沉池： 1）進(jìn)行泥水分離，保證出水水質(zhì)；2）保證回流污泥，維持曝氣池內(nèi)的污泥濃度。
③ 回流系統(tǒng)： 1）維持曝氣池的污泥濃度；2）改變回流比，改變曝氣池的運(yùn)行工況。
④ 剩余污泥排放系統(tǒng)： 1）是去除有機(jī)物的途徑之一；2）維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
⑤ 供氧系統(tǒng)： 提供足夠的溶解氧

2、活性污泥系統(tǒng)有效運(yùn)行的基本條件是：
① 廢水中含有足夠的可容性易降解有機(jī)物；
② 混合液含有足夠的溶解氧；
③ 活性污泥在池內(nèi)呈懸浮狀態(tài)；
④ 活性污泥連續(xù)回流、及時(shí)排除剩余污泥，使混合液保持一定濃度的活性污泥；
⑤ 無(wú)有毒有害的物質(zhì)流入。

二、活性污泥的性質(zhì)與性能指標(biāo)

1、活性污泥的基本性質(zhì)

① 物理性能：“菌膠團(tuán)”、“生物絮凝體”：
顏色：褐色、（土）黃色、鐵紅色；
氣味：泥土味（城市污水）；
比重：略大于1，（1.0021.006）；
粒徑：0.020.2 mm；
比表面積：20100cm2/ml。

② 生化性能：
1) 活性污泥的含水率：99.299.8%；
固體物質(zhì)的組成：活細(xì)胞（Ma）、微生物內(nèi)源代謝的殘留物（Me）、吸附的原廢水中難于生物降解的有機(jī)物（Mi）、無(wú)機(jī)物質(zhì)（Mii）。

2、活性污泥中的微生物：
① 細(xì)菌： 是活性污泥凈化功能zui活躍的成分，
主要菌種有：動(dòng)膠桿菌屬、假單胞菌屬、微球菌屬、黃桿菌屬、芽胞桿菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬、無(wú)色桿菌屬等；
基本特征：1) 絕大多數(shù)都是好氧或兼性化能異養(yǎng)型原核細(xì)菌；
2) 在好氧條件下，具有很強(qiáng)的分解有機(jī)物的功能；
3) 具有較高的增殖速率，世代時(shí)間僅為2030分鐘；
4) 其中的動(dòng)膠桿菌具有將大量細(xì)菌結(jié)合成為“菌膠團(tuán)”的功能。
② 其它微生物------原生動(dòng)物、后生動(dòng)物----在活性污泥中大約為103個(gè)/ml

3、活性污泥的性能指標(biāo)：
① 混合液懸浮固體濃度（MLSS）（Mixed Liquor Suspended Solids）：
MLSS = Ma + Me + Mi + Mii 單位： mg/l g/m3
② 混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度（MLVSS）（Mixed Volatile Liquor Suspended Solids）：
MLVSS = Ma + Me + Mi；
在條件一定時(shí)，MLVSS/MLSS是較穩(wěn)定的，對(duì)城市污水，一般是0.75~0.85
③ 污泥沉降比（SV）（Sludge Volume）：
是指將曝氣池中的混合液在量筒中靜置30分鐘，其沉淀污泥與原混合液的體積比，一般以%表示；
能相對(duì)地反映污泥數(shù)量以及污泥的凝聚、沉降性能，可用以控制排泥量和及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期的污泥膨脹；
正常數(shù)值為2030%。
④ 污泥體積指數(shù)（SVI）（Sludge Volume Index）：
曝氣池出口處混合液經(jīng)30分鐘靜沉后，1g干污泥所形成的污泥體積， 單位是 ml/g。

能更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)污泥的凝聚性能和沉降性能，其值過(guò)低，說(shuō)明泥粒小，密實(shí)，無(wú)機(jī)成分多；其值過(guò)高，說(shuō)明其沉降性能不好，將要或已經(jīng)發(fā)生膨脹現(xiàn)象；
城市污水的SVI一般為50150 ml/g；

三、活性污泥的增殖規(guī)律及其應(yīng)用

活性污泥中微生物的增殖是活性污泥在曝氣池內(nèi)發(fā)生反應(yīng)、有機(jī)物被降解的必然結(jié)果，而微生物增殖的結(jié)果則是活性污泥的增長(zhǎng)。

