《水污染控制原理》课程授课教案（讲义，研究生）第八章 活性污泥法

研究生精品课程建设教案第八章活性污泥法（一）教学设计2.1本章节内容归纳本章节主要内容包括以下几个方面①活性污泥法中的生物动力学参数②CSTR型活性污泥法及设计③活塞流型活性污泥法及设计④硝化动力学参数及污泥氧消化反应器设计③活性污泥数学模型2.2本章节重点本章节重点：活性污泥法与设计相关的动力学参数、不同废水的动力学参数取值、CSTR型活性污泥法原理及设计、活塞流型活性污泥法原理及设计、硝化动力学参数取值及好氧消化反应器设计、数学模型法在活性污泥设计中的应用前景本章节难点：动力学参数取值、CSTR与活塞流型设计的差异、数学模型法的应用2.3本章节教学内容本章教学内容如下8.活性污泥法8.1活性污泥法的基本概念8.2CSTR型活性污泥法8.3CSTR型活性污泥法的设计8.4活塞流型活性污泥法8.5硝化8.6污泥需氧硝化反应器8.7活性污泥数学模型4.4本章节教学方法1.情景导入本章节及以后章节为应用内容，通过完全混合和推流式两类池型运行工况入手，引入介绍两类反应器原理CSTR和活塞流型，对比分析活性污泥工程上的两类池型-推流式与完全混合反应器的设计原理及相关基础理论。2.双案例关联案列十六：CSTR在基础研究中的应用案列十七：柱塞流反应器的应用（同氧化沟案列）1

1 研究生精品课程建设教案 第八章 活性污泥法 （一）教学设计 2.1本章节内容归纳 本章节主要内容包括以下几个方面 ①活性污泥法中的生物动力学参数 ②CSTR型活性污泥法及设计 ③活塞流型活性污泥法及设计 ④硝化动力学参数及污泥氧消化反应器设计 ⑤活性污泥数学模型 2.2本章节重点 本章节重点：活性污泥法与设计相关的动力学参数、不同废水的动力学参 数取值、CSTR型活性污泥法原理及设计、活塞流型活性污泥法原理及设计、硝 化动力学参数取值及好氧消化反应器设计、数学模型法在活性污泥设计中的应用 前景 本章节难点：动力学参数取值、CSTR与活塞流型设计的差异、数学模型法 的应用 2.3 本章节教学内容 本章教学内容如下 8.活性污泥法 8.1 活性污泥法的基本概念 8.2 CSTR 型活性污泥法 8.3 CSTR 型活性污泥法的设计 8.4 活塞流型活性污泥法 8.5 硝化 8.6 污泥需氧硝化反应器 8.7 活性污泥数学模型 4.4 本章节教学方法 1. 情景导入 本章节及以后章节为应用内容，通过完全混合和推流式两类池型运行工况入 手，引入介绍两类反应器原理 CSTR 和活塞流型，对比分析活性污泥工程上的两 类池型-推流式与完全混合反应器的设计原理及相关基础理论。 2.双案例关联 案列十六：CSTR 在基础研究中的应用 案列十七：柱塞流反应器的应用（同氧化沟案列）

1.4本章节教学互动与考核在课程本章节教学过程中，引导研究生进行活性污泥设计原理方面相关的教学讨论。研究生在进行教学讨论之前，主动加强与指导老师的沟通，明确以后研究方向所需要的本门课程的相关理论知识，了解这些理论知识在研究过程中的意义、地位、作用及如何应用，了解基础理论在创新工作中的作用。利用本课程建立的教学网站，并将这类问题变成启发问答式用来和学生互动，通过互动了解研究生对各个知识点掌握情况、学习的主动性、创新性等，并将互动情况作为课程成绩考核的一个部分，主要问题有：①活性污泥法设计方法讨论、②泥龄法设计原理、③CSTR和活塞流型两类反应器相似与不同、④推流式与完全混合式活性污泥反应器理论分析、③数学模型法原理、③数学模型法应用前景（二）教学内容1.活性污泥法的基本概念工艺流程、参数表达、动力学参数及不同废水取值、活性污泥控制参数2.CSTR型活性污泥法CSTR物料平衡、泥龄与设计、反应器体积设计、反应器氧摄入率、二沉池设计、设计统合3.活塞流型活性污泥法活塞流型物料平衡、泥龄与设计、CSTR与活塞流型对比、活塞流型反应器设计4.硝化污泥需氧硝化反应器设计理论二级硝化活性污泥法设计参数、污泥需氧消化物料平衡、需氧及混合能量计算5.活性污泥数学模型IAWQASMNo.1的动力学参数和化学计量学参数、表现转化速率表达式及应用、IAWQASMNo.2简介2

