《废水生物处理》(第五章_生物处理化学计量学和动力学)

废水生物处理

东南大学研究生课程 主讲：李先宁

第五章 生物处理化学计量学和动力学§5.1 化学计量学和广义反应速率 §5.2 细胞生长与基质利用 §5.3 维持、内源代谢、衰减、溶胞和死亡

§5.4 溶解性微生物产物的生成§5.5 颗粒态有机物和高分子量有机物的溶解 §5.6 氨化和氨的利用 §5.7 磷的吸收和释放

§5.8 化学计量式简化及其应用

第五章 生物处理化学计量学和动力学

§5.1 化学计量学和广义反应速率 1 化学计量学：化学计量方程通常以摩尔(mol)作为单位，但摩尔不是最方便的单位。 为了模拟生物处理，我们必须写出其中各种组分的质量平衡方程。以质量 为单位建立反应的化学计量方程会更方便。为此，需要将以摩尔为单位的 化学计量方程换算成以质量为单位的计量方程。另外，微生物从氧化/还原 反应中获得能量，其中电子从电子供体中移出，最后转移到最终电子受体， 建立电子平衡方程也会是方便的。但是我们通常不清楚废水中电子供体物 质的确切组成，因而做到这点很难。化学需氧量(COD)是有效电子的一 种衡量。因而，我们可以建立氧化态发生变化的所有成分的COD平衡式， 这样就可以达到建立电子平衡方程的目的。所以，我们也需要掌握如何将

摩尔或质量计量方程换算为COD计量方程。

第五章 生物处理化学计量学和动力学

化学计量方程的通用式可以写成如下形式： a1A1 + a2A2 +…+ akAk → ak+1A k+1 + a k+2A k+2 +…+ amAm (5.1)

式中，A1…Ak为反应物，a1…ak为相应摩尔计量系数；A k+1…Am为产物， ak+1…am为相应摩尔计量系数。摩尔计量有两种特性用以判定计量方程： 第一，电荷是平衡的； 第二，反应物中任何元素的总摩尔数等于产物中该元素的总摩尔数。

第五章 生物处理化学计量学和动力学

在建立质量计量方程时，通常的做法是将各个化学计量系数相对于某一 种反应物或产物而标准化。因此，每一个标准化了的质量计量系数就表示 该反应物或产物相对于基准物的质量。假设以A1作为质量计量方程的基准 物，其化学计量系数为1.0,其余各组分的新的质量计量系数(称为标准化 学计量系数Ψi)可由下式计算： Ψi =(ai)(MWi)/(a1)(MW1) (5.2)

式中，ai 和MWi 分别为组分Ai 的摩尔计量系数和分子量；a1 和MW1 分 别为基准物的摩尔计量系数和分子量。

第五章 生物处理化学计量学和动力学

因此，方程(5.1)变为： A1 + Ψ2A2 +…+ΨkAk → Ψk+1Ak+1 + Ψk+2Ak+2 + …+ ΨmAm 可用两种特征来判定这类计量方程： (1)电荷不一定平衡； (2)反应物的总质量等于产物的总质量，换而言之，反应物计量系数 的总合等于产物计

量系数的总合。第二个特征使这种计量方程非常适合于 在生化反应器中使用。 (5.3)

第五章 生物处理化学计量学和动力学

采用类似的方法，以COD为单位可以建立氧化状态发生改变的化合物或 组分的化学计量方程。这时，标准化了的化学计量系数称为基于COD的系 数，以符号Y表示。Ai 组分基于COD的系数Yi 可由下面公式计算： Yi =(ai)(MWi)(CODi)/(a1)(MW1)(COD1) Yi = Ψi(CODi)/(COD1) (5.4) (5.5)

式中，CODi 和COD1分别为单位质量的Ai和基准物的化学需氧量，可以 从相应化合物或组分被氧化成CO2和H2O的平衡方程中获得。表5-1列出了生 物处理中通常会改变氧化状态的一些组分的COD质量当量。

第五章 生物处理化学计量学和动力学表5-1 一些常见组分的COD质量当量(化学需氧 量，需氧为+,电子供体)组分a 微生物C5H7O2N 氧(作为电子受体) 硝酸根(作为电子受体) 亚硝酸根(作为氮源) 氧化态变化 C至+Ⅳ O(0)至O(-Ⅱ) N(+Ⅴ)至N(0) N(+Ⅴ)至N(-Ⅲ) COD当量b 1.42gCOD/g C5H7O2N 1.42gCOD/g VSS; 1.20gCOD/g TSS; -1.00gCOD/g O2c -0.646gCOD/g NO3-;-2.86gCOD/g N -1.03gCOD/g NO3-;-4.57gCOD/g N

硫酸根(作为电子受体)

S(+ Ⅳ)至S(- Ⅱ)

