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　　2.1.5活性污泥法的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

　　活性污泥法動(dòng)力學(xué)研究的目的是：定量地研究微生物在一定條件下對(duì)有機(jī)污染物的降解速率，使污水處理在比較理想的條件下，達(dá)到處理效率，并且使得工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理更加合理。此外，通過(guò)動(dòng)力學(xué)研究，明確有機(jī)物代謝和降解的內(nèi)在規(guī)律，以便人們能夠主動(dòng)地對(duì)污水生物處理的生化反應(yīng)速度進(jìn)行控制，以達(dá)到處理的要求。

　　本書(shū)主要介紹了莫諾德方程和以此為基礎(chǔ)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(wú)毒性的有機(jī)底物的培養(yǎng)基上進(jìn)行的微生物增殖速率和底物濃度之間的關(guān)系研究試驗(yàn)中得到的，并提出了與描述酶促反應(yīng)速度與有機(jī)底物關(guān)系式類似的微生物增殖速率和底物濃度關(guān)系式，此后，他人進(jìn)行的混合微生物群體組成的活性污泥對(duì)多種有機(jī)底物的微生物增殖試驗(yàn)，也取得了與莫諾德提出關(guān)系相似的結(jié)果，這說(shuō)明莫諾德方程是適合活性污泥過(guò)程的。

　　要熟悉莫諾德方程的推導(dǎo)及推論，熟悉莫諾德方程中各常數(shù)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(jù)莫諾德方程建立的動(dòng)力學(xué)關(guān)系式，仍是基于微生物的增殖和有機(jī)物的降解過(guò)程。該方程強(qiáng)調(diào)污泥齡(即細(xì)胞停留時(shí)間)的重要性，由于污泥齡可以通過(guò)控制污泥的排放量進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此，勞倫斯-麥卡蒂基本方程在實(shí)際應(yīng)用中的可操作性強(qiáng)。另外，由勞倫斯-麥卡蒂基本方程衍生的其他關(guān)系式可以確定曝氣池出水有機(jī)物濃度、曝氣池微生物與污泥齡的關(guān)系濃度，確定污泥齡與污泥回流比的關(guān)系，確定有機(jī)物在高濃度與低濃度時(shí)的降解關(guān)系，確定活性污泥表觀產(chǎn)率與污泥產(chǎn)率的關(guān)系等等。

　　2.1.6活性污泥法的凈化機(jī)理、過(guò)程及影響因素

　　1、凈化機(jī)理及過(guò)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(jī)物和氧，將有機(jī)物氧化為水和二氧化碳，達(dá)到去除水中有機(jī)污染物的目的。

　　⑵凈化過(guò)程

　　活性污泥去除污水中有機(jī)物的過(guò)程一般分為三個(gè)階段：

　　①初期的吸附去除階段

　　在該階段，污水和污泥在剛開(kāi)始接觸的5～10min內(nèi)就出現(xiàn)了很高的BOD去除率，通常30min內(nèi)完成污水中的有機(jī)物被大量去除，這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結(jié)果。

　　活性污泥法初期的吸附去除的主要特點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)：

　　a.初期的吸附去除完成時(shí)間短，去除量大;b.去除的有機(jī)物對(duì)象主要是膠體和懸浮性有機(jī)物;c.活性污泥的性質(zhì)與初期的吸附去除關(guān)系密切，一般處于內(nèi)源呼吸期的活性污泥微生物吸附能力強(qiáng)，而氧化過(guò)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(jī)物的效果與生物反應(yīng)池的混合及傳質(zhì)效果密切相關(guān);e.被吸附的有機(jī)物沒(méi)有從根本上被礦化，通過(guò)數(shù)小時(shí)的曝氣后，在胞外酶的作用下，被分解為小分子有機(jī)物后才可能被微生物酶轉(zhuǎn)化。

　　②代謝階段

　　活性污泥吸附了污水中呈非溶解狀態(tài)的大分子有機(jī)物后，被微生物的胞外酶分解成小分子的溶解性有機(jī)物，與污水中溶解性的有機(jī)物一起進(jìn)入微生物細(xì)胞內(nèi)被降解和轉(zhuǎn)化，一部分有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行分解代謝，氧化為二氧化碳和水，并獲得合成新細(xì)胞所需的能量，另一部分物質(zhì)進(jìn)行合成代謝，形成新的細(xì)胞物質(zhì)。

　　③活性污泥絮體的分離沉淀

　　無(wú)論分解還是代謝，都能去除有機(jī)污染物，但是產(chǎn)物卻不同，分解代謝的產(chǎn)物是二氧化碳和水，而合成代謝的產(chǎn)物則是新的細(xì)胞，并以剩余污泥的方式排出活性污泥系統(tǒng)。

　　沉淀是混合液中固相活性污泥顆粒同廢水分離的過(guò)程。固液分離的好壞，直接影響出水水質(zhì)。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(yīng)包括二次沉淀池的效率，即用曝氣池及二沉池的總效率表示，除了重力沉淀外，也可用氣浮法進(jìn)行固液分離。

　　2、二次沉淀池及工藝參數(shù)

　　污泥的分離沉淀是在二次沉淀池中進(jìn)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采用圓形輻流式沉淀池。