2 1.4 本章节教学互动与考核 在课程本章节教学过程中，引导研究生进行活性污泥设计原理方面相关的 教学讨论。研究生在进行教学讨论之前，主动加强与指导老师的沟通，明确以后 研究方向所需要的本门课程的相关理论知识，了解这些理论知识在研究过程中的 意义、地位、作用及如何应用，了解基础理论在创新工作中的作用。利用本课程 建立的教学网站，并将这类问题变成启发问答式用来和学生互动，通过互动了解 研究生对各个知识点掌握情况、学习的主动性、创新性等，并将互动情况作为课 程成绩考核的一个部分，主要问题有：①活性污泥法设计方法讨论、②泥龄法设 计原理、③CSTR 和活塞流型两类反应器相似与不同、④推流式与完全混合式活 性污泥反应器理论分析、⑤数学模型法原理、⑥数学模型法应用前景 （二）教学内容 1. 活性污泥法的基本概念 工艺流程、参数表达、动力学参数及不同废水取值、活性污泥控制参数 2. CSTR 型活性污泥法 CSTR 物料平衡、泥龄与设计、反应器体积设计、反应器氧摄入率、二沉池 设计、设计统合 3. 活塞流型活性污泥法 活塞流型物料平衡、泥龄与设计、CSTR 与活塞流型对比、活塞流型反应器 设计 4. 硝化污泥需氧硝化反应器设计理论 二级硝化活性污泥法设计参数、污泥需氧消化物料平衡、需氧及混合能量计 算 5. 活性污泥数学模型 IAWQ ASM No.1 的动力学参数和化学计量学参数、表现转化速率表达式及 应用、IAWQ ASM No.2 简介

第八章活性污泥法$8.1活性污泥法的基本概念1.基本流程讨论回顾2．废水处理中的“微生物”术语及其定量表示方式讨论回顾3.活性污泥法中的生物动力学参数有关上述的各生物动力学参数均可采用如图7一3所示的恒化器求得。另外，本书在讨论时虽然以BODL代表有机物浓度。MLVSS代表微生物浓度，但试验时，有机物浓度P可以用BODL,BODs.COD或其它方法表示，微生物浓度可以用MLVSS、MLSS或其它方法表示。表示方法不同，求得的动力学参数值也必然不一样。表8一2、表8一3、表8一4分别为所收集到的活性污泥法处理废水的生物动力学参数。4.活性污泥系统性能的控制因素(1)底物的代谢速率(2)生物絮体的沉降和浓缩性能(3)传氧的限制综合上述三个控制因素，可以认为，最佳的活性污泥系统应该是，在保证生物絮体具有良好的沉降和浓缩性能条件下，能供给充足的需氧量来维持尽可能高的底物代谢速率。S8.2CSTR型活性污泥法1.基本方程式图8-1绘出了反应器为CSTR型的活性污泥法系统。3

3 第八章 活性污泥法 §8.l 活性污泥法的基本概念 1．基本流程 讨论回顾 2．废水处理中的“微生物”术语及其定量表示方式 讨论回顾 3．活性污泥法中的生物动力学参数 有关上述的各生物动力学参数均可采用如图 7—3 所示的恒化器求得。另外， 本书在讨论时虽然以 BODL 代表有机物浓度。MLVSS 代表微生物浓度，但试验 时，有机物浓度 P 可以用 BODL,BOD5,COD 或其它方法表示，微生物浓度可以 用 MLVSS、MLSS 或其它方法表示。表示方法不同,求得的动力学参数值也必然 不一样。表 8—2、表 8—3、表 8—4 分别为所收集到的活性污泥法处理废水的生 物动力学参数。 4．活性污泥系统性能的控制因素 (1)底物的代谢速率 (2)生物絮体的沉降和浓缩性能 (3)传氧的限制 综合上述三个控制因素，可以认为，最佳的活性污泥系统应该是，在保证生 物絮体具有良好的沉降和浓缩性能条件下，能供给充足的需氧量来维持尽可能高 的底物代谢速率。 §8.2 CSTR 型活性污泥法 1．基本方程式 图 8-1 绘出了反应器为 CSTR 型的活性污泥法系统

