1、,廢水生物處理,東南大學(xué)研究生課程 主講：李先寧,本章將建立單個(gè)CSTR微生物生長(zhǎng)模型，包括：有生物量回流和無生物量回流兩種方式，并利用它來了解系統(tǒng)本身的運(yùn)行情況。 為了簡(jiǎn)單起見，模型僅限于好氧異養(yǎng)微生物，有充足無機(jī)營(yíng)養(yǎng)物，可生物降解的溶解性有機(jī)基質(zhì)是生長(zhǎng)限制性基質(zhì)（以COD為單位）。 經(jīng)過稍加修改，本章的模型就可用于厭氧和缺氧異養(yǎng)微生物，以及好氧自養(yǎng)微生物，使其更具有普遍性意義。,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,單個(gè)的連續(xù)攪拌式反應(yīng)器（CSTR）是生物處理中最簡(jiǎn)單的反應(yīng)器，用于活性污泥、好氧塘、好氧消化、厭氧消化和生物法去除營(yíng)養(yǎng)物等。,6.1 CSTR基本模型,6.2 基本模型的延伸,

2、6.3 生物量回流和排出方式,6.4 模型預(yù)測(cè)CSTR運(yùn)行性能,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,6.5 活性污泥模型（ASM）簡(jiǎn)介,6.1 CSTR基本模型,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,反應(yīng)器容積為V，進(jìn)水流量為F，其中只含非抑制性和溶解性的可生物降解有機(jī)物，濃度為SS0（用COD表示）。 進(jìn)水含有充足的無機(jī)營(yíng)養(yǎng)物，有機(jī)基質(zhì)是微生物生長(zhǎng)的限制因素。 進(jìn)水的流量、濃度、pH值、溫度以及其他環(huán)境條件等都保持恒定。,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,6.1 CSTR基本模型,在反應(yīng)器內(nèi)，異養(yǎng)微生物利用基質(zhì)進(jìn)行生長(zhǎng)，生物量增加至XB，H，基質(zhì)濃度降低為SS。 微生物群在生長(zhǎng)同時(shí)還伴

3、隨著衰亡，XD表示微生物殘留物濃度。,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,6.1 CSTR基本模型,反應(yīng)器有兩個(gè)出流，由于反應(yīng)器是完全混合式，其出流中含有的任何一種溶解性成分與反應(yīng)器內(nèi)相同。 一個(gè)出流的流量為FW，微生物濃度及殘留物濃度都與反應(yīng)器內(nèi)相同。 另一個(gè)出流的流量是F-FW，通過一個(gè)分離器去除懸浮物質(zhì)，然后排出，所分離出來的懸浮物再返回到反應(yīng)器中。,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,6.1 CSTR基本模型,停留時(shí)間定義為： 一種組分在系統(tǒng)中滯留的平均時(shí)間。 CSTR反應(yīng)器有兩種類型的組分： （1）溶解性的，用S表示； （2）顆粒性的，用X表示。 它們的停留時(shí)間不一定相同，需要分

4、別定義。,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,6.1.1 停留時(shí)間的定義,（1）溶解性組分在反應(yīng)器中的停留時(shí)間等于平均水力停留時(shí)間，即： （2）顆粒性組分可用物理方法從水流中分離，例如過濾或者沉淀，可以利用這個(gè)特點(diǎn)來控制其從反應(yīng)器中的排出。 分離器使顆粒物質(zhì)的停留時(shí)間大于溶解物質(zhì)。,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,6.1.1 停留時(shí)間的定義,（2）顆粒物質(zhì)在反應(yīng)器中的平均滯留時(shí)間，稱為固體停留時(shí)間，或細(xì)胞平均停留時(shí)間，用 來表示，簡(jiǎn)稱為SRT。 SRT定義為反應(yīng)器中顆粒物質(zhì)總量與單位時(shí)間顆粒物質(zhì)排出量之比，即： （6.1） 顆粒物質(zhì)濃度為XW等于反應(yīng)器中的濃度X，方程可簡(jiǎn)化為： （6.