1、活性污泥的增殖曲線

注意：1)間歇靜態(tài)培養(yǎng)；2)底物是一次投加；3)圖中同時(shí)還表示了有機(jī)底物降解和氧的消耗曲線。

① 適應(yīng)期：
是活性污泥微生物對(duì)于新的環(huán)境條件、污水中有機(jī)物污染物的種類等的一個(gè)短暫的適應(yīng)過(guò)程；經(jīng)過(guò)適應(yīng)期后，微生物從數(shù)量上可能沒(méi)有增殖，但發(fā)生了一些質(zhì)的變化：a.菌體體積有所增大；b.酶系統(tǒng)也已做了相應(yīng)調(diào)整；c.產(chǎn)生了一些適應(yīng)新環(huán)境的變異；等等。BOD5、COD等各項(xiàng)污染指標(biāo)可能并無(wú)較大變化。
② 對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期：
F/M值高(2.2)，所以有機(jī)底物非常豐富，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不是微生物增殖的控制因素；微生物的增長(zhǎng)速率與基質(zhì)濃度無(wú)關(guān)，呈零級(jí)反應(yīng)，它僅由微生物本身所*的zui小世代時(shí)間所控制，即只受微生物自身的生理機(jī)能的限制；微生物以zui高速率對(duì)有機(jī)物進(jìn)行攝取，也以zui高速率增殖，而合成新細(xì)胞；此時(shí)的活性污泥具有很高的能量水平，其中的微生物活動(dòng)能力很強(qiáng)，導(dǎo)致污泥質(zhì)地松散，不能形成較好的絮凝體，污泥的沉淀性能不佳；活性污泥的代謝速率*，需氧量大；一般不采用此階段作為運(yùn)行工況，但也有采用的，如高負(fù)荷活性污泥法。
③ 減速增長(zhǎng)期：
F/M值下降到一定水平后，有機(jī)底物的濃度成為微生物增殖的控制因素；微生物的增殖速率與殘存的有機(jī)底物呈正比，為一級(jí)反應(yīng)；有機(jī)底物的降解速率也開(kāi)始下降；微生物的增殖速率在逐漸下降，直至在本期的zui后階段下降為零，但微生物的量還在增長(zhǎng)；活性污泥的能量水平已下降，絮凝體開(kāi)始形成，活性污泥的凝聚、吸附以及沉淀性能均較好；由于殘存的有機(jī)物濃度較低，出水水質(zhì)有較大改善，并且整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)活性污泥處理廠是將曝氣池的運(yùn)行工況控制在這一范圍內(nèi)的。
④ 內(nèi)源呼吸期：
內(nèi)源呼吸的速率在本期之初超過(guò)了合成速率，因此從整體上來(lái)說(shuō)，活性污泥的量在減少，zui終所有的活細(xì)胞將消亡，而僅殘留下內(nèi)源呼吸的殘留物，而這些物質(zhì)多是難于降解的細(xì)胞壁等；污泥的無(wú)機(jī)化程度較高，沉降性能良好，但凝聚性較差；有機(jī)物基本消耗殆盡，處理水質(zhì)良好；一般不用這一階段作為運(yùn)行工況，但也有采用，如延時(shí)曝氣法。

2、活性污泥增殖規(guī)律的應(yīng)用：
① 活性污泥的增殖狀況，主要是由F/M值所控制；
② 處于不同增值期的活性污泥，其性能不同，出水水質(zhì)也不同；
③ 通過(guò)調(diào)整F/M值，可以調(diào)控曝氣池的運(yùn)行工況，達(dá)到不同的出水水質(zhì)和不同性質(zhì)的活性污泥；
④ 活性污泥法的運(yùn)行方式不同，其在增值曲線上所處位置也不同。

3、有機(jī)物降解與微生物增殖：
活性污泥微生物增殖是微生物增殖和自身氧化(內(nèi)源呼吸)兩項(xiàng)作用的綜合結(jié)果，
活性污泥微生物在曝氣池內(nèi)每日的凈增長(zhǎng)量為:
;
式中: 每日污泥增長(zhǎng)量(),； ；
——每日處理廢水量()；
；
——進(jìn)水濃度(或)；
——出水濃度(或)。
a, b ——經(jīng)驗(yàn)值：對(duì)于生活污水活與之性質(zhì)相近的工業(yè)廢水，，；
——或試驗(yàn)值：通過(guò)試驗(yàn)獲得。

4、有機(jī)物降解與需氧量：
活性污泥中的微生物在進(jìn)行代謝活動(dòng)時(shí)需要氧的供應(yīng)，氧的主要作用有：① 將一部分有機(jī)物氧化分解；② 對(duì)自身細(xì)胞的一部分物質(zhì)進(jìn)行自身氧化。
因此，活性污泥法中的需氧量:

式中： ——曝氣池混合液的需氧量，；
——代謝每所需的氧量，；
——每每天進(jìn)行自身氧化所需的氧量，。
二者的取值同樣可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)來(lái)獲得。

5、活性污泥凈化廢水的實(shí)際過(guò)程：
在活性污泥處理系統(tǒng)中，有機(jī)污染物物從廢水中被去除的實(shí)質(zhì)就是有機(jī)底物作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被活性污泥微生物攝取、代謝與利用的過(guò)程，這一過(guò)程的結(jié)果是污水得到了凈化，微生物獲得了能量而合成新的細(xì)胞，活性污泥得到了增長(zhǎng)。一般將這整個(gè)凈化反應(yīng)過(guò)程分為三個(gè)階段：① 初期吸附；② 微生物代謝；③ 活性污泥的凝聚、沉淀與濃縮。

所謂“初期吸附”是指:在活性污泥系統(tǒng)內(nèi)，在污水開(kāi)始與活性污泥接觸后的較短時(shí)間(1030min)內(nèi)，由于活性污泥具有很大的表面積因而具有很強(qiáng)的吸附能力，因此在這很短的時(shí)間內(nèi)，就能夠去除廢水中大量的呈懸浮和膠體狀態(tài)的有機(jī)污染物，使廢水的BOD5值(或COD值)大幅度下降。但這并不是真正的降解，隨著時(shí)間的推移，混合液的BOD5值會(huì)回升，再之后，BOD5值才會(huì)逐漸下降。
活性污泥吸附能力的大小與很多因素有關(guān)：
① 廢水的性質(zhì)、特性：對(duì)于含有較高濃度呈懸浮或膠體狀有機(jī)污染物的廢水，具有較好的效果；
② 活性污泥的狀態(tài)：在吸附飽和后應(yīng)給以充分的再生曝氣，使其吸附功能得到恢復(fù)和增強(qiáng)，一般應(yīng)使活性污泥微生物進(jìn)入內(nèi)源代謝期。

