《廢水生物處理》(第五章-生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué))

?廢水生物處理?(第五章-生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué))§5.1化學(xué)計(jì)量學(xué)和廣義反響速率§5.2細(xì)胞生長(zhǎng)與基質(zhì)利用§5.3維持、內(nèi)源代謝、衰減、溶胞和死亡§5.5顆粒態(tài)有機(jī)物和高分子量有機(jī)物的溶解§5.7磷的吸收和釋放第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)§5.8化學(xué)計(jì)量式簡(jiǎn)化及其應(yīng)用§5.4溶解性微生物產(chǎn)物的生成§5.6氨化和氨的利用

§5.1化學(xué)計(jì)量學(xué)和廣義反響速率1化學(xué)計(jì)量學(xué)：化學(xué)計(jì)量方程通常以摩爾〔mol〕作為單位，但摩爾不是最方便的單位。為了模擬生物處理，我們必須寫(xiě)出其中各種組分的質(zhì)量平衡方程。以質(zhì)量為單位建立反響的化學(xué)計(jì)量方程會(huì)更方便。為此，需要將以摩爾為單位的化學(xué)計(jì)量方程換算成以質(zhì)量為單位的計(jì)量方程。另外，微生物從氧化/復(fù)原反響中獲得能量，其中電子從電子供體中移出，最后轉(zhuǎn)移到最終電子受體，建立電子平衡方程也會(huì)是方便的。但是我們通常不清楚廢水中電子供體物質(zhì)確實(shí)切組成，因而做到這點(diǎn)很難?；瘜W(xué)需氧量〔COD〕是有效電子的一種衡量。因而，我們可以建立氧化態(tài)發(fā)生變化的所有成分的COD平衡式，這樣就可以到達(dá)建立電子平衡方程的目的。所以，我們也需要掌握如何將摩爾或質(zhì)量計(jì)量方程換算為COD計(jì)量方程。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

化學(xué)計(jì)量方程的通用式可以寫(xiě)成如下形式：a1A1+a2A2+…+akAk→ak+1Ak+1+ak+2Ak+2+…+amAm〔5.1〕式中，A1…Ak為反響物，a1…ak為相應(yīng)摩爾計(jì)量系數(shù)；Ak+1…Am為產(chǎn)物，ak+1…am為相應(yīng)摩爾計(jì)量系數(shù)。摩爾計(jì)量有兩種特性用以判定計(jì)量方程：第一，電荷是平衡的；第二，反響物中任何元素的總摩爾數(shù)等于產(chǎn)物中該元素的總摩爾數(shù)。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

在建立質(zhì)量計(jì)量方程時(shí)，通常的做法是將各個(gè)化學(xué)計(jì)量系數(shù)相對(duì)于某一種反響物或產(chǎn)物而標(biāo)準(zhǔn)化。因此，每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化了的質(zhì)量計(jì)量系數(shù)就表示該反響物或產(chǎn)物相對(duì)于基準(zhǔn)物的質(zhì)量。假設(shè)以A1作為質(zhì)量計(jì)量方程的基準(zhǔn)物，其化學(xué)計(jì)量系數(shù)為1.0，其余各組分的新的質(zhì)量計(jì)量系數(shù)〔稱為標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)計(jì)量系數(shù)Ψi〕可由下式計(jì)算：

Ψi=〔ai〕〔MWi〕/〔a1〕〔MW1〕〔5.2〕式中，ai和MWi分別為組分Ai的摩爾計(jì)量系數(shù)和分子量；a1和MW1分別為基準(zhǔn)物的摩爾計(jì)量系數(shù)和分子量。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

因此，方程〔5.1〕變?yōu)椋?/p>

A1+Ψ2A2+…+ΨkAk→Ψk+1Ak+1+Ψk+2Ak+2+…+ΨmAm〔5.3〕可用兩種特征來(lái)判定這類(lèi)計(jì)量方程：〔1〕電荷不一定平衡；〔2〕反響物的總質(zhì)量等于產(chǎn)物的總質(zhì)量，換而言之，反響物計(jì)量系數(shù)的總合等于產(chǎn)物計(jì)量系數(shù)的總合。第二個(gè)特征使這種計(jì)量方程非常適合于在生化反響器中使用。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

