出　　自： 《中國給水排水》 1992年第4期第24頁
發(fā)表時(shí)間： 1992-4

彭永臻

( 哈爾濱建筑工程學(xué)院)

編者按:
為了活躍學(xué)術(shù)討論氣氛，上期刊出了鄧培德《城市暴雨公式統(tǒng)計(jì)中的若干問題》一文，本期又刊登彭永臻《對(duì)話性污泥法動(dòng)力學(xué)公式及幾個(gè)參數(shù)的探討》和羅少華《法規(guī)的屬性與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》等文。歡迎廣大讀者來稿，各抒已見，提出不同的觀點(diǎn)和看法，以利于給水排水事業(yè)的發(fā)展。
最近拜讀了王志盈和謝晉肅同志發(fā)表在《中國給水排水》1990年第4期上的“活性污泥動(dòng)力學(xué)公式中幾個(gè)參數(shù)含義的探討與分析”(以下簡(jiǎn)稱原文)一文，獲益非淺，頗受啟發(fā)。該文以微生物生化反應(yīng)的能量代謝為基點(diǎn)，進(jìn)行較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膭?dòng)力學(xué)公式推導(dǎo)，并對(duì)公式中幾個(gè)參數(shù)的含義及影響因素作了很深入的探討，值得一讀。
目前活性污泥法動(dòng)力學(xué)仍然處于不斷完善與發(fā)展之中。筆者以原文內(nèi)容為基礎(chǔ)，對(duì)動(dòng)力學(xué)公式的應(yīng)用條件及某些參數(shù)的物理意義與參數(shù)值的確定等問題，提出一些不同看法。公式序號(hào)與參數(shù)的符號(hào)仍與原文保持一致。

1 關(guān)于公式推導(dǎo)與參數(shù)的物理意義

以氧為基準(zhǔn)的物質(zhì)平衡中，底物完全氧化的需氧量A(-△S)等于合成的活性污泥完全氧化的需氧量B(△x)，呼吸需氧量△O 2 與產(chǎn)物完全氧化需氧量C△Cp之和 〔2〕 ，如式(5)所示
A(-△S)=B(△x)十△O 2 十C△Cp(5)
式中A——單位重量底物完全氧化需氧量 kgO 2 /kgBOD
△S——某時(shí)刻底物濃度S與降解過程
開始時(shí)底物S 0 之差，即-△S= S-S 0 ，kgBOD/m 3
B——單位重量活性污泥完全氧化的需氧量，kgO 2 /kgMLVSS
△O2 ——單位容積反應(yīng)器的呼吸需氧量，kgO 2 /m 3
C——單位重量產(chǎn)物完全氧化需氧量 kgO2/kg
△Cp——單位容積反應(yīng)器的產(chǎn)物生成量，kg/m 3
式中C△Cp一項(xiàng)是否為零，取決于生化反應(yīng)產(chǎn)物Cp中是否含有氨氮(NH 3 )及亞硝酸鹽氮( )等還原性產(chǎn)物。城市污水與許多工業(yè)廢水中都含有蛋白質(zhì)、尿素、氨氮等含氮化合物，這些化合物是否能被徹底氧化成硝酸鹽氮( )，取決于活性污泥法處理系統(tǒng)的污泥齡θc(d)與出水底物濃度S，硝化細(xì)菌的世代時(shí)間長(zhǎng)，只有在高污泥齡與其它適宜條件下才能很好地繁殖(這時(shí)出水底物濃度也很低)，大多數(shù)活性污泥法廢水處理廠很難達(dá)到這一階段。原文根據(jù)在底物完全氧化時(shí)，還原性產(chǎn)物生成量為零，將式(5)簡(jiǎn)化成
A(-△S)=B(△x)十△O 2 (5′)然后以式(5′)為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出與污泥齡、出水底物濃度有關(guān)的最終方程

