《废水生物处理》第六章单级连续搅拌式生物处理反应器.ppt

,废水生物处理,东南大学研究生课程 主讲：李先宁,本章将建立单个CSTR微生物生长模型，包括：有生物量回流和无生物量回流两种方式，并利用它来了解系统本身的运行情况。为了简单起见，模型仅限于好氧异养微生物，有充足无机营养物，可生物降解的溶解性有机基质是生长限制性基质（以COD为单位）。经过稍加修改，本章的模型就可用于厌氧和缺氧异养微生物，以及好氧自养微生物，使其更具有普遍性意义。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,单个的连续搅拌式反应器（CSTR）是生物处理中最简单的反应器，用于活性污泥、好氧塘、好氧消化、厌氧消化和生物法去除营养物等。,6.1 CSTR基本模型,6.2 基本模型的延伸,6.3 生物量回流和排出方式,6.4 模型预测CSTR运行性能,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.5 活性污泥模型（ASM）简介,6.1 CSTR基本模型,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,反应器容积为V，进水流量为F，其中只含非抑制性和溶解性的可生物降解有机物，浓度为SS0（用COD表示）。进水含有充足的无机营养物，有机基质是微生物生长的限制因素。进水的流量、浓度、pH值、温度以及其他环境条件等都保持恒定。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1 CSTR基本模型,在反应器内，异养微生物利用基质进行生长，生物量增加至XB，H，基质浓度降低为SS。微生物群在生长同时还伴随着衰亡，XD表示微生物残留物浓度。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1 CSTR基本模型,反应器有两个出流，由于反应器是完全混合式，其出流中含有的任何一种溶解性成分与反应器内相同。一个出流的流量为FW，微生物浓度及残留物浓度都与反应器内相同。另一个出流的流量是F-FW，通过一个分离器去除悬浮物质，然后排出，所分离出来的悬浮物再返回到反应器中。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1 CSTR基本模型,停留时间定义为：一种组分在系统中滞留的平均时间。CSTR反应器有两种类型的组分：（1）溶解性的，用S表示；（2）颗粒性的，用X表示。它们的停留时间不一定相同，需要分别定义。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.1 停留时间的定义,（1）溶解性组分在反应器中的停留时间等于平均水力停留时间，即：（2）颗粒性组分可用物理方法从水流中分离，例如过滤或者沉淀，可以利用这个特点来控制其从反应器中的排出。分离器使颗粒物质的停留时间大于溶解物质。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.1 停留时间的定义,（2）颗粒物质在反应器中的平均滞留时间，称为固体停留时间，或细胞平均停留时间，用 来表示，简称为SRT。SRT定义为反应器中颗粒物质总量与单位时间颗粒物质排出量之比，即：（6.1）颗粒物质浓度为XW等于反应器中的浓度X，方程可简化为：（6.2）注意：SRT基本定义采用的是质量流量而不是体积流量。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.1 停留时间的定义,比较6.2和，可以看出：(6.3)FW越接近F，SRT也就越接近HRT。所以，若反应器中没有分离器，则SRT和HRT相等。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.1 停留时间的定义,式中，CA0 进水中A的浓度；C、A 经过生物分离器的浓度（对溶解性物质来说，CA和CSTR中的A浓度相同；对颗粒物质来说，等于零。）；rA 参与的所有反应速率之和。,用CA表示CSTR反应器中A组分的质量浓度，则质量平衡方程为：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.2 模型形式,（6.4）,对CSTR，应该至少列出三种组分的质量平衡方程：基质浓度SS、活性异养微生物XB,H和微生物残留物XD。此外，还需列出氧平衡方程。这样共有四个质量平衡方程。,考虑质量平衡方程的数目，其所反映的不同类型的过程和不同种类的组分，就可知道一个系统需要哪些信息，使所有反应物的去向一目了然。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.2 模型形式,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,表6.1好氧异养菌生长反应动力学中传统模型的化学计量参数,XB,H,XD,SS,6.1.2 模型形式,表6.1列出了以上质量平衡方程所需要的反应速率ri项的相关信息。