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第四章活性污泥法第三节活性污泥法数学模型基础第四节气体传递原理和曝气设备活性污泥法的影响因素：活性污泥法污水处理设备就是要创造有利于微生物生理活动的环境条件，充分发挥活性污泥微生物的代谢功能，必须充分考虑影响活性污泥活性的环境因素，主要包括以下几点：(1)有机负荷①污泥负荷FW每千克活性污泥每日所承担的降解有机物的千克数，计算公式如下：FW=QS/（NWV）Q——曝气池的设计流量，采用最高日平均流量；S——曝气池进水底物浓度；NW——曝气池混合液污泥（MLSS）浓度；V——曝气池有效容积。②容积负荷Fr每立方米曝气池每日所承担的有机物的千克数。Fr=QS/V污泥负荷是影响活性污泥增长、有机物降解、污泥沉淀性能以及需氧量的重要因素，也是进行工艺设计的主要参数。污泥膨胀与污泥负荷有重要关系，一般在低负荷和高负荷都不会出现污泥膨胀，而在1.0左右的中间负荷时SVI值很高，属于污泥膨胀区，在设计或运行时避免采用这一区域的负荷值。（2）水温微生物酶系统酶促反应的最佳温度范围是20~30℃之间，水温上升有利于混合、搅拌、沉淀等物理过程，但不利于氧的传递，一般将活性污泥反应过程的最高和最低的温度分别控制在35℃和10℃。（3）溶解氧好氧活性污泥法中微生物都是好氧菌，溶解氧与有机物的降解速率和微生物的增长密切相关，工程中将曝气池出口处的溶解氧浓度控制在2mg/L以上。（4）pH值活性污泥微生物最适宜的pH范围是6.5~8.5。活性污泥处理系统对酸碱度具有一定的缓冲作用：在活性污泥的培养、驯化过程中pH值可以在一定范围内逐渐适应；在运行中，pH值急变的冲击负荷，将严重损害活性污泥，使得净化效果急剧恶化。（5）营养物质（6）有毒物质大多数的化学物质都可能对微生物生理功能有毒害作用，有毒物质大致包括重金属、硫化物等无机物质和氰、酚等有机物质，它们对细菌的毒害作用是破坏细胞某些必要的物理结构或抑制细菌的代谢过程，它们的破坏程度取决于其在污水中的浓度。活性污泥法主要工艺及运行特点活性污泥法数学模型主要包括两个方面：①底物降解速率与底物浓度、生物量等因素之间的关系；②微生物增殖速率与底物浓度、生物量等因素之间的关系。模型建立的依据：动力学及物料平衡一、建立模型的假设①曝气池处于完全混合状态；②进水中的微生物浓度与曝气池中的活性污泥微生物浓度相比很小，可假设为零。③全部可生物降解的底物都处于溶解状态。④系统运行稳定，处于稳定状态（稳态假设）。⑤二沉池中没有微生物的活动。⑥二沉池中没有污泥积累，泥水分离良好。⑦系统中不含有毒物质和抑制物质。二、劳伦斯和麦卡蒂模型污泥泥龄：即生物固体停留时间（solidsretentiontime，SRT),在处理系统（曝气池）中微生物的平均停留时间，实质就是曝气池中的活性污泥全部更新一次所需要的时间。X—曝气池中污泥浓度，g/m3;V—曝气池容积，m3;Q—进水流量，m3/d；QW—剩余污泥排放流量，m3/d；Xe—出水中的污泥浓度，g/m3;XR—排出的剩余污泥中的污泥浓度，g/m3。一般二沉池沉淀效果良好时，出水中的SS小于15mg/L,因此，随出水排出的污泥量对污泥泥龄的影响相比剩余污泥对污泥泥龄的影响小很多，一般可以忽略，因而污泥泥龄可简化为：上式可用于计算剩余污泥量：△X—剩余污泥量，gVSS/d。如果剩余污泥是从曝气池直接排放的，那么上式中污泥浓度是一样的，故：θc=V/QW（1）推导出水水质与污泥泥龄的关系在稳态条件下，由系统活性污泥的物料守恒，有：X0—进水中微生物浓度，gVSS/m3；Xe—出水中的污泥浓度，g/m3;XR—排出的剩余污泥中的污泥浓度，g/m3；X—曝气池中污泥浓度，gVSS/m3;V—曝气池容积，m3;Q—进水流量，m3/d；QW—剩余污泥排放流量，m3/d；(dX/dt)g—活性污泥的净增长速率，gVSS/（m3•d）。