采用類(lèi)似的方法，以COD為單位可以建立氧化狀態(tài)發(fā)生改變的化合物或組分的化學(xué)計(jì)量方程。這時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化了的化學(xué)計(jì)量系數(shù)稱為基于COD的系數(shù)，以符號(hào)Y表示。Ai組分基于COD的系數(shù)Yi可由下面公式計(jì)算：Yi=〔ai〕〔MWi〕〔CODi〕/〔a1〕〔MW1〕〔COD1〕〔5.4〕Yi=Ψi〔CODi〕/〔COD1〕〔5.5〕式中，CODi和COD1分別為單位質(zhì)量的Ai和基準(zhǔn)物的化學(xué)需氧量，可以從相應(yīng)化合物或組分被氧化成CO2和H2O的平衡方程中獲得。表5-1列出了生物處理中通常會(huì)改變氧化狀態(tài)的一些組分的COD質(zhì)量當(dāng)量。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

組分a氧化態(tài)變化COD當(dāng)量b微生物C5H7O2NC至+Ⅳ1.42gCOD/gC5H7O2N1.42gCOD/gVSS；1.20gCOD/gTSS；氧（作為電子受體）O（0）至O（-Ⅱ）-1.00gCOD/gO2c硝酸根（作為電子受體）N（+Ⅴ）至N（0）-0.646gCOD/gNO3-；-2.86gCOD/gN亞硝酸根（作為氮源）N（+Ⅴ）至N（-Ⅲ）-1.03gCOD/gNO3-；-4.57gCOD/gN硫酸根（作為電子受體）S（+Ⅳ）至S（-Ⅱ）-0.667gCOD/gSO42-；-2.00gCOD/gS二氧化碳（作為電子受體）C（+Ⅳ）至C（-Ⅳ）-1.45gCOD/gCO2；-5.33gCOD/gC第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)表5-1一些常見(jiàn)組分的COD質(zhì)量當(dāng)量(化學(xué)需氧量，需氧為+，電子供體〕注：a.順序與表5-2相同

b.負(fù)號(hào)表示組分接受電子

c.根據(jù)定義，需氧量是負(fù)氧高失還，被氧化；低得氧，被復(fù)原。

組分a氧化態(tài)變化COD當(dāng)量bCO2、HCO3-、H2CO3沒(méi)有變化0.00生活污水有機(jī)物C10H19O3NC至+Ⅳ1.99gCOD/g有機(jī)物蛋白質(zhì)C16H24O5N4C至+Ⅳ1.50gCOD/g蛋白質(zhì)碳水化合物CH2OC至+Ⅳ1.07gCOD/g碳水化合物油脂C8H16OC至+Ⅳ2.88gCOD/g油脂乙酸CH3COO-C至+Ⅳ1.08gCOD/g乙酸丙酸C2H5COO-C至+Ⅳ1.53gCOD/g丙酸苯甲酸C6H5COO-C至+Ⅳ1.98gCOD/g苯甲酸乙醇C2H5OHC至+Ⅳ2.09gCOD/g乙醇乳酸C2H4OHCOO-C至+Ⅳ1.08gCOD/g乳酸第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)表5-1一些常見(jiàn)組分的COD質(zhì)量當(dāng)量

組分a氧化態(tài)變化COD當(dāng)量b丙酮酸CH3COCOO-C至+Ⅳ0.92gCOD/g丙酮酸甲醇CH3OHC至+Ⅳ1.50gCOD/g甲醇NH4+→NO3-N（-Ⅲ）至N（+Ⅴ）3.55gCOD/gNH4+，4.57gCOD/gNNH4+→NO2-N（-Ⅲ）至N（+Ⅲ

）2.67gCOD/gNH4+，3.43gCOD/gNNO2-→NO3-N（+Ⅲ）至N（+Ⅴ）0.36gCOD/gNO2-

，1.14gCOD/gNS→SO42-S（0）至S（+Ⅵ）1.50gCOD/gSH2S→SO42-S（-Ⅱ）至S（+Ⅵ）1.88gCOD/gH2S，2.00gCOD/gSS2O32-→SO42-S（+Ⅱ）至S（+Ⅵ）0.57gCOD/gS2O32-，1.00gCOD/gSSO32-→SO42-S（+Ⅳ）至S（+Ⅵ）0.20gCOD/gSO32-

，0.50gCOD/gSH2H（0）至（+Ⅰ）8.00gCOD/gH第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)表5-1一些常見(jiàn)組分的COD質(zhì)量當(dāng)量

注意：1、在氧化條件下，CO2的COD為零，因?yàn)槠渲械奶家烟幱谧罡哐趸瘧B(tài)〔+Ⅳ〕，就如重碳酸鹽和碳酸鹽中的碳一樣。2、此外，氧的COD為負(fù)，因?yàn)镃OD是需要氧的，亦即表示失去氧。3、最后應(yīng)注意的是，任何反響物或產(chǎn)物，如果其中的元素在生化氧化/復(fù)原反響中不改變氧化狀態(tài)，那么它們的COD變化為零，可以從COD計(jì)量方程中去掉。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

