1、1前人們對利用氧化溝處理污水并不陌生。近年來，氧化溝的應用卻引起了人們新的、極大的興趣，許多廠商提供了自己獨特的氧化溝系統，在氧化溝的應用方面做了大量工作。 但有時由于受專利權的限制，人們難以方便地獲得氧化溝設計和操作的有關資料，因此需要 有一部匯集這方面資料的書，本書正是為滿足這一需要而問世的。本書試圖既從理論上、 又從實踐上向讀者提供氧化溝的有關資料。 為了使設計人員能動力學常數以及勞動力需要量夠一舉獲得一切所需的資料， 我們把設計中的動力學理論基礎與實驗數據和方程式融為一體， 通過大量的例子來指導讀者利用這些資料。本書所列的數據、 之類的資料，為讀者提供了一個有關氧化溝的綜合資料來源。米

2、克爾G 曼特布魯斯A 貝爾目錄精品文檔第一章歷史、說明和發展1 1基本情況1 2.典型特丿性第二章過程動力學21過程微生物學2 1. 1微生物的分類2 2新陳代謝和能量2 2. 1能量反應2 3細菌動力學2 3. 1環境條件2. 4動力學在氧化溝中的應用2 5動力學數據第三章過程變型 31生物法去除營養的過程變型第四章硝化和脫硝41氮和氨的存在 11344455905901111224444444444444444氨對消毒的作用 生物的毒性 氮需氧量 富營養化作用 對公共衛生的影響2345硝化中的生物化學反應 23 31 3，24 415 51 52 536 脫硝動力學在氧化溝設計中的應用硝化

3、動力學 環境因素對動力學的影響 環境因素對硝化動力學的綜合影響 硝化動力學在氧化溝設計中的應用安全系數 脫硝作用脫硝的生物化學 環境條件 脫硝動力學 第五章5 554 第六章6 16 2 第七章7 1556章1 23 章77. 77777. 7. .八 . 888. 88九77 7 77第 8 88 第999 第十章10 110101010 10101010 3，1奧爾伯曝氣池池型 3. 2曝氣圓盤 3. 3系統模式 3. 4硝化和脫硝 3. 5奧爾伯系統的設計參數1. 11. 2射流曝氣氧化溝 奧爾伯系統 帕斯維爾氧化溝處理廠 4. 1 轉子 障礙式氧化的 綜合式系統 操作和維 操作要求 氧

4、化溝的控制 氧 儀表的使用 222222動力學設計 氧的供給 沉淀池的設計污泥 設計舉仞H 例9. 1設計小結因工藝而異的費用 因地區或氣候而異的費用 因廠址而異的費用建造費用 操作和維修費用 總費用 363636363739404343444747 4950525656565656 5758586061636363646464 656567686868697070717276777777 77787878798080需氧量和傳氧 傳質理論 1 . 1傳質 1 . 2平衡關系式 傳氧模式 用于模擬和分析不穩定狀態試驗數據的標準方法 需氧量的確定 混合與水力學 混合的考慮 水力學的考慮 專利工藝

5、 卡羅塞系統 卡羅塞系統的處理性能 設計的考慮和程序 1. 11. 21. 3操作和維修要求 氧化溝處理廣的性能與對比工藝 3. 1氧化溝的性能 3. 2氧化溝的對比工藝 氧化溝的設計 預處理和一級處理 反應池的設計 123456 經濟考慮 費用的種類1. 11. 21. 3 費用數據 . 2 . 1. 2 . 2. 2 . 3小結精品文檔3第一章歷史、說明和發展連續環式反應池（Continuous Loop Reactor ，簡稱CLR）,通常稱為氧化溝。它是由荷 蘭衛生工程研究所（TNO）在五十年代研制成功的。第一家氧化溝處理廠于1954年在荷蘭的沃紹本（Voorshopen）投入使用，它

6、是由該所的帕斯維爾（A. Pasveer）博士設計的，服務人口 為三百六十人。這是一種間歇流的處理廠，其中氧化溝同時用作二次沉淀池。由于帕斯維爾 博士的貢獻，這項技術又被稱為帕斯維爾溝。氧化溝最初應用于荷蘭，而今，它已成為歐洲、大洋洲、南非和北美洲的一種重要污水 處理技術。截止到1976年，僅北美洲就有五百多座處理廠。近年來，采用氧化溝處理廠的速 度有了驚人的進展。氧化溝是活性污泥法的一種改型，它把連續環式反應池用作生物反應池。混合液在該反 應池中以一條閉合式曝氣渠道進行連續循環。氧化溝通常在延時曝氣條件下使用，因為這時 水和固體的停留時間長，有機物質的負荷低，它使用一種帶方向控制的曝氣和攪動

