obs,A-bA=obs,A,net
于是，简化的物料平衡为：
obs,A,netXB,A,2V2=Q5XB,A,5（6.2）
代入泥龄，可求出式（4.15）
X,A=
（6.3）
已知硝化细菌的净增长速率，就可按公式（6.3）求出所需的泥龄，X,A,或通过公式（6.2）得出硝化池的池容。
泥龄是最简易的参数，鉴于所有污泥组分均采用同一泥龄，所以很容易计算。
因此，可以根据任何一个计量单位如SS、VSS、COD等进行计算而无需了解处理厂中硝化生物量的浓度XB,A。
需要计算的泥龄都是好氧泥龄，因为把物料平衡列入式（6.1）时，物料的去除、增长和衰减都只在好氧池内出现。
图6.2示出的是为保持活性污泥工艺正常运行情况下进行硝化反应所需要的好氧泥龄。
如已知泥龄，就可用式（6.3）求出曝气池的氨氮浓度：
obs,A,net=
max,A
-bA=
（6.4）
图6.2活性污泥处理厂中温度与硝化反应所需的好氧泥龄的关系（运行条件：
氧浓度2mg/L）
从表3.10中亚硝化菌或全过程一列可查到max,A,KS,NH4（=KS）,KS,O2,A和bA值，从图6.2中得到X,A，于是可以确定SNH4,2。
【例6.1】活性污泥法处理厂硝化的临界点是冬天的低温。
如果混合充分，则好氧泥龄为25天，氧浓度为1.6g/m3。
温度8℃时出水中氨氮浓度是多少？
已知下列各项（见表3.10和3.6中的数值）：
max,A=0.7d-1（20℃）
k=0.09℃-1
KS,NH4,A=0.5gN/m3
KS,O2,A=0.8gO2/m3
bA=0.05d-1
用式（3.16）计算max,A（8℃）：
max,A（8℃）=max,A（20℃）ek（T-20）=0.7e（0.09×（8-20））=0.24d-1
同样，可求出bA（8℃）=0.02d-1,
将已知值代入式（6.4），求出曝气池内氨氮的浓度：
max,A
－bA=
0.24×
×
－0.02=
因此：
SNH4,2=0.3gNH4+-N/m3
2.生物膜法处理厂
通过硝化反应还去除可溶性物质：
NH4+和O2。
因此，如上所述，生物膜理论的条件已得到满足，并有其实用性。
图（6.3）示出的是单位生物膜表面积的硝化率与水体中氧浓度的关系。
图6.3单位表面积生物膜的硝化速率与水体中氧浓度的关系
硝化滤池的氮平衡（图6.1b）如下，见式（5.3）：
Q1CN,1-rA,NH4A2*=Q3CN,3（6.5）
对于单独硝化的生物膜法处理工艺，其硝化速率受氧浓度及氨氮浓度的限制，这是因为实际上可以认为仅部分生物膜被利用（部分渗入）。
通过计算式（5.32）可以确定限制条件。
图6.4示出的是在两种限制情况下NH4+和O2的渗入情况，见式（5.32）：
O2,NH4=
×
=0.3
当SNH4>0.3SO2时，氧是限制因素，池内的反应速率为：
rA,NH4=（k1/2A,O2/NH4,O2）SO2,21/2（6.6）
式中k1/2A,O2––––表示氧的速率常数，
NH4,O2––––表示氧和氨氮之间的化学计算系数（4.25gO2/gNH
－N）,
SO2,2––––表示池内氧的浓度
当SNH4<0.3SO2时，氨氮是可能的限制因素，池内的反应速率为：
rANH4=k1/2A,NH4SNH4,21/2（6.7）
式中k1/2A,NH4––––氨氮的速率常数，
SNH4,2––––池内氨氮的浓度。
图6.4两种物质的穿透情况（如NH4+和O2用于硝化或NO3-和CH3OH用于反硝化）
