第六章 生物反应动力学基础（张婷婷）请对发现的文字错误及格式等进行修订，同时对我蓝色标出的要求进行补充完善。

注意此章节中公式编辑器所编辑的公式均可正常显示并编辑，所以不用更改为word 格式。

辛苦了，谢谢！孔秀琴一、底物降解速率底物降解速率即每天每公斤活性污泥能降解多少公斤的BOD 5,其单位为：d kgVSS kgBOD ⋅/5，是反映生物反应器处理能力的重要参数。

生物反应系统中，反应器容积等重要参数是根据系统的底物降解速率（污泥负荷）来确定的。

底物降解速率的函数关系式如下：Sk Sv Xdt dS s +=max（6-1） 式中： XdtdS —比降解速率，单位 d -1m a x v —最大比底物降解速率，即单位微生物量利用底物的最大速率K S —饱和常数 X —微生物浓度 S —底物浓度环境工程中，一般S 较小，当S K S ≤≤时，分母略去S ，并令2maxk k s=υ，,即可得下式：S k XdtdS2= （6-2） 上式积分可得：错误！未找到引用源。

t X t S S ⋅⋅-=2k 0e （6-3）那么已降解的底物含量为：）（tX k t S S S S ⋅⋅-∆=-=2e-100 （6-4） 式中：∆S —降解的有机底物浓度0S —初始的有机底物浓度t S —t 时刻剩余的有机底物浓度上式中，因一般生物系统活性污泥浓度x 为定值，所以可令12k X k =，同时把已降解的底物浓度用BOD t 浓度代替，初始底物浓度用BOD U 代替,，即得下式：)1(1t k u t e BOD BOD ⋅-= （6-5）即得5日生化需氧量和总需氧量之间的换算关系式：（6-6）因C o20时，23.01=k ，则可得到：u BOD BOD 68.05=环境工程中，用污泥负荷来表示有机物（底物）的降解速率，是特定工艺处理能力的度量参数。

在工程设计中，在确定生物反应器的容积及排泥量等关键数据时，污泥负荷是重要的设计参数，其值的选取直接关系到整个工程的造价。

根据工程参数所确定的污泥负荷定义式如下：XtS S XV S S Q N e e )()(00-=-=（6-7）式中：N —污泥负荷，单位kg/kgVSS ﹒d V —反应器的有效容积，单位m 3污泥负荷即底物比降解速率，其函数关系式也可写作S k Sk SN s 2max=+=υ （6-8）二、微生物增殖有机底物经过微生物降解作用后，其中一部分经氧化产能代谢为H 20和CO 2、小分子的有机物等，一部分则通过微生物合成作用转变为新的细胞物质，表现为微生物的增殖，同时微生物还通过内源呼吸作用而不断衰亡，表现为污泥的衰减。

所以底物降解和微生物增殖之间存在着必然联系。

生物反应系统需要根据微生物的增殖速率来确定泥龄、进而确定剩余污泥排放量等重要数据，所以其相互之间的关系可用下式表示：d K XdtdSY Xdt dX -= （6-9）其中：Xdt dX —微生物比增殖速度，单位 d -1XdtdS —底物比降解速度,单位 d -1Y —产率系数，单位 5/kgBOD kgVSS d K —污泥衰减系数，单位 d -1环境工程中微生物的比增殖速率一般用通过泥龄来确定，泥龄的倒数即为微生物比增殖速率：cXdt dX θ1= （6-10） 其中：c θ—泥龄，即污泥停留时间，d泥龄可通过负荷确定，泥龄和负荷之间的关系可推导如下： 在体积为V 的反应器内，d 1的污泥增量(即剩余污泥量)为：VX K S S YQ X d e --=∆)(0 （6-11）错误！未找到引用源。

两边同除VX ，则得：d e K VXS S Q Y --=∆)(VX X 0 因 ：XVXc ∆=θ VXS S Q N e )(0-=（6-12）则得：d cK YN -=θ1（6-13）上式将工程上的负荷和泥龄联系起来，其实质类同与式（6-9），即底物比降解速率和微生物比增殖速率之间的关系。

在工程设计时先确定负荷，泥龄也就可以确定； 工程上可通过泥龄确定剩余污泥体积流量W Q ，计算公式推导如下： 根据图6-1所示进行物料衡算：相对曝气池列出污泥量平衡式：X R Q Q X R Q r )(⋅+=⋅⋅ （6-14）其中：R —污泥回流比 % X r —二沉池回流污泥，mg/L 由上式得出：R RXr X +=1 （6-15）根据剩余污泥体积流量的定义可有下式： Xr c V X Q w ⋅⋅=θ m 3/d （6-16）代入式（6-15），则有：)1(R c RV Q W +⋅=θ （6-17）式中：W Q —剩余污泥体积流量，m 3/dc θ—泥龄，即污泥停留时间，d上式将反应器有效体积、泥龄、回流比和增殖污泥联系起来。

工程上通常在负荷、泥龄确定之后，用此式确定剩余污泥体积流量，据此进行污泥处理系统的设计。

三、活性污泥系统需氧与曝气 （一）需氧好氧活性污泥因为产能代谢的作用需要耗氧。

氧气是好氧微生物进行生化反应的最终电子接受体。

活性污泥微生物需氧量有两部分组成：一部分为内源呼吸需氧量、一部分为外源呼吸需氧量，一般内源呼吸和外源呼吸同时进行，所以活性污泥需氧量公式如下： X V b S Q a O r ⋅⋅+⋅⋅=''2 （6-18）2O —活性污泥需氧量，kg/d'a —外源呼吸代谢有机物的需氧系数；r S Q a ⋅⋅'—外源呼吸代谢有机物的需氧量；其中Q 为进水量，kg/d,S r 为进出水BOD 5浓度差，mg/L,'b —内源呼吸代谢有机物的需氧系数；X V b ⋅⋅'—内源呼吸需氧量,其中V 为反应器有效体积，X 为反应器内的活性污泥浓度。