7、裝置，向 反應池中的物質傳遞水平速度，從而使被攪動的液體在閉合式曝氣渠道中循環。最初由荷蘭衛生工程研究所研制的 帕斯維爾溝，目的是為小型居民區提供一 種廉價、可靠的污水處理系統。原始的形 式只是一種污水排放區域，兩邊呈坡形， 坡上植有草皮，以保證其穩固性，在其中 流動的液體深度通常為1m（圖1.1）。充 氧、推進和攪動是由一個臥式表面轉子（凱斯納刷 Kesner Brush ）來保證的。凱斯納刷過去是在矩形池中使用，產生表 面曝氣，其方式與旋流曝氣相似，帕斯維 爾溝通常在間歇曝氣的情況下使用。白天 把原污水引到溝中，在溝中曝氣和攪動， 晚上關閉表面轉子，使固體沉淀，然后把上清液從氧化溝中抽走。

8、最初建立的處理廠獲得了 驚人的成功，生化需氧量（BOD的去除率達97%。后來，帕斯維爾博士在觀察了曝氣不充 分的系統之后，又對氨和硝酸鹽的去除進行了試驗。為了適應流量和有機負荷的增加，出現了連續流帕斯維爾溝。至U六十年代，氧化溝己遍 及歐洲各地。1964年，安大略省的加拿大水資源委員會對氧化溝進行了調查，并作出了下述 結論：“根據現已獲得的資料，可以得出這樣的結論：氧化溝污水處理系統的造價低廉，操作 簡便，其出水的質量符合要求，且水質穩定”。1967年，勒孔特（Le Com pt）和曼特（Man dt）首次把淹沒式曝氣推流系統用于氧化。精品文檔3:f陵Sky；雲二I嚎鶴他們用一套以回流混合液為

9、動力的射流器 和壓縮空氣配合使用，沿水流途徑噴射，從 而提供必要的充氧和推進作用，見圖 1. 2。 這種技術后來被稱為射流曝氣溝(Jet Aeration Channel ，JAC)。1968 年，杜瓦爾斯-希德里克維爾海有 限公司(Dwars, Heederik ， and Verhay， Ltd )的池上使用了低速表面渦輪，這種渦 輪安裝在中心擋 板的末端，利用從低速表 面曝氣機中所排荷蘭工程師們，在一個折流 式連續環反應出的輻射流為氧化溝提供推進力，(圖 1 . 3)。從帕斯維爾、勒孔特，曼特、以及杜瓦爾斯 -希德里克-維爾海有限公司的早期研制工作以 來，氧化溝在工藝和機械方面已經進行了

10、無數次 改進。氧化溝的適應性和應用范圍己由最初的排 污溝顯著地擴大了。現在，氧化溝這項技術已牢 固確立，作為一種污水處理技術而被人們所接受， 1978年，美國環境保護署發表了一份題為氧化 溝處理廠與其它城市污水二級處理先進技術的比 較的報告。報告中的圖1. 4表明，城市氧化溝 處理廠的數量在美國有了明顯增長。這份報告得出結論，* I I 51 - 7 ?-I 7aU 八；丁：； 十:跨二存宀： 如“ 15MLSS混合液懸浮固體）（mg/L）20006000F/M （營養與微生物之比）0.05 0.02回流污泥比（進水的百分比）100BOD去除率（%）94 98+TSS去除率（%）90 95+表

11、1. 1典型的城市氧化溝的設計參數氧化溝的幾何形狀以橢圓形為最常見，但也有許多其它形狀。在南非，常見的相互聯系 的多路渠道，在歐洲，常見折流的回旋渠道，在澳大利亞和美國，雖然流行圓形渠道，但仍 以橢圓形為最常見。曾采用過的水深達 7m但大多數溝深仍局限在12m許多溝道的橫截 面呈梯形，兩側的坡度為45。深溝道的兩側呈直角，通常由鋼筋混凝土制成。溝道的底部 及兩坡的建筑材料為噴漿水泥、瀝青和薄膜。第二章過程動力學包括氧化溝在內的任何生物處理系統，其基本目的都是去除有機固體、減少需氧量。這 些有機固體可以是可沉固體、膠態固體、或溶解固體。我們靠沉淀這種物理方法來去除可沉 固體。膠態和溶解有機固體是