例題5.1.1.1：假設(shè)細(xì)菌以碳水化合物〔CH2O〕作為碳源、以氨作為氮源生長(zhǎng)，其典型摩爾計(jì)量方程為：CH2O+0.290O2+0.142NH4++0.142HCO3-→0.142C5H7O2N+0.432CO2+0.858H2O〔5.6〕式中，C5H7O2N為細(xì)菌經(jīng)驗(yàn)分子式。注意，電荷是平衡的，反響物中每一元素的摩爾數(shù)等于產(chǎn)物中該元素的摩爾數(shù)。摩爾計(jì)量方程告訴我們，細(xì)菌生長(zhǎng)比率是0.142mol細(xì)胞/molCH2O，所需要的氧為0.290molO2/molCH2O。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

為了將方程5.6換算為質(zhì)量計(jì)量方程，需要利用每一反響物和產(chǎn)物的分子量。CH2O、NH4+、HCO3-、C5H7O2N、CO2和H2O的分子量分別為30、18、61、113、44和18。將這些分子量和方程5.6中的化學(xué)計(jì)量系數(shù)代入方程5.2，那么方程5.6轉(zhuǎn)換為：CH2O+0.309O2+0.085NH4++0.289HCO3-→0.535C5H7O2N+0.633CO2+0.515H2O〔5.7〕2O，所需要的氧為0.309gO2/gCH2O。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

現(xiàn)在將摩爾計(jì)量方程轉(zhuǎn)換為COD計(jì)量方程，為此，必須利用表5-1所給的COD當(dāng)量值。這時(shí)，氨的COD當(dāng)量為零，因?yàn)榧?xì)胞物質(zhì)中氮的氧化狀態(tài)與氨氮的氧化狀態(tài)相同，都是-Ⅲ，氧化狀態(tài)沒(méi)有發(fā)生改變，利用方程5.4得到：CH2OCOD+〔-0.29〕O2→0.71C5H7O2NCOD〔5.8〕注意，方程5.8只保存了三種組分，因?yàn)檫@種情況下只有這三種組分是可以用COD表示的，也需注意的是，與質(zhì)量計(jì)量方程一樣，反響物的化學(xué)計(jì)量系數(shù)之和與產(chǎn)物的計(jì)量系數(shù)之和相等。最后要注意的是，雖然O222/gCH2OCOD。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

2廣義反響速率：化學(xué)計(jì)量方程也可用于確立反響物或產(chǎn)物的相對(duì)反響速率。因?yàn)橘|(zhì)量計(jì)量方程中的計(jì)量系數(shù)之和為零，所以質(zhì)量計(jì)量方程的一般形式可做如下改寫(xiě)：〔-1〕A1+〔-Ψ2〕A2+…+〔-Ψk〕Ak+Ψk+1Ak+1+…+ΨmAm=0〔5.9〕式中，A1…Ak為反響物；Ak+1…Am為產(chǎn)物；反響物A1為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量系數(shù)的基準(zhǔn)物。注意反響物的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量系數(shù)的符號(hào)為負(fù)，產(chǎn)物的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量系數(shù)的符號(hào)為正，第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

因?yàn)椴煌错懳锘虍a(chǎn)物的質(zhì)量之間存在著一定的關(guān)系，所以反響物的消耗速率或者產(chǎn)物的生成速率之間也存在著一定的相關(guān)關(guān)系：假設(shè)以ri表示組分i〔其中i=1→k〕的生成速率，那么有：

〔5.10〕式中，r稱為i廣義反響速率。與前面一樣，Ψi的符號(hào)表示其是被去除還是被生成。因此，如果一個(gè)反響的質(zhì)量計(jì)量方程式和一種反響組分的反響速率，那么其他所有組分的反響速率就都可以確定。方程5.9和5.10也適用于COD計(jì)量方程式，只需用適合的COD系數(shù)〔Yi〕替換標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量系數(shù)〔Ψi〕即可。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

例題5.1.2.1：一個(gè)生物反響器中細(xì)菌生長(zhǎng)速率是1.0g/〔L?h〕，并且遵循化學(xué)計(jì)量方程式5.7，試問(wèn)反響器中碳水化合物和氧的消耗速率各為多少？將方程5.7改寫(xiě)為方程5.9的形式為：-CH2O-0.309O2-0.085NH4+-0.289HCO3-+0.535C5H7O2N+0.633CO2+0.515H2O=0利用方程5.10可確定廣義反響速率：r=rC5H7O2N/0.535=1.0/0.535=1.87gCH2O/〔L?h〕第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