需氧量与污泥负荷之间的关系推导如下： 将X V b S Q a O r ⋅⋅+⋅⋅=''2两边同时除以r S Q ⋅ 得：Sr Q XvV b a SrQ O ⋅⋅'+'=⋅2 （6-19） 因污泥负荷 XVQS XV Se So Q N r =-=)(，从而得出N b a Sr Q O 12⋅'+'=⋅（6-20） 式中：N —污泥负荷，单位kg/kgVSS ﹒d V —反应器的有效容积，单位m 3Q —进水流量，单位m 3S r —进出水BOD 5浓度差，即(S o -S e )单位mg/L从上式可看出，左边kgBOD 所需要的氧量和污泥负荷成反比，负荷越大，降解BOD 的需氧量越小。

这是因为负荷即有机底物的比降解速率，其倒数即为降解单位BOD 所需的微生物量，当负荷较大时，则降解单位BOD 所需的微生物量较，所以单位公斤BOD 的需氧量就少。

为了进一步理解需氧量，将X V b S Q a O r ⋅⋅+⋅⋅=''2两边同时除以VX ，则得b N a b V X Sr Q a VX O '+⋅'='+⋅⋅'=⋅2 （6-21）上式说明，单位kgMLVSS （ 活性污泥）的需氧量随负荷增大是增大的，因为负荷即有机底物的比降解速率，负荷较大时，单位公斤活性污泥所要降解的BOD 总量较大，导致单位公斤活性污泥需氧量增大。

（二）供氧好氧活性污泥生物反应工程中，氧气的来源主要有两种，一种是曝气设备供氧，即鼓风曝气，其主要设备为：空气压缩装置和空气扩散装置；另一种是表面机械曝气，利用动力驱使转刷或叶轮旋转，把水扬起来，使液面不断与空气接触，促使空气中的氧转移到水中去。

氧气在水中的溶解转移牵涉气-液两相之间的传质问题，下面首先介绍氧转移速率公式。

（1）标准条件下氧转移速率 氧转移速率公式如下：)(C C K dtdcS La -= （6-22） dtdc —水中溶解氧浓度变化速度，即氧转移速度，单位： )/(32h m kgO ⋅ La K —氧总转移系数，h -1S C —水中饱和溶解氧值，mg/LC —（在线）实际溶解氧值，常用单位,mg/L上式的使用条件若是标准条件，即水温C 020，气压为Pa 510×1.013，测定用的水是清洁的水，则上式可写成：)()20()20(C C K dtdcS La -= （6-23） 式中，标准条件下，错误！未找到引用源。

在非标准条件下，即实际温度、实际压力、污水中，氧转移速率则需要修正。

（2）非标准条件下氧转移速率的修正式如非标准条件为：温度T ，气压为P ，污水充氧，污水中微生物的耗氧速率为r R 则氧转移速率修正如下：r T S T La R C C K dtdc--⋅⋅=)()()(ρβα （6-24） 其中：α—污水中氧总转移系数的修正系数，0.94~0.8=αβ—污水中饱和溶解氧的修正系数，0.95~0.90=β)(T La K —相对于)20(La K 的温度修正：)20()20()(024.1-=T La T La K K 。

温度升高，传质速率提高，氧转移系数提高；)(T S C —温度T 时，标准压力下水的饱和溶解氧值，可以查表得到。

温度降低时水中饱和溶解氧值是增大的，所以低温有利于充氧。

若是曝气设备曝气充氧，则)(T S C 用)(T Sb C 代表，关于)(T Sb C 见下面的（3）中。

ρ—饱和溶解氧的地区压力修正系数。

因为饱和溶解氧的大小与氧的分压有关，氧分压越大，S C 越大。

C —水中溶解氧在线值；r R —污水中微生物的耗氧速率，当工艺确定后，其一般为定值。

上式中，前半部分)()()(C C K T S T La -⋅⋅ρβα为供氧速率，后半部分R r 为耗氧速率，两者决定水中溶解氧C 的变化情况（dtdc ）。

而其中错误！未找到引用源。

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实际反映了气相中氧分压对传氧速率的影响。

而)(C C s -反映的是液相中氧的浓度差对供氧速率的影响。

（3）鼓风曝气设备曝气时饱和溶解氧的修正如果是鼓风机曝气充氧，空气经扩散装置进入水中后，以气泡的方式从底部向水面逸散，气泡中的氧气不断溶解进入水中，氧的分压随水深逐渐减少，所以这种情况下饱和溶解氧的修正除了要考虑温度、地区压力之外，必须进行平均氧分压的修正。

鼓风机曝气充氧装置示意如图6-2：用错误！未找到引用源。

)(T Sb C 表示温度T 时，鼓风机曝气设备作用下污水中饱和溶解氧的实际修正值。

若)(T S C 为温度T 时标准压力下的饱和溶解氧值（可查），扩散装置出口空气绝对压力为b P ；气泡逸散到水面时，空气中剩余氧的体积百分数为t O ，则在水深H 的高度内，压力修正可采用水底压力修正和水面压力修正的平均值。

扩散装置出口绝对压力相对标准压力的修正系数：510013.1⨯bP ，其中 H P b 35108.910013.1⨯+⨯=，式中：H 为扩散装置的安装高度，m 。