12、通過生物化學方法來去除的。氧化溝的第二個處理目的通常是 把氨轉換成硝酸鹽，以減少總需氧量，以及（或）除氮，以控制水中的營養。這些內容將在 第四章進行詳盡的討論。環境工程師與醫藥工程師不同，他們是在未消毒的環境下進行工作的。因此，對生化過 程的控制是通過生物反應池中的環境控制來完成的，從而達到促進所需有機物生長的目的。 盡管在預報環境條件和生物系統對環境條件變化的反應方面，常常遇到困難，但生物反應池 的環境控制還是得到了應用。2 1過程微生物學為了理解氧化溝的生物動力學，有必要看一下生物系統中具有重要作用的有機物。在生 物污水處理系統中，我們所感興趣的微生物屬于原生生物的領域。原生生物是單細胞微

13、生物 或沒有細胞組織分化的多細胞微生物。根據環境工程師的需要，原生生物可按照它們的碳源 和能量來源、或按照它們利用分子氧的能力進行簡便的分類。211微生物的分類以有機化合物為碳源和能源的微生物叫異養微生物。異養微生物在生物污水處理系統中 使有機物質向二氧化碳轉化，并產生脫硝作用。自養微生物的碳源是無機碳，通常是重碳酸 根離子或二氧化碳。自養微生物可以進一步分為以光為能源的光合微生物，和能量來自無機 化合物的氧化 - 還原反應的化學合成微生物。 化學合成自養微生物以氨為能源， 在氧化溝中進 行硝化作用。微生物也可以根據其利用分子氧的能力來分類。專性需氧微生物需要分子氧，而專性厭 氧微生物則利用化

14、合氧，如硫酸鹽。分子氧對于專性厭氧微生物具有毒性作用，而兼性需氧 微生物則既能利用游離氧，又能利用化合氧。氧化溝中的大部分污水處理工作是由細菌來完成的。細菌是單細胞的原生生物，它們需要溶解性食物和水分，并通過二次分裂再生。它們的大小在 0.515卩m的范圍內。在細菌的 細胞中，有8090%的水，而固體成分的大約90%是有機物。有機成分近似 GHQN,無機成 分則是由P2Q（50 %）、SQ、NaQ和CaQ組成，另外還有微量的鐵和銅等營養素。通常被環境工程師解釋為多細胞異養原生生物的真菌，也在生物污水處理中起著重要作 用。真菌是專性需氧微生物，它們喜歡較低的 pH 值（最佳值大約為 5.6 ），

15、而且對氧的需要 量也較小。在氧化溝這樣的懸浮微生物反應池中，真菌常給固體分離造成困難，因為它們形 精品文檔成沉淀性能很差的絲狀菌。在處理低 pH值或缺氮的污水時，真菌是個特例，因為在這些情況 下它們比細菌更有利。在生物處理系統中具有重要作用的還有單細胞原生動物和輪蟲之類的多細胞微生 物。這些微生物通過消耗膠體有機微粒和細菌細胞，起著一種對出水進行“精制”的作用， 從而在生物處理系統中達到降低出水濁度的目的。2 2新陳代謝和能量微生物需要大量的能量。資料表明，1g的大腸埃希氏菌大約需要0.6W的能量來維持細 胞生命和進行再生。由此可見，77kg的大腸埃希氏菌每天大約需要4002.58MJ的熱量，

16、而一 個體重為77kg的人每天需要10.512.6MJ的熱量。微生物所需的能量是從氧化-還原反應中 獲得的。221能量反應異養微生物新陳代謝的整個反應過程可以表示如下：有機物+ Q+細胞-CO H +更多的細胞+能量（2. 1）有機物質既用于產生能量， 又用于細胞合成。 氧化-還原反應就是將被還原物 （電子給體） 的電子轉給起氧化作用的物質（電子受體） ，我們通常把電子給體看作食物。異養微生物的新 陳代謝利用有機電子給體； 自養微生物的新陳代謝利用無機電子給體。 在需氧微生物系統中， 氧是最終的電子受體。在缺氧微生物系統中，最終電子受體是亞硝酸鹽或硝酸鹽；而CO2和SO4則是厭氧微生物系統中的