-0.667gCOD/g SO42-;-2.00gCOD/g S-1.45gCOD/g CO2;-5.33gCOD/g C

二氧化碳(作为电子受体) C( + Ⅳ)至C(- Ⅳ )

注：a . 顺序与表5-2相同 b . 负号表示组分接受电子 c . 根据定义，需氧量是负氧 高失还，被氧化；低得氧，被还原。

第五章 生物处理化学计量学和动力学表5-1 组分a 一些常见组分的COD质量当量 氧化态变化 COD当量b

CO2、HCO3-、H2CO3生活污水有机物C10H19O3N 蛋白质C16H24O5N4 碳水化合物CH2O 油脂C8H16O 乙酸CH3COO丙酸C2H5COO苯甲酸C6H5COO-

没有变化C至+ Ⅳ C至+ Ⅳ C至+ Ⅳ C至+ Ⅳ C至+ Ⅳ C至+ Ⅳ C至+ Ⅳ

0.001.99gCOD/g有机物 1.50gCOD/g蛋白质 1.07gCOD/g碳水化合物 2.88gCOD/g油脂 1.08gCOD/g乙酸 1.53gCOD/g丙酸 1.98gCOD/g苯甲酸

乙醇C2H5OH乳酸C2H4OHCOO-

C至+ ⅣC至+ Ⅳ

2.09gCOD/g乙醇1.08gCOD/g乳酸

第五章 生物处理化学计量学和动力学表5-1 组分a 一些常见组分的COD质量当量 氧化态变化 COD当量b

丙酮酸CH3COCOO甲醇CH3OH NH4+→NO3NH4+→NO2NO2- →NO3S →SO42H2S →SO42S2O32-→SO42-

C至+ ⅣC至+ Ⅳ N(- Ⅲ)至N(+Ⅴ) N(- Ⅲ)至N(+ Ⅲ ) N(+ Ⅲ)至N(+Ⅴ) S(0)至S( + Ⅵ ) S(-Ⅱ)至S( + Ⅵ) S(+Ⅱ)至S( + Ⅵ )

0.92gCOD/g丙酮酸1.50gCOD/g甲醇 3.55gCOD/g NH4+,4.57 g COD/g N 2.67gCOD/g NH4+,3.43 g COD/g N 0.36gCOD/g NO2- ,1.14 g COD/g N 1.50gCOD/g S 1.88gCOD/g H2S,2.00gCOD/g S 0.57gCOD/g S2O32-,1.00 g COD/g S

SO32-→SO42H2

S(+ Ⅳ )至S( + Ⅵ )H(0)至(+Ⅰ)

0.20gCOD/g SO32- ,0.50 g COD/g S8.00gCO

D/g H

第五章 生物处理化学计量学和动力学

注意： 1、在氧化条件下，CO2的COD为零，因为其中的碳已处于最高氧化态 (+Ⅳ),就如重碳酸盐和碳酸盐中的碳一样。 2、此外，氧的COD为负，因为COD是需要氧的，亦即表示失去氧。 3、最后应注意的是，任何反应物或产物，如果其中的元素在生化氧化/ 还原反应中不改变氧化状态，那么它们的COD变化为零，可以从COD计量 方程中去掉。

第五章 生物处理化学计量学和动力学

例题5.1.1.1: 假设细菌以碳水化合物(CH2O)作为碳源、以氨作为氮源生长，其典 型摩尔计量方程为： CH2O + 0.290 O2 + 0.142 NH4+ + 0.142 HCO3- → 0.142 C5H7O2N + 0.432 CO2 + 0.858 H2O (5.6)

式中，C5H7O2N为细菌经验分子式。注意，电荷是平衡的，反应物中每 一元素的摩尔数等于产物中该元素的摩尔数。摩尔计量方程告诉我们，细 菌生长比率是0.142 mol细胞/mol CH2O,所需要的氧为0.290 molO2/ mol CH2O。

第五章 生物处理化学计量学和动力学

为了将方程5.6换算为质量计量方程，需要利用每一反应物和产物的分子 量。CH2O、NH4+、HCO3-、C5H7O2N、CO2和H2O的分子量分别为30、18、 61、113、44和18。将这些分子量和方程5.6中的化学计量系数代入方程5.2, 则方程5.6转换为： CH2O + 0.309 O2 + 0.085 NH4+ + 0.289 HCO3- → 0.535 C5H7O2N + 0.633 CO2 + 0.515 H2O (5.7)

这时，电荷不再是平衡的，但反应物的化学计量系数之和等于产物的计 量系数之和。这个质量方程告诉我们，细菌生长比率是0.535g细胞/gCH2O, 所需要的氧为0.309 gO2/gCH2O。

第五章 生物处理化学计量学和动力学

现在将摩尔计量方程转换为COD计量方程，为此，必须利用表5-1所给 的COD当量值。这时，氨的COD当量为零，因为细胞物质中 …… 此处隐藏：3056字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……