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活性污泥实验一、 实验目的1、观察完全混合活性污泥处理系统的运行，掌握活性污泥处理法中控制参数（如污泥负荷、泥龄、溶解氧浓度）对系统的影响；2、加深对活性污泥生化反应动力学基本概念的理解；3、掌握生化反应动力学系数K 、Ks 、Vmax 、Y 、Kd 、a 、b 等的测定。
二、 实验原理活性污泥好氧生物处理是指在有氧参与的条件下，微生物降解污水中的有机物。
整个过程包括微生物的生长、有机底物降解和氧的消耗，整个过程变化规律如何正是活性污泥生化反应动力学研究的内容，活性污泥生化反应动力学内容包括：（1）底物的降解速度与有机底物浓度、活性污泥微生物量之间的关系；（2）活性污泥微生物的增殖速度与有机底物浓度、活性污泥微生物量之间的关系；（3）有机底物降解与氧需。
1、底物降解动力学方程Monod 方程：SKs S V dt dS +=-max （1） Vmax-------有机底物最大比降解速度，Ks-----------饱和常数，在稳定条件下，对完全混合活性污泥系统中的有机底物进行物料平衡：0)(=++-+dtdS VSe Q R Q Se Q R Q So （2） 整理后，得dtdS V Se So Q -=-)( （3） 于是有SKs S V Xt Se So XV Se So Q +=-=-max )( （4） 而M F XtSe So XV Se So Q /)(=-=-，F/M 为污泥负荷。
完全混合曝气池中S=Se ，所以（4）式整理后可得max11max V Se V Ks Se So t X +=- （5） （5）式为一条直线方程，以Se 1为横坐标，Xt Se So -（污泥负荷）为纵坐标，直线的斜率为max V Ks ，截距为max1V ，可分别求得max V 、Ks 。
又因为在低底物浓度条件下，Se<<Ks ，所以有Se K KsSe V Se Ks Se V dt dS ==+=-max max （6） 即 K S e XtSe So =- （7） 以Se 为横坐标，Xt Se So -（污泥负荷）为纵坐标，可求得直线斜率K 。
活性污泥系统的常见异常现象与对策第三节活性污泥法的反应动力学原理及其应用1、污泥腐化：现象：活性污泥呈灰黑色、污泥发生厌氧反应，污泥中出现硫细菌，出水水质恶化；原因：1)负荷量增高；2)曝气不足；3)工业废水的流入等；对策：1)控制负荷量；2)增大曝气量；3)切断或控制工业废水的流入。
2、污泥上浮：现象：污泥沉淀30~60分钟后呈层状上浮，多发生在夏季；原因：硝化作用导致在二沉池中被还原成N2，引起污泥上浮；对策：1)减少污泥在二沉池的HRT；2)减少曝气量。
3、污泥解体：现象：在沉淀后的上清液中含有大量的悬浮微小絮体，出水透明度下降；原因：污泥解体；曝气过度；负荷下降，活性污泥自身氧化过度；对策：减少曝气；增大负荷量。
4、泥水界面不明显：原因：高浓度有机废水的流入，使微生物处于对数增长期；污泥形成的絮体性能较差；对策：降低负荷；增大回流量以提高曝气池中的MLSS，降低F/M值。
5、污泥膨胀：是指活性污泥质量变轻、膨大，沉降性能恶化，在二沉池中不能正常沉淀下来，SVI异常增高，可达400以上。
1)因丝状菌异常增殖而导致的丝状菌性膨胀；主要是由于丝状菌异常增殖而引起的，主要的丝状菌有：球衣菌属、贝氏硫细菌、以及正常活性污泥中的某些丝状菌如芽孢杆菌属等、某些霉菌；(1)污泥膨胀理论：①低F/M比（即低基质浓度）引起的营养缺乏型膨胀；②低溶解氧浓度引起的溶解氧缺乏型膨胀；③高H2S浓度引起的硫细菌型膨胀。
活性污泥中存在着两大类群微生物，一是菌胶团细菌；一是丝状菌。