顯然式(23)的成立是建立在含氮有機(jī)物完全硝化基礎(chǔ)上的，而式(23)中的污泥齡θc正是決定硝化程度的最重要參數(shù)，因此，式(23)與有關(guān)方程式的應(yīng)用具有較大的局限性，或者說會(huì)產(chǎn)生不可忽視的誤差。
下面對(duì)幾個(gè)參數(shù)的物理意義作進(jìn)一步討論。原文在導(dǎo)出式(21)后指出:μ表示活性污泥比增長(zhǎng)率(=△x/x△t)；b′/B表示單位重量的活性污泥在單位時(shí)間內(nèi)維持代謝與自身氧化分解的需氧量占污泥完全氧化需氧量的比率，在活性污泥中以b或Kd表示；xm 0 表示單位容積反應(yīng)器內(nèi)活性污泥的維持需氧量。對(duì)此，筆者提出一些不同看法:μ應(yīng)稱為比活性污泥(或微生物)凈增長(zhǎng)速率(net rate of specific biomass growth，1/d)〔2〕 ，這里的“比”表示單位重量的活性污泥，“凈”表示包括由于污泥自身氧化減少量在內(nèi)的凈增長(zhǎng)，否則原文指出的μ=1/θc，將不能成立；b或Kd應(yīng)表示單位重量的活性污泥在單位時(shí)間內(nèi)由于自身氧化分解(含維持代謝)的污泥量，即活性污泥自身氧化分解速率(氧化分解的kgMLVSS/kgMLVSS·d，或1/d)，它的物理意義和量綱都是速率而不是比率。在一定環(huán)境條件下b或Kd是動(dòng)力學(xué)常數(shù)，其大小與污泥齡無關(guān)，而污泥自身氧化的需氧量占污泥完全氧化需氧量的比率，則完全取決于污泥齡的大小。例如在延時(shí)曝氣(完全氧化)活性污泥法中，幾乎沒有剩余的活性污泥，這些增長(zhǎng)的污泥大都被完全自身氧化掉；xm。表示單位時(shí)間內(nèi)單位容積反應(yīng)器內(nèi)活性污泥維持代謝的需氧量(kgO 2 /m 3 ·d)。
順便指出，原文中YA/o的單位應(yīng)改為mol ATP/kgO 2 ；式(8)、式(10)~式(12)與式(21)中的乘號(hào)×應(yīng)改為x，否則上述公式不成立，量綱也不統(tǒng)一。

2 活性污泥法動(dòng)力學(xué)公式的應(yīng)用與參數(shù)的確定

應(yīng)當(dāng)看到，到目前為止活性污泥法動(dòng)力學(xué)公式的建立與發(fā)展，仍然處于半經(jīng)驗(yàn)半理論階段，其參數(shù)的取值也要通過試驗(yàn)來確定。原文認(rèn)為，查明了廢水中組成底物的有機(jī)物成分，A值是可以計(jì)算的。并且以含氮有機(jī)物為酪蛋白(C 8 H 12 N 2 O 3 )的有機(jī)合成廢水為例，根據(jù)其氧化反應(yīng)方程式，計(jì)算出每克底物氧化的需氧量A=1.21gO 2 /g(底物)，每克活性污泥完全氧化的需氧量B=1.42gO 2 /gMLVSS。筆者認(rèn)為這里參數(shù)A的單位并不是前面已經(jīng)定義了的kgO 2 /kg BOD，BOD量與底物重量是有區(qū)別的。更重要的是，幾乎不存在只含有一、二種有機(jī)物的工業(yè)廢水，實(shí)際的城市污水與工業(yè)廢水的有機(jī)物成分是非常復(fù)雜的，其有機(jī)物種類之多不僅定量測(cè)定分析是不可能的，甚至定性分析都是很困難的。因此，寫出各種有機(jī)物氧化反應(yīng)方程式，然后計(jì)算它們的需氧量A值是不可能的，也是沒有必要的。正因?yàn)槿绱?，常用BOD、COD等綜合耗氧指標(biāo)來相對(duì)地表示廢水中有機(jī)物含量，而不用其重量濃度。總之，A值必須通過試驗(yàn)來確定。
活性污泥微生物的組成與廢水中有機(jī)物成分一樣，也是非常復(fù)雜的，很難用一般分子式C 5 H 7 NO 2 來表示。而且實(shí)際的活性污泥中，只有20~50%活的微生物，其余為固體有機(jī)物及死亡的微生物體等〔3〕 ，也即用MLVSS表示污泥濃度，不能反映其中微生物所占的比率。更應(yīng)注意到MLVSS中微生物所占的比率與污泥齡θc的大小密切相關(guān) 〔3〕 。因此，在活性污泥(用MLVSS 表示)中微生物所占的比率以及它們的組成是難于確定的，單位重量活性污泥完全氧化的需氧量B的數(shù)值也必須通過試驗(yàn)來確定。
表示完全混合式活性污泥法中污泥齡θc與處理水中底物濃度S(kgBOD/m 3 )的關(guān)系式為