注意，廣義反響速率是以標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)量方程的基準(zhǔn)物來(lái)表示的，碳水化合物和氧氣的消耗速率可以由方程5.10確定：rCH2O=〔-1.0〕〔1.87〕=-1.87gCH2O/〔L?h〕rO2=〔-0.309〕〔1.87〕=-0.58gO2/〔L?h〕第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

3多重反響——矩陣法：生物處理中發(fā)生著許多過(guò)程。多重反響會(huì)同時(shí)發(fā)生，而且所有這些反響在建立生物處理質(zhì)量平衡方程時(shí)都必須考慮。考慮質(zhì)量平衡方程的數(shù)目，其所反映的不同類(lèi)型的過(guò)程和不同種類(lèi)的組分，就可知道一個(gè)系統(tǒng)需要哪些信息，使所有反響物的去向一目了然。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

考慮i〔其中i=1→m〕組分參與j〔其中j=1→n〕反響的情況。表示i組分在j反響中的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量計(jì)量系數(shù)。這樣可得到下面一組質(zhì)量計(jì)量方程：

︰︰︰〔5.11〕

第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

注意：１、 A1不一定表示標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量系數(shù)的基準(zhǔn)組分。不同組分都可以作為每一反響的基準(zhǔn)物，使所得到的每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量系數(shù)都有適當(dāng)?shù)奈锢硪饬x。２、 由于方程保持質(zhì)量守恒，每一個(gè)方程的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量系數(shù)之和必等于零。由此可對(duì)每個(gè)反響做連續(xù)性檢驗(yàn)。３、 任何組分Ai可能在一個(gè)反響中是反響物而在另一個(gè)反響中是產(chǎn)物。因此，一個(gè)組分的總生成速率是其參加的所有反響的速率加河之后所得到的凈速率，即：

〔5.12〕如果凈生成速率為負(fù)，那么該組分正在被消耗；如果為正，那么正在生成。rA可能是幾種不同組分的函數(shù)。如果是這樣，就需要同時(shí)求解幾種物質(zhì)的質(zhì)量平衡方程，才能確定反響器中任一種物質(zhì)的濃度。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

§5.2細(xì)胞生長(zhǎng)與基質(zhì)利用1細(xì)胞生長(zhǎng)的一般方程：細(xì)胞生長(zhǎng)與基質(zhì)利用是耦合進(jìn)行的，另外，可以利用衰減反響說(shuō)明維持能需求。這說(shuō)明，只要所產(chǎn)生的溶解性微生物產(chǎn)物可以忽略，那么基質(zhì)的唯一用途就是細(xì)胞生長(zhǎng)。因此，當(dāng)以基質(zhì)為基準(zhǔn)建立細(xì)胞生長(zhǎng)的化學(xué)計(jì)量方程時(shí)，細(xì)胞的化學(xué)計(jì)量系數(shù)就是細(xì)胞的真正生長(zhǎng)速率。細(xì)胞生長(zhǎng)的一般方程可以寫(xiě)為：碳源+能源+電子受體+營(yíng)養(yǎng)物→細(xì)胞生物量+CO2+復(fù)原后的受體+最終產(chǎn)物〔5.13〕應(yīng)用半反響法進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，不管碳源、能源或電子受體是什么，都能夠以同樣形式建立任何情況下的定量方程。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

半反響法在沒(méi)有重要的溶解性微生物產(chǎn)物生成時(shí)，所有非光合作用微生物的生長(zhǎng)反響包括兩種組分：用于合成的組分和用于能量的組分。合成組分中的碳最終轉(zhuǎn)化為細(xì)胞物質(zhì)，而能量組分中的碳都轉(zhuǎn)化為CO2。這些反響都是氧化復(fù)原反響，因此也包括電子從供體到受體的傳遞。對(duì)于異養(yǎng)型生長(zhǎng)，電子供體是有機(jī)基質(zhì)；而對(duì)于自養(yǎng)型生長(zhǎng)，電子供體是無(wú)機(jī)基質(zhì)。三種類(lèi)型的半反響：細(xì)胞物質(zhì)的半反響〔RC〕，電子供體的半反響〔Rd〕，和電子受體的半反響〔Ra〕。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)反應(yīng)序號(hào)半反應(yīng)細(xì)菌細(xì)胞的合成反應(yīng)（RC）以氨為氮源1.（1/20）C5H7O2N+（9/20）H2O=（1/5）CO2+（1/20）HCO3-+1/20NH4++H++e-以硝酸根作為氮源2.（1/28）C5H7O2N+（11/28）H2O=1/28NO3-+5/28CO2+29/28H++e-電子受體的反應(yīng)（Ra）O23.（1/2）H2O=1/4O2+H++e-硝酸根4.1/10N2+3/5H2O=1/5NO3-+6/5H++e-硫酸根5.1/16H2S+1/16HS-+1/2H2O=1/8SO42-+19/16H++e-表5-2氧化半反響