二者的生长速率与基质浓度的关系正好相反，即：在低基质浓度下，丝状菌的生长速率要高于菌胶团细菌；而在高基质浓度条件下，菌胶团细菌的生长速率则要高于丝状菌。
在常规的活性污泥系统中，由于需要获得较高的出水水质，即至少在曝气池的出口处要求其中的有机物浓度要达到很低水平，即维持在很低的基质浓度，因此常常会引起丝状菌的生长占优，而引起丝状菌性污泥膨胀的问题。
活性污泥法的基本原理一．基本概念和工艺流程（一）基本概念1．活性污泥法：以活性污泥为主体的污水生物处理。
2．活性污泥：颜色呈黄褐色，有大量微生物组成，易于与水分离，能使污水得到净化，澄清的絮凝体（二）工艺原理1．曝气池：作用：降解有机物（BOD5）2．二沉池：作用：泥水分离。
3．曝气装置：作用于①充氧化②搅拌混合4．回流装置：作用：接种污泥5．剩余污泥排放装置：作用：排除增长的污泥量，使曝气也内的微生物量平衡。
混合液：污水回流污泥和空气相互混合而形成的液体。
二．活性污泥形态和活性污泥微生物（一）形态：1、外观形态：颜色黄褐色，絮绒状2．特点：①颗粒大小：0.02－0.2mm ②具有很大的表面积。
③含水率>99%,C<1%固体物质。
④比重1.002－1.006，比水略大，可以泥水分离。
3.组成：有机物：{具有代谢功能，活性的微生物群体Ma{微生物内源代谢，自身氧化残留物Me{源污水挟入的难生物降解惰性有机物Mi无机物：全部有原污水挟入Mii（二）活性污泥微生物及其在活性污泥反应中作用1．细菌：占大多数，生殖速率高，世代时间性20-30分钟；2．真菌：丝状菌→污泥膨胀。
3．原生动物鞭毛虫，肉足虫和纤毛虫。
作用：捕食游离细菌，使水进一步净化。
活性污泥培养初期：水质较差，游离细菌较多，鞭毛虫和肉足虫出现，其中肉足虫占优势，接着游泳型纤毛虫到活到活性污泥成熟，出现带柄固着纤毛虫。
☆原生动物作为活性污泥处理系统的指示性生物。
4．后生动物：（主要指轮虫）在活性污泥处理系统中很少出现。
作用：吞食原生动物，使水进一步净化。
存在完全氧化型的延时曝气补充中，后生动物是不质非常稳定的标志。
（三）活性污泥微生物的增殖和活性污泥增长四个阶段：1．适应期（延迟期，调整期）特点：细菌总量不变，但有质的变化2．对数增殖期增殖旺盛期或等速增殖期）细菌总数迅速增加，增殖表速率最大，增殖速率大于衰亡速率。
3．减速增殖期（稳定期或平衡期）细菌总数达最大，增殖速率等于衰亡速率。
三．活性污泥的增长规律1、活性污泥中微生物的增殖是活性污泥在曝气池内发生反应、有机物被降解的必然结果，而微生物增殖的结果则是活性污泥的增长。
2、一般可用活性污泥的增长曲线来描述:（见附图1）注意：1)间歇静态培养； 2)底物是一次投加；3)图中同时还表示了有机底物降解和氧的消耗曲线。
● F/M 值:在温度适宜、DO 充足、且不存在抑制物质的条件下，活性污泥微生物的增殖速率主要取决于微生物与有机基质的相对数量，即有机基质(Food )与微生物(Microorganism )的比值，即F/M 值。
F/M 值也是影响有机物去除速率、氧利用速率的重要因素。
实际上，F/M 值就是以BOD 5表示的进水污泥负荷(5sBOD L )，即： )(55d kgVSS kgBOD X V B Q L M F visBOD ⋅⋅⋅==3、一般来说，可将增长曲线分为以下四个时期：(1) 适应期；(2)对数增长期；(3)减速增长期；(4)内源呼吸期。
● 适应期:(1)是活性污泥微生物对于新的环境条件、污水中有机物污染物的种类等的一个短暂的适应过程；(2)经过适应期后，微生物从数量上可能没有增殖，但发生了一些质的变化：a.菌体体积有所增大；b.酶系统也已做了相应调整；c.产生了一些适应新环境的变异；等等。
(3) BOD 5、COD 等各项污染指标可能并无较大变化。
