出　　自： 《中國給水排水》 1992年第4期第24頁
發表時間： 1992-4

彭永臻

( 哈爾濱建筑工程學院)

編者按:
為了活躍學術討論氣氛，上期刊出了鄧培德《城市暴雨公式統計中的若干問題》一文，本期又刊登彭永臻《對話性污泥法動力學公式及幾個參數的探討》和羅少華《法規的屬性與水質標準》等文。歡迎廣大讀者來稿，各抒已見，提出不同的觀點和看法，以利于給水排水事業的發展。
最近拜讀了王志盈和謝晉肅同志發表在《中國給水排水》1990年第4期上的“活性污泥動力學公式中幾個參數含義的探討與分析”(以下簡稱原文)一文，獲益非淺，頗受啟發。該文以微生物生化反應的能量代謝為基點，進行較嚴謹的動力學公式推導，并對公式中幾個參數的含義及影響因素作了很深入的探討，值得一讀。
目前活性污泥法動力學仍然處于不斷完善與發展之中。筆者以原文內容為基礎，對動力學公式的應用條件及某些參數的物理意義與參數值的確定等問題，提出一些不同看法。公式序號與參數的符號仍與原文保持一致。

1 關于公式推導與參數的物理意義

以氧為基準的物質平衡中，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——某時刻底物濃度S與降解過程
開始時底物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 ——單位容積反應器的呼吸需氧量，kgO 2 /m 3
C——單位重量產物完全氧化需氧量 kgO2/kg
△Cp——單位容積反應器的產物生成量，kg/m 3
式中C△Cp一項是否為零，取決于生化反應產物Cp中是否含有氨氮(NH 3 )及亞硝酸鹽氮( )等還原性產物。城市污水與許多工業廢水中都含有蛋白質、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的污泥齡θc(d)與出水底物濃度S，硝化細菌的世代時間長，只有在高污泥齡與其它適宜條件下才能很好地繁殖(這時出水底物濃度也很低)，大多數活性污泥法廢水處理廠很難達到這一階段。原文根據在底物完全氧化時，還原性產物生成量為零，將式(5)簡化成
A(-△S)=B(△x)十△O 2 (5′)然后以式(5′)為基礎，推導出與污泥齡、出水底物濃度有關的最終方程

顯然式(23)的成立是建立在含氮有機物完全硝化基礎上的，而式(23)中的污泥齡θc正是決定硝化程度的最重要參數，因此，式(23)與有關方程式的應用具有較大的局限性，或者說會產生不可忽視的誤差。
下面對幾個參數的物理意義作進一步討論。原文在導出式(21)后指出:μ表示活性污泥比增長率(=△x/x△t)；b′/B表示單位重量的活性污泥在單位時間內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 表示單位容積反應器內活性污泥的維持需氧量。對此，筆者提出一些不同看法:μ應稱為比活性污泥(或微生物)凈增長速率(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的凈增長，否則原文指出的μ=1/θc，將不能成立；b或Kd應表示單位重量的活性污泥在單位時間內由于自身氧化分解(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。在一定環境條件下b或Kd是動力學常數，其大小與污泥齡無關，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，這些增長的污泥大都被完全自身氧化掉；xm。表示單位時間內單位容積反應器內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的單位應改為mol ATP/kgO 2 ；式(8)、式(10)~式(12)與式(21)中的乘號×應改為x，否則上述公式不成立，量綱也不統一。