表中各项代表了参与反应的每一种组分的化学计量系数，用COD单位表示，氧用负的COD表示。表右边一栏各项代表了过程反应速率，ri是过程j的反应速率，下标H表示该参数适用于异养微生物。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.2 模型形式,质量平衡方程中所有各组分的速率方程都可以由其产生的各种反应产物与表中相应化学计量系数相乘之后再加起来。1、活性微生物XB,H受到两个过程影响，总过程速率可以由反应速率项与表中XB,H列的相应系数相乘，再加和在一起，即：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,（6.5）,6.1.2 模型形式,微生物增长速率，mgCOD(L.h)反应器内活性异养微生物浓度 比生长速率系数，h-1 微生物衰减系数，h-1,式中，,质量平衡方程中所有各组分的速率方程都可以由其产生的各种反应产物与表中相应化学计量系数相乘之后再加起来。2、只有微生物衰减产生细胞残留物，因此：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,（6.6）,3、溶解性有机物只受微生物生长过程影响：,（6.7）,6.1.2 模型形式,式中，细胞残留物生成速率，mgCOD(L.h)活性生物量中能够形成细胞残留物XD的比例,式中，溶解性有机物降解速率，mgCOD(L.h)异养型微生物真正生长比率，以COD表示,质量平衡方程中所有各组分的速率方程都可以由其产生的各种反应产物与表中相应化学计量系数相乘之后再加起来。4、氧的含量与两种过程都有关，因而其反应速率包含两部分，用COD表示：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,（6.8）,氧是用需氧量表示的，氧在反应中被消耗。将上式乘以，得到：,（6.9）,6.1.2 模型形式,式中，氧的消耗速率，mgCOD(L.h),在稳态条件下，浓度的导数为零，质量平衡方程简化为：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,将微生物生长速率代入此质量平衡方程，并假设进水流和出水流不含微生物，即浓度为零（CA0和 均为零），得：,6.1.3 溶解性有机物浓度和生物量,（6.10）,（6.11）,整理简化后得到：,（6.12）,方程重要性：1、稳定状态下的比生长速率是由微生物从反应器的流失速率所决定的，反映在SRT项和衰亡系数项。工程师可以通过控制生物污泥排放量FW来调节固体停留时间SRT，从而控制微生物生长速率。2、而微生物比生长速率与基质浓度相关。这表明，控制微生物在反应器中的固体停留时间SRT，就可以使工程师控制出水中有机物浓度。3、微生物比生长速率和水力停留时间HRT无关。只有当反应器没有分离器，HRT才对微生物稳态生长产生影响，使得SRT等于HRT。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.3 溶解性有机物浓度和生物量,为了计算CSTR反应器内及其出流中的基质浓度，必须知道 和SS的函数关系。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.3 溶解性有机物浓度和生物量,把 代入6.12，得：,（6.13）,由上式可看出，基质浓度只与SRT有关，而与进水浓度无关。,式中，SS 反应器内基质浓度 固体停留时间，或细胞平均停留时间，简称为SRT 微生物最大比生长速率,从方程6.12可以看出，随着SRT增大（即），活性微生物的比生长速率趋近于衰减速率。这意味着在单个CSTR中，需要有基质存在以维持微生物生长。因此，存在着维持微生物生存的最小基质浓度，即当趋于无穷大时，由方程6.13得到：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.3 溶解性有机物浓度和生物量,（6.14）,方程表明，能够达到的最小基质浓度由生物降解动力学参数决定，即由被降解的基质的性质和进行降解的微生物的性质所决定。如果要用单个CSTR反应器来处理一定浓度的废水，则需要与SSmin值比较。如果废水浓度低于SSmin值，则单个CSTR反应器不能满足要求，需要采用其他形式的反应器。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.3 溶解性有机物浓度和生物量,（6.14）,当反应器内基质浓度与入水流浓度相等时，微生物的生长速率达到最大：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.3 溶解性有机物浓度和生物量,（6.15）,因此，当方程6.12中的 等于方程6.15中的 时，可以得到最小固体停留时间SRT，即：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.3 溶解性有机物浓度和生物量,（6.16）,最小SRT也被称为生物量流失点，因为当实际SRT小于该值时，微生物进入反应器后就被排出了，无法在反应器中停留和生长。