第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)反應(yīng)序號(hào)半反應(yīng)CO2（產(chǎn)甲烷）6.1/8CH4+1/4H2O=1/8CO2+H++e-電子供體的反應(yīng)（Rd）有機(jī)電子供體（異養(yǎng)反應(yīng)）：生活污水7.1/50C10H19O3N+9/25H2O=9/50CO2+1/50NH4++1/50HCO3-+H++e-蛋白質(zhì)（氨基酸、蛋白質(zhì)、含氮有機(jī)物）8.1/66C16H24O5N4+27/66H2O=8/33CO2+2/33NH4++31/33H++e-碳水化合物（纖維素、淀粉、糖類(lèi)）9.1/4CH2O+1/4H2O=1/4CO2+H++e-油脂（脂肪和油類(lèi)）10.1/46C8H16O+15/46H2O=4/23CO2+H++e-表5-2氧化半反響

第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)反應(yīng)序號(hào)半反應(yīng)乙酸11.1/8CH3COO-+3/8H2O=1/8CO2+1/8HCO3-+H++e-丙酸12.1/14CH3CH2COO-+5/14H2O=1/7CO2+1/14HCO3-+H++e-苯甲酸13.1/30C6H5COO-+13/30H2O=1/5CO2+1/30HCO3-+H++e-乙醇14.1/12CH3CH2OH+1/4H2O=1/6CO2+H++e-乳酸15.1/12CH3CH2OHCOO-+1/3H2O=1/6CO2+1/12HCO3-+H++e-丙酮酸16.1/10CH3COCOO-+2/5H2O=1/5CO2+1/10HCO3-+H++e-表5-2氧化半反響

第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)反應(yīng)序號(hào)半反應(yīng)甲醇17.1/6CH3OH+1/6H2O=1/6CO2+H++e-無(wú)機(jī)電子供體（自養(yǎng)反應(yīng)）18.Fe2+=Fe3++e-19.1/8NH4++3/8H2O=1/8NO3-+5/4H++e-20.1/6NH4++1/3H2O=1/6NO2-+4/3H++e-21.1/2NO2-+1/2H2O=1/2NO3-+H++e-22.1/6S+2/3H2O=1/6SO42-+4/3H++e-23.1/16H2S+1/16HS-+1/2H2O=1/8SO42-+19/16H++e-24.1/8S2O32-+5/8H2O=1/4SO42-+5/4H++e-25.1/8SO32-+1/2H2O=1/2SO42-+H++e-26.1/2H2=H++e-表5-2氧化半反響

表5-2列出了各種物質(zhì)的半反響。反響1和反響2代表細(xì)胞形成的RC。這兩種反響都基于細(xì)胞經(jīng)驗(yàn)分子式C5H7O2N，但一種是以氨氮為氮源，而另一種是以硝酸鹽為氮源。反響3～6分別是以氧氣、硝酸根、硫酸根和CO2為電子受體的半反響Ra。反響7～17時(shí)有機(jī)物電子供體的半反響Rd。其中第一個(gè)半反響代表了生活污水的一般成分，隨后三個(gè)反響分別代表了主要由蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂類(lèi)組成的廢水，反響11～17代表了一些生物處理中特殊有機(jī)化合物半反響，最后一行的反響代表了可能的自養(yǎng)電子供體。反響19～21代表硝化反響。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

為了有利于這些半反響之間的組合，所有的反響都以電子當(dāng)量為根底寫(xiě)成，電子放在式子的右邊。各計(jì)量方程〔Ｒ〕是各個(gè)半反響之和：〔5.14〕式中，減號(hào)〔－〕意味著在使用Ra和Rc之前必須進(jìn)行轉(zhuǎn)換。將左邊和右邊交換即可。fe代表與電子受體相結(jié)合的電子供體的比例，亦即用作能量的那局部電子供體。fS代表用于合成作用的電子供體的比例。由此，反響的終點(diǎn)得到了量化。為使方程保持平衡，有：〔5.15〕方程說(shuō)明，最初存在于電子供體中的所有電子，最后的歸宿要么是在所合成的細(xì)胞物資〔fe〕中，要么是在電子受體〔fS〕中。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