四、活性污泥法的基本工藝參數(shù)

1、容積負(fù)荷（Volumetric Organic Loading Rate）：
;

2、污泥負(fù)荷（Sludge Organic Loading Rate）：
;
 

3、水力停留時(shí)間（Hydraulic Retention Time）： （h）

4、污泥齡或污泥停留時(shí)間（Sludge Retention Time）：（h 或 d）

5、回流比：

第二節(jié) 活性污泥法的主要運(yùn)行方式

一、各種活性污泥法工藝

迄今為止，在活性污泥法工程領(lǐng)域，應(yīng)用著多種各具特色的運(yùn)行方式。主要有以下幾種：① 傳統(tǒng)推流式活性污泥法；② *混合活性污泥法；③ 階段曝氣活性污泥法；④ 吸附—再生活性污泥法；⑤ 延時(shí)曝氣活性污泥法；⑥ 高負(fù)荷活性污泥法；⑦ 純氧曝氣活性污泥法；⑧ 淺層低壓曝氣活性污泥法；⑨ 深水曝氣活性污泥法；⑩ 深井曝氣活性污泥法。

1、傳統(tǒng)推流式活性污泥法：
① 工藝流程：
② 供需氧曲線：
③ 主要優(yōu)點(diǎn)：1) 處理效果好：BOD5的去除率可達(dá)90-95%；2) 對(duì)廢水的處理程度比較靈活，可根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。
④ 主要問(wèn)題：1) 為了避免池首端形成厭氧狀態(tài)，不宜采用過(guò)高的有機(jī)負(fù)荷，因而池容較大，占地面積較大；2) 在池末端可能出現(xiàn)供氧速率高于需氧速率的現(xiàn)象，會(huì)浪費(fèi)了動(dòng)力費(fèi)用；3) 對(duì)沖擊負(fù)荷的適應(yīng)性較弱。
⑤ 一般所采用的設(shè)計(jì)參數(shù)(處理城市污水)：

2、*混合活性污泥法
① 主要特點(diǎn)：a.可以方便地通過(guò)對(duì)F/M的調(diào)節(jié)，使反應(yīng)器內(nèi)的有機(jī)物降解反應(yīng)控制在*狀態(tài)；b.進(jìn)水一進(jìn)入曝氣池，就立即被大量混合液所稀釋，所以對(duì)沖擊負(fù)荷有一定的抵抗能力；c.適合于處理較高濃度的有機(jī)工業(yè)廢水。
② 主要結(jié)構(gòu)形式：a.合建式（曝氣沉淀池）：b.分建式

3、階段曝氣活性污泥法——又稱分段進(jìn)水活性污泥法或多點(diǎn)進(jìn)水活性污泥法
① 工藝流程：
② 主要特點(diǎn)：a.廢水沿池長(zhǎng)分段注入曝氣池，有機(jī)物負(fù)荷分布較均衡，改善了供養(yǎng)速率與需氧速率間的矛盾，有利于降低能耗；b.廢水分段注入，提高了曝氣池對(duì)沖擊負(fù)荷的適應(yīng)能力；
③ 主要設(shè)計(jì)參數(shù)：

4、吸附再生活性污泥法——又稱生物吸附法或接觸穩(wěn)定法。
主要特點(diǎn)是將活性污泥法對(duì)有機(jī)污染物降解的兩個(gè)過(guò)程——吸附、代謝穩(wěn)定，分別在各自的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行。
① 工藝流程：
② 主要優(yōu)點(diǎn)：
a.廢水與活性污泥在吸附池的接觸時(shí)間較短，吸附池容積較小，再生池接納的僅是濃度較高的回流污泥，因此，再生池的容積也較小。吸附池與再生池容積之和低于傳統(tǒng)法曝氣池的容積，基建費(fèi)用較低；
b.具有一定的承受沖擊負(fù)荷的能力，當(dāng)吸附池的活性污泥遭到破壞時(shí)，可由再生池的污泥予以補(bǔ)充。
③ 主要缺點(diǎn)：處理效果低于傳統(tǒng)法，特別是對(duì)于溶解性有機(jī)物含量較高的廢水，處理效果更差。
④ 主要設(shè)計(jì)參數(shù)：

5、延時(shí)曝氣活性污泥法——*氧化活性污泥法
① 主要特點(diǎn)：
a.有機(jī)負(fù)荷率非常低，污泥持續(xù)處于內(nèi)源代謝狀態(tài)，剩余污泥少且穩(wěn)定，勿需再進(jìn)行處理；
b.處理出水出水水質(zhì)穩(wěn)定性較好，對(duì)廢水沖擊負(fù)荷有較強(qiáng)的適應(yīng)性；
c.在某些情況下，可以不設(shè)初次沉淀池。
② 主要缺點(diǎn)：
池容大、曝氣時(shí)間長(zhǎng)，建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用都較高，而且占地大；一般適用于處理水質(zhì)要求高的小型城鎮(zhèn)污水和工業(yè)污水，水量一般在1000m3/d以下。
③ 主要設(shè)計(jì)參數(shù)：

6、高負(fù)荷活性污泥法——又稱短時(shí)曝氣法或不*曝氣活性污泥法
① 主要特點(diǎn)：有機(jī)負(fù)荷率高，曝氣時(shí)間短，處理效果較差；而在工藝流程和曝氣池的構(gòu)造等方面與傳統(tǒng)法基本相同。
② 主要設(shè)計(jì)參數(shù)：