在流失点，没有生物生长，也就没有基质被利用，反应器内及其出水浓度都与进水浓度相等，也就是说过程失效。,理论上，CSTR反应器不存在最小HRT，因为只要微生物从出水流被分流出来而返回反应器，保持SRT大于，那么微生物就能维持生长。但在实际中，HRT小于 时是非常危险的。如果HRT小于 而微生物分离器一旦出现一些问题，出水流微生物浓度就会等于反应器内的微生物浓度，SRT等于HRT，则过程失效。而且，反应器一旦失效，就很难重新启动，除非再投加生物量。所以，为了安全起见，应该保持HRT大于。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.3 溶解性有机物浓度和生物量,例 一个CSTR，体积8L，内有微生物，无机营养物充分，m-甲基苯酚是唯一碳源，其浓度用COD表示为200mg/L，相关动力学参数值见表E6.1。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.3 溶解性有机物浓度和生物量,表E6.1 生长动力学参数和化学计量系数（进水SS0=200mg/L，以COD计）,例 a、反应器最大允许流速是多少？当流速最大时，HRT达到最小值，但 不能小于，由方程方程6.16可以求得：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.3 溶解性有机物浓度和生物量,因此，,最大允许流量为，,F=8.0L/5.36h1.49L/h,例 b、如果反应器流量为1.0L/h，剩余污泥排放量为0.05L/h，那么出水中m甲基苯酚浓度是多少（用COD表示）？首先，用方程6.2计算SRT：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.3 溶解性有机物浓度和生物量,再用方程6.13求m甲基苯酚浓度：,（以COD计）,例 c、经过CSTR处理后可使m甲基苯酚达到的最低浓度为多少？可利用方程6.14计算得出：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.3 溶解性有机物浓度和生物量,（以COD计）,若要达到更低的出水浓度，则需要采用其他类型反应器。,当溶解性物质作为基质时，反应器中的悬浮固体只包括活性微生物XB，H和微生物残留物XD两种。分别计算他们的浓度。微生物的生长始自对基质的利用，生物量可以通过基质的质量平衡方程进行计算。由6.10可以得到：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.3 溶解性有机物浓度和生物量,（6.17）,调整后得：,（6.18）,将方程6.12代人上式的，得：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.3 溶解性有机物浓度和生物量,（6.19）,（6.20）,这个方程表明：活性生物量与SRT及HRT都有关系。而且，整理方程可以看出，当SRT值固定时（由此确定SS值），XB，H和之乘积为常数：,也就是：由于当SRT和流量固定不变时，单位时间所去除的基质量不变，从而产生固定数量的微生物。如果反应器体积固定不变，SRT也恒定，则随着流量的增大，必须提高反应器内的微生物量，才能保证相应的基质得到去除。因此，生物量需要成比例的增加。方程表明：有微生物回流的稳态CSTR运行性能与HRT无关。如果HRT发生变化，反应器内微生物浓度也会相应改变，维持足够数量的微生物，从而排出与SRT相对应的出水浓度。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.3 溶解性有机物浓度和生物量,微生物量的单位形式取决于生长比率系数YH的单位。若YH采用单位基质（COD表示）生成的微生物量（COD表示）来表示生长比率系数，那么微生物量用COD表示。微生物量也可以换算为固体含量，除以1.20gCOD/g SS即可。或者换算为挥发性固体含量，除以1.42g COD/g VSS即可。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.3 溶解性有机物浓度和生物量,反应器中微生物残留物的浓度 通过质量平衡方程求出。已知其进水流及分离器出水流中的浓度为零：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.3 溶解性有机物浓度和生物量,（6.22）,整理后得：,（6.23）,XD单位和XB，H相同。微生物残留物计入反应器悬浮固体浓度中，但由于它不具有生物活性，所以不计入降解能力中。,反应器总生物量 XT等于活性生物量与微生物残留物之和。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.3 溶解性有机物浓度和生物量,（6.24）,如果SRT固定，则 也跟着固定。从理论上说，一旦选定SRT以便达到所要求的出水浓度，只要 乘积不变，则反应器的尺寸与生物量可以组合。,由于基质部分能量必须用以满足微生物维持能量的需求，造成实际生长速率小于真正生长速率。