作的稳定性和安全系数的话，水力停留时间会延长，这是延时曝气系统的特征。
2．5 动力学数据
任何生物处理系统设计的成功，取决于利用适当的动力学数据。生活污水方面的典型动力学数据往往可以在文献中找到，即便如此，设计工程师们也必须结合自己的细心判断来利用这些数据。“典型的”生活污水是根本不存在的。
只要有可能，就应该通过小试、最好是中等规模的导试来确定动力学常数。麦卡蒂提出了一种根据热动力学的原理来确定动力学参数的方法。
如果因污水无法利用、或经济条件有限等原因而不能进行小规模或中等规模的试验时，设计者就只能依靠文献了。表2．3根据文献列出了一些典型数据。
生物处理的动力学数据 表2．3 底 液 产量系数 内源衰减系数 半速常数 (mgVSS/mg基质) (d-1) (mg/L) 0.5 0.67 0.5 0.67 0.35 0.48 0.56 0.47 0.50 0.055 0.048 0.06 0.07 0.031 0.045 0.18 0.20 1.60 60 120 22 0.31 100 85.5 最大单位生长 率(d-1) 9.6 13.2 3.84 0.35 2.38 基 质 生活污水 生活污水 生活污水 生活污水 生活污水 不含酒精的饮料废水 脱脂乳 合成废水 纸浆和造纸虾加工 BOD5 BOD5 COD BOD5 COD COD BOD5 BOD5 BOD5 BOD5 从表2．3中可以请楚地看出，由不同的文献和不同的污水中所获得的动力学常数的值千变万化，即使表2．4所推荐的城市污水动力学常数也是多种多样的。
20℃时城市污水的动力学常数 表 2.4
参 数 Y kd Ks 单 位 mgVSS/mgCOD d-1 mg/L 值 0.35～0.45 0.05～0.10 25～100 设计氧化沟的过程中，经常涉及到氨的氧化和氮的生物去除。在许多情况下，氧化沟的设计受到氮的硝化和脱硝作用的制约，关于生物硝化和脱硝方面的问题将在第四章中讨论。
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第三章 过 程 变 型
虽然大多数氧化沟已经应用了延时曝气的活性污泥法，但是并没有理由说明氧化沟不适合于几乎所有悬浮微生物的生物系统。表3．1归纳了各种活性污泥系统的参数。氧化沟已经用于常规系统和好气消化。高速系统已经用于工业废水的处理，在欧洲的应用更为广泛。在欧洲、非洲，最近又在北美洲，还出现了多级氧化沟系统。
单级活性污泥系统常见的设计参数和操作特性 表 3.1 方法 种类 负 荷 F/M(kg 污泥停 kgBOD5/m3BOD5 去除率 曝气 时间 (h) 出现 硝化否 每去除1公斤BOD5所需的氧① (kg) 回流比 MLSS② (％) (mg/L) 氧吸 收率 (mg/g MLSS.h) 3~8 7~15 15~25 20~40 20~30 10~30 3~8 每去除1kgBOD5产生剩余污泥(kg) 0.15~0.3 0.4~0.6 0.5~0.7 0.8~1.2 0.4~0.6 0.15~0.3 BOD5/kg 留时间 .d(3000 MLSS.d 延时曝气 ≤0.05 (日) ≥30 4～8 2～4 ＜1 mgMLSS （％）0.16~0.24 90+ 16~24 4~8 2~4 出现 1.4~1.6③ 100~300 2000~6000 可能 否 否 可能 否 0.8~1.1 30~100 1500~4000 0.7~0.9 30~100 3000~5000 0.4~0.6 0.8~1.1 10~30 500~1500 25~75 常规曝气 0.15~0.4 高速曝气 改良曝气 0.4~1.0 1.5~3.0 0.32~0.96 90~95 1.1~2.9 85~90 1.45~2.9④ 60~75 0.5~2 0.48~1.1 1.45~2.9 85~95 接触稳定 0.15~0.5 3～10 接触 稳定 0.5~2.0 85~95 1.0~3.0 95+ 0.4~0.6 50~100 2000~4000 0.3~0.5 6000~10000 3.0~6.0 可能 6~12 出现 单级硝化 0.05~0.15 10～15 0.16~0.48 1.1~1.5 30~100 3000~6000 ①0℃和760mm时的氧的密度＝1.429g/L。 ②MLSS×0.8≈MLVSS。 ③如果出现硝化，必须加上额外的氧。 ④MLSS＝1000mg/L。
第二章中所列出的动力学方程式适用于设计任何速度的活性污泥系统的氧化沟或其改进系统。硝化和脱硝作用将在第四章中讨论。
在流量大、而延时曝气池的面积要求又无法满足的地方，有可能使用常规的活性污泥法氧化沟。对于常规曝气氧化沟与延时曝气氧化沟，其搅拌特点还是相同的。由于单位有机负荷的渠道容积变小，能耗密度和渠中流速就明显地增加了。如果渠速过高，转子或涡轮的能力就会因转子和涡轮叶片与氧化沟中污水之间的相对速度降低而降低，在使用常规曝气的氧化沟的前面，通常要进行初次沉淀。
奥地利设计了一个能量全部自给的高速曝气的氧化沟。初沉污泥与来自污泥产量高的二级过程的剩余活性污泥一起，进行厌气消化。消化池所产生的污泥气为空气压缩机和发电机组提供气体动力，供循环泵使用。射流曝气装置被用于推进和搅拌。以二沉池出水为恒温介质的热泵，使来自气动发动机的废热为厌氧消化池加热。