7、純氧曝氣活性污泥法
① 主要特點(diǎn)：
a.純氧中氧的分壓比空氣約高5倍，純氧曝氣可大大提高氧的轉(zhuǎn)移效率；
b.氧的轉(zhuǎn)移率可提高到80~90%，而一般的鼓風(fēng)曝氣僅為10%左右；
c.可使曝氣池內(nèi)活性污泥濃度高達(dá)40007000mg/l，能夠大大提高曝氣池的容積負(fù)荷；
d.剩余污泥產(chǎn)量少，SVI值也低，一般無(wú)污泥膨脹之慮。
② 曝氣池結(jié)構(gòu)：
③ 主要設(shè)計(jì)參數(shù)：

8、淺層低壓曝氣法
① 理論基礎(chǔ)：只有在氣泡形成和破碎的瞬間，氧的轉(zhuǎn)移率zui高，因此，沒(méi)有必要延長(zhǎng)氣泡在水中的上升距離；
② 其曝氣裝置一般安裝在水下0.80.9米處，因此可以采用風(fēng)壓在1米以下的低壓風(fēng)機(jī)，動(dòng)力效率較高，可達(dá)1.802.60kgO2/kw.h；
③ 其氧轉(zhuǎn)移率較低，一般只有2.5%；
④ 池中設(shè)有導(dǎo)流板，可使混合液呈循環(huán)流動(dòng)狀態(tài)。

9、深水曝氣活性污泥法
① 主要特點(diǎn)：a.曝氣池水深在78m以上，b.由于水壓較大，洋的轉(zhuǎn)移率可以提高，相應(yīng)也能加快有機(jī)物的降解速率；c.占地面積較小。
② 一般有兩種形式：a.深水中層曝氣法：b.深水深層曝氣法：

10、深井曝氣活性污泥法——又稱超深水曝氣法
① 工藝流程：一般平面呈圓形，直徑約介于16m，深度一般為50150m。
② 主要特點(diǎn)：a.氧轉(zhuǎn)移率高，約為常規(guī)法的10倍以上；b.動(dòng)力效率高，占地少，易于維護(hù)運(yùn)行；c.耐沖擊負(fù)荷，產(chǎn)泥量少；d.一般可以不建初次沉淀池；e.但受地質(zhì)條件的限制。
③ 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

各種活性污泥法的設(shè)計(jì)參數(shù)(處理城市污水，僅為參考值)
設(shè)計(jì)參數(shù) 傳統(tǒng)活性污泥法 *混合活性污泥法 階段曝氣活性污泥法
BOD5—SS負(fù)荷(kgBOD5/kgMLSS.d) 0.20.4 0.20.6 0.20.4
容積負(fù)荷(kgBOD5/m3.d) 0.30.6 082.0 0.61.0
污泥齡(d) 515 515 515
MLSS(mg/l) 15003000 30006000 20003500
MLVSS(mg/l) 12002400 24004800 16002800
回流比(%) 2550 25100 2575
曝氣時(shí)間HRT(h) 48 35 38
BOD5去除率(%) 8595 8590 8590

設(shè)計(jì)參數(shù) 吸附再生活性污泥法 延時(shí)曝氣活性污泥法 高負(fù)荷活性污泥法
BOD5—SS負(fù)荷(kgBOD5/kgMLSS.d) 0.20.6 0.050.15 1.55.0
容積負(fù)荷(kgBOD5/m3.d) 1.01.2 0.10.4 1.22.4
污泥齡(d) 515 2030 0.252.5
MLSS(mg/l) 吸附池10003000
再生池400010000 30006000 200500
MLVSS(mg/l) 吸附池8002400
再生池32008000 24004800 160400
回流比(%) 25100 75100 515
曝氣時(shí)間HRT(h) 吸附池0.51.0
再生池36 1848 1.53.0
BOD5去除率(%) 8090 95 6075

設(shè)計(jì)參數(shù) 純氧曝氣活性污泥法 深井曝氣活性污泥法
BOD5—SS負(fù)荷(kgBOD5/kgMLSS.d) 0.41.0 1.01.2
容積負(fù)荷(kgBOD5/m3.d) 2.03.2 3.03.6
污泥齡(d) 515 5
MLSS(mg/l) 600010000 30005000
MLVSS(mg/l) 40006500 24004000
回流比(%) 2550 4080
曝氣時(shí)間HRT(h) 1.53.0 1.02.0
溶解氧濃度DO(mg/l) 610
SVI(ml/g) 3050
BOD5去除率(%) 7595 8590

二、曝氣池的型式與構(gòu)造

1、曝氣池的類型
① 根據(jù)混合液在曝氣池內(nèi)的流態(tài)，可分為推流式、*混合式和循環(huán)混合式三種；
② 根據(jù)曝氣方式，可分為鼓風(fēng)曝氣池、機(jī)械曝氣池以及二者聯(lián)合使用的機(jī)械鼓風(fēng)曝氣池；
③ 根據(jù)曝氣池的形狀，可分為長(zhǎng)方廊道形、圓形、方形以及環(huán)狀跑道形等四種；
④ 根據(jù)曝氣池與二沉池之間的關(guān)系，可分為合建式（即曝氣沉淀池）和分建式兩種。

2、曝氣池的流態(tài)
① 推流式曝氣池
② *混合式曝氣池
③ 循環(huán)混合式曝氣池：氧化溝

3、曝氣池的構(gòu)造
曝氣池在構(gòu)造上應(yīng)滿足曝氣充氧、混合的要求，因此，曝氣池的構(gòu)造首先取決于曝氣方式和所采用的曝氣裝置。

第三節(jié) 活性污泥法的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理及其應(yīng)用

活性污泥法反應(yīng)動(dòng)力學(xué)可以定量或半定量地揭示系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)物降解、污泥增長(zhǎng)、耗氧等作用與各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)以及環(huán)境因素之間的關(guān)系。