5、2） 注意：SRT基本定義采用的是質(zhì)量流量而不是體積流量。,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,6.1.1 停留時(shí)間的定義,比較6.2和 ，可以看出： (6.3) FW越接近F，SRT也就越接近HRT。所以，若反應(yīng)器中沒有分離器，則SRT和HRT相等。,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,6.1.1 停留時(shí)間的定義,式中，CA0 進(jìn)水中A的濃度； C、A 經(jīng)過生物分離器的濃度 （對(duì)溶解性物質(zhì)來說，CA和CSTR中的A濃度相同； 對(duì)顆粒物質(zhì)來說， 等于零。）； rA 參與的所有反應(yīng)速率之和。,用CA表示CSTR反應(yīng)器中A組分的質(zhì)量濃度，則質(zhì)量平衡方程為：,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器

6、,6.1.2 模型形式,（6.4）,對(duì)CSTR，應(yīng)該至少列出三種組分的質(zhì)量平衡方程：基質(zhì)濃度SS、活性異養(yǎng)微生物XB,H和微生物殘留物XD。此外，還需列出氧平衡方程 。 這樣共有四個(gè)質(zhì)量平衡方程。,考慮質(zhì)量平衡方程的數(shù)目，其所反映的不同類型的過程和不同種類的組分，就可知道一個(gè)系統(tǒng)需要哪些信息，使所有反應(yīng)物的去向一目了然。,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,6.1.2 模型形式,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,表6.1好氧異養(yǎng)菌生長(zhǎng)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中傳統(tǒng)模型的化學(xué)計(jì)量參數(shù),XB,H,XD,SS,6.1.2 模型形式,表6.1列出了以上質(zhì)量平衡方程所需要的反應(yīng)速率ri項(xiàng)的相關(guān) 信息。 表中各項(xiàng)

7、代表了參與反應(yīng)的每一種組分的化學(xué)計(jì)量系數(shù)，用 COD單位表示，氧用負(fù)的COD表示。 表右邊一欄各項(xiàng)代表了過程反應(yīng)速率，ri是過程j的反應(yīng)速 率，下標(biāo)H表示該參數(shù)適用于異養(yǎng)微生物。,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,6.1.2 模型形式,質(zhì)量平衡方程中所有各組分的速率方程都可以由其產(chǎn)生的各 種反應(yīng)產(chǎn)物與表中相應(yīng)化學(xué)計(jì)量系數(shù)相乘之后再加起來。 1、活性微生物XB,H受到兩個(gè)過程影響，總過程速率可以由 反應(yīng)速率項(xiàng)與表中XB,H列的相應(yīng)系數(shù)相乘，再加和在一起，即：,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,（6.5）,6.1.2 模型形式,微生物增長(zhǎng)速率，mgCOD(L.h) 反應(yīng)器內(nèi)活性異養(yǎng)微生物濃

8、度 比生長(zhǎng)速率系數(shù)，h-1 微生物衰減系數(shù)，h-1,式中，,質(zhì)量平衡方程中所有各組分的速率方程都可以由其產(chǎn)生的各 種反應(yīng)產(chǎn)物與表中相應(yīng)化學(xué)計(jì)量系數(shù)相乘之后再加起來。 2、只有微生物衰減產(chǎn)生細(xì)胞殘留物，因此：,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,（6.6）,3、溶解性有機(jī)物只受微生物生長(zhǎng)過程影響：,（6.7）,6.1.2 模型形式,式中， 細(xì)胞殘留物生成速率，mgCOD(L.h) 活性生物量中能夠形成細(xì)胞殘留物XD的比例,式中， 溶解性有機(jī)物降解速率，mgCOD(L.h) 異養(yǎng)型微生物真正生長(zhǎng)比率，以COD表示,質(zhì)量平衡方程中所有各組分的速率方程都可以由其產(chǎn)生的各 種反應(yīng)產(chǎn)物與表中相應(yīng)化學(xué)計(jì)量

9、系數(shù)相乘之后再加起來。 4、氧的含量與兩種過程都有關(guān)，因而其反應(yīng)速率包含兩部 分，用COD表示：,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,（6.8）,氧是用需氧量表示的，氧在反應(yīng)中被消耗。將上式乘以，得到：,（6.9）,6.1.2 模型形式,式中， 氧的消耗速率，mgCOD(L.h),在穩(wěn)態(tài)條件下，濃度的導(dǎo)數(shù)為零，質(zhì)量平衡方程簡(jiǎn)化為：,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,將微生物生長(zhǎng)速率代入此質(zhì)量平衡方程，并假設(shè)進(jìn)水流和出水流不含微生物，即濃度為零（CA0和 均為零），得：,6.1.3 溶解性有機(jī)物濃度和生物量,（6.10）,（6.11）,整理簡(jiǎn)化后得到：,（6.12）,方程重要性： 1、穩(wěn)定