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3．1 生物法去除营养的过程变型
氧化沟中生物除氮的问题在第二章和第六章中讨论。生物除磷也是可能的。 1972年，巴纳德（Barnard）在图3．1所示的一个四级生物系统中去除了氮和磷。在这一系统中，被硝化的混合液由第二个池子回流到第一个池子去，那里的厌氧或缺氧的环境有助于以原污水或初沉出水为碳源，从回流混合液中去除硝酸盐。为了减少硝酸盐的含量，利用第三个池子在缺氧条件下用内源呼吸污泥进
一步脱硝。在沉淀之前，还要在最后一个池子中再曝气。巴纳德发现，在这一过程中，不用化学添加剂就可以把磷去除。他把磷的去除归功于在完全厌氧条件下磷释放之后，发生磷的生物吸收。在好气区域中，磷被过量吸收，并与生物细胞群结合，从而降低了溶解磷的含量。如果含磷量高的污泥在系统中被排除并处置掉，磷的去除率就可能提高。图3．2所示是这一原理的应用实例。
在对各种污水进行生物除磷时应十分谨慎，巴纳德的工作是在南非进行的，那里污水中的含磷量比较低。在进行这一工作时，稳妥的做法是，只要有可能，先进行一些导试研究。
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第四章 硝化和脱硝
氮通常是以氨和有机氮的形式存在，大多数污水中都含有氮。如第二章所述，生活污水中氮的含量大大超过了生物处理所要求的标准。在处理过的污水中，氮的存在及其形式具有重要意义，大体有以下几个理由： 1．氮对消毒的影响。 2．氨对水生物有毒。 3．氮的未氧化形式需氧。 4．氮在富营养化中的作用。
5．水源中的硝酸盐有公共卫生方面的问题。 下面将对这几个方面进行扼要地介绍。
4．1 氮 和 氨 的 存 在
4．1．1 氨对消毒的作用
通常用氯气对污水的出水进行消毒。如下列方程式所示，当向含有氨的水中加入氯气时就形成了氯胺：
NH4＋＋HOCl NH2Cl＋HOCl
NH2Cl＋H2O＋H＋ （4．1） NHCl2＋H2O （4．2）
NHCl2＋HOCl→ NC4＋H2O （4．3）
由于结合氯作为消毒剂，没有游离氯（HOCl或OCl-）的效率高，因此，污水出水中如果含有氨，就会导致使用较多的氯，或者使氯在接触池中的停留时间延长，以便取得与没有氨时一样的消毒效果。
4．1．2 对水生物的毒性
游离氨（NH3）在低浓度时也对水生物具有毒性。如方程式（4．4）所示，水中的氨与銨离子是平衡的：
NH4＋＋OH-
NH3＋H2O （4．4）
从方程式（4． 4）中可以看出，存在氨的百分数是pH值的函数，pH值的小变化，会引起所有非离子氨在数量上发生大变化。美国环境保护署对保护淡水生物的水质标准作了规定：每升水不超过0.02mg非离子氨（NH3-N）。表4．1列出了含量为每升水0.02mg非离子氨的总氨浓度，上述含量是pH值的函救。由于天然水的pH值范围为7.0 ～8.0，因此需要对氨的排放加以控制，以避免氨对水生物产生毒性作用。
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20℃时非离子氨含量为0.02mg/L的总氨浓度 表4．1 pH 6.0 6.5 7.0
4．1．3 氮需氧量
当氨被排放到水体中时，它先后被自养生物转化成亚硝酸盐和硝酸盐。据计算，在一升水中，每氧化lmgNH3-N，约需要 4.6mg的氧。在典型的二级出水中，含有25mgNH3-N/L，而出水对含氮化合物氧化时的需氧量为l15mg/L。这就大大地超过了对含碳化合物氧化时45～65mg/L的需氧量。由于含氮化合物氧化时的需氧量这么大，许多处理厂在排放出水之前不得不对其进行硝化。硝化的定义即氨向硝酸盐的转化。
4．1．4 富营养化作用
氮是植物生长的一种不可缺少的营养成分。在水体具有植物生长所需其它营养成分的同时，增加其中氮的含量，就会产生富营养化作用。富营养化作用可以看作是水体天然老化过程的加速。
4．1．5 对公共卫生的影响
1945年以来，以硝酸盐形式存在的氮被认为是引起婴幼儿的一种暂时性血液病的根源，这种病叫高铁血红蛋白症，它可能造成婴儿的死亡。存在于饮用水中的硝酸盐，在婴幼儿的胃肠道中能被转化成亚硝酸盐。亚硝酸盐与血液中的血红蛋白结合，结果影响其携带和传递氧的能力。因此，饮用水对NO-3-N的基本标准规定为不超过10mg/L。所以对于将流入饮用水源中的氧化沟出水，可能需要除氮。
总NH3-N(mg/L) 50.0 16.0 5.1 pH 7.5 8.0 8.5 总NH3-N(mg/L) 1. 6 2. 0.52 3. 0.18 4．2 硝化中的生物化学反应
在水体系统中，氨被一种叫做亚硝化单胞菌（Nitrosomonas）的自养细菌转化成亚硝酸盐，然后被另一种自养细菌，即硝化杆菌（Nitrobacter），转化成硝酸盐。这种氧化反应的表示形式如下：
亚硝化单细胞
＋
NH4＋1.5O2─────→2H＋＋H2O＋NO2- (4．5)
硝化杆菌
NO2-＋0.5O2───→NO3- （4．6) 把方程式（4．5）和（4．6）相加，就得出总的氧化反应方程式
NH4＋＋2O2 ───→NO3-＋2H＋＋H2O （4．7）
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