17、最終電子受體。最終電子受體決定著從“食物”中所得能量的 多少。麥卡蒂（McCarty）就生物過程中的能量產生和細胞合成提出了一種化學計算方法。表2. 1列出了他所提出的氧化一還原反應。【例 2. 1】利用表 2. 1 中的方程式可以求出在需氧、缺氧和厭氧情況下，從生活污水 的新陳代謝中所獲得的能量。3），我們可以寫出下述半程反應：設生活污水的成分為 C10H19O3N利用表示電子給體（食物）的方程式 7和表示需要氧 情況的方程式（給體：1oHi9ON+ (9/25)H 2O= (9/50)CO 2+ (1/50)NH 4+ + (1/50)HCO-3 + J + e- G =+ 31.8kJ

18、/e-(2. 2)受體：（1/4）O（1/50）C2 + H+ + e = (1/2)H 2O23）=-78.189kJ/e -把上述半程反應相加，即可得出：(1/50)GHON+(9/25)HOH1/4)O2 +|4+e-=(9/50)C(2+(1/50)Nl4+(1/50)HCO+ H+e+ (1/2)H2O (2. 4)精品文檔7細菌系統的半程反應表2.1反應編號程A G （W）KJ/電子當量細菌細胞合成反應以氨作為氮源：1/5CO2 + 1/20 HC03 + 1/20NH4+ + 1 + e- = 1/20C5HQ N+ 9/20H2O以硝酸鹽作為氮源：1/28NQ- + 5/28C

19、O2 + 29/28H + + e- = 1/28C5H7QN+ 11/28H2O電子受體的反應氧：1/4O2 + H+ e = 1/2H2O硝酸鹽：- + -1/5NO3 + 6/5H + e=1/10N2 + 3/5H2O硫酸鹽：1/8SO4 + 19/16H + + e = 1/16H2S + 1/16HS + 1/2H2O二氮化碳（甲烷發酵）：+ -1/8CO2 + H + e = 1/8CH4 + 1/4H2O-78.189-71.71221.29024.1291011121314151617181920212223242526電子給體的反應有機給體（異養反應）生活污水：9/50CQ

20、 + 1/50NH4+ + 1/50HCQ- + H + e-= 1/50C10H9C3N+ 9/25H2O蛋白質（氨基酸、蛋白質、含氮有機物）：8/33CQ + 2/33NH4+ + 31/33H + e- = 1/66C18H4GM + 37/66H2O碳水化合物（纖維素、淀粉、糖）：+ -1/4CO2 + H + e =/。甩決 1/4H O油脂（脂肪和油）：4/23CQ + H + e- = 1/46C8H16O+ 15/46H2O醋酸鹽：1/8CO2 + 1/8HCQ- + e- = 1/8CH3COC+ 3/8H 2O丙酸鹽：1/7CO2 + 1/14HCQ- + H + e-=1

21、/14CH3CHCOt+ 5/14H 2O苯甲酸鹽：1/5CO2 + 1/30HCQ- + H + e- = 1/30C6htCOO 13/20H2O乙醇：1/5CO2 + H + e- = 1/12CH3ChlOh+ 1/4H2O乳酸鹽：1/6CO2 + 1/12HCQ- + H + e- = 1/12CH3CHOHCOO1/3H2O丙酮酸鹽：1/5CO2 + 1/10HCQ- + H + e- = 1/10CH3COCC+ 2/5H2O甲醇：+ -1/6CO2 +H + e = 1/6CH3Oh+1/6H2O無機給體（自養反應）：Fe3 + + e- = Fe2+-+- -1/2NO3 +

22、 H + e = 1/2NO2 + 1/2H2O1/8NO3- + 5/4H + + e- = 1/8NH4 + + 3/8H 2。1/6NO2 + 4/3H + + e = 1/6NH4 + + 1/3H 2。1/8SO4- + 4/3H + + e = 1/6S + 2/3H 2O2- + - -1/8SO4 + 19/16H + e =1/6H2S + 1/16HS + 1/2H2O1/4SO42 + 5/4H + + e = 1/5S2Q2 + 5/3H2OH + e- = 1/2H21/2SO42- + H + e- = 1/2SO 32- + 1/2H2O31.82032.2384

23、1.86827.63327.67127.90128.85531.78632.96335.77637.535-74.441-39.482-34.520-32.87519.49821.29021.31540.48644.350精品文檔13注: 12現在，C從方程式（ 24）和（25）中可以看出，被利用的污水每摩爾可傳送 50 個電子。這些 方程式所獲得的能量為：A 6=生成物的 G -反應物的 G這樣，從污水的需氧新陳代謝中所獲得的能量即為：50AGmol26）R 式中 R RcRefsfe.除（H+） = 10-7以外的一個電子當量參與反應時所對應的反應物和生成物。 .編號26反應式右側原文第一