左图，由于物质1部分渗入而产生限制；右图，由物质2产生的限制
采用哪个rA,N公式根据当地情况而定。
在硝化滤池中硝化反应往往在进口处受到氧浓度的限制，以后变为受氨氮浓度的限制。
在这种情况下，可以对滤池分别进行以下两种计算，见例6.2。
【例6.2】处理填埋场渗滤液的硝化转盘滤池的总过滤面积为40000m2。
滤池分为两级，每级都能达到充分混合。
污水水质：
Q1=500m3/d
SNH4,1=100gNH4+-N/m3
在两个对半分充分混合的滤池中，氧的浓度为：
SO2,2=5gO2/m3；SO2,4=7gO2/m3
每个滤池的转盘面积为20000m2。
反应参数：
k1/2A,O2=4（gO2）1/2m-1/2d-1
NH4O2=4.6gO2/gNH4+-N
k1/2A,NH4=0.7（gNH4+-N）1/2m-1/2d-1
第一级的物料平衡按下式表示：
Q1SNH4,1－A2*rA,NH4=Q3SNH4,3
假设硝化受氧的限制（计算后核实），我们可从式（6.6）得知：
rA,NH4=（k1/2A,O2/vNH4,O2）SO2,21/2
如代入上式，则：
Q1SNH4,1－A2*（k1/2A,O2/vNH4,O2）SO2,21/2=Q3SNH4,3
如果代入已知值，可求出：
500×100－20000×（4/4.6）×51/2=500SNH4,3
SNH4,3=22gNH4+-N/m3
（核实氧的限制：
?
SNH4,3>0.3SO2,2；0.3SO2,2=0.3×5=1.5；SNH4,3=22，即SNH4,3>0.3SO2,2，确认受氧的限制）
设滤池的另一级受氨氮的限制，则物料平衡（符号按图6.1b）：
Q3SNH4,3－A4*k1/2A,NH4,41/2=Q5SNH4,5
用式SNH4,4=SNH4,5表示充分混合，代入，得：
500×22－20,000×0.7SNH4,51/2=500SNH4,5
据此可求出：
SNH4,5～0.6g/m3
（核实是否受氨氮的限制：
0.3SO2,4=2.1；SNH4,4=0.6；SNH4,4<0.3SO2,4；即受氨氮的限制）。
该处理厂的出水约为6gNH4+-N/m3
3.pH的抑制
硝化是消耗碱度的过程。
如果水的碱度过低，碱度就会耗尽，导致pH值明显下降，这将抑制硝化过程。
当pH=5.8时会出现抑制硝化过程的情况，如果不添加碱，如石灰，就会限制硝化的进行。
用生物膜法处理时，因为需要考虑生物膜内的扩散限制，这一现象将更趋复杂。
硝化反应会消耗HCO3-并产生CO2，形成HCO3-在膜内渗入的梯度。
生物膜内部的扩散会减弱。
相反，CO2则会扩散到生物膜外，这就是为什么生物膜内的浓度高于水体的浓度。
此种情况见图6.5。
任何基质和产物在生物膜内外的扩散都能计算出来[3]，计算结果见图6.6。
在某一摩尔比下，过程的限制情况将有所变化。
对于扩散限制性基质，其确定方法见式（5.32）。
对O2和NH4+，以摩尔表示而言其比值为1.4，对于碱度与O2以及碱度与NH4+而言，其比值分别为2.4和3.4（如图所示）。
该摩尔比低于2.4，则生物膜内的pH将急剧下降（如图所示）。
图6.5在生物膜内外扩散的4种组分的浓度分布
图6.6在生物膜中所消耗组分间的比率决定哪一种组分成为反应速率的限制因素[3]。
【例6.3】碱度为2eqv/m3的污水需要硝化。
进水中可接受的最高氨氮浓度是多少？
根据式（3.28），每摩尔氨氮约消耗2摩尔HCO3-。