Qw废弃污泥Q-Qwp,p,XQ80沉淀反应P,, X;Pe,XuRQPu,XuQw图8—1CSTR型的活性污泥法系统Qp,+RQP,+V R。=(1+R)Qp+v(8-1)dtQX,+RQX,+VR,=(I+R)QX+vX(8-2)dtd及些等于零，因此得，在稳定状态下，dtdt(8-3)Q p,+RQ pμ+V Ro=(1+R)Qp(8-4)QX,+ RQ X +V R,=(1+R)QX稳定状态这一假定很重要，因为下面的许多公式和有关的参数都是在这一假定上建立起来的。2.细菌的平均停留时间和增殖率 Rg由表示稳定状态的方程式（8一20)可以推导出细菌的增殖率R。与另一个重要概念“细菌的平均停留时间”(MCRT)的关系。MCRTe,的定义为：反应器中的活细菌总量(8-5)0.=每日从系统中流走的活细菌总量MCRT也称为污泥停留时间(SRT)。固体停留时间（solidsretentiontime)或简称污泥龄(sludgeage)。0.可表示为：VX(8-6)0..X +(-9.)X-QX,4

4 图 8—1 CSTR 型的活性污泥法系统 Q  i +RQ   +V RO =(1+R)Q  +V dt d （8-1） Q Xi + RQ X  + V Rg =(1+R)QX+V dt dX (8-2) 在稳定状态下， dt d 及 dt dX 等于零，因此得， Q  i +RQ   +V RO =(1+R)Q  （8-3） Q Xi + RQ X  + V Rg =(1+R)QX （8-4） 稳定状态这一假定很重要，因为下面的许多公式和有关的参数都是在这一假 定上建立起来的。 2．细菌的平均停留时间  c 和增殖率 R g 由表示稳定状态的方程式(8—20)可以推导出细菌的增殖率 Rg 与另一个重要 概念“细菌的平均停留时间”(MCRT)的关系。MCRT  c 的定义为：  c = 每日从系统中流走的活细菌总量 反应器中的活细菌总量 （8-5） MCRT 也称为污泥停留时间(SRT)。固体停留时间(solids retention time)或简 称污泥龄( sludge age)。  c 可表示为：  c = Qw X Q Qw Xe QX i VX + ( − ) − （8-6） ，  反 应 器 沉 淀 池 Q  i ，Xi Q w RQ Q w 废弃污泥  ，X Q-Q w  e ，X u Q w u , X u

VX(8-7)9OuX, +(Q-O.)X,-QX,当无回流，只Q.=0时得：0.=VX-=0(8-8)x g无回流时，θ退化成为反应器的水力停留时间。9.的简化公式：0VX-V=00,=(8-9)o.X0QmVX0.=(8-10)QuX,简化式为常用的形式。XR=OrX_(8-11)V0cQw=1(8-12)rg =V0c当由沉淀池底排走9时，按照同样的推导过程可得出下列类似关系：OwXXOwXR.=X =(8-13)VVXOcQwX.1(8-14)r.vx0c-0e(8-15)VX3．9.和有机物的去除速率Ro-[p + Rp, -(1+ R)p)=--[p, + Rpμ-(I+ R)p)R=(8-16)ORo=-(P-P)(8-17)05

5  c = Qw X Q Qw Xe QXi VX  + ( − ) − (8-7) 当无回流，只 Qw＝0 时得：  c = QX VX = Q V = (8-8) 无回流时，  c 退化成为反应器的水力停留时间  。  c 的简化公式：  c = Q X VX w = Q V = Qm Q (8-9)  c = Q X VX w (8-10) 简化式为常用的形式。 Rg = C W X V Q X  = (8-11) C W g V Q r  1 = = (8-12) 当由沉淀池底排走 Qw 时，按照同样的推导过程可得出下列类似关系： Rg = C W W X X VX Q X V Q X    = = (8-13) C W g VX Q X r   1 = = (8-14) VX Q M F i = (8-15) 3． c 和有机物的去除速率 R0 RO = [ (1 ) ] 1 [ R  (1 R)]  R  R  V Q i i + − +  − + − + = − (8-16) RO = ( )  − − i  (8-17)