● 对数增长期：(1) F/M 值高(>2.2d kgVSS kgBOD ⋅/5)，所以有机底物异常丰富，营养物质不是微生物增殖的控制因素； (2) 微生物的增长速率与基质浓度无关，呈零级反应，它仅由微生物本身所特有的最小世代时间所控制，即只受微生物自身的生理机能的限制；(3) 微生物以最高速率对有机物进行摄取，也以最高速率增殖，而合成新细胞；(4) 此时的活性污泥具有很高的能量水平，其中的微生物活动能力很强，导致污泥质地松散，不能形成较好的絮凝(5) 活性污泥的代谢速率极高，需氧量大；(6) 一般不采用此阶段作为运行工况，但也有采用的，如高负荷活性污泥法。
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。
活性污泥计算公式微生物代谢1分解代谢（工作）C x H y O z+(X+y4−z2)O2酶→X CO2+y2H2O+∆H2合成代谢（繁殖）nC x H y O z+nNH3+n(X+y4−z2−5)酶→(C5H7NO2)n+n(X−5)CO2+n2(y−4)H2O+∆H3内源呼吸（老死）(C5H7NO2)n+5nO2酶→5CO2+2nH2O+nNH3+∆H混合液悬浮固体浓度（公式1）MLSS=Ma+Me+Mi+Mii混合液挥发性悬浮固体浓度MLVSS=Ma+Me+MiMa—具有代谢功能的微生物群体Me—微生物（主要是细菌）内源代谢，自身氧化的残留物，主要是多糖，脂蛋白组成的细胞壁的某些组分和壁外的粘液层Mi—由污水带入的难被细菌降解的惰性有机物Mii—无机物，由污水带入污泥沉降比SV混合液在量筒内静置30min后形成的沉淀污泥容积占原混合液容积的百分数污泥容积指数—污泥指数SVI（公式2）曝气池出口处混合液，经过30min静置后每克干污泥形成沉淀污泥所占有的容积，以mL计SVI=混合液（1L）30min静沉形成的活性污泥容积（mL）混合液（1L）中悬浮固体干重（g）=SV(%)×10(mL/L)MLSS(g/L)污泥龄（公式3）θc=VX∆X=VXQ W X r+(Q−Q W)X e≈VXQ W X r=VXQ W1000SVI rθc—污泥龄（生物固体平均停留时间），dV —生物反应器容积，m³X —混合液悬浮固体浓度（MLSS）kg/m³X r—剩余污泥浓度，kg/m³X e—出水悬浮物固体浓度，kg/m³∆X—每日排出系统外的污泥量（即新增污泥量），kg/dQ W—作为剩余污泥排放的污泥量，kg/dQ —污泥流量，kg/dSVI—污泥容积指数r—修正系数，一般取值1.2BOD污泥负荷（公式4）1施加BOD—污泥负荷：生物反应池内单位质量污泥（干重。
（1）比较莫诺方程、米门方程的异同点。
答：莫诺方程和米门方程形式十分相似，但它们表达的意思完全不同。
①莫诺方程：式中，μ——微生物的比增长速度，即单位生物量的增长速度；μmax——微生物最大比增长速度；K s——半饱和常数，为当时的底物浓度，质量/容积；S——单一限制性底物浓度。
莫诺方程描述的是微生物比生长速度与单一限制性底物存在的关系，适用于单一限制性基质，不存在抑制的情况。
②米门方程：式中，v——反应速度；K m——米氏常数；V max——酶被底物饱和时的反应速度；[S]——底物浓度。
米门方程描述的是一个酶促反应的起始速度与底物浓度关系的速度方程，适用于单一基质酶促反应，不存在抑制的情况。
（2）试推导米门方程表达式v=vmax S/(S+Km)。