进水中的微生物浓度可以忽略，因此，前式可变为：将微生物增长基本方程代入式①可得：根据微生物净增长速率和底物利用速率之间的关系，式②可改写为：将劳-麦方程代入式②可得：从上式中解出Se，得：上式说明活性污泥法系统的出水有机物浓度只是污泥泥龄的函数，与进水有机物浓度无关。（2）推导曝气池内微生物浓度与污泥泥龄的关系：在稳态条件下，根据曝气池底物的物料平衡，有：整理得：将式③代入式②可得：从上式解出X并整理得：V/Q=t，上式中Q/V可替换成1/t从上式可以看出，曝气池中的活性污泥浓度与进出水水质、污泥泥龄和曝气时间等都相关。（3）推导回流比R与污泥泥龄θc的关系：对曝气池内生物量进行物料衡算⑥⑤：（曝气池内生物量的净变化率）=（生物量进入曝气池的速率）-（生物量离开曝气池的速率）将微生物增长的基本方程代入上式有：将(dS/dt)u=KXS（在KS远大于S的情况下）代入上式：将(dS/dt)u=KXS（在KS远大于S的情况下）代入式②有：将上式代入式θc=V/QW并解得θc：上式表明，污泥泥龄是XR/X和回流比R的函数，而XR/X又是活性污泥沉降效率的函数。当二沉池运行正常时，可用下式估计回流污泥的最高浓度：(XR)max=106/SVI（4）动力学参数的测定：以上模型中包含了动力学参数如rmax、KS、Kd、Y，如何测定这些参数？由式③可得：将上式取倒数的得：上式中V/Q为水力停留时间，用t表示，则上式变为：气体传递原理和曝气设备（一）曝气方式及原理曝气类型：鼓风曝气、机械曝气（表面曝气、潜水曝气、卧轴式曝气）、鼓风机械曝气鼓风曝气：将鼓风机提供的压缩空气，通过管道系统送入曝气池中空气扩散装置上，并以气泡形式扩散到混合液中。（例如：微气泡扩散器）鼓风机械曝气：采用鼓风装置将空气送入水下，用机械搅拌的方法使空气和污水充分混合，本方法适用于有机物浓度较高的污水。机械曝气：①曝气装置的转动，把大量混合因为以液幕、液滴抛向空中，增大接触面，液面呈剧烈的搅动状，将空气卷入；②曝气器转动产生提升作用，使混合液连续地上、下循环流动，气、液界面不断更新，将空气中的氧转移到液体内；③曝气器转动，在其后侧形成负压区，吸入部分空气。表面曝气：通过安装在曝气池表面上的叶轮或转刷的转动，剧烈地搅拌水面，不断更新液面并产生强烈的水跃，从而使空气中的氧与水滴的界面充分接触而转移到混合液中。（竖轴式曝气器）潜水曝气：通过水下高速旋转的叶轮产生负压，将空气引入水下，再通过叶轮的高速剪切运动，将吸入的空气切割成小气泡扩散到水中。卧轴式曝气：通过叶轮转动搅动水面溅成水花，空气中的氧通过气液界面转移到水中，同时也推动氧化沟中的污水。（二）曝气设备1、鼓风曝气设备组成空气过滤器（防止灰尘进入扩散器内部造成阻塞）鼓风机（风量：满足生化反应所需的氧量，同时保证能使混合液悬浮固体呈悬浮状态；风压：满足克服管道系统和扩散器的摩擦损失以及扩散器上部的静水压）两种鼓风机：罗茨鼓风机：适用于中小型污水厂，噪声大，必须采取消音、隔音措施离心式鼓风机：噪声小，效率高，适用于大中型污水厂空气输配管系统扩散器（将空气分散成小气泡）（1）微气泡型空气扩散装置典型的微气泡型空气扩散装置是由微孔材料（陶瓷、钛粉、氧化铝、氧化硅或尼龙）制成的扩散板、扩散盘或扩散管等，所产生的气泡直径在2mm以下。优点：氧利用率高（15%~25%)、动力效率高缺点：易堵塞、空气需要净化、扩散阻力大（2）小气泡扩散器采用多孔材料（如陶瓷、沙砾、塑料等）制成的扩散板或扩散管，分散气泡直径可小于1.5mm。（3）中气泡扩散器中气泡扩散器常用穿孔管和纱纶管。穿孔管由管径介于25mm至50mm之间的钢管或塑料管制成，在管壁两侧向下呈45度角方向开有直径为2~3mm的孔眼，两边错开排列。纱纶管以多孔金属管为骨架，管外缠绕纱纶绳。金属管上开有许多小孔，压缩空气从小孔逸出后，从绳缝中以气泡的形式挤入混合液。空气之所以能从绳缝中挤出，是由于纱纶富有弹性。