化學(xué)計(jì)量方程經(jīng)驗(yàn)公式為了建立半反響，對(duì)于細(xì)胞和一些有機(jī)物電子供體有必要采用經(jīng)驗(yàn)公式。所有細(xì)胞經(jīng)驗(yàn)公式都尋求用簡(jiǎn)單的方式來(lái)表示由高度復(fù)雜的有機(jī)混合物所組成的物質(zhì)。因?yàn)檫@些有機(jī)物分子的相對(duì)數(shù)量隨著生長(zhǎng)條件地變化而變化。所以，一個(gè)細(xì)胞化學(xué)公式假設(shè)適用于所有情況將會(huì)是非常偶然的。細(xì)胞元素成分的恒定性可以通過(guò)COD和各種生長(zhǎng)條件下的細(xì)胞燃燒熱來(lái)估算，因?yàn)檫@些參數(shù)恒定就說(shuō)明C、H、O、N的比率相對(duì)恒定。各種經(jīng)驗(yàn)公式都被提出以表示微生物細(xì)胞的有機(jī)成分。在廢水處理領(lǐng)域，提出最早使用最廣泛的的經(jīng)驗(yàn)公式是C5H7O2N。含磷的公式：C60H87O23N12P。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

在實(shí)驗(yàn)室或研究條件下，電子供體確實(shí)切組分通常是的。例如，如果以葡萄糖作為能源，其經(jīng)驗(yàn)公式C6H12O6可用于化學(xué)計(jì)量方程。此外，如果混合介質(zhì)中含有幾種有機(jī)電子供體，那么每一供體的半反響需要分開(kāi)寫(xiě)，然后用每一種電子供體的電子當(dāng)量奉獻(xiàn)比例乘以相應(yīng)的半反響，再加和到一起，就可以得到混合物的Rd。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

實(shí)際廢水代表了更困難的情形，因?yàn)殡娮庸w的化學(xué)成分很少是的。解決方法：１、 分析廢水中C、H、O、N的含量，由分析結(jié)果建立經(jīng)驗(yàn)公式，然后寫(xiě)出該反響的半反響。２、 如果廢水COD、有機(jī)碳、有機(jī)氮和揮發(fā)性固體的含量，可建立半反響。３、 如果廢水中污染物質(zhì)主要是碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂類(lèi)，可以利用其相對(duì)濃度來(lái)建立微生物的生長(zhǎng)方程，因?yàn)樗鼈兛梢杂靡话憬?jīng)驗(yàn)公式來(lái)表示，分別是：CH2O、C16H24O5N4和C8H16O。至于其他混合物，用每一組分的含量比例乘以相應(yīng)組分的半反響，然后相加，就可得到Rd。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

電子受體的性質(zhì)取決于微生物生長(zhǎng)環(huán)境。如果環(huán)境是好氧性的，氧氣將是電子受體。如果環(huán)境是厭氧性的，電子受體將取決于所發(fā)生的特定反響。例如，假設(shè)發(fā)生乳酸發(fā)酵，丙酮酸就是電子受體，而對(duì)于產(chǎn)甲烷反響，CO2那么是電子受體。在缺氧條件下，硝酸根可作為電子受體。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

電子供體和受體一旦確定以后，必須確定fe或fS才能寫(xiě)出平衡的化學(xué)計(jì)量方程。通常fS比較容易估計(jì)，因?yàn)樗c以COD表示的真正生長(zhǎng)比率相關(guān)。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

將生長(zhǎng)比率定義為利用單位基質(zhì)所形成的細(xì)胞物質(zhì)的數(shù)量。當(dāng)電子供體為有機(jī)化合物時(shí)，將生長(zhǎng)比率表達(dá)為分解單位基質(zhì)COD所形成的細(xì)胞COD是非常方便的。測(cè)定COD就是測(cè)量碳中的有效電子，因?yàn)镃OD是需氧量，氧的當(dāng)量是８，所以每當(dāng)量電子有8gCOD。COD和電子當(dāng)量可以相互換算。因此，生長(zhǎng)比率也就是基質(zhì)遷移單位電子所形成新細(xì)胞中碳的有效電子數(shù)量，或者是合成所捕獲的電子供體的分?jǐn)?shù)比例，即fS。所以，當(dāng)以氨氮作為異養(yǎng)型微生物合成的氮源時(shí)：fS＝Y(jié)H〔氨氮作為氮源，有機(jī)電子供體〕〔5.16〕第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