反应器的实际生长比率等于单位基质转化产生的实际微生物数量，其中考虑微生物衰亡因素。工程师在测定生物量时难以区分活性微生物与微生物残留物。通常还是用总生物量来定义生长比率。在稳定状态下，反应器中产生的微生物与排出的相等，实际生长比率YHobs为：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.3 溶解性有机物浓度和生物量,（6.27）,将方程（6.24）代入XT，简化后得到：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.3 溶解性有机物浓度和生物量,（6.28）,SRT越大，生长比率越小。因为，固体停留时间SRT越长，微生物衰亡越多，用于维持的能量越大，用于合成的能量就会变少。,例 已知条件见例a、当进水流量为1.0L/h，污泥排放量为0.05 L/h时，反应器中活性生物量是多少？从例可知，SRT为160h，SS为0.31mg/L，HRT等于8h，用方程6.19计算：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.3 溶解性有机物浓度和生物量,X B，H=523mg/L（以COD计）=436 mg/L（以悬浮固体计）,例 已知条件见例b、在同样的条件下，微生物的浓度是多少？用方程6.24计算：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.3 溶解性有机物浓度和生物量,X T=690 mg/L（以COD计）=575 mg/L（以悬浮固体计）,例 已知条件见例c、活性微生物所占比例是多少？可以通过其定义或方程6.26求算。用定义求得：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.3 溶解性有机物浓度和生物量,用方程6.26求得：,fA=523/690=0.76,例 已知条件见例d、实际生长比率是多少？用方程6.28可得：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.3 溶解性有机物浓度和生物量,YHobs=0.17mg微生物COD/mg基质COD仅有50%的生长比率，说明了微生物衰减及维持能消耗等的影响。,在废水好氧生物处理CSTR中，成本主要来自剩余生物污泥量的处置和氧的充足供应。确定剩余生物产生量的数量及需要供应的氧的数量是非常重要的。此外，由于营养缺乏所产生的负面影响，确定营养需要量也非常重要。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.4 剩余生物量、供氧和营养要求,剩余生物量通过废液流排出反应器，单位时间需要处置的生物量就是废液微生物浓度与流量的乘积。在稳态条件下，这个数量就是微生物净产生量。以WT表示剩余微生物产生速率，即：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.4 剩余生物量、供氧和营养要求,（6.29）,将SRT和FW相关的方程6.2与XT的方程6.24相结合，得到：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.4 剩余生物量、供氧和营养要求,（6.30）,由于SS只与SRT有关，所以WT只由SRT、废水流量和基质浓度等所决定。当SRT增加，越来越多的活性生物量被氧化，转化为细胞残留物，剩余生物量产生速率下降，需要处置的剩余生物量减少，这是一种稳定化过程。,比较方程6.30和方程6.28，将后者代入前者，发现，剩余生物量的产生速率等于实际产率系数与基质去除量的乘积：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.4 剩余生物量、供氧和营养要求,（6.31）,WT的单位是单位时间产生的以COD计的总生物量。然而，实际中通常要知道需处置的干固体总量。干固体总量可用WT除以1.20gCODgSS而获得，类似于将微生物的COD浓度单位换算为固体质量单位。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.4 剩余生物量、供氧和营养要求,微生物利用氧的速率等于表6.1所列出的总速率，可用方程6.9表示。用此速率与反应器体积相乘，就可得到单位时间所需供氧量(RO),即：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.4 剩余生物量、供氧和营养要求,(6.32),用方程6.12代替，方程6.19代替，方程 代替HRT，简化后得：,(6.33),方程表明，随着CSTR反应器的SRT增加，发生在反应器内的稳定化程度提高了，减少了剩余生物量，但是消耗了更多的氧。,由于表6.1中化学计量系数源自采用COD为单位的质量平衡方程，所以方程6.33表示的也是反应器中COD平衡。反应器的需氧量应等于进入反应器的COD总量减去流出的COD总量，包括微生物的COD及其残留物的COD：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.4 剩余生物量、供氧和营养要求,(6.34),将方程6.31代入上式WT，得：,(6.35),如果产率系数已知，就可求得需氧量。