它主要包括：① 基質(zhì)降解的動(dòng)力學(xué)，涉及基質(zhì)降解與基質(zhì)濃度、生物量等因素的關(guān)系；② 微生物增長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，涉及微生物增長(zhǎng)與基質(zhì)濃度、生物量、增長(zhǎng)常數(shù)等因素的關(guān)系；③ 還研究底物降解與生物量增長(zhǎng)、底物降解與需氧、營(yíng)養(yǎng)要求等的關(guān)系。

在建立活性污泥法反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型時(shí),有以下假設(shè)：① 除特別說(shuō)明外，都認(rèn)為反應(yīng)器內(nèi)物料是*混合的，對(duì)于推流式曝氣池系統(tǒng)，則是在此基礎(chǔ)上加以修正；② 活性污泥系統(tǒng)的運(yùn)行條件穩(wěn)定；③ 二次沉淀池內(nèi)無(wú)微生物活動(dòng)，也無(wú)污泥累積并且水與固體分離良好；④ 進(jìn)水基質(zhì)均為溶解性的，并且濃度不變，也不含微生物；⑤ 系統(tǒng)中不含有毒物質(zhì)和抑制物質(zhì)。

一、活性污泥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)——米—門公式與莫諾德模式

1、米—門公式
Michaelis—Menton提出酶的“中間產(chǎn)物”學(xué)說(shuō)，通過(guò)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出了含單一基質(zhì)單一反應(yīng)的酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)公式，即米—門公式：

式中：——酶促反應(yīng)中產(chǎn)物生成的反應(yīng)速率；
——產(chǎn)物生成的zui高速率；
——米氏常數(shù)（又稱飽和常數(shù)，半速常數(shù)）；
——基質(zhì)濃度。

中間產(chǎn)物學(xué)說(shuō)：

米門公式的圖示：

2、莫諾德模式

① 莫諾德模式的基本形式：
Monod于1942年和1950年曾兩次進(jìn)行了單一基質(zhì)的純菌種培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)了與上述酶促反應(yīng)類似的規(guī)律，進(jìn)而提出了與米門公式想類似的表達(dá)微生物比增殖速率與基質(zhì)濃度之間的動(dòng)力學(xué)公式，即莫諾德模式：

式中： ——微生物的比增殖速率，；
——基質(zhì)達(dá)到飽和濃度時(shí)，微生物的zui大比增殖速率，
——反應(yīng)器內(nèi)的基質(zhì)濃度，mg/l；
——飽和常數(shù)，也是半速常數(shù)。
隨后發(fā)現(xiàn)，用由混合微生物群體組成的活性污泥對(duì)多種基質(zhì)進(jìn)行微生物增殖實(shí)驗(yàn)，也取得了符合這種關(guān)系的結(jié)果。
可以假定：在微生物比增殖速率與底物的比降解速率之間存在下列比例關(guān)系：

則與比增殖速率相對(duì)應(yīng)的比底物降解速率也可以用類似公式表示，即：
式中： ——比底物降解速率（）；
——底物的zui大比降解速率；
——限制增殖的底物濃度；
——飽和常數(shù)。
對(duì)于廢水處理來(lái)說(shuō)，有機(jī)物的降解是其基本目的，因此上式的實(shí)際意義更大。

② 莫諾德模式的圖示：

③ 莫諾德方程式的推論：
1) 在高底物濃度的條件下，即>>，呈零級(jí)反應(yīng)，則有：
，

2) 在低底物濃度的條件下，即<<，則：

二、Lawrence—McCarty模式：

1、 有關(guān)基本概念：
① 微生物比增殖速率：
② 單位基質(zhì)利用率：
③ 生物固體平均停留時(shí)間（又稱細(xì)胞平均停留時(shí)間，在工程上習(xí)稱污泥齡）：
在反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)，微生物從其生成開(kāi)始到排出系統(tǒng)的平均停留時(shí)間；也可以說(shuō)是反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的微生物全部更新一次所需要的平均時(shí)間；從工程上來(lái)說(shuō)，就是反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)微生物總量與每日排放的剩余污泥量的比值，以表示，單位為d，即：
式中:——每日增殖的微生物量，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，就是每日排放的剩余污泥量。
因此：

簡(jiǎn)化后，則：
④與的關(guān)系： ，而 ，所以有： 或

2、L—M模式的基本方程式：

① *基本方程式：
前面已有：
式中 ——微生物的產(chǎn)率系數(shù)，；
——自身氧化系數(shù)，又稱衰減常數(shù)，，（）；
經(jīng)整理后：
表示的是污泥齡（）與產(chǎn)率系數(shù)Y、基質(zhì)比利用速率（q）及自身氧化系數(shù)之間的關(guān)系。

② 第二基本方程式：
認(rèn)同莫諾德模式：
認(rèn)為有機(jī)基質(zhì)的降解速率等于其被微生物的利用速率，即


式中： ——反應(yīng)器內(nèi)的基質(zhì)濃度；
——單位生物量的zui大基質(zhì)利用速率；
——半速常數(shù)。
表示的是基質(zhì)利用速率與反應(yīng)器內(nèi)微生物濃度和基質(zhì)濃度之間的關(guān)系。