-%(P-- p)(8-18)Ro=-0.0w4.9.和产率因数YYGY=(8-19)1+be式(8-32)提供了试验求Y.和b的方法，先将式(8-32)写成：1=六+0(8-20)YYGYG这样就可以根据式子绘成一条直线，从而求出YG和b的值。5.反应器中有机物浓度P和微生物浓度XK(1+be.)(8-21)pYck,0-(1+bo.)K(8-22)p=Yck,0.-1反应器中细菌质量浓度X的表达式：0P-po.X=YG= Y(P,-p)-(8-23)1+bo.006. 讨论当活性污泥法的b、K、Yc、K。四个生化动力学参数以及反应器的进水有机物浓度p已知后，即可计算出反应器在个同污泥龄6.值及水力停留时间?位时的有机物浓度p、细菌质量浓度X以及产率因数Y来。因此，活性污泥法的试验就是求出有关废水处理的b、K、Yc、K。四个动力学参数，并对之进行评价。活性污泥法的反应器也就是根据试验得出的或者根据经验选用的这四个参数的值来进行设计。当反应器的有机物浓度p趋近于无穷大，相应的，极小值为：1(8-24)Oemn = Yok,-b6

6 RO =  ）  − i − cQW Q ( (8-18) 4． c 和产率因数 Y Y= c G b Y 1+  (8-19) 式(8-32)提供了试验求 YG 和 b 的方法，先将式(8-32)写成： C G YG b Y Y = +  1 1 (8-20) 这样就可以根据式子绘成一条直线，从而求出 YG 和 b 的值。 5．反应器中有机物浓度  和微生物浓度 X (1 ) (1 ) G o c c c Y k b K b     − + + = (8-21) −1 = G o c Y k K   (8-22) 反应器中细菌质量浓度 X 的表达式： X=  = − +  − c · ( )· 1        i c c i G Y b Y (8-23) 6．讨论 当活性污泥法的 b、 K 、YC 、 K0 四个生化动力学参数以及反应器的进水有 机物浓度 1 已知后，即可计算出反应器在个同污泥龄  c 值及水力停留时间  位 时的有机物浓度  、细菌质量浓度 X 以及产率因数 Y 来。因此，活性污泥法的 试验就是求出有关废水处理的 b、 K 、YC 、 K0 四个动力学参数，并对之进行评 价。活性污泥法的反应器也就是根据试验得出的或者根据经验选用的这四个参数 的值来进行设计。 当反应器的有机物浓度  趋近于无穷大，相应的，极小值为： YO ko b c − = 1  min (8-24)

S8.3CSTR型活性污泥法的设计本节讨论CSRT型活性污泥系统的设计，其中包括反应器及二次沉淀池的有关计算。设计资料有：（1)废水的性质，如BODL、氮及磷浓度、PH及水温等；(2)出水水质要求；(3)由试验或其它来源得到的生化动力学常数ko、K、Y及b；(4)污泥沉降速度数据。设计所用公式及步骤如下：1.确定最短的污泥龄m并选用e设计值以出水的最大允许BODL值为p代入式(8一34a)即可解出最短的污泥龄为：K+p(8-25)O.mn = Yck.p-b(K+p)得出emin后，即可按9>min的条件，选用几个设计的e.值，进行下列一系列计算。2.计算反应器容积以=V/Q代人式(8一35)可解出反应器容积V为：V-Yo0.O(P.-P)_ Yo.0(p, -P)(8-26)XX(1+bo.)式中：KK(1+be.)(8-27)pyYck,0 -(1+be.)Yk,0, -1接选定的e.值可计算出相应的反应器内的有机物浓度p。，p即用这一计算值。在β已知后（即θ.选定后），对不同的微生物质量浓度X，相应地存在一反应器容积V。因此，对于一个选定的.值，还要同时选择几个X值构成一组，这样就计算出对应的一组反应器容积V来。选择几个θ值就得出几组容积V。3.计算反应器内氧的摄入率Ro氧的摄入率可表示为：(8-28)Ro,=R。(1-1.14Y)式子中R。取下式的绝对值：7