硝化处理厂进水中只能接受：
1摩尔NH4+=1摩尔N/m3=14gNH4+-N/m3。
污水在充分混合的池内处理，要求处理水中氨氮浓度不超过为2gNH4+-N/m3。
液相的氧浓度为4g/m3。
根据摩尔比为（4/32）/（2/14）=0.881.4，故氧为速率限制基质。
由于扩散限制，碱度需高于2.4×（4/32）=0.30eqv/m3。
因而，如果不投加石灰，只能去除2.0-0.3=1.7eqv/m3，相当于12gNH4+-N/m3。
6.1.2同时去除有机物和氨氮
1.活性污泥
硝化污泥的物料平衡相当于式（6.1）。
可用式（6.4）计算活性污泥法硝化处理厂的氨氮浓度。
2.生物膜
与活性污泥法处理厂一样，其问题在于异养菌的增长是否会妨碍硝化菌的充分增长。
滤池中的微生物成层状沉积在载体上。
有机物、氨氮和氧均通过生物膜表面起作用。
实际上，氧通常会限制有机物和氨氮的转化。
如果主要受异养菌增长制约的生物膜厚度的增长较硝化菌增长得快，则它们将随着硝化菌的缓慢增长而被去除，并因此从处理厂中消失。
如果硝化菌接受的氧量太少，则更容易流失。
所以判断硝化反应的标准将是生物膜内氧的渗入是否更甚于有机物的渗入，也就是说，有机物是否会限制异养菌的转化。
根据式（5.32），如下列不等式成立，则有机物将会限制异养菌转化：
SBOD,2把表5.2中的值代入上式，则该不等式为：
SBOD,2<5SO2,2
这里的BOD指的是溶解性BOD。
图6.7示出的是式（6.8）的说明性实验，从中可看出生物滤池中部分硝化反应是很理想的。
图6.7生物滤池中有机物对于硝化反应的重要性的说明性实验[1][2]
转盘滤池中硝化与反硝化的工艺矩阵表6.2
组分i
颗粒性
溶解性
工艺过程速率表达式
Pj=过程速率=（ML-3T-1）
1
2
3
4
1
2
3
4
5
6
j
工艺过程
XI
XH
XNS
XNB
SO
SS
SNH
SNI
SNO
SA
异养生物（有机组分的降解）
1
异养菌的好氧生长
1
-iB
2
异养菌的缺氧生长
1
-iB
?
3
异养菌的衰减
fI
-1
1-fr
IB-fIIP
nueNH/14
bHXH
自养微生物（硝化）
4
亚硝化菌的生长
1
-iB-
5
亚硝化菌的衰减
fI
-1
1-fI
iB-fIiP
nueNH/14
bNSXNS
6
硝化菌的生长
1
-iB
7
硝化菌的衰减
fI
-1
1-fI
iB-fIiP
nueNH/14
bNBXNB
观测反应速率[MiL-3T-1]
ri=
化学当量计算系数
Yi=产率系数（MiMi-1）
fI=颗粒衰减产物所占的比例（MrMx-1）
iB,iP=生物量和颗粒产物中的含氮量（MnM-1）
指数：
微生物：
H,NS,NB
惰性颗粒COD
异养生物量COD
亚硝化菌生物量COD
硝化菌生物量COD
溶解氧O2
溶解性基质COD
氨氮NH4+N
亚硝酸盐氮NO2-N
硝酸盐NO3-N
碱度HCO3-mol
动力学参数：
mi=微生物i的最大比生长速率（T-1）
bi=微生物i的衰减速率常数（T-1）
Ki,i’=微生物i对于组分i’（MiL-3）的饱和浓度
DEN=反硝化因子（-）
指数i（微生物）
H、NS、NB：
异养菌、亚硝化菌、硝化菌
指数i（溶解性组分）
O、S、NH、NI、NO、A：
氧、基质、NH4+、NO2-、NO3-、HCO3-
转盘的动力学、化学计算和物理参数[4]表6.3
异养微生物
最大生长速率
max,H