10、狀態(tài)下的比生長(zhǎng)速率是由微生物從反應(yīng)器的流失速率所決定的，反映在SRT項(xiàng)和衰亡系數(shù)項(xiàng)。工程師可以通過控制生物污泥排放量FW來調(diào)節(jié)固體停留時(shí)間SRT，從而控制微生物生長(zhǎng)速率。 2、而微生物比生長(zhǎng)速率與基質(zhì)濃度相關(guān)。這表明，控制微生物在反應(yīng)器中的固體停留時(shí)間SRT，就可以使工程師控制出水中有機(jī)物濃度。 3、微生物比生長(zhǎng)速率和水力停留時(shí)間HRT無關(guān)。只有當(dāng)反應(yīng)器沒有分離器，HRT才對(duì)微生物穩(wěn)態(tài)生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，使得SRT等于HRT。,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,6.1.3 溶解性有機(jī)物濃度和生物量,為了計(jì)算CSTR反應(yīng)器內(nèi)及其出流中的基質(zhì)濃度，必須知道 和SS的函數(shù)關(guān)系。,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式

11、生物處理反應(yīng)器,6.1.3 溶解性有機(jī)物濃度和生物量,把 代入6.12，得：,（6.13）,由上式可看出，基質(zhì)濃度只與SRT有關(guān)，而與進(jìn)水濃度無關(guān)。,式中，SS 反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)濃度 固體停留時(shí)間，或細(xì)胞平均停留時(shí)間，簡(jiǎn)稱為SRT 微生物最大比生長(zhǎng)速率,從方程6.12可以看出，隨著SRT增大（即 ），活性微 生物的比生長(zhǎng)速率趨近于衰減速率。 這意味著在單個(gè)CSTR中，需要有基質(zhì)存在以維持微生物生長(zhǎng)。 因此，存在著維持微生物生存的最小基質(zhì)濃度，即當(dāng) 趨于無窮大時(shí)，由方程6.13得到：,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,6.1.3 溶解性有機(jī)物濃度和生物量,（6.14）,方程表明， 能夠達(dá)到的最小

12、基質(zhì)濃度由生物降解動(dòng)力學(xué)參數(shù)決定，即由 被降解的基質(zhì)的性質(zhì)和進(jìn)行降解的微生物的性質(zhì)所決定。 如果要用單個(gè)CSTR反應(yīng)器來處理一定濃度的廢水，則需要與 SSmin值比較。如果廢水濃度低于SSmin值，則單個(gè)CSTR反應(yīng)器不能 滿足要求，需要采用其他形式的反應(yīng)器。,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,6.1.3 溶解性有機(jī)物濃度和生物量,（6.14）,當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)濃度與入水流濃度相等時(shí)，微生物的生長(zhǎng) 速率達(dá)到最大：,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,6.1.3 溶解性有機(jī)物濃度和生物量,（6.15）,因此，當(dāng)方程6.12中的 等于方程6.15中的 時(shí)，可 以得到最小固體停留時(shí)間SRT，即

13、：,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,6.1.3 溶解性有機(jī)物濃度和生物量,（6.16）,最小SRT也被稱為生物量流失點(diǎn)，因?yàn)楫?dāng)實(shí)際SRT小于 該值時(shí)，微生物進(jìn)入反應(yīng)器后就被排出了，無法在反應(yīng)器中 停留和生長(zhǎng)。 在流失點(diǎn)，沒有生物生長(zhǎng)，也就沒有基質(zhì)被利用，反應(yīng) 器內(nèi)及其出水濃度都與進(jìn)水濃度相等，也就是說過程失效。,理論上，CSTR反應(yīng)器不存在最小HRT，因?yàn)橹灰⑸?從出水流被分流出來而返回反應(yīng)器，保持SRT大于 ，那么 微生物就能維持生長(zhǎng)。 但在實(shí)際中，HRT小于 時(shí)是非常危險(xiǎn)的。如果HRT小 于 而微生物分離器一旦出現(xiàn)一些問題，出水流微生物濃 度就會(huì)等于反應(yīng)器內(nèi)的微生物濃度，SRT等