24、項為1/2SO32-,應為1/2SO32-譯者。 把方程式（ 2 4）乘以 50，可得出：25）ioHi90N+ 18HO+ 12.502 = 9CO + NJ + HCO + 25HO27）個電子kJkJX（ -18.675 -7.6 污水e-eA G = -5500.41kJ /mol 污水以與例2. 1相似的方程式，可求出在缺氧情況下（NQ為電子受體）從污水中所獲得的能 量為-5176.56kJ /mol污水；在厭氧情況下（CQ為電子受體）所獲得的能量為-384.6kJ /mol 污水。從需氧新陳代謝中所獲得的能量，與從缺氧新陳代謝中所獲得的能量相差不大，而從 厭氧新陳代謝中所獲得的能量

25、卻是一個較小的數量級。合成： 污水或“食物”既用于能量，又用于合成。要想確定所需電子受體（氧）和最終生成物 的量，工程師們需要知道食物中的哪一部分是用于能量的；要想確定營養的需要量（N， P）和污泥的產量，就需要知道食物中的哪一部分會轉化成細胞體（合成） 麥卡蒂解決這個問題的方法是寫出下述半程方程平衡式：28)= fsRc + feRe-Rd整個反應；細菌細胞合成的半程反應（假設為 C5H7O2）N； 電子受體的半程反應；Rd電子給體的半程反應； 用于合成的電子給體的分數； 用于能量的電子給體的分數。fs表 2. 2 所表示的是各種基質的 fs 最大值。 表中所列的 fs 最大值代表迅速生長的

26、新生培 養物的值。老化培養物的 fs 值可以低到相當于表中所列值的 20的程度。上述方程式可以 用來確定一個生物系統的質量平衡。【例 2. 2】以生活污水的需氧生物處理為例，利用這種方法求出氧的需要量和污泥產量。 假設合成所需的氮源是氨，并且使用延時曝氣法，這是氧化溝的典型設計用途。由于延時曝 氣會產生“老化”培養物，因此，fs即為表2. 2中所列的（fs ） max的20%。由于表中沒 有列出污水的（fs ） max因此必須根據生活污水的典型成分求出一個值。假設生活污水的成 分大約為：50%的蛋白質、 40%的碳水化合物、 10%的脂肪。參見表 2. 2，我們就可以得出29）+ fe = 1

27、一個(fs ) max(fs)max蛋白質1白質的(fs)ma炸碳水化合物X碳水化合物的(fs)ma)O脂肪刈脂肪的fs)max(fs ) max=( 0.50 X 0.46 ) + ( 0.40 X 0.72 ) + ( 0.10 X 0.59 )= 0.67 在本例中的fs是取(fs)max的20%,即0.13。根據方程式(2. 9),可以看出fe 現在可以從表2. 1中選擇適當的半程反應：Re : (1/5)CO2 + (1/2O)HCO3- + (1/20)NH4+ + J + e = (1/20)C 5HQN + (9/20)H 2O Re: (1/4 ) O +1+ e- = (1

28、/2)H 2ORd (9/5O) CO+ (1/5O) nH+ (1/5O) HC+H* +e= (1/50) GoHON+ (9/25) HO(2. 10為 0.87。(2. 11)(2. 12)(2. 13)電子給體電子受體(fs)max異養反應碳水化合物o0.72碳水化合物NO-0.60碳水化合物SQ2-0.30碳水化合物go0.28蛋白質00.46蛋白質GQ0.08脂肪酸00.59脂肪酸SQ2-0.06脂肪酸GQ0.05甲醇NQ-0.36甲醇GQ0.15自養反應S00.21SO2-Q0.21ao2-NQ-0.20nhTQ0.10HQ0.24GQ0.04L 2+FeQ0.07細菌反應中(

29、fs ) max的標準值表2. 2精品文檔15這樣，1mol的生活污水會產生 0.325mol如果把這些結果用比較常見的單位表示，那么，大得多。用下述方法來表示或許方便一些：mg需氧/ mgCO；mgVSS/ mgCOD(2. 15)根據方程式(2. 8),把方程式(2. 11)、(2.12 )和(2. 13)合并再簡化，即得出： C1OH19O+NO.875OO.325C5H7O+O1675NH4+0.675HCC+-7.7OCC+6.675H2O (2. 14) 的微生物(GHQN),并且需要10.875mol的氧。 它們在氧化溝的設計和評價方面的用途就會首先來考慮氧，設每mol的C10H

