2-4-1 活性污泥法的反应动力学1在线视频

同学们好，下面我们来学习活性污泥法的反应动力学

什么是活性污泥法的反应动力学呢？

它是指通过建立数学模型，定量地揭示活性污泥系统中间的

有机物降解、微生物的增长或者说是污泥的增长、氧气的消耗

这些跟各项设计参数、运行参数，以及环境因素之间的关系

建立了这样的数学模型之后

可以通过各种情景模拟来计算各种条件下的运行的工况

因此的话，活性污泥法的反应动力学，主要包括以下内容

第一个，是基质降解的动力学

它重点会涉及基质降解跟基质浓度、微生物的量等因素之间的关系

第二个是微生物的增长动力学

主要涉及微生物增长与基质的浓度、生物量、增长常数等因素之间的关系

还有第三点，是底物的降解与生物的增长、底物的降解与需氧量

以及营养要求等之间的关系

为了建立一个活性污泥系统的反应动力学

首先我们需要做一定的假设

这些假设的内容，包括如下几个方面

第一，我们假设这个反应器特别是指我们活性污泥系统中间的曝气池

它是处在一个完全混合的状态

当然我们在之前已经介绍过，活性污泥系统中间

我们除了有完全混合式的活性污泥法以外

还有推流式的活性污泥系统

对于推流式的活性污泥系统

我们可以通过数学的一些修正来加以模拟

第二个点，就是活性污泥系统的运行条件是绝对的稳定

这个所谓的绝对的稳定，就是其中的进水的流量

废水的温度，甚至是其中的污泥浓度等都是绝对稳定的

第三个假设，是关于二沉池

我们假设在二沉池中间，没有微生物的活动

也假设，在二沉池中间没有污泥的累积

泥水分离的效果非常好

第四个假设，是关于这个进水的

我们假设，进水中间的有机物都是溶解性可生物降解的有机物

而且，它的浓度非常稳定，不含有微生物

最后一个假设，是关于进水中间的有毒有害的有机物

我们假设，在进水中间都没有这样的，对微生物具有毒性或者抑制性的物质

活性污泥法的反应动力学，它主要进行了以下三个阶段

首先，是在生物化学领域，有两位美国的科学家

提出了酶促反应动力学，即米-门式公式

其次，是在废水微生物群内，莫诺德在米-门式公式的启发之下

研究了单一基质单一菌种的生长规律，提出了莫诺德模型

最后，是劳伦斯和麦卡蒂，在莫诺德模型的基础上

针对活性污泥系统中间关心的主要的工艺参数

用莫诺德模型进行数学解析

因此的话，我们本节的主要内容，有如下三点

即第一，我会简单的介绍一下，活性污泥反应动力学的基础

以及米－门式公式与莫诺德模式

第二，我会重点介绍一下Lawrence-McCarty模式

第三，我会介绍活性污泥法反应动力学的一些应用

首先我们来看一下，这个米门式公式

米门式公式，实际上是由这个两位美国科学家

根据酶促反应的过程的特点提出了一个中间产物的学说

通过理论推导和实验的验证

提出了含有单一基质和单一反应的酶促反应动力学的数学表达式

即这个米门式公式

在这个公式中间，我们可能看到有两个动力学常数

一个是v_max，实际上是最大的酶促反应动力学

它主要跟反应的类型和酶的种类有关

另外一个常数是Km,我们称为饱和常数

或者说，也称为半速常数

米门式公式，可以用这样一个示意图来进行表达

可以看到，在这个示意图中间，横坐标是基质的浓度

纵坐标是酶促反应的反应速率

可以看到，随着这个基质浓度逐渐从低到高的变化

酶促反应的反应速率也会逐渐增加

最终，会逐渐接近，这个最大的反应速率，即v_max

在这个图中间，还会看出，当反应速率达到最大反应速率的一半的时候

与之相对应的基质浓度，它的数值上正好等于Km

这也是Km被称为半数常数的原因

第二点，我要介绍的是，关于这个废水生物处理领域里面的莫诺德模型

莫诺德在1942年和1950年，重点针对单一基质和纯菌种的条件下

进行微生物的培养实验

它重点研究微生物的比增殖速率跟基质降解速率之间的关系

他发现了跟酶促反应相类似的规律

因此，他提出了活性污泥的动力学公式，即莫诺德模型

用这个公式来表示，这个公式中间，μ表示的是微生物的比增殖速率

μmax是最大的微生物的比增值速率

同样，也有这个Ks相当于米门式公式中间的Km

他也把它称为饱和常数，或者说是半速反应常数

其中的S是指的基质浓度

在某些条件下，特别指限制性基质浓度

最后莫诺德利用由混合微生物种群组成的活性污泥

开展了多种基质同时存在条件下的微生物的培养实验

结果也发现了与上面相类似的结果

因此他认为，上述的我们的公式也可以用于活性污泥系统

在利用活性污泥处理废水的过程中间

微生物的增殖速率和微生物的比增殖速率与基质的比降解速率

之间是存在着一定的比例关系

这两个公式，分别给出了微生物的比增值速率和基质的比降解速率的数学表达式

从中间我们可以看到，它们是有一定的内在关系

因此，莫诺德给出了用基质比降解速率表达的莫诺德公式

如这个公式所示，在这个公式中间，我们看到

S是指的是在多种基质同时存在条件下

其中的一种限制微生物增长的限制性基质的浓度

莫诺德模型也同样可以用类似于米门式公式的示意图来进行表示

从这个图中我们可以看出

整个微生物的增殖曲线或者说是基质的降解曲线，可以分为三个区

即一级反应区，和过渡区，以及零级反应区

当基质浓度很小，具体来说，是小于其中的Ks的时候

基质降解速率跟基质浓度成正比的关系

它们之间称为一级反应的关系

当基质浓度非常大，即远大于Ks的时候

基质的比降解速率跟基质浓度没有关系

它达到了这个微生物或者混合水圈所能达到的最高的反应速率，即v_max

在这二者之间是一个过渡区

这个过渡区之间的这个关系，就可以用莫诺德方程来表示

因此的话，我们可以看到对应莫诺德方程来说，我们可以有两个推论

第一个，就是在高底物的浓度下或者说是高基质浓度下

即S远大于Ks的条件下，基质的比降解速率，跟基质浓度呈零级反应的关系

通过化简以后，我们可以知道，V就直接等于v_max

相应的，μ也等于μmax

进行简单的化简以后，我们可以看到活性污泥系统中间的基质浓度

降解速率，或者说是降低的速率

它是跟v_max,和系统中间微生物的浓度直接相关

简化以后呢，可以写成这个-dS/dt等于K1乘以X

K1呢，实际上就等于v_max

第二个条件，就是说，在比较低的基质浓度条件下

即S远小于Ks的条件下，这个时候

基质的比降解速率跟基质浓度之间呈一级反应的关系

可以简化成这样的一个公式来进行表达

将它进行一定的合并，得到V等于K2乘上S

可以看出，这个时候基质的比降解速率直接跟基质浓度呈一次方的关系

其中K2等于v_max除上Ks

好，这节的内容就到这，谢谢！