3、L-M模式的導(dǎo)出方程式

① *導(dǎo)出方程——出水水質(zhì)與污泥齡之間的關(guān)系：（對(duì)于*混合式）
將 代入：

則有：

Lawrence—McCarty建議的排泥方式：
兩種排泥方式：I.剩余污泥從污泥回流系統(tǒng)排出； II.剩余污泥從曝氣池直接排出。
第二種排泥方式的優(yōu)點(diǎn)：1）減輕了二沉池的負(fù)擔(dān)；2）可將剩余污泥單獨(dú)濃縮處理；3）便于控制曝氣池的運(yùn)行。
因此按這種排泥方式的污泥齡的計(jì)算就可以變得更簡(jiǎn)單，如下：

簡(jiǎn)化后，
由此可看出這種排泥方式更有利于控制和運(yùn)行管理。

② 第二導(dǎo)出方程——曝氣池內(nèi)微生物濃度與污泥齡的關(guān)系
對(duì)曝氣池作有機(jī)底物的物料衡算：
底物的凈變化率 = 底物進(jìn)入曝氣池的速率 - 底物從曝氣池中消失的速率
 

代入*基本方程有：
由于，則有：
上式說(shuō)明：曝氣池中微生物量濃度是與有機(jī)物的濃度、和曝氣時(shí)間等有關(guān)的。
式中，可以稱為污泥循環(huán)因子，其物理意義為：活性污泥從生長(zhǎng)到被排出系統(tǒng)期間與廢水的平均接觸次數(shù)。

③ 第三導(dǎo)出方程——回流比與之間的關(guān)系
對(duì)曝氣池的生物量進(jìn)行物料衡算：
（曝氣池內(nèi)生物量的凈變化率）=（生物量進(jìn)入曝氣池的速率）-（生物量離開(kāi)曝氣池的速率）

其中 ， 所以：

所以：
式中：——回流污泥的濃度，可由下式估算：
注意：1）是近似值；2）由算出的是值，應(yīng)再換算成。

④ 產(chǎn)率系數(shù)（）與表觀產(chǎn)率系數(shù)（）之間的關(guān)系：
產(chǎn)率系數(shù)（）是指單位時(shí)間內(nèi)，微生物的合成量與基質(zhì)降解量的比值，即：
表觀產(chǎn)率系數(shù)（）是指單位時(shí)間內(nèi)，實(shí)際測(cè)定的污泥產(chǎn)量與基質(zhì)降解量的比值，
即：

將，以及 代入，則有：
該式還提供了通過(guò)試驗(yàn)求及的方法，將其取倒數(shù)后得：

以對(duì)作圖，即可求得及值。 其中

⑤ 與Se及E的關(guān)系：(見(jiàn)附圖3)
升高 Se 下降 E 升高； 下降 Se 升高 E 下降
因此，對(duì)于一個(gè)活性污泥系統(tǒng)有一個(gè)()min
可以通過(guò)假定Se = SI并代入
則有：
一般，，所以，

⑥ 對(duì)方程式的推論
已有： 因 ，所以，
活性污泥處理系統(tǒng)一般為低基質(zhì)濃度，即,所以， ， 其中
又： ，
所以： 在穩(wěn)態(tài)下，
所以：

三、動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定
動(dòng)力學(xué)參數(shù)、、、是模式的重要組成部分，一般是通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定的。
① 、的確定：
將下式： 取倒數(shù)，得：
式中 所以
取不同的值，即可計(jì)算出值，繪制關(guān)系圖，
圖中直線的斜率為值，截距為值。

② 、值的確定
已知 以及
取不同的值，并由此可以得出不同的值，代入上式，可得出一系列值。
繪制的關(guān)系圖，圖中直線的斜率為值，截距為值。

第四節(jié) 曝氣的原理、方法與設(shè)備

一、曝氣的原理與理論基礎(chǔ)

在活性污泥法中，曝氣的作用主要有：① 充氧：向活性污泥中的微生物提供溶解氧，滿足其在生長(zhǎng)和代謝過(guò)程中所需的氧量。② 攪動(dòng)混合：使活性污泥在曝氣池內(nèi)處于懸浮狀態(tài)，與廢水充分接觸。