,微生物生长所需的氮可由微生物经验分子式C5H7O2N求得，即0.087mgNmg微生物COD。去除单位基质COD所需氮的量（NR）就是用0.087乘以实际产率系数：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.4 剩余生物量、供氧和营养要求,（6.36）,磷的需求量约为氮的1/5，所以用0.017代替方程6.36中的0.087即可。微量元素的需求量可用类似方法参照表中的因子求出。,实际中，营养投加量应该比理论值略大一些，以保证有机基质是速率限制因素。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.4 剩余生物量、供氧和营养要求,细菌生长微量营养物需要量表,例6.1.4.1 已知条件见例a、当进水流量为1.0L/h和废液流量为0.05L/h时，所需要处置的干固体量是多少mg/L？用方程6.30计算：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.4 剩余生物量、供氧和营养要求,WT=34.5mg/h(以COD计)将它换算为干固体，除以1.20gCOD/g干固体，得到：WT=28.7mg/h(以干固体计),例6.1.4.1 已知条件见例b、需要向反应器供应的氧的量为多少mg/h？用方程6.34求：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.4 剩余生物量、供氧和营养要求,RO=1.0（2000.31）34.5=165.2 mg/h 也可用方程6.33及相应系统参数求得：,RO=165.2mg/L,例6.1.4.1 已知条件见例b、需要向反应器供应的氧的量为多少mg/h？,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.4 剩余生物量、供氧和营养要求,还可用方程6.35直接通过产率系数得出：RO=165.2mg/L 与进水流中的基质相对应的需氧量为200mg/L，以上计算满足了基质83%的需氧量要求，其余的则与剩余生物量相关，或者在系统中被浪费了。,例6.1.4.1 已知条件见例c、进水流中应该含有多少mg/L的氮和磷？用方程6.36可求出氮的浓度,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.4 剩余生物量、供氧和营养要求,NR=0.015mgN/mgCOD 因为基质COD去除量为2000.31=199.69mg/L，所以微生物将需要2.95mg/L的氮，如果再加上过量的0.5mg/L，以保证足够数量，进水流中氮的浓度应该为3.5mgN/L。,例6.1.4.1 已知条件见例c、进水流中应该含有多少mg/L的氮和磷？,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.1.4 剩余生物量、供氧和营养要求,磷的需要量大约是氮的五分之一，需要量约为0.59mg/L，再加上0.25mg/L过量考虑，进水流中磷的浓度应该为0.85mgP/L。,6.1节建立了适用于只含溶解性基质系统的简单基本模型。但是，大多数废水都含有溶解性的生物难降解有机物。而且，所有生活污水和许多工业废水都含有沉淀处理所没有去除的悬浮物质。任何完整描述CSTR反应器的模型都应该考虑这些悬浮物质的影响。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.2 基本模型的延伸,惰性有机固体在生物处理反应器中不参与反应，因此，稳态条件下，其进入反应器的浓度与离开时是相同的。然而，惰性有机固体在反应器中的浓度取决于SRT与HRT之间的相对关系，这类固体物质只能通过废液流排出反应器。参照图6.1，建立质量平衡方程，表示惰性有机物浓度：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.2.2 进水惰性有机固体,（6.43）,或,（6.44）,用V分别除以F和FW，可得到HRT和SRT：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.2.2 进水惰性有机固体,（6.45）,由于有，惰性有机固体在反应器内的浓度高于进水浓度。如果出水不经过分离器，则SRT和HRT相等，那么惰性有机固体在反应器中的浓度与进水浓度相等。,如果处理系统含有惰性固体，反应器中的悬浮固体除了活性生物量和生物残留物之外还包括这一部分。其总和称为混合悬浮固体(MLSS),用符号XM表示。MLSS的浓度等于方程6.45中的 与方程6.24中的 之加和：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.2.2 进水惰性有机固体,（6.46）,从方程可见，微生物在固体总量中所占比例随着SRT的增加而下降，活性生物量及其残留物在MLSS中所占比例随着SRT的增加而减少。