2.00
d-1
饱和常数
COD
KS,COD
10.00
gCOD/m3
NH4+
KS,NH4
0.10
gN/m3
O2
KS,O2
0.10
gO2/m3
HCO3-
KS,ALK
0.10
eqv/m3
NO3-
KS,NO3
0.50
gN/m3
反硝化菌所占比例
g
0.70
-
衰减常数
bH
0.35
d-1
产率系数
YH
0.57
gCOD/gCOD
惰性组分
fX,XI
0.08
-
生物量的含氮量
fXB,N
0.06
gN/gCOD
衰减产物中惰性组分比例
f1,N
0.05
gN/gCOD
亚硝化单胞菌属
最大生长速率
max,NS
0.35
d-1
饱和常数
NH4+
KS,NH4,NS
0.70
gN/m3
HCO3-
KS,ALK,NS
0.20
eqv/m3
O2
KS,O2,NS
0.20
gO2/m3
衰减常数
bA,NS
0.05
d-1
产率系数
YA,NS
0.18
gCOD/gNO2--N
硝化杆菌
最高生长率
max,NB
0.60
d-1
饱和常数
NH4+
KS,NH4,NB
0.05
gN/m3
NO2-
KS,NO2,NB
0.50
gN/m3
O2
KS,O2,NB
0.10
gO2/m3
衰减常数
bA,NB
0.09
d-1
产率系数
YA,,NB
0.06
gCOD/gNO3--N
生物膜的扩散系数[4]单位：
10-6m2d-1表6.4
氧
COD（葡萄糖）
氨氮
亚硝酸盐
硝酸盐
重碳酸氢盐
106
31
86
85
84
53
第5章中的模型较详尽地描述了异养菌与自养菌之间的竞争。
计算中涉及的各工艺过程的工艺矩阵见表6.2。
其中列举了3组细菌的生长和衰减的情况。
根据[4]得出的工艺过程和生物膜的动力学、化学计算与物理参数见表6.3和6.4。
该3组细菌特性的最主要差别在于自养菌的生长速率较异养菌的生长速率慢，前者为0.35d-1,后者为2.0d-1。
应引起注意的是上述数值是不确定的，有时要大好几个数量级。
图6.8生物膜中活性异养菌和自养菌的分布情况
图6.8是对生物膜中活性异养菌和自养菌的分布与衰减生物量关系的分析。
从分析中可看出，大部分生物膜是由惰性的生物量组成。
图中的数据已有效地应用于生物转盘处理厂的硝化反应[7]。
图6.9所示的为实测和计算的反应速率。
图中的曲线表明，低浓度时氨氮为限制因素，而后氧又成为限制因素的情况。
由于有机物较少，提高了过滤进水的硝化速率。
硝化滴滤池中的硝化速率也同样如此[5]。
图6.9硝化速率与水相中氨氮浓度的关系
6.2硝化处理厂的类型
几乎所有含有氨氮的污水也都含有有机化合物，这说明硝化反应一般与有机物氧化是同时发生的。
因此即便转化是由污泥中许多不同的微生物造成的，污泥仍可经过两个过程（混合污泥）。
极少数工业废水处理厂的污水中仅含有氨氮这种耗氧物质，在这种情况下污泥中仅具有硝化菌（单独污泥）。
除了单独污泥处理厂和混合污泥处理厂的区别，污水处理厂可基本分为单污泥处理厂（在整个生物反应器内发生硝化作用）和双污泥处理厂（其第一段可去除全部有机物但没有硝化反应，而第二段则产生极为理想的硝化反应）。
图6.10中例举了单污泥和双污泥的活性污泥处理厂。
图6.11所示的为生物滤池中几种主要的硝化反应。
即使这类处理厂按功能设计可以被假定为单污泥处理系统，但仍应被认为是双污泥处理系统。
这是因为图6.11所示的生物池具有推流作用，而硝化菌存在的必要条件仅滤池的下半部才具有。