式中，YH以COD表示，下標(biāo)Ｈ說(shuō)明是異養(yǎng)型微生物的真正生長(zhǎng)比率。之所以能夠利用上式，是因?yàn)榭梢詮纳a(chǎn)性、半生產(chǎn)性或試驗(yàn)性的生物反響器中獲得COD數(shù)據(jù)，確定生長(zhǎng)比率YH，從而能夠確定系統(tǒng)的fS。只要微生物可以利用氨氮或氨基氮，細(xì)胞合成就會(huì)優(yōu)先使用這些氮。如果沒(méi)有這種氮，為生物就會(huì)利用硝酸鹽氮。如果沒(méi)有任何氮可以利用，細(xì)胞會(huì)因缺少重要的反響物而不能進(jìn)行合成。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

當(dāng)以硝酸鹽作為氮源時(shí)，氮必須從+Ⅴ價(jià)復(fù)原為-Ⅲ價(jià)才能被同化利用。這就需要利用基質(zhì)中的一些有效電子，屬于合成所需能量的一局部，亦即fs的一局部。然而，COD測(cè)定不包括復(fù)原氮所需要的電子數(shù)，因?yàn)檫@種測(cè)定不能將氮氧化，使氮仍處于-Ⅲ價(jià)。這是，COD生長(zhǎng)比率就不是fs的準(zhǔn)確估計(jì)，YH會(huì)比f(wàn)s小。然而，這種人為確實(shí)定可得到糾正，因?yàn)閷⑾跛猁}復(fù)原到適當(dāng)氧化狀態(tài)所需要的電子數(shù)目是的。假設(shè)細(xì)胞的經(jīng)驗(yàn)公式為C5H7O2N，那么：fs=1.40YH〔硝酸根作為氮源，有機(jī)物作為電子供體〕〔5.17〕熱力學(xué)定律說(shuō)明，以硝酸鹽為氮源的真正生長(zhǎng)比率會(huì)小于以氨為氮源的真正生長(zhǎng)比率。例如，以碳水化合物為電子和碳的供體時(shí)，以硝酸鹽為氮源YH值將比以氨為氮源的YH值小20%。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

§5.2細(xì)胞生長(zhǎng)與基質(zhì)利用2以氨作為氮源的異養(yǎng)菌的好氧生長(zhǎng)：舉例是證明半反響用途的最好方式。我們將接著例5.1.1.1建立異養(yǎng)菌好養(yǎng)生長(zhǎng)的摩爾計(jì)量方程。建立以氨作為氮源的異養(yǎng)微生物的好養(yǎng)生長(zhǎng)化學(xué)計(jì)量方程，以碳水化合物作為生長(zhǎng)基質(zhì)，真正生長(zhǎng)比率YH為0.71mg細(xì)胞COD/mg碳水化合物COD。為此，需要利用方程5.14～5.16：第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)因此，電子供體是碳水化合物，電子受體是氧。因此，由表5-2有：

第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)因?yàn)榘睘榈?，Rc為：應(yīng)用方程5.14，得到：

第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

上式除以0.25，就可以標(biāo)準(zhǔn)化為1molCH2O的情況，變?yōu)榉匠?.6，該方程即為例5.1.1.1開(kāi)始給出的方程。

〔5.6〕如果以方程5.15的形式排列方程，就可以將例5.1.1.1中的方程5.6換算為COD計(jì)量方程，即：

〔5.18〕

HH值相同。第二，方程5.18和方程5.15表達(dá)了相同的信息。換而言之，因?yàn)閺幕|(zhì)中遷移出的電子必須最后歸宿于電子受體或生成的細(xì)胞物質(zhì)中，所以可以這樣講，去除的基質(zhì)COD等于形成的細(xì)胞COD與利用的氧氣之和。最后，因?yàn)榉匠?.18表達(dá)的信息與方程5.15相同，可以看出，氧氣的COD計(jì)量系數(shù)與fe相同。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

§5.2細(xì)胞生長(zhǎng)與基質(zhì)利用3細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)：以氨作為氮源的異養(yǎng)型細(xì)菌好氧生長(zhǎng)的COD計(jì)量方程為：將該方程以真正生長(zhǎng)比率為根底改寫(xiě)為：式中，基質(zhì)〔SS〕和活性異養(yǎng)微生物〔XB,H〕的測(cè)定都以COD為單位。SO為氧氣，以COD表示。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)〔5.31〕

保存COD單位，將方程改寫(xiě)為：

該方程是以基質(zhì)作為基準(zhǔn)組分的，也可用生物量作為基準(zhǔn)組分：

可以得到：

式中，r=mgCOD/(L?h)。因此，一旦確定了rXB，其他速率也就清楚了。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)〔5.34〕〔5.33〕〔5.32〕