答：首先定义[E t]为酶的总浓度，即[E t]= [E]+ [ES]；则ES的生成速率为k1[E][S] = k1 ([E t] - [ES]) [S]；而ES的分解速率为k-1[ES] + k2[ES]；根据稳态假说，当反应处于稳态时，ES 的生成与分解速率相等，即k1 ([E t] - [ES]) [S]= k-1[ES] + k2[ES]经过移项等操作后，可以得到一个关于[ES]的方程，即[ES]=k1[E t][S] / (k1[S]+ k-1 + k2)右边的分式分子分母同时除以k1，可得[ES]/k1=[E t][S] / ([S]+(k-1 + k2)/k1) 此时将(k-1 + k2)/k1定义为米氏常数(Michaelis constant，K m)，因此方程可写为[ES]=[E t][S]/(K m+[S])产物的生成速率取决于[ES]，即v= k2[ES]所以原方程又可以改写为v= k2[E t][S]/(K m+[S])当酶分子达到饱和，所有酶分子都结合上底物，即[E t] = [ES]时，反应速率达到最大。
此时最大反应速率V max = k2[E t] ，所以原方程又可写为v=v max S/(S+K m)，其中S即为[S]. 推导完成。
13.3 活性污泥反应动力学及应用
13.3.1 概述
活性污泥反应动力学能够通过数学式定量地或半定量地揭示活性污泥系统内有机物降解、污泥增长、耗氧等作用与各项设计参数、运行参数以及环境因素之间的关系。
在活性污泥法系统中主要考虑有机物降解速度、微生物增长速度和溶解氧利用速度。
目前，动力学研究主要内容包括：
（1）有机底物降解速度与有机物浓度、活性污泥微生物量之间的关系。
（2）活性污泥微生物的增殖速度与有机底物浓度、微生物量之间的关系。
（3）微生物的耗氧速率与有机物降解、微生物量之间的关系。
13.3.2 反应动力学的理论基础
（1）有机物降解与活性污泥微生物增殖
曝气池是一个完整的反应体系，池内微生物增殖是微生物合成反应和内援代谢两项胜利活动的综合结果，即：
微生物增殖速率= 降解有机物合成的生物量速率—内源代谢速率
式中，Y——产率系数，即微生物降解1kgBOD所合成的MLSS量，kgMLSS/kgBOD；
K d——自身氧化率，即微生物内源代谢的自身减少率；
对于完全混合式活性污泥系统，曝气池中的微生物量物料平衡关系式如下：
每日池内微生物污泥增殖量=每日生成的微生物量—每日自身氧化掉的量
∴
式中，S0——原水BOD浓度；
S e——处理出水BOD浓度；
Q——日处理水量，m3/d；
V——曝气池容积，m3；
X——曝气池中污泥平均浓度，mg/L。
两边除以VX ，式子变为
而
q称为BOD比降解速率，其量纲与污泥负荷相同，单位一般用kgBOD/（kgMLSS?d）表示。
即，
θc为泥龄。
可见高去除负荷下，污泥增长很快，导致排泥加快，污泥龄就短，生物向不够丰富，因此原水的可生化性要好。
对于一个稳定的反应体系，Y、K d是常数，可以设计实验获得。
一般生活污水类水质，Y=0.5~0.65，K d=0.05~0.1；部分工业废水的Y、K d值见设计手册。
（2）有机物降解与需氧量
同样，曝气池内，因为降解有机物，就要消耗溶解氧O2，同时微生物内源代谢也消耗溶解氧。
即：
每日总需氧量= 每日降解有机物耗氧量+ 每日自身氧化需氧量
式中，a——降解需氧率，即活性污泥微生物每代谢1kgBOD所需要的氧量，kgO2/kgBOD；
b——自身氧化需氧率，即每kg活性污泥每天自身氧化所需要的氧量，kgO2/kgMLSS；
S0、S e、Q、V、X 同前。
对于一个稳定的反应体系，a、b是常数，可以设计实验获得。
将式（13-29）变换为：
式中，——污泥需氧负荷，单位量活性污泥在单位时间需氧量，
kgO2/(kgMLSS·d)；
——有机物耗氧率，去除单位量BOD的耗氧量，
kgO2/(kgBOD·d)；
从上式看出：，而
前者表示，要实现高去除负荷，污泥需氧量就很大，要强曝气、耗能；