1、Fick定律
通過(guò)曝氣，空氣中的氧，從氣相傳遞到混合液的液相中，這實(shí)際上是一個(gè)物質(zhì)擴(kuò)散過(guò)程，即氣相中的氧通過(guò)氣液界面擴(kuò)散到液相主體中。
所以，它應(yīng)該服從擴(kuò)散過(guò)程的基本定律——Fick定律。
Fick定律認(rèn)為：擴(kuò)散過(guò)程的推動(dòng)力是物質(zhì)在界面兩側(cè)的濃度差，物質(zhì)的分子會(huì)從濃度高的一側(cè)向濃度低的一側(cè)擴(kuò)散、轉(zhuǎn)移。
即 (1)
式中： ——物質(zhì)的擴(kuò)散速率，即在單位時(shí)間內(nèi)單位斷面上通過(guò)的物質(zhì)數(shù)；
——擴(kuò)散系數(shù)，表示物質(zhì)在某種介質(zhì)中的擴(kuò)散能力，主要取決于擴(kuò)散物質(zhì)和介質(zhì)的特性及溫度；
——物質(zhì)濃度；
——擴(kuò)散過(guò)程的長(zhǎng)度
——濃度梯度，即單位長(zhǎng)度內(nèi)的濃度變化值。
式（1）表明，物質(zhì)的擴(kuò)散速率與濃度梯度呈正比關(guān)系。
如果以M表示在單位時(shí)間t內(nèi)通過(guò)界面擴(kuò)散的物質(zhì)數(shù)量，以A表示界面面積，則有：
(2)
代入（1）式，得：
(3)
2、雙膜理論：
對(duì)于氣體分子通過(guò)氣液界面的傳遞理論，在廢水生物處理界被普遍接受的是Lewis & Whitman于1923年建立的“雙膜理論”。
雙膜理論認(rèn)為：
1) 當(dāng)氣、液面相接觸并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接觸界面的兩側(cè)，存在著氣體與液體的邊界層，即氣膜和液膜；
2) 氣膜和液膜內(nèi)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度屬于層流，而在其外的兩相體系中則均為紊流；
3) 氧的轉(zhuǎn)移是通過(guò)氣、液膜進(jìn)行的分子擴(kuò)散和在膜外的對(duì)流擴(kuò)散完成；
4) 對(duì)于難溶于水的氧來(lái)說(shuō)，分子擴(kuò)散的阻力大于對(duì)流擴(kuò)散，傳質(zhì)的阻力主要集中在液膜上；
5) 在氣膜中存在著氧分壓梯度，而液膜中同樣也存在著氧的濃度梯度，由此形成了氧轉(zhuǎn)移的推動(dòng)力；
6) 實(shí)際上，在氣膜中，氧分子的傳遞動(dòng)力很小，即氣相主體與界面之間的氧分壓差值很低，一般可認(rèn)為。這樣，就可以認(rèn)為界面處的溶解氧濃度等于在氧分壓條件下的飽和溶解氧濃度值，因此氧轉(zhuǎn)移過(guò)程中的傳質(zhì)推動(dòng)力就可以認(rèn)為主要是界面上的飽和溶解氧濃度值與液相主體中的溶解氧濃度值。

雙膜理論模型的示意圖：(或稱氧轉(zhuǎn)移模式圖（雙膜理論）)

設(shè)液膜厚度為（此值是極小的），因此在液膜內(nèi)溶解氧濃度的梯度為：
（4）
代入式（3），得：
（5）
式中 ——氧傳遞速率，kgO2/h；
——氧分子在液膜中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/h；
A ——氣、液兩相接觸界面面積，m2；
——在液膜內(nèi)溶解氧的濃度梯度，kgO2/m3.m；
設(shè)液相主體的容積為V(m3)，并用其除以上式，則得：
（6’）
（6）
式中 ——液相主體溶解氧濃度變化速率（或氧轉(zhuǎn)移速率），kgO2/m3.h；
KL——液膜中氧分子傳質(zhì)系數(shù)，m/h，。
由于氣液界面面積難于計(jì)量，一般以氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)（）代替，則上式改寫為 ：
（7）
式中：——氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)，h-1， （8）
此值表示在曝氣過(guò)程中氧的總傳遞性，當(dāng)傳遞過(guò)程中阻力大，則值低，反之則值高。
的倒數(shù)1/KLa的單位為（h），它所表示的是曝氣池中溶解氧濃度從提高到Cs所需要的時(shí)間。
為了提高dC/dt值，可以從兩方面考慮：（式（8））
1) 提高值——加強(qiáng)液相主體的紊流程度，降低液膜厚度，加速氣、液界面的更新，增大氣、液接觸面積等。
2) 提高Cs值——提高氣相中的氧分壓，如采用純氧曝氣、深井曝氣等。

3、氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)（）的求定
氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)（）是計(jì)算氧轉(zhuǎn)移速率的基本參數(shù)，一般是通過(guò)試驗(yàn)求得。
將式（7）整理，得： （9）
積分后得： （10’）
換成的以10為底，則 (10)
式中：C0——當(dāng)t=0時(shí)，液體主體中的溶解氧濃度(mg/l)；
Ct——當(dāng)t=t時(shí)，液體主體中的溶解濃度(mg/l)；
Cs——是在實(shí)際水溫、當(dāng)?shù)貧鈮合氯芙庋踉谝合嘀黧w中飽和濃度(mg/l)。
由式（10）可見(jiàn)與t之間存在著直線關(guān)系，直線的斜率即為KLa/2.3。
測(cè)定值的方法與步驟如下：
1) 向受試清水中投加Na2SO3和CoCl2，以脫除水中的氧；每脫除1mg/L的氧，在理論上需7.9mg/L Na2SO3，但實(shí)際投藥量要高出理論值10~20%；CoCl2的投量則以保持Co2+離子濃度不低于1.5mg/L為準(zhǔn)，Co2+是催化劑。
2) 當(dāng)水中溶解氧*脫除后，開(kāi)始曝氣充氧，一般每隔10分鐘取樣一次，（開(kāi)始時(shí)可以更密集一些），取6~10次，測(cè)定水樣的溶解氧；
3) 計(jì)算值，繪制與t之間的關(guān)系曲線，直線的斜率即為KLa/2.3。

二、氧轉(zhuǎn)移速率的影響因素

標(biāo)準(zhǔn)氧轉(zhuǎn)移速率——指脫氧清水在20C和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下測(cè)得的氧轉(zhuǎn)移速率，一般以R0表示（kgO2/h）；
實(shí)際氧轉(zhuǎn)移速率——以城市廢水或工業(yè)廢水為對(duì)象，按當(dāng)?shù)貙?shí)際情況（指水溫、氣壓等）進(jìn)行測(cè)定，所得到的為實(shí)際氧轉(zhuǎn)移速率，以R表示，單位為kgO2/h。