7 §8.3 CSTR 型活性污泥法的设计 本节讨论 CSRT 型活性污泥系统的设计，其中包括反应器及二次沉淀池的有 关计算。设计资料有：(1)废水的性质，如 BODL、氮及磷浓度、PH 及水温等； (2)出水水质要求；(3)由试验或其它来源得到的生化动力学常数 0 k 、 K 、YC 及 b； (4)污泥沉降速度数据。设计所用公式及步骤如下： 1．确定最短的污泥龄  c min 并选用  c 设计值 以出水的最大允许 BODL 值为  代入式(8—34a)即可解出最短的污泥龄为： ( ) min     − + + = Y k b K K C o c (8-25) 得出  c min 后，即可按  c >  c min 的条件，选用几个设计的  c 值，进行下列一系 列计算。 2.计算反应器容积 以 ＝V／Q 代人式(8—35)可解出反应器容积 V 为： V= X Y Q X b Y Q C i c G C i ( ) (1 ) ( )        − = + − (8-26) 式中： (1 ) 1 (1 ) − = − + + = G o c c o c c Yk K Y k b K b      (8-27) 接选定的  c 值可计算出相应的反应器内的有机物浓度  c ，  即用这一计算 值。在  已知后(即  c 选定后)，对不同的微生物质量浓度 X，相应地存在—反应 器容积 V。因此，对于—个选定的  c 值，还要同时选择几个 X 值构成一组，这 样就计算出对应的一组反应器容积 V 来。选择几个  c 值就得出几组容积 V。 3.计算反应器内氧的摄入率 O2 R 氧的摄入率可表示为： R O2 = R (1 1.14Y) O − (8-28) 式子中 R0 取下式的绝对值：

X(8-29)Ro=YOC式子(8-41)可用于计算R。。从式子(8-41)可看出对于不同的X值有一个相应的R。。也就是说，对一个选定的θ.值所算出的一组反应器容积V，也相应地存在一组Ro,值。4.二次沉淀池的设计沉淀池的面积A可由下列物料衡算关系略去X，项得出[(1+R) Q-O,JX=Acβ+(Q -Qw)XAc=[1+R)O-Ow1X(8-30)p由上式可看出，在业固定的条件下，对选定的每一个X可算出一个面积A来，因此，对每一个求得的值，再按照设计反应器时所选择的那一组X值计算，就可算出一组对应的A,值来。回流比R可利用二沉池的下列近似的物料衡算关系得出：[1+R) Q-Qw]X = RQXμ1_Qw1-④70cOX-Qw10R=-(8-31)XQX,-QX-17x-1/x-当由沉淀池底流排出时，相应的A.及R的表达式为：Ac- [+ R)O1X(8-32)0R:(8-33)X.7xAc= [1+R)OIX(8-34)08

8 RO = Y C X  − (8-29) 式子(8-41)可用于计算 R0 。从式子(8-41)可看出对于不同的 X 值有一个相应 的 R O2 。也就是说，对一个选定的  c 值所算出的一组反应器容积 V，也相应地存 在一组 R O2 值。 4．二次沉淀池的设计 沉淀池的面积 Ac 可由下列物料衡算关系略去 X e 项得出 [(1+R) Q -Qw ]X=A C  +( Q -Qw )X e A C =  [(1+ R)Q − QW ]X (8-30) 由上式可看出，在  固定的条件下，对选定的每一个 X 可算出一个面积 Ac 来。 因此，对每一个求得的  值，再按照设计反应器时所选择的那一组 X 值计算， 就可算出一组对应的 Ac 值来。 回流比 R 可利用二沉池的下列近似的物料衡算关系得出： + R Q − QW X = RQX  （[ 1 ） ] R= 1 1 1 1 − −  = − − = − − X X X X Q Q QX QX QX Q C W W     (8-31) 当由沉淀池底流排出 Qw 时，相应的 Ac 及 R 的表达式为： A C =  [(1+ R)Q]X (8-32) R= X X Q Q X X W  1− (  ）（ ） (8-33) A C =  [(1+ R)Q]X (8-34)

