活性污泥法动力学模型解析（1）——CSTR型反应器

第24卷第1O期2002年1O月武汉理工大学学报JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVo1．24N0．10Oct．2002文章编号：1671—4431(2002)10—0010—03活性污泥法动力学模型解析(1)——CSTR型反应器杨开庄仲辉(武汉大学)摘要：导出与分析了不同混合条件下，活性污泥生物反应器的动力学模型。以此为基础，模拟了不同活性污泥法的动力学过程，并讨论了计算结果。研究结果表明。在相同的条件下，推流型反应器性能优于完全混合型反应器，但这一差别随反应时间的增加而减少，4阶以上的CSTR性能与PFR相接近。分析表明，在做CSTR的设计计算时，不能同时设定污泥龄或出水基质浓度。同时，污泥龄不宜直接用于计算PFR。因篇幅所限，全文分为两节，本节主要讨论CSTR和阶式CSTR动力学模型。关键词：活性污泥法；生物反应器；动力学模型；混合类型中图分类号：TU375文献标识码：A已有的活性污泥生物反应器动力学模型多建立在Monod方程式(一5／(K+S))基础之上，对象主要是完全混合型反应器(CSTR：continuousstirredtankreactor)，其中以Lawrence—McCarty模型为代表。当用这类模型处理推流型反应器(PFR：plugflowreactor)时，由于反应器中有机物基质、微生物增长速率和氧化需氧量之间，呈复杂的非线性关系；一般是通过种种假定，使其类同于CSTR。研究发现，由于理解上的偏差，用Lawrence—McCarty模型解决废水生物处理设计和运行问题时存在一些误区。如：在已确定污泥龄的前提下，人为指定反应器出流基质浓度、将PFR类同于CSTR处理等。试图以Monod方程式为基础，解析活性污泥生物反应器动力学模型，从微生物生理学角度解析微生物增长与基质降解之间的关系，以便于更好地理解、分析、控制活性污泥法的生物过程。1动力学模型及其解为简化计算，在研究生物处理动力学时，作一些假设[】]：1)整个处理系统在稳定状态下运行；2)原污水中的基质均为溶解性的，水中也不含微生物群体；3)微生物在二次沉淀池中没有活性，不进行生物代谢活动；4)二次沉淀池中污泥没有积累，且固液分离良好；5)原污水与回流活性污泥在进人反应器前已充分混合均化，反应器人口混合液基质及有机物平均浓度分别为：S。一(5。+R·S)／(1+R)；X。一(R·X)／(1+R)；6)混合液在反应器中的水力停留时间(HRT)为：r=V／[(1+R)·Q]；7)剩余污泥由二次沉淀池底流排出。根据液流混合状态的不同，连续流反应器可分为完全混合反应器CSTR和推流反应器PFR。实际反应器中液流的混合状态一般介于这两种理想流态之间，可等效为总容积相同、由，z个CSTR串联组成的阶式CSTR系统(见图1)。由于流态的不同，不同反应器的动力学性能各有其自身的特点。在推导过程中，各符号意义：下标e为反应器出流；r为回流污泥；w为剩余污泥；x为细胞物质；s为有机基质；ITI为最大值；0为原污水。Q为流量(m。／h)；K为饱和常数(mg／L)；V为反应器容积(m。)；K为微生物自身氧化率(或衰减常数)(h)；r为混合液在反应器内的水力停留时间，HRT(h)；b为单位重量微生物自身氧化需氧率(kgOz／(kgMLVSS·h))；为污泥龄，SRT(h)；a为微生物分解单位重量基质需氧率(kgOz／(kgBOD))；R为污泥回流比，Q／Q()；Yg为微生物产率系数(kgMLVSS／(kgBOD))；为剩余污泥收稿日期：2002—03—05．作者简介：杨开(1959一)，男，教授；武汉，武汉大学土木建筑工程学院(430072)0曩；维普资讯http://www.cqvip.com第24卷第10期杨开等：活性污泥法动力学模型解析(1)——CsTR型反应器11排放比，Q／Q()；0为需氧量(g0／h)；S为有机物基质浓度(BOD)(mg／L)；o为单位体积混合液需氧量(或需氧强度)(gO／(h·m。))；X为混合液挥发性固体浓度，MIVSS(mg／L)；SVI为污泥指数(mL／g)；为微生物比增殖率(h一)；A为反应器过水断面积(m)；R为反应速率(mg／(I·h))；L为反应器流程长度(a)单级CSTR反厦器(b)式CSI’R反厦器图1活性污物泥法生物反应器系统图1．1CSTR系统对图1(a)所示系统，分别列出容积内有机物基质物料、生物量、需氧量平衡方程Q(1+R)S。一Q(1+R)S+一0(1)Q(1+R)X。一Q(1+R)+r—KdV一0(2)0d一一atQ(1+R)(S。一S)+6XV(3)式中，r一，一-r／y，令r—v／(Q(1+R))，并将Monod方程式(／1一S／(K。+S))代人方程组，整理后得y(1一(1+K