當(dāng)?shù)孜锶コ俾视靡患?jí)反應(yīng)方程式表示時(shí)，有

式中K s ——飽和常數(shù)，kgBOD/m 3
a——活性污泥產(chǎn)率系數(shù)
b——活性污泥自身氧化分解速率，1/d
K——底物最大比利用速率，1/d
原文認(rèn)為，式(3)和式(4)沒有反映需氧因素，對(duì)好氧處理來說是不足的，所以它必然以假定溶解氧不受限制為條件。然后對(duì)推導(dǎo)出的式(23)作了分析后指出，保證足夠的溶解氧，使其至少滿足維持需氧與自身氧化分解需氧，是污泥齡控制的必要條件。筆者認(rèn)為，原文中提出的上述觀點(diǎn)原則上是正確的，能把需氧和溶解氧因素反映在動(dòng)力學(xué)公式中，無疑有助于動(dòng)力學(xué)公式能更客觀地描述反應(yīng)器內(nèi)底物利用和活性污泥增長(zhǎng)的規(guī)律。然而，不容置疑的是，目前被廣泛應(yīng)用的活性污泥法動(dòng)力學(xué)公式[包括式(3)與式(4)在內(nèi)]的推導(dǎo)與建立的基本條件是處理系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，這些公式中也只能在穩(wěn)定狀態(tài)的范圍內(nèi)應(yīng)用 [2、33、4] 。所謂穩(wěn)定狀態(tài)是指曝氣池內(nèi)的環(huán)境條件如溫度、溶解氧濃度、廢水中有機(jī)物組成與運(yùn)行條件如混合液活性污泥濃度、進(jìn)水流量及其底物濃度等都不隨時(shí)間變化。這是因?yàn)槿绻麥囟?、溶解氧或底物成分發(fā)生變化，不僅微生物的生理狀態(tài)甚至參與生化反應(yīng)的微生物種屬也發(fā)生變化，那么就連生化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)常數(shù)K、K s 、a、b、a′、b′等也將隨時(shí)間變化而不是常數(shù)。污泥齡θc的定義是

它也只有在穩(wěn)定狀態(tài)下才能成立。因?yàn)橹挥衅貧獬貎?nèi)活性污泥濃度不變，每日排放的剩余污泥量才等于每日增長(zhǎng)的污泥量，θc=1/μ才能成立，它的應(yīng)用確實(shí)有很大的局限性 〔6〕 。簡(jiǎn)單地說，目前的動(dòng)力學(xué)公式可以應(yīng)用于不同的廢水水質(zhì)、溫度、溶解氧濃度等環(huán)境條件和不同的污泥齡、活性污泥濃度、出水底物濃度等運(yùn)行控制條件下，但是這些條件不能隨時(shí)間變化，而應(yīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。這就是說，原文提出的僅僅假定溶解氧不受限制是不夠的，而且溶解氧濃度必須維持不變，動(dòng)力學(xué)常數(shù)才能不變，動(dòng)力學(xué)公式才能成立。因此，在穩(wěn)定狀態(tài)下處理系統(tǒng)的需氧速率完全由污泥齡決定，可由原文中的式(2)來計(jì)算，而沒有必要在式(3)和式(4)中反映需氧因素，這時(shí)控制污泥齡就能控制出水質(zhì)量。而對(duì)于非穩(wěn)定狀態(tài)，包括原文中式(23)在內(nèi)的動(dòng)力學(xué)公式本身也都不成立，現(xiàn)行的污泥齡也必須重新定義。
實(shí)際上的城市污水或工業(yè)廢水的水質(zhì)、水量是隨時(shí)間不斷變化的，維持理想的穩(wěn)定狀態(tài)也是困難的，從這點(diǎn)意義來說，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步研究適用于非穩(wěn)定狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)。在活性污泥法廢水處理系統(tǒng)中，由多種底物與微生物決定的生物化學(xué)反應(yīng)是非常復(fù)雜的，其動(dòng)力學(xué)常數(shù)即使通過試驗(yàn)來確定也僅僅是近似值。

3 參考文獻(xiàn)

1合葉修一，永井史郎，生物化學(xué)工學(xué)——反應(yīng)速度論，科學(xué)技術(shù)社(1975)；
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4 C.P.小萊斯利·格雷迪等編著，李獻(xiàn)文等譯，廢水生物處理理論與應(yīng)用，中國建筑工業(yè)出版社(1989)；
5張自杰、彭永臻，對(duì)現(xiàn)行污泥齡定義的質(zhì)疑及對(duì)它的修正建議，環(huán)境科學(xué)，5(1)，(1984)。