图6.10用于硝化反应的单池污泥和双池污泥活性污泥厂的布置
图6.11用于硝化反应的生物滤池
6.2.1单污泥硝化处理厂
实际上，污水中仅含有氨氮这一种耗氧基质的活性污泥法硝化处理厂是很难运行的。
污泥的沉降性能通常很差，而且产泥量很少，所以处理厂中很难保持适量的污泥。
实际上一般采用生物滤池处理这类污水。
6.2.2单污泥硝化处理厂
这是最常用的硝化处理厂。
所有污泥的工艺性能都是相同的，但处理厂的类型却是多种多样的，最简单的处理厂设计见图6.12。
为延长泥龄需有一个大的曝气池（与沉淀池左边的方池相比较而言）。
对这类处理厂的设计做了各种不同的改进，其中有一些是实际应用的，而另一些只有理论价值。
图6.12Marslet污水处理厂（丹麦）。
用于城市污水硝化反应的常规单池污泥系统。
图6.13中的接触稳定工艺，其稳定池内保持的污泥浓度可以很高，而接触池内的污泥浓度则相当于一般处理厂的浓度。
因此，其容积虽略小于常规处理厂也能达到所需的泥龄（及污泥量）。
虽然两个池内都能产生硝化反应，但只有稳定池才有足够长的水力停留时间来完成完全硝化。
图6.13接触稳定工艺用于部分硝化
大部分有机物是在接触池内去除的，而硝化反应则是在允许的时间和可能的范围内出现的。
这类处理厂的特性是硝化反应稳定但不完全。
稳定池能保证获得硝化菌，但硝化的程度取决于接触池内污水和污泥的接触时间。
在图6.14所示的交替运行的处理厂中，池子被交替用作曝气池和沉淀池，如图6.15中的运行周期那样。
这类处理厂由于造价低，在德国、荷兰和丹麦得到广泛应用。
在研究这种处理厂有无硝化的可能性时，应认识到，由于大部分污泥沉淀在起沉淀池作用的池子底部，好氧泥龄比总泥龄低得多。
根据图中所示出的运行周期，好氧泥龄只有总泥龄的3/8。
图6.14城市污水硝化处理单污泥交替运行系统的典型设计（丹麦Bording污水处理厂）
图6.15单污泥交替运行硝化系统的运行周期。
在A阶段和C阶段，以前的硝化池成为沉淀池，此时原污水进入正在运转的沉淀池的一端
（在转换到B或D段前，污水不可能流出）。
【例6.4】图6.14中的处理厂的运行周期如图6.15所示，求必要的池容。
污水量为1700m3/d,BOD浓度为0.25kg/m3。
污泥产率0.6kgSS/kgBOD。
该处理厂的出水水质要求为0.02kgBOD/m3（20mgBOD/L），最低温度为8℃。
按式（4.13）计算产泥量
FSP=YOBS（C1－C3）Q1=0.6×（0.25－0.02）×1700=235kgSS/d
根据表4.5，好氧池中的污泥浓度估计为5kgSS/m3。
按图6.2估计，好氧泥龄需要14d。
根据图6.9中的运行周期，好氧泥龄为总泥龄的3/8（每8h中只有3h曝气和硝化），所需总泥龄为：
X=14×8/3=37d
根据式（4.14）计算两个曝气池的总容积：
X=
V2=
=
=1740m3
两池的总容积应是1740m3,其水力停留时间=V/Q=1740/1700=24h。
该例也可以用污泥浓度来计算，但必须有产率系数和污泥浓度这两个已知数（用其他单位表示的COD，VSS）。
分段进水的处理厂工艺见图6.16，为推流式工艺，原污水分段进水可保证纵向的耗氧量均匀以及对原污水的合理稀释，使得冲击负荷下（如氨氮）不致于因氧的限制而受到抑制。
图6.16原污水“分段进水”的硝
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