哥萊夫模式的演變

蘇 潔 蔡章滔

(1.長安大學環境科學與工程學院，陜西西安 710064;2.中國西北市政成都分院，四川成都 610000)

1 概述

活性污泥處理技術，是通過采取一系列人工強化、控制的技術措施，使活性污泥微生物所具有的，以對有機物氧化、分解為主體的生理功能，得到充分發揮，以達到污水凈化的目的生物處理技術。早期傳統的活性污泥方法是以實踐經驗為依據，通過曝氣時間t來進行設計和控制運行的。前蘇聯學者柯羅里科夫和巴謝金娜根據污水的入流濃度、曝氣強度和布氣設備對曝氣過程的影響進行計算曝氣時間，但仍未從微生物的增值規律去闡明曝氣池中生化過程的內在聯系。隨著生物處理動力學的發展，在底物降解動力學、微生物增值動力學等基礎之上，哥萊夫研究出原水水質與出水水質之間的關系，即當入流底物濃度增加時，要保持相同的出流水質，必須采用較大的污泥齡。

2 哥萊夫模式的形成過程

2.1 分批培養的莫諾模式

1942年莫諾在以純菌種對單純化合物的分批培養研究基礎上，以酶促反應為基礎推出了底物濃度與微生物增值速度之間的關系式:

其中，(dx/dt)為生物量增值率(質量/體積·時間);(dx/dt)/x=u為任意時刻的微生物量相對增值率是一個常數;u為每單位生物量的增值率;q為每單位生物量的底物利用率;(ds/dt)/x=v為每單位生物量的底物降解率;Y為產率，微生物所利用的底物所產生(合成)的活性微生物量(以VSS表示)。

式(1)基于一般情況，即菌種接種量較少時。當處于對數增值期或營養連續供給的情況下，衰減型的生長曲線不能很好的用此公式進行擬合。此時，假設在微生物比增值速率與底物的比降解速率之間存在式(2)的比例關系:

其中，a為比例常數。

因此，同比增值速率u相對應的比底物降解速率v可用式(3)表示:

其中，v為比底物降解速率，時間－1;vmax為底物的最大比降解速率，時間－1;s為限制增值底物的濃度(質量/體積);Ks為常數(質量/體積)，當 Ks=s時，2v=vmax。

從式(3)可以得出，當高底物濃度時，底物以最大的速度被降解，而與底物濃度無關，在此變化范圍內，遵循零級反應，即v=vmax;當低底物濃度時，底物的降解遵循一級反應，即v=Ks。

對于連續運行的反應器而言，由此方法確定出Ks與vmax的關系，表示為式(4):

其中，s為經t時處理后的底物濃度;t為曝氣池水里停留時間。

式(4)成立條件:穩定運行，s0不變，低底物濃度。

2.2 勞倫斯—麥卡蒂模式

根據莫諾關系式(4)演變，得出勞倫斯—麥卡蒂的第二個基本方程式，即底物利用率與曝氣池中微生物濃度、微生物周圍的底物濃度之間的關系，見式(5):

其中，k為單位生物量的最大底物利用率(在高底物濃度時得到的)，時間－1;s為微生物周圍的底物濃度(質量/體積);Ks為系數，等于時的底物濃度，又稱為半速率系數。

根據式(5)，推導出式(6):

當底物的去除速率v等于底物的利用速率q時，根據式(3)，則有:

處于有污泥回流的完全混合系統模式中(見圖1)。

圖1 完全混合活性污泥法工藝流程

該圖中基本參數說明:

Q為流入曝氣池的原生污水流量;s0為原生污水中底物濃度;V為曝氣池容積;Xa為曝氣池中和曝氣池出流中的生物量濃度;se為處理后出流中的底物濃度;R為污泥回流比;Qw為剩余污泥排放量;Xr為二次沉淀池底流中的生物量濃度;Xe為二次沉淀池出流中的生物量濃度。

對上述整個系統進行物料衡算:

［系統內生物量凈變化速率］=［系統內生物量的凈增長率］－［系統內生物量的排出率］。用數學式表達如下:

當處于穩態條件下，(dx/dt)=0，有式(10):

進一步簡化，得:

式(11)清楚地表示了生物固體停留時間與底物利用率、微生物自身氧化率之間的關系。

將式(7)代入式(11)，推出有污泥回流的完全混合系統的出水水質，見式(12):

整理有式(13):

式(13)表明，系統的出流水質僅是生物固體停留時間的函數，而與其他因素無關。

2.3 哥萊夫公式

根據式(13)可以得出以下兩點結論:

1)在確定生物動力學各系數值時，就不再要求試驗時的入流底物濃度與現場的實際情況相一致;

2)當用θc作為處理工藝的控制參數時，不需要進行多種項目的水質監測。只要θc保持恒定，則入流底物濃度的變化將只影響生物量濃度，而出流水質則將保持不變。

但在實際情況中，入流底物濃度是時刻存在變化的，有時變化會很明顯，對出流水質便會產生極大的影響。為解決此種實際情況，將哥萊夫公式代入式(13)，則可得到下列方程式:

解此方程，得:

顯然，式(15)表明，當入流底物濃度增加時，要保持相同的出流水質，必須采用較大的θc值。