,MLSS的活性比例等于活性微生物浓度与MLSS浓度之比。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.2.2 进水惰性有机固体,（6.47）,由此可见，当 比较大时，活性微生物相对于SS0的比例就比较小。活性比例系数不受SRT与HRT之比的影响，尽管MLSS不是这样。因此，在生物处理反应器中要维持比较高比例的活性生物量就必须尽量减少惰性悬浮固体进入反应器。,如节所述，实际产率系数定义为去除单位质量的基质所产生的微生物量。所以，惰性物质存在对它没有影响。惰性物质的存在会增加需要处置的固体物质的流量。用WM表示MLSS的排放流量，称为固体排放量：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.2.2 进水惰性有机固体,（6.48）,惰性固体在生物处理反应器中不影响氧需求量。,（6.49）,进水中存在的微生物所引起的影响可用方程6.10列出相应的质量平衡方程来确定，进水微生物浓度为。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.2.3 进水微生物,方程6.50表明，进水微生物的存在会降低反应器内微生物与SRT相匹配的比增长速率，而且进水微生物浓度越高，比增长速率越小。这意味着，当两个生物处理反应器的SRT和HRT相同时，进水流含有活性微生物的那个反应器出水基质浓度会低一些。,（6.50）,关于出水基质浓度，基质的质量平衡方程没有改变，方程6.18有效，将方程6.50代入 得：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.2.3 进水微生物,比较方程6.51和方程6.20可以发现，进水不含微生物的反应器其活性微生物浓度反而比较高。括号内分为两个部分。右边一项属于新生长微生物的贡献，左边属于进水微生物的贡献。需注意，由于微生物衰减，后者的数值低于进水带入的微生物浓度。,（6.51）,将方程6.51代入方程6.50，再将所得到的方程代入，可得到关于基质浓度的二次方程：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.2.3 进水微生物,利用这个公式可以先计算基质浓度，再求微生物浓度。,（6.52）,进水中任何微生物残留物都属于惰性固体，此外，进水微生物和反应器中微生物还会通过衰减产生残留物。所以总的微生物残留物浓度为：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.2.3 进水微生物,式中，进水中微生物残留物的浓度。括号中第一项是进水微生物残留物浓度，第二项是进水微生物衰亡所产生的残留物，最后一项是反应器中的微生物在生长和衰亡过程所产生的残留物。,（6.53）,MLSS的浓度等于活性微生物与残留物之和：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.2.3 进水微生物,括号中第一项是进水微生物残留物，第二项是进水微生物的贡献，第三项是微生物利用基质生长的贡献。,（6.54）,CSTR反应器进水含有微生物的一个最大作用是可以降低SSmin，即处理能够达到的最小基质浓度。在节，通过使SRT无限增加，而使 接近零，从而计算出SSmin。如果假设SSmin与SS0相比可以忽略，那么：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.2.3 进水微生物,比较方程6.55和方程6.14可以明显地看出，当进水有微生物时，SSmin将变小。,（6.55）,如果用 代表进水含有微生物时SSmin与没有微生物时的SSmin之比，即：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.2.3 进水微生物,由于 通常远远小于，可以从方程中去掉，即：,（6.56）,（6.57）,从方程6.56和方程6.57可以看出，SSmin减少的程度取决于进水微生物浓度与基质浓度的相对比值。这表明，当CSTR反应器无法达到要求的SSmin时，可通过向进水流投加活性微生物来实现。,进水含有微生物的另一个作用是可以防止CSTR反应器中微生物流失。在这种情况下，最小固体停留时间就与反应器进水中没有微生物时的定义不同。但是，基质在非常短的SRT下的去除程度取决于进水中的微生物浓度，具体见方程6.52。如果确定了SRT，即：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.2.3 进水微生物,（6.58）,因此，进水流中微生物浓度越高，基质去除率越大，即使SRT非常小。方程6.52和方程6.57可用来衡量有目的投加微生物对处理效果可能产生的影响。,在这种情况下，6.52式写为：,（6.59）,或,（6.60）,进水流中微生物会影响CSTR中悬浮固体的活性比例。