30、19O3I需要10.875mol的氧，則污水的CO可計算如下: molO2COD=(10 +19/4-3/2)=13.25 molC1oH9QN(213.25molO232g 424gCOD(2. 16)COD= X=molC10H9QN molO 2molC0Hi9QN因此：故,molQmolCoHwQN32gXX10H19QN 424gCOD molO 2需氧量=10.875 molC進而：需氧量=0.82gO2COD(g)用類似的方法，可算出所產生的揮發性懸浮固體(VSS的量:molC5I4QN113gC sHQN molC 10H9QNVSS =XXmolC10Hi9N molC 5H

31、QN424gCOD.17)(2. 18)所產 VS& 0.10gVSSZ g COD用同樣的方法還可以確定營養的需要量、堿度的增減程度、以及氫離子濃度（ 化情況。pH的變2. 3 細菌動力學為了正確地設計和使用包括氧化溝在內的生物處理系統，必須懂得細菌動力學。 有機物的分解、硝化和脫硝，都取決于細菌的生長速度。可能考慮的最簡單系統，是含有純微生物培養基的批量系統。微生物的生長情況在這種 批量系統中可以通過微生物數量的對數與時間之比的曲線來表示（圖2. 1)。污水中注 滯后期：表示微生物對基質的適應階段，這個團2-1批ft棊a中的輸生tttffl階段不一定總是出現。對數生長期，生長率只受微生物的

32、產率和微生物處理食物能力的約束。恒速生長期，再生率與死亡率保持平衡。生長情況可能受基質的可用程度、毒物的聚集程度、營養、或氧和氫離子濃度等環境因素的約束。衰亡期：底質耗盡。毒物聚集，以及（或）環境條件不利。還可以使用一種更有效的方法來表示以 上情況，即不按微生物的數量，而接微生物的 質量來表示，如圖2. 2。滯后期和對數生長期的情況與圖2.1相同。在生物處理系統中，減速生長期被認為是4Cr屯民團批a系St中的微生軻生提情呪按債i莊議J精品文檔17受底質的約束， 內源呼吸期也是受底質的約束， 微生物進行原生質沒有補給來源的新陳代謝。 批量系統要經歷圖 21和圖 22所示的各個階段。氧化溝通常不是

33、批量的，而是連續 流的系統。對生物處理系統的控制，是通過對微生物所利用的基質的控制來實現的。為了實 現對基質的有效控制，必劉保證微生物生長所必需的各種環境條件。2 3 1環境條件環境條件包括溫度、氫離子濃度、溶解氧和營養。環境工程師們能夠控制除溫度以外的 上述各種條件。在下文中將會看到，在氧化溝的設計和操作中，可以計算出溫度的影響，但 是，企圖控制污水溫度的做法一般來說是不實際的。氧化溝中的溶解氧和氫離子濃度可以控 制在所需的任何水平上。微生物的生長所需的主要營養是氮和磷，在有足夠營養的條件下， 根據微生物細胞的構成成分，氮的需要量大約每 20mg/L的BOD為1mg/L。磷的需要量大約每 1

34、00mg/L的BOD為1mg/LPGP,同時還需要微量的無機物。應該說明的是，上述氮和磷的需 要量只是近似值。實際所需要的營養量值取決于細胞的合成量，而細胞的合成量反過來又取 決于過程的設計。大多數城市污水和生活污水中都含有過量的營養。 至于工業廢水，可能需要添加氮和（或） 磷，以滿足對營養的需要量。假如一切環境條件都得到充分的保證， 那么就有可能在批量系統生長曲線 （圖 21 和 22） 所要求的任何一點上，保證生物系統的正常工作。動力學方程：從圖 22中可以看出，在曲線生長階段，微生物的生長速度可以表示為：dX219）dt式中 X 微生物濃度（ mg/L）；卩一單位生長率（d-1 ）;t

35、時間（ d）。象氧化溝這樣的連續流系統很少保持在對數生長階段上，而是根據過程的不同方式，保 持在生長曲線（圖 22）的不同點上。例如，氧化溝的設計通常適用延時曝氣，延時曝氣屬 于內源呼吸范疇。為了保證對這種生物反應池的正確控制，有必要在生長率和基質利用之間 建立關系式。把微生物生長率和基質利用聯系起來的最常見模式是莫諾（Monod模式。莫諾發現，在純培養物和連續流系統內，在含有單一的限制生長基質系統中，細菌的生長和底質的有效程 度之間的關系，可以根據實驗用下述公式表示：(220)S口 = 口 mKs S式中卩一單位生長率（d）；卩m-最大單位生長率（d-1）;S 基質濃度(mg/L);Ks 半