　　二沉池是生物處理工藝中最后一個(gè)工藝單元，沉淀效果對(duì)出水水質(zhì)的影響非常大，主要有兩個(gè)作用：從曝氣池混合液中分離出符合設(shè)計(jì)要求的澄清水，濃縮回流污泥;其關(guān)鍵的兩個(gè)工藝參數(shù)是表面水力負(fù)荷和固體負(fù)荷。表面水力負(fù)荷是流過(guò)每平方米沉淀池表面積的最大污水量，是直接與污泥沉降性能相關(guān)的參數(shù);固體負(fù)荷是指單位時(shí)間內(nèi)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(biāo)，對(duì)于一定的活性污泥而言，二沉池固體負(fù)荷越小污泥濃縮效果越好。應(yīng)該掌握各負(fù)荷的設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)于分建式沉淀池，表面水力負(fù)荷為0.6～1.5 m3/m2h，而合建式二沉池的表面水力負(fù)荷宜為0.5～1.0 m3/m2h，對(duì)于固體負(fù)荷來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)活性污泥法二沉池的固體負(fù)荷應(yīng)≤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(zhǎng)受周圍環(huán)境條件影響非常大，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、pH值、溫度、溶解氧的含量以及某些有毒物質(zhì)等極大地影響著好氧生物處理系統(tǒng)的運(yùn)行及凈化功能。

　　⑴營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

　　污水中各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的量及比例影響著微生物的生長(zhǎng)、繁殖，從而影響好氧生物處理系統(tǒng)的處理效果。細(xì)菌所需的營(yíng)養(yǎng)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(shù)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。

　　在污水的生物處理中，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)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(dāng)，任何一種缺乏或比例失調(diào)都會(huì)影響微生物的代謝作用，影響活性污泥的正常功能發(fā)揮，從而影響污水的生物處理效果。由于生活污水的營(yíng)養(yǎng)源充足，因此對(duì)工業(yè)廢水進(jìn)行處理時(shí)，可以考慮將生活污水和工業(yè)廢水合并處理，可以提高處理效率，并且能降低處理費(fèi)用。

　　⑵溶解氧的含量

　　溶解氧(即DO)是影響好氧生物處理系統(tǒng)運(yùn)行的主要因素之一。在污水好氧生物處理過(guò)程中，為了維持好氧微生物的代謝需求，需要向曝氣池補(bǔ)充氧氣，保證曝氣池混合液中溶解氧濃度不小于2mg/L。

　　當(dāng)溶解氧的濃度不足時(shí)，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(jī)物濃度升高，反應(yīng)器處理效率下降，若溶解氧嚴(yán)重不足時(shí)，厭氧微生物將會(huì)大量繁殖，反應(yīng)器處理效率明顯下降，影響出水的水質(zhì)。因此，為使反應(yīng)器內(nèi)有足夠的溶解氧，從外部供給，一般應(yīng)該以2～4 mg/L為宜此時(shí)其沉降、絮凝效果好。

　　⑶pH值

　　由于pH值的改變可能會(huì)引起細(xì)胞膜電荷的變化，從而影響微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和微生物代謝過(guò)程中酶的活性，會(huì)改變營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的供給性和有害物質(zhì)的毒性，而且不利的pH值條件不僅影響微生物的生長(zhǎng)，還會(huì)影響微生物的形態(tài)，所以，在生物處理系統(tǒng)中，pH值的大幅度改變會(huì)影響反應(yīng)器的處理效率。

　　通常生活污水中含有一些緩沖物質(zhì)，能夠?qū)H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(yè)廢水，緩沖物質(zhì)含量較少，而且pH值變化幅度較大，當(dāng)超過(guò)微生物生長(zhǎng)的最佳pH值范圍時(shí)，必須通過(guò)調(diào)節(jié)裝置對(duì)pH值進(jìn)行調(diào)整，所以，在反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與運(yùn)行時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮這個(gè)問(wèn)題。

　　⑷污水的溫度

　　溫度對(duì)好氧生物處理系統(tǒng)的影響是多方面的，水溫的改變，會(huì)影響在生物體內(nèi)所進(jìn)行的許多生化反應(yīng)，因而影響生物的代謝活動(dòng)，另外，污水中溫度的改變可引起其他環(huán)境因子的變化，從而影響微生物的生命活動(dòng)，參與活性污泥生物處理過(guò)程的微生物多為嗜溫菌，適宜的溫度范圍為10~45℃，通常設(shè)計(jì)的活性污泥法的溫度范圍為10~30℃。

　　⑸有毒物質(zhì)

　　許多有毒物質(zhì)對(duì)活性污泥微生物具有一定的影響，例如，重金屬離子對(duì)微生物產(chǎn)生毒性作用，它們可以和細(xì)胞中的蛋白質(zhì)結(jié)合，使蛋白質(zhì)變性或沉淀;有些有毒的有機(jī)物能促使菌體蛋白凝固，并能對(duì)某些酶系統(tǒng)進(jìn)行抑制，破壞細(xì)胞的正常代謝，另外，有的有機(jī)物本身的殺菌能力很強(qiáng)。

　　4、活性污泥法的基本工藝參數(shù)

　　主要有負(fù)荷(包括污泥負(fù)荷和容積負(fù)荷)、水力停留時(shí)間、污泥齡、污泥回流比等。