优点：不易堵塞，阻力小缺点：气泡大，氧利用率低微孔曝气设备微孔曝气设备安装2、机械曝气设备（1）竖轴式曝气器①泵型叶轮曝气机a、叶轮外缘最佳线速度应在4.5~5.0m/s的范围内；b、叶轮在水中浸没深度应不大于40mm，过深影响曝气量，过浅易于引起脱水，运行不稳定；c、叶轮不能反转。②K型叶轮曝气机最佳运行线速度在4.0m/s左右，浸没深度为0~10mm，叶轮直径与曝气池直径或正方形边长之比大致为1：6~1：10.③倒伞形叶轮曝气机结构简单，易于加工。④平板型叶轮曝气机由叶片与平板组成，叶片与平板的角度在0~25度之间，结构简单，加工方便，线速度一般在4.05~4.85m/s之间。（2）卧轴式曝气器目前应用的主要是水平推流式表面曝气机，适用于氧化沟。由水平轴和固定在轴上的叶轮组成，转轴带动叶片旋转搅动水面溅起水花，空气中的氧通过气液界面转移到水中，同时也推动氧化沟中的污水流动。优点：负荷调节方便、维护管理简单、动力效率高。（3）潜水曝气机该类曝气机由叶轮、混合室、底座、进气管以及消音器等组成。进气管上端为空气入口，位于水面以上，下端与混合室连通，由于叶轮旋转产生的高速水流在混合室形成负压，空气被吸入并与液体混合，混合液从周边流出，完成对液体的充氧。优点：①结构紧凑、占地面积小、安装方便；②除吸气口外，其余部分在水下，噪音小；③产生气泡多而细、溶氧率高；④采用潜污泵技术，叶轮采用无堵塞式，运行安全可靠推流式曝气池平面布置推流式曝气池的长宽比一般为5～10；进水方式不限；出水用溢流堰。横断面布置推流式曝气池的池宽和有效水深之比一般为1～2。根据横断面上的水流情况，可分为平流推移式旋流推移式完全混合曝气池池形：圆形、方形、矩形（三）气体传递原理在曝气过程中，空气中的氧从气相传递到液相，是个传质过程，由于物质传递是借助于扩散作用从一相到另一相的，故传质过程实质上是个扩散过程，主要是由于界面两侧物质存在着浓度差值而产生。浓度梯度：扩散中单位路程长度上的浓度变化值，以dc/dδ表示，c为物质浓度，δ为扩散路程长度。vd—物质的扩散速率，以单位时间内通过单位截面积的物质数量表示;D—扩散系数，表明物质在介质中的扩散能力，主要与扩散物质和介质的特性及温度有关。上式即为菲克定律，是扩散过程的基本定律，表明物质组分在静止或层流状态的介质中进行分子扩散的规律。dM/dt—单位时间内通过界面扩散的物质数量；A—界面面积。曝气过程中的双膜理论基本论点：(1)膜两侧两相均处于紊流状态，紊流程度越高层流膜越薄。(2)气液相主体的浓度是均匀的，所有的传质阻力只存在两层流膜中。(3)界面上不存在传质阻力。(4)传质阻力主要存在于液膜上。设液相主体体积为V(m3)，上式同除以V得：（1）加大紊流程度以降低液膜厚度，加速气液面更新以提高溶液氧浓度梯度，采用微孔曝气以增大接触面积。（2）提高氧分压以提高溶液饱和溶解氧浓度，延长曝气时间。（四）氧转移的影响因素1、污水水质传质修正系数α：（表面活性物质的影响）饱和溶解氧修正系数β：（溶解盐类的影响）α、β修正系数值均可通过对污水和清水的曝气充氧试验测定。对于鼓风曝气，α值取0.4~0.8，对于机械曝气取0.6~1.0；β值约在0.7~0.98之间变化，通常取0.95。2、水温正向影响：水温上升，水的黏度降低，液膜厚度减小，扩散系数提高；KLa(T)=KLa(20)•1.024(T-20)KLa(T)—水温为T℃时的氧总传质系数；KLa(20)—水温为20℃时的氧总传质系数；T—设计计算温度；1.024—温度系数。负向影响：水温升高，氧的饱和溶解度cs降低。总的影响：水温降低有利于氧的转移。3、氧分压压力修正系数ρ：（氧分压越大，饱和溶解氧越高）对于鼓风曝气池，安装在池底的空气扩散装置出口处的氧分压最大，cs值也最大；但随气泡上升至水面，气压逐渐降低，降至一个大气压，而且气泡中的一部分氧已转移到液相中，氧分压更低。综上，氧转移的影响因素有：气液接触面积（气泡越小比表面积越大，传质系数越大）紊流程度（气泡越大，紊流程度越高，液膜越薄）氧分压（氧分压越高，饱和溶解氧越高）液相中氧的浓度梯度