影響氧轉(zhuǎn)移速率的主要因素：——廢水水質(zhì)、水溫、氣壓等

1、水質(zhì)對(duì)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)（KLa）值的影響：
廢水中的污染物質(zhì)將增加氧分子轉(zhuǎn)移的阻力，使KLa值降低；為此引入系數(shù)，對(duì)KLa值進(jìn)行修正：

式中 KLaw——廢水中的氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)；值可以通過(guò)試驗(yàn)確定，一般 = 0.80.85

2、水質(zhì)對(duì)飽和溶解氧濃度（Cs）的影響：
廢水中含有的鹽分將使其飽溶解氧濃度降低，對(duì)此，以系數(shù)加以修正：
，
式中 Csw——廢水的飽和溶解氧濃度，mg/l；值一般介于0.90.97之間。

3、水溫對(duì)氧總轉(zhuǎn)移系（KLa）的影響：
水溫升高，液體的粘滯度會(huì)降低，有利于氧分子的轉(zhuǎn)移，因此KLa值將提高；水溫降低，則相反。溫度對(duì)KLa值的影響以下式表示：

式中 KLa（T）和KLa（20）——分別為水溫TC和20C時(shí)的氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)；T——設(shè)計(jì)水溫 C；

4、水溫對(duì)飽和溶解氧濃度（Cs）的影響：
水溫升高，Cs值就會(huì)下降，在不同溫度下，蒸餾水中的飽和溶解氧濃度可以從表中查出。

水溫（C） 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
飽和溶解氧（mg/l） 14.62 14.23 13.84 13.48 13.13 12.80 12.48 12.17 11.87 11.59 11.33
水溫（C） 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
飽和溶解氧（mg/l） 11.08 10.83 10.60 10.37 10.15 9.95 9.74 9.54 9.35 9.17 8.99
水溫（C） 22 23 24 25 26 27 28 29 30
飽和溶解氧（mg/l） 8.83 8.63 8.53 8.38 8.22 8.07 7.92 7.77 7.63

5、壓力對(duì)飽和溶解氧濃度（Cs）值的影響：

壓力增高，Cs值提高，Cs值與壓力(P)之間存在著如下關(guān)系：
（15）
式中 P——所在地區(qū)的大氣壓力，Pa；
Cs(P)和Cs(760)——分別是壓力P和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力條件下的Cs值，mg/l；
P’——水的飽和蒸氣壓力，Pa；
由于P’很小（在幾kPa范圍內(nèi)），一般可忽略不計(jì)，則得：
其中
對(duì)于鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)，曝氣裝置是被安裝在水面以下，其Cs值以擴(kuò)散裝置出口和混合液表面兩處飽和溶解氧濃度的平均值Csm計(jì)算，如下所示：
(18)
式中Ot——從曝氣池逸出氣體中含氧量的百分率，%； (19)
EA——氧利用率，%，一般在6%12%之間；
Pb——安裝曝氣裝置處的壓力，可以按下式計(jì)算：
(20)
P——曝氣池水面的大氣壓力，P＝1.013×105 Pa；H——曝氣裝置距水面的距離，m。

三、氧轉(zhuǎn)移速率與供氣量的計(jì)算

1、氧轉(zhuǎn)移速率的計(jì)算：
標(biāo)準(zhǔn)氧轉(zhuǎn)移速度（R0）為： ，
式中 CL——水中的溶解氧濃度，對(duì)于脫氧清水CL=0;
V——曝氣池的體積，（m3）；
為求得水溫為T，壓力為P條件下的廢水中的實(shí)際氧轉(zhuǎn)移速率（R），則需對(duì)上式加以修正，需引入各項(xiàng)修正系數(shù)，即：
，
因此，R0/R為： （23）
一般來(lái)說(shuō)：R0/R = 1.331.61。
將（23）式重寫： （24）
式中CL——曝氣池混合液中的溶解氧濃度，一般按2mg/l來(lái)考慮。

2、氧轉(zhuǎn)移效率與供氣量的計(jì)算：

① 氧轉(zhuǎn)移效率：，
式中：EA——氧轉(zhuǎn)移效率，一般的百分比表示；
OC——供氧量，kgO2/h；，
21%——氧在容氣中的占的百分比；
1.331——20C時(shí)氧的容重，kg/m3；
Gs ——供氧量，m3/h。
② 供氣量Gs： （27）
對(duì)于鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)，各種曝氣裝置的EA值是制造廠家通過(guò)清水試驗(yàn)測(cè)出的，隨產(chǎn)品向用戶提供；
對(duì)于機(jī)械曝氣系統(tǒng)，按式（24）求出的R0值，又稱為充氧能力，廠家也會(huì)向用戶提供其設(shè)備的R0值。

③ 需氧量：活性污泥系統(tǒng)中的供氧速率與耗氧速率應(yīng)保持平衡，因此，曝氣池混合液的需氧量應(yīng)等于供氧量。需氧量是可以根據(jù)下式求得： （28）

四、曝氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

1、鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)：
① 求風(fēng)量即供氣量： 式(28)求得需氧速率O2 根據(jù)供氧速率 =需氧速率，則有：R=O2，
根據(jù)式（24）求得標(biāo)準(zhǔn)氧轉(zhuǎn)移速率R0：，
根據(jù)式（27）求得供氣量（m3/d） Gs’ (m3/min)；
② 求要求的風(fēng)壓（風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓）：
根據(jù)管路系統(tǒng)的沿程阻力、局部阻力、靜水壓力再加上一定的余量，得到所要求的zui小風(fēng)壓。
③ 根據(jù)風(fēng)量與風(fēng)壓選擇合適的風(fēng)機(jī)。