2 活性污泥法動力學公式的應用與參數的確定

應當看到，到目前為止活性污泥法動力學公式的建立與發展，仍然處于半經驗半理論階段，其參數的取值也要通過試驗來確定。原文認為，查明了廢水中組成底物的有機物成分，A值是可以計算的。并且以含氮有機物為酪蛋白(C 8 H 12 N 2 O 3 )的有機合成廢水為例，根據其氧化反應方程式，計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。筆者認為這里參數A的單位并不是前面已經定義了的kgO 2 /kg BOD，BOD量與底物重量是有區別的。更重要的是，幾乎不存在只含有一、二種有機物的工業廢水，實際的城市污水與工業廢水的有機物成分是非常復雜的，其有機物種類之多不僅定量測定分析是不可能的，甚至定性分析都是很困難的。因此，寫出各種有機物氧化反應方程式，然后計算它們的需氧量A值是不可能的，也是沒有必要的。正因為如此，常用BOD、COD等綜合耗氧指標來相對地表示廢水中有機物含量，而不用其重量濃度?？傊?，A值必須通過試驗來確定。
活性污泥微生物的組成與廢水中有機物成分一樣，也是非常復雜的，很難用一般分子式C 5 H 7 NO 2 來表示。而且實際的活性污泥中，只有20~50%活的微生物，其余為固體有機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 〔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的數值也必須通過試驗來確定。
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 )的關系式為

當底物去除速率用一級反應方程式表示時，有

式中K s ——飽和常數，kgBOD/m 3
a——活性污泥產率系數
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
原文認為，式(3)和式(4)沒有反映需氧因素，對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。然后對推導出的式(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。筆者認為，原文中提出的上述觀點原則上是正確的，能把需氧和溶解氧因素反映在動力學公式中，無疑有助于動力學公式能更客觀地描述反應器內底物利用和活性污泥增長的規律。然而，不容置疑的是，目前被廣泛應用的活性污泥法動力學公式[包括式(3)與式(4)在內]的推導與建立的基本條件是處理系統處于穩定狀態，這些公式中也只能在穩定狀態的范圍內應用 [2、33、4] 。所謂穩定狀態是指曝氣池內的環境條件如溫度、溶解氧濃度、廢水中有機物組成與運行條件如混合液活性污泥濃度、進水流量及其底物濃度等都不隨時間變化。這是因為如果溫度、溶解氧或底物成分發生變化，不僅微生物的生理狀態甚至參與生化反應的微生物種屬也發生變化，那么就連生化反應的動力學常數K、K s 、a、b、a′、b′等也將隨時間變化而不是常數。污泥齡θc的定義是

它也只有在穩定狀態下才能成立。因為只有曝氣池內活性污泥濃度不變，每日排放的剩余污泥量才等于每日增長的污泥量，θc=1/μ才能成立，它的應用確實有很大的局限性 〔6〕 。簡單地說，目前的動力學公式可以應用于不同的廢水水質、溫度、溶解氧濃度等環境條件和不同的污泥齡、活性污泥濃度、出水底物濃度等運行控制條件下，但是這些條件不能隨時間變化，而應處于穩定狀態。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，動力學常數才能不變，動力學公式才能成立。因此，在穩定狀態下處理系統的需氧速率完全由污泥齡決定，可由原文中的式(2)來計算，而沒有必要在式(3)和式(4)中反映需氧因素，這時控制污泥齡就能控制出水質量。而對于非穩定狀態，包括原文中式(23)在內的動力學公式本身也都不成立，現行的污泥齡也必須重新定義。
實際上的城市污水或工業廢水的水質、水量是隨時間不斷變化的，維持理想的穩定狀態也是困難的，從這點意義來說，應當進一步研究適用于非穩定狀態下的動力學。在活性污泥法廢水處理系統中，由多種底物與微生物決定的生物化學反應是非常復雜的，其動力學常數即使通過試驗來確定也僅僅是近似值。

3 參考文獻

1合葉修一，永井史郎，生物化學工學——反應速度論，科學技術社(1975)；
2 Metcalf and Eddy.Inc，Wastewater Engineering，Mcgraw Hiu Book Company(1979)
3 Benefield，L.D.and Randall，C.W.Biological Process Design for Wastewater Tratment，Prentice-Hall，Inc.(1980)；
4 C.P.小萊斯利·格雷迪等編著，李獻文等譯，廢水生物處理理論與應用，中國建筑工業出版社(1989)；
5張自杰、彭永臻，對現行污泥齡定義的質疑及對它的修正建議，環境科學，5(1)，(1984)。