根据活性比例的定义得：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.2.3 进水微生物,比较方程6.26和方程6.47，可以发现：1、如果进水微生物都是活性的，即 为零，那么活性比例系数与反应器没有接受任何固体进入时的相同，即方程6.61还原为方程6.26；2、如果进水微生物都是残留物而没活性，方程6.61还原为方程6.47。3、如果进水中既有活性微生物又有残留物，即最接近实际的情况，反应器中活性比例取决于进水流中微生物活性比例，但数值不同。进水微生物对活性比例的影响是采用工艺负荷因子作为反应器设计参数的一个缺点。当存在惰性固体时，SRT更容易与微生物比增长速率相关联，因而与处理性能相关联。,（6.61）,进水含有微生物会导致反应器中需要处置的固体的增加。MLSS排放量的基本定义是废液排放流量FW与MLSS浓度的乘积。用方程6.54表示XM，并结合SRT和HRT的定义，得：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.2.3 进水微生物,微生物活性不影响进入反应器的细胞残留物，所以它的排放量等于进入流量。活性微生物在进入反应器发生衰减，所以其排出量小于进入量，其含量可用方程6.62括号中第二项表示。新的微生物是利用基质进行生长而产生的，它也必须排出生物反应器，这一项可用括号中的最后一项表示。从方程6.62中的最后一项可看出，反应器进水含有微生物时生成的新的微生物量表达式与进水不含微生物时相同。所以进水中的微生物对实际产率没有影响。,（6.62）,对于进水中既有溶解性基质又有微生物的CSTR，其需氧量方程与方程6.32相同，因为该方程是从反应总速率方程6.9推导得来，与进水性质无关。进水性质可以采用合适的方程代入 和而包括进来。用方程6.50和方程6.51分别代入这两个参数项，得到：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.2.3 进水微生物,括号中第一项是与进水微生物相关的氧需要量，第二项是与溶解性基质去除相关的氧需要量。,（6.63）,通常，反应器排出的固体废物会进入一个CSTR反应器，使剩余生物量达到稳定化再进行最终处置。此时，CSTR反应器进水中的MLSS浓度非常高，而溶解性基质浓度非常低。在这种情况下，不再考虑出水溶解性基质的浓度。方程6.51、方程6.53、方程6.54、方程6.62和方程6.63等可简化为：,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.2.3 进水微生物,（6.64）,（6.65）,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.2.3 进水微生物,关于活性微生物的方程6.61没有变。式中，F进入反应器的流量。注意：在这种条件下的流量通常来自于另一个反应器，例如固体废液流。而且，进流中只含有微生物的反应器一般没有分离器，全部出流都进入固体脱水装置。在这种情况下，SRT和HRT相等，可使方程6.64方程6.68得到进一步简化。,（6.66）,（6.67）,（6.68）,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.2.4 进水颗粒态可生物降解有机物质,除了一些工业废水，大多数废水都含有有机颗粒物质，其中许多是可生物降解的。即使经过沉淀池后，水流中仍然存在许多有机颗粒物质。因此，需要在建立模型过程中考虑这些可生物降解的颗粒有机物质，以便准确地反映废水生物处理过程。有机颗粒物质需要通过水解反应才能被微生物吸收利用。模型中应该包含专门的一个反应项代表颗粒状基质转化为溶解性基质的过程。但是，加入水解反应这一项会使模型复杂化，可能难以获得显性方程。因此，6.1节的基本模型没有这一项，不能用于含有颗粒状的可生物降解有机物的反应过程。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.3 生物量回流和排出方式,关于分离器的特性：在实验室小型规模研究中，与图6.1非常类似的反应器得到应用。一种设计方案是，生物量所在的反应容器中有多孔墙，能够排出清水流而将微生物截流在里面，废液流直接从反应器中排出。另一种设计方案是采用切线方向流的膜过滤器作为分离器，大量的循环水流从反应器中流出，经过滤膜，返回反应器，少量通过过滤后被分离出来作为出水。同样，剩余生物废液也是直接从反应器排出。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.3 生物量回流和排出方式,几乎所有生产规模的生物反应器系统都采用沉淀来分离剩余生物量，因此许多实验规模生物处理反应器也采用这种方法。内置式上向流澄清池，利用反应器中一个静止的区域使水流从底部进入，通过设计，可以使上向流速度小于生物絮凝的沉淀速度，排除得到澄清的出水，而生物仍然留在反应器内，废液直接从生物处理反应器中排出。实际中最经常采用的是外置式澄清池，一部分得到浓缩的固体回流进入反应器，称为固体（或生物量）循环。两个类似系统：Garrett工艺，该系统显著的特点是废液直接从生物处理反应器中排出。传统工艺，在实际中应用得比较多，其明显特点在于剩余生物量从浓缩过的固体循环流中排出。