XR=(8-35)X.-X二次沉淀池的面积已知后，根据经验选用沉淀池深度后可以得出它的容积V来。5.设计统合(designintegration)（1）为了对活性污泥法进行整体的评价比较，应将各种条件下的总池容(反应器容积V+二沉池容积V.)计算出来.这种过程称为设计统合。(2)二次沉淀池的设计例题分析(3)设计统合由上面的计算得出了各种在理论条件下的反应器及沉淀池容积，它们又可以进一步组合起来得出许多个反应器与沉淀池的总容积理论值。S8.4活塞流型活性污泥法1．基本方程式ap0P Ar) +-AAx(1+R) Q p+A△x · R。=(1+R) Q p (p+(8-36)axat化简得出：-1+R%+Rα =%(8-37)00o同样，由容积A△x的细菌物料方程式可得出MLSS浓度X的下列关系：-(1+R)Yax+R,.(8-38)a0at式子中，R，为细菌的增值率。在稳定状态分别化简成-(1+R)%+R。 = 0 (8-39)a0-(1+R)+(8-40)+R,=020apk.px=(1 + R)(8-50)K+pa09

9 R= X X X  − (8-35) 二次沉淀池的面积已知后，根据经验选用沉淀池深度后可以得出它的容积 Vc 来。 5．设计统合(design integration) （1）为了对活性污泥法进行整体的评价比较，应将各种条件下的总池容(反 应器容积 V+二沉池容积 Vc )计算出来．这种过程称为设计统合。 (2)二次沉淀池的设计 例题分析 (3)设计统合 由上面的计算得出了各种在理论条件下的反应器及沉淀池容积，它们又可以 进一步组合起来得出许多个反应器与沉淀池的总容积理论值。 §8.4 活塞流型活性污泥法 1．基本方程式 (1+R) Q  +A  x·R O =(1+R) Q  A x t x x     +   ( + ) ·    (8-36) 化简得出： t R RO   + =   − +    (1 ) (8-37) 同样，由容积 A  x 的细菌物料方程式可得出 MLSS 浓度 X 的下列关系： t X R X R g   + =   − +  (1 ) (8-38) 式子中， Rg 为细菌的增值率。 在稳定状态分别化简成 (1 ) + = 0   − + R RO   (8-39) (1 ) + = 0   − + Rg X R  (8-40)   + − K ko X =     (1+ R) (8-50)

kgpX=(1+ R)X(8-41)a0K+p2.细菌的平均停留时间e与增殖率R。vx0,=(5-42)OwX当从沉淀池底流中废弃污泥时vx(5-43)0.=OwX,假定X~X。，得出与CSTR系统同样的e,公式：V(5-44)0,=Qw同样把反应器沿池长分n段，得出以下式子：I+ R) (AX X, . X, R,(8-45)V式中以V代替n(A△x)。X*可表示为：X"=OX,+ROX.X, + RX ,(8-46)Q+RQ1+R当忽略原废水的MLSS浓度X时得：RXX*-(8-47)1+R因此得：RX.AX +AX, +....+AX,=X。-X*=X。(8-48)1+RRX)=R(1+R) α(X(8-49)V1+R当忽略二沉池所流出的MLSS量（Q-Qw）X,则得出二次沉淀的物料衡算关系为：[(1+R)Q-QwJX。=RQX μ由此式得：10

10   K + k g X =   + X (1 R) (8-41) 2．细菌的平均停留时间  c 与增殖率 Rg  c = Q X  V X W (5-42) 当从沉淀池底流中废弃污泥时  c = Q X  V X W （5-43） 假定 X  X  ，得出与 CSTR 系统同样的  c 公式：  c = QW V (5-44) 同样把反应器沿池长分 n 段，得出以下式子： X X Xn Rg V R Q  +  + +  = + ( . ) 1 1 2 （ ） (8-45) 式中以 V 代替 n(A  x)。X* 可表示为：  X = R X RX Q RQ QX RQX i + + = + + 1 1   (8-46) 当忽略原废水的 MLSS 浓度 Xi 时得：  X = R RX 1+  (8-47) 因此得：   X1 + X2 + . + Xn = X  − X = X - R RX 1+  (8-48) Rg R RX X V R Q = + − + ) 1 ( 1   （ ） (8-49) 当忽略二沉池所流出的 MLSS 量（Q- Q W ） X e ,则得出二次沉淀的物料衡算 关系为： [(1+R)Q-Q W ]X  =RQX  由此式得：