后者表示，去除一定量的BOD，高去除负荷时需氧量较少，低去除负荷时需氧量较大。
原因是高去除负荷泥龄θc短，污泥尚未来得及降解有机物就已经被排出系统，这种情况下剩余污泥量大、且不稳定。
生活污水处理系统的a=0.42~0.53，b=0.1~0.2。
13.3.3 莫诺特公式及其应用
（1）莫诺特（monod）公式
1942年、1950年monod用纯种微生物、在单一底物下培养，实验得出微生物增殖速率与底物浓度之间的关系，如图。
结果与米-门于1913年测定的酶促反应速率与底物浓度之间的关系是相同的。
因此，monod采用与米-门方程式相类似的公式来描述微生物比增殖速率与底物浓度之间的定量关系。
即：
式中，μ——微生物比增殖速率，即单位生物量的增殖速率，t-1；
μmax——微生物最大比增殖速率，t-1；
S——有机底物浓度，mg/L；
K s——饱和常数，当μ=μmax/2时的底物浓度，也称半速率常数，质量/容积。
而微生物增殖与底物减少是同步的，假设它们之间存在一定的生成比例关系，则底物降解速率（比速率）可以描述为：
对于完全混合曝气池，有
所以
（2）莫诺特（monod）公式的推论
①当有机物浓度很高时
S＞＞K s，有
说明降解速度与生物量X呈一级反应、与有机物量S无关，系统处于对数增长期阶段。
②当有机物浓度很低时
S＜＜K s，有（13-39）
说明降解速度与有机物浓度S呈一级反应、而生物量X过多，系统处于减速增长期阶段。
其实底物浓度S也会限制X，S↓→X↓。
（3）莫诺特（monod）公式的应用
对于城市污水，一般COD=400~500mg/L，BOD5=200~300mg/L，属于较低值，可以利用式（13-39）。
讨论如下：
∵，积分后加入边界条件
∴，这与水体自净规律相同。
与完全混合式曝气池结合起来看一下：
根据上图，对曝气池中的有机物列物料平衡关系式：
进入量—流出量—降解量= 0 即，
（13-40）
即（13-41）
联合（13-39），（13-41）得：（13-42）
（13-43）
联合（13-41），（13-43）得：
（13-44）
以上关系式反映了，在低负荷曝气池中，当运行稳定时Q、S0、S e、t、V、E等之间的定量关系，其中常
数参数K2、K s、v max代表反应体系的能力（特点），不同的反应系统中K2、K s、v max各不相同，需要测定获得。
（4）常数参数K2、K s、v max的确定
对于确定原污水来说，参数K2、K s、v max为常数，可以通过设计实验计算获得。
由（13-42）两边除以X 得：
据此计算K2。
通过作图斜率即为K2。
将式（13-44）变为倒式：，作图得到斜率及截距，计算得到K s、v max。
13.3.4 劳伦斯-麦卡蒂（Lawrnece-McCarty）模型
（1）基本概念：
微生物比增长速率：单位重量微生物的增殖速率，即比增殖速率，
生物平均停留时间：污泥龄
（2）基本模型
劳伦斯-麦卡蒂模型以生物固体平均停留时间及单位底物利用速率作为基本参数，以第一、第二两个模型表达。
第一模型：
第二模型：。
（3）模型的推论和应用
①处理水有机底物浓度（出水浓度S e）与生物固体平均停留时间（泥龄θc）关系：
（13-48）
对于一个处理系统，K s、v max、K d、Y为常数，则θc决定了S e。
②活性污泥浓度X与θc关系式：（13-50）
说明污泥浓度决定着污泥龄。
③活性污泥合成产率Y、表观产率Y obs与θc关系：
（13-51）
（13-52）
合成产率Y——是微生物降解有机物的增长率；
表观产率Y obs——实测活性污泥增长率，已经扣除了因内源呼吸的减少量。
④低浓度下，处理负荷q与浓度S e的关系：
（13-54）
用于计算反应器的容积。