36、速常數(mg/L)(指單位生長率等于最大單位生長率一半時的限制基質的濃度如圖2. 3所示，微生物的生長率 隨著基質有效程度的增長而增長，直 至達到最大單位生長率為止。這時， 限制生長的因素就不再是基質了，而 是增代速率或營養之類的其它因素。囲2.3限制基對生物生悅前K響莫諾模式已經被用來研制生物系 統的動力模式。這里，本文將用莫諾 模式建立適合于氧化溝設計和操作的 動力模式。需要指出的是，有人已經 考慮出其它一些模式。在穩定的條件 下，這些模式的大多數會產生類似的 效果。對于變化多端的進水，可以利用其它模式，這些模式以進水基質濃度為函數，推算出 水的基質濃度。勞倫斯(Lawrenee)和麥卡蒂

37、所使用的莫諾模式已經在污水處理系統中產生 了滿意的效果，我門將在下面的討論中利用這種模式。已經指出(方程式2. 19):dXdt這樣，將方程式(2. 19)和(2. 20 )合并，即得出：dX S()gr =卩 mdt Ks+ S所得到的全部基質不能都用于合成；有人指出，在對數生長期里:dX dS()gr = -Y(dt dt式中丫 一最大產量系數；dX(dtdS()bio 生物作用下的基質利用率。(2. 21)bio(2. 22)gr單位被利用的基質質量所形成的細胞質量;精品文檔1 3(2. 23)(2. 24)dt把上述方程式合并，即得出：k =卩 0)/ y可將生物作用影響下的基質濃度變

38、化表示如下：dS kXS() bio =dt Ks+ S在氧化溝和其它大多數生物處理系統中，不是所有的細胞都處于對數生長階段。我們必須減小上面所述的生長率，以便考慮到為提供維持細胞生命所需能量而利用的基質，以及細胞死亡和原生動物捕食所消耗的基質。有人假定，微生物數量減少的原因都是由于內源呼吸 作用，而內源衰減率屬于一級衰減率，它僅僅取決于所存在的微生物的質量。這種假定雖然 嚴格說來并不完全正確，但卻是有用的。根據這種假定，我們可以把內源哀減率表示為：dXdec =-kdX(225)dt式中k d內源衰減系數(d-1 )。如果把內源呼吸作用的影響和生長方程式合并：新的生長率=對數生長率-內源衰減

39、率我們就可以得出：dX卩 mSX()net -k dXdt Ks S或者用基質的利用率來表示：dX dS()net -Y()bio-kdXdt dt226)227)228)VX上述公式中所用的常數是由溫度決定的。這些常數值隨著溫度的增加而增加。溫度對氧 化溝總過程的影響要更復雜，它影響著生化反應率、化學反應率、氣體的溶解度、氣體的傳 質率、以及固體的沉淀性能。溫度對于總過程的影響可以估算如下：229)RT (T-20)R20式中 R T溫度為T (E)時的速率；R20 20 E時的速率；常數，對氧化溝來說，通常為 1.021.04。對氧化溝的應用：氧化溝既不是完全混合式反應池，也不是推流式反應

40、池。污水流入反應池后，與反應池 所含的大量物質混合。但是，通常是使污水正好從排出口的下游流入氧化溝，因此，它必須 在經過一次循環之后才能排出去。在這一方面，氧化溝與推流式反應池有些相似，由于全部 污水在氧化溝內的停留時間比較長，通常為2024h，而以標準渠中流速完成一次循環的時間又比較短，即1530mi n，因此，氧化溝動力學一般按完全混合式反應池的動力學來對侍。 這種假定所產生的任何小誤差都納入安全系數。對完全混合式反應池(圖 24)，可寫出下列方程式：230)dXdXnet()V QX-QX+ V (dtdt式中XQ 流量( m3/d )；0進水的微生物濃度(所含渾發性懸浮固體的mg/L數