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.3 Garrett工艺,Garrett工艺的主要特点是适用于体积被固定的CSTR反应器，其SRT只能由固体废物排出速率FW控制，生物处理反应器的运行性能与固体循环流量Fr无关。这意味着循环回流的流量可用来优化控制沉淀过程的运行，从而保证所有的生物量都能返回生物处理反应器。,图2（a）有生物量沉淀回流的CSTR示意图 Garrett系统，剩余生物量直接从反应器排出,FW、SS、XB，H、XD,F、SS0,F-FW、SS,F-FW+F,V、SS、XB，H、XD,Fr=F,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.3 Garrett工艺,生物处理反应器是完全混合式的，所以反应器出流组分浓度与进入沉淀池水流浓度相同。如果沉淀池运行得合理，其固体悬浮层可以比较小，则沉淀池中停留的生物量小于生物处理反应器中的生物量。作用：1、沉淀池中发生的反应非常少，因此回流水流中溶解性物质浓度与生物反应器中相同，回流水流中的溶解性组分对系统运行没有影响。而且，由于沉淀池是理想式的，那么所有生物量都回流进入反应器，回流系统也不会影响反应器生物量。2、SRT仍然由方程6.1表示，而且废液流中微生物的浓度与生物处理反应器中的浓度相同，所以方程6.2仍然适用。这就意味着，Garrett工艺符合6.1节和6.2节中的理想情形，其中的方程可以直接使用。因为回流的流量并不出现在方程中，SRT不受回流流量的影响，所以不会影响生物处理反应器的运行性能。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.3 传统工艺,由于循环水流中（包括污泥出流）的固体浓度高于生物处理反应器中的浓度，所以方程6.2不再适用，但方程6.1仍然有效。而且，方程6.1中固体浓度是回流流量的函数。因此，了解传统工艺中回流对生物处理反应器影响的关键在于理解回流流量对回流固体浓度的影响。,图2（b）有生物量沉淀回流的CSTR示意图传统工艺，剩余生物量直接从回流中排出,FW、SS、XB，H、XD,F、SS0,F-FW、SS,F+F,V、SS、XB，H、XD,Fr=F,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.3 传统工艺,废液中任何一种组分的浓度与固体回流水流中的浓度相等。回流水流中活性微生物与MLSS浓度的比例与反应器中的比值相同。因此，可列出MLSS经过沉淀池系统的质量平衡方程，确定X/XW，代入方程6.1，从而可以根据回流流量确定SRT。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.3 传统工艺,假设沉淀池是理想式的，其中不发生反应，稳态条件下的质量平衡方程表明，进入沉淀池的MLSS等于离开时的含量，即：,（6.69）,式中，,回流MLSS的浓度,剩余生物污泥浓度XMW等于，将方程6.69代入方程6.1，得到：,（6.70）,这说明，传统工艺系统的SRT除了与剩余污泥流量和反应器体积有关外，还取决于进水流量和回流流量。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.3 传统工艺,（6.71）,这个方程表明，1、一旦回流流量发生变化，剩余污泥流量需要做相应调整以维持SRT恒定。相反，如果采用Garrett工艺，则不需要调整剩余污泥流量。2、一旦进水发生变化，则传统工艺的剩余污泥流量必须随之进行调整。而Garrett工艺则不需要这样做。一旦认识到回流流量对SRT的影响，那么从6.1节到6.2节所有根据SRT参数推导的系统方程均可使用，因为回流流量在SRT固定时对方程没有直接影响。它通过影响SRT而发挥间接影响。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.4 模型预测CSTR运行性能,本章模型的主要作用:帮助我们理解CSTR在不同条件下的运行状况,即:SRT、进水中投加惰性固体和微生物、高温和低温两种条件下的动力学参数和化学计量系数对生物处理反应器运行性能的影响。,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.4.1 SRT的影响,注：a.除非特别规定。,表6.2 动力学参数、化学计量系数和系统变量,第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.4.1 SRT的影响,图6.3 SRT对进水只含溶解性基质CSTR内基质浓度的影响（动力学参数和化学计量系数见表6.2）,SRT/h,基质浓度/(mg/L),第六章 单级连续搅拌式生物处理反应器,6.4.1 SRT的影响,图6.3表明SRT对溶解性基质浓度的影响。对表6.2中的参数值来说，SRT最小值为2.24h，此时出水基质浓度等于进水基质浓度。这个数值称为生物处理反应器的流失点。随着SRT增加，即使SRT比较低，微生物开始生长，基质得到相应的去除。例如，当SRT稍大于4h，就能够使基质浓度从50