14、于HRT，則過程失 效。而且，反應(yīng)器一旦失效，就很難重新啟動(dòng)，除非再投加生 物量。 所以，為了安全起見，應(yīng)該保持HRT大于 。,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,6.1.3 溶解性有機(jī)物濃度和生物量,例 6.1.3.1 一個(gè)CSTR，體積8L，內(nèi)有微生物，無機(jī)營(yíng)養(yǎng)物充分，m-甲 基苯酚是唯一碳源，其濃度用COD表示為200mg/L，相關(guān)動(dòng)力學(xué) 參數(shù)值見表E6.1。,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,6.1.3 溶解性有機(jī)物濃度和生物量,表E6.1 生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)和化學(xué)計(jì)量系數(shù)（進(jìn)水SS0=200mg/L，以COD計(jì)）,例 6.1.3.1 a、反應(yīng)器最大允許流速是多少？ 當(dāng)流速最大時(shí)，H

15、RT達(dá)到最小值，但 不能小于 ，由方 程方程6.16可以求得 ：,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,6.1.3 溶解性有機(jī)物濃度和生物量,因此，,最大允許流量為，,F=8.0L/5.36h1.49L/h,例 6.1.3.1 b、如果反應(yīng)器流量為1.0L/h，剩余污泥排放量為0.05L/h，那么出 水中m甲基苯酚濃度是多少（用COD表示）？ 首先，用方程6.2計(jì)算SRT：,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,6.1.3 溶解性有機(jī)物濃度和生物量,再用方程6.13求m甲基苯酚濃度：,（以COD計(jì)）,例 6.1.3.1 c、經(jīng)過CSTR處理后可使m甲基苯酚達(dá)到的最低濃度為多少？ 可利用方程6.

16、14計(jì)算得出：,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,6.1.3 溶解性有機(jī)物濃度和生物量,（以COD計(jì)）,若要達(dá)到更低的出水濃度，則需要采用其他類型反應(yīng)器。,當(dāng)溶解性物質(zhì)作為基質(zhì)時(shí)，反應(yīng)器中的懸浮固體只包括活性 微生物XB，H和微生物殘留物XD兩種。分別計(jì)算他們的濃度。 微生物的生長(zhǎng)始自對(duì)基質(zhì)的利用，生物量可以通過基質(zhì)的質(zhì) 量平衡方程進(jìn)行計(jì)算。由6.10可以得到：,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,6.1.3 溶解性有機(jī)物濃度和生物量,（6.17）,調(diào)整后得：,（6.18）,將方程6.12代人上式的 ，得：,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,6.1.3 溶解性有機(jī)物濃度和生物量,（6

17、.19）,（6.20）,這個(gè)方程表明：活性生物量與SRT及HRT都有關(guān)系。而且，整理方程可以看出，當(dāng)SRT值固定時(shí)（由此確定SS值），XB，H和之乘積為常數(shù)：,也就是： 由于當(dāng)SRT和流量固定不變時(shí)，單位時(shí)間所去除的基質(zhì)量不變，從而產(chǎn)生固定數(shù)量的微生物。 如果反應(yīng)器體積固定不變，SRT也恒定，則隨著流量的增 大，必須提高反應(yīng)器內(nèi)的微生物量，才能保證相應(yīng)的基質(zhì)得到去 除。因此，生物量需要成比例的增加。 方程表明：有微生物回流的穩(wěn)態(tài)CSTR運(yùn)行性能與HRT無關(guān)。如果HRT發(fā)生變化，反應(yīng)器內(nèi)微生物濃度也會(huì)相應(yīng)改變，維持足夠數(shù)量的微生物，從而排出與SRT相對(duì)應(yīng)的出水濃度。,第六章 單級(jí)連續(xù)攪拌式生物處理反應(yīng)器,6.1.3 溶解性有機(jī)物濃度和生物量,微生物量的單位形式取決于生長(zhǎng)比率系數(shù)YH的單位。