41、)，反應池容積( m3)； 反應池中微生物的濃度( mgL)。替代上述方程式中導出的各項，并且假定：(1)是在穩定狀態下；(2) X0小到可以忽略精品文檔14(2. 31)的程度，則可以寫出:卩mS Q/V= -k dKs+ S考慮在穩定狀態下，基質以類似的方式產泥，可寫出下式:KsXS0-S = Ks+ S式中So 進水的基質濃度（mg/L）； S出水的基質濃度（mg/L）。包括氧化溝在內的活性污泥法都 采用污泥回流，在考慮回流之前，另外引進 一些項目，并重新安排上述方程式，是比較 方便的，得出：VX c=QX(2 32)Q.SqX反應池中的細胞質量閹a.#完全幌舍式反應池(2.33)式中

42、C(d)。排除的細胞質量/單位時間 如果寫成下式：-（dXUX式中U 單位基質利用率（mg/Lh）或基質濃度的變化 （由于每單位質量微生物的生物作用）。就可得出：1/ dt) bio(2.34)=YU - k d c(2.35)以及S0-XU(2. 36)可以確定：Y Yiet =1(2. 37)+ 0 ckd我們經常以食物與微生物比（F/M來表示有機負荷。這種F/M比通常表示為 kgBOD/kgMLVSS d。S0F/ Mh(2. 38) X如果把整個過程的效率確定為：S0 - SE=X 100S0式中 E 過程去除率（）。(2. 39)精品文檔23(2 40)F /M U和去除率有如下關系

43、：F/ MX EU=100在考慮污泥回流之前，再進行兩次排列是有用的。可以寫成:Y(So-S)(2 41)以及這樣, X和S。+ kd CS ( 1 + + kd) C （YK-kd） - 1對于完全混合系統來說，如果知道了動力系數（Y、k、kd和(2. 40)Ks）,我們就可以得知污泥的回流：下面，以動力學的觀點，繼續把氧化 溝作為完全混合反應池看待，同時考慮污 泥回流。圖2. 5為該系統的示意圖。在分析中作了以下幾點假設：1 .該反應池是完全混合式的。2 .進水中的微生物濃度（X o）很小， 可以假定為零。3 .全部污水的穩定處理都是在生物反應池中進行的。4 用于計算 C的容積，只是生物反

44、應池的容積。還應該指出的是，把進水基質的濃度看作總 BOD（因為固體物質能夠被微生物溶解和利 用），方程式所計算的出水濃度為溶解性 BOD因此，在考慮出水質量的時候，必須加上出水 中污泥本身的BOD如果如圖2. 5所示，污泥是直接從生物反應池中排除的，那么VX c =w+（ Q-Q） XeXXe(2. 43)Q但是，因為V aW(2. 44)Q如果污泥是從回流污泥管中排除的，VXQ這樣，VX c =WXr + QXe(2.45)精品文檔 C望WXr(2. 46)Q式中 XR 回流污泥中微生物的濃度（mg/L）。(2. 47)借助于前面所用過的質量平衡方法，我們可以這樣表示:=YU-kd C進而

45、, C Y (So-S)(2. 48)+ kd C或以更有效的方式表示如下：YQXV = 1+ kd C由此可見，對于一個給定的系統來說，數量XV是一個常數， 的含量X和反應池的容積V都可以變化，以便使設計最優化。污泥的產量：氧化溝中的生物污泥的產量，可以根據污泥的產量和內源衰減估算。根據下述分式可以 估算出所產生的生物污泥：dX（ dt(S-S) C(2. 49)而揮發性懸浮固體（MLVSS)gr = Y (So-S) Q(2. 50)根據下式可算出所消耗的生物污泥：dX （ dt)dec = -k dXV(2. 51)污泥凈產量的估算公式為：dX （ dt)net = Y (S-S) Q-

46、kdXV(2. 52)dX對于穩定狀態的氧化溝來說，剩余活性污泥（Px）等于（dt)net。2.4動力學在氧化溝中的應用為了把本章所述的動力學應用于氧 化溝中，有必要確定氧化構的反應池類 型。在污水處理中，通常遇到兩種類型 的反應池：完全混合型反應池和推流型 反應池。在完全混合型反應池中，我們假設 進水是立即與反應池中的各種成分混合 到一起的，因此，任何參數的出水濃度, 都與反應池中該參數的濃度相等。在推 流型反應池中，我們假設不出現縱向擴二勰槽”.K=1 恤iflnrnu鞭幣LMQ-20.空全混合型與推流型反應池的比 17散。進水的每個細微顆粒都沿著推流型反應池移動，它與反應池中其它顆粒的相對位置沒有 任何改變。這樣，任何給定參數的濃度都隨反應池的長度而變化。值得注意的是，