細(xì)菌以二分裂方式繁殖。因此，細(xì)菌的生長(zhǎng)速率可以表示為活性細(xì)胞濃度的一級(jí)反響：

式中，為比生長(zhǎng)速率系數(shù)〔h-1〕。之所以稱為比生長(zhǎng)速率系數(shù)，是因?yàn)樗怯靡延械幕钚陨锪縼?lái)定義其生長(zhǎng)速率的，亦即單位時(shí)間內(nèi)單位活性細(xì)胞COD所生成的細(xì)胞COD的質(zhì)量。將方程代入5.34可確定與生物生長(zhǎng)相聯(lián)系的基質(zhì)去除速率和氧氣〔電子受體〕消耗速率。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)〔5.35〕

§5.2細(xì)胞生長(zhǎng)與基質(zhì)利用4基質(zhì)濃度對(duì)μ的影響：Monod方程最初認(rèn)為，只有當(dāng)包括基質(zhì)在內(nèi)的所有營(yíng)養(yǎng)物處于高濃度時(shí)，細(xì)菌才能進(jìn)行指數(shù)生長(zhǎng)。然而，在20世紀(jì)40年代早期發(fā)現(xiàn)，即使某種營(yíng)養(yǎng)物濃度有限時(shí)，細(xì)菌也能進(jìn)行指數(shù)生長(zhǎng)。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，比生長(zhǎng)速率系數(shù)μ的值取決于限制性營(yíng)養(yǎng)物的濃度。碳源、電子供體、電子受體、氮、或者生物生長(zhǎng)所需要的其他任何因子都可能是限制因子。自那以后，這種現(xiàn)象的普遍性就經(jīng)常得到證實(shí)。所以，現(xiàn)在把它當(dāng)作微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的一個(gè)根本的概念。此處首先考慮只有一種有機(jī)基質(zhì)是生長(zhǎng)限制因子的情形。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

圖5-1描述了與單一限制性基質(zhì)濃度之間的函數(shù)關(guān)系。最初隨著基質(zhì)濃度的增加而迅速上升，然后逐漸地接近最大值。這個(gè)最大值稱為最大比生長(zhǎng)速率。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)圖5-1比生長(zhǎng)速率系數(shù)與非抑制性基質(zhì)濃度間的典型關(guān)系

Monod方程是歷史上首先提出并且被廣泛接受的用來(lái)描述圖5-1所示關(guān)系的最正確數(shù)學(xué)公式。Monod最初的工作是在間歇反響器進(jìn)行的，但是隨后被研究人員用于在限定基質(zhì)生長(zhǎng)的單種細(xì)菌的連續(xù)流系統(tǒng)，并得到完善。由此得到的結(jié)論認(rèn)為，采用直角雙曲線方程能足夠精確地?cái)M合生長(zhǎng)曲線。Monod提出的方程是：式中，KS是半飽和系數(shù)。KS決定了接近的快慢程度，并被定義為等于的一半時(shí)的基質(zhì)濃度，見(jiàn)圖5-1。KS越小，接近時(shí)的基質(zhì)濃度越低。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)〔5.36〕

Monod方程的簡(jiǎn)化對(duì)方程5.36可以做出兩種簡(jiǎn)化，這種簡(jiǎn)化在廢水處理系統(tǒng)的模擬過(guò)程中經(jīng)常被采用。１、 如果SS遠(yuǎn)大于KS，該方程可近似表示為：〔5.37〕這種方法稱為零級(jí)近似法。因?yàn)樵谶@種情況下，比生長(zhǎng)速率系數(shù)與基質(zhì)濃度無(wú)關(guān)，其值等于最大比生長(zhǎng)速率系數(shù)，細(xì)菌會(huì)以盡快的速度生長(zhǎng)。２、 如果SS遠(yuǎn)小于KS，分母局部可以近似地等于KS，Monod方程變?yōu)椋骸?.38〕第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

這種方法稱為一級(jí)近似法。當(dāng)用COD來(lái)表示可生物降解有機(jī)物的總量時(shí)，KS會(huì)相對(duì)地比較大，使活性污泥反響器中的SS通常小于KS，因此，有時(shí)用它來(lái)模擬這種系統(tǒng)。Carrett和Sawyer最早建議使用方程5.37和方程5.38。他們觀察到，當(dāng)基質(zhì)濃度低時(shí)，細(xì)菌的比生長(zhǎng)速率與基質(zhì)濃度成正比例，而當(dāng)基質(zhì)濃度較高時(shí)，細(xì)菌的比生長(zhǎng)速率與基質(zhì)濃度無(wú)關(guān)。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

抑制性基質(zhì)有時(shí)，尤其是在處理含合成有機(jī)化合物的工業(yè)廢水時(shí)，會(huì)碰到這樣的情況，即隨著基質(zhì)濃度的增加，微生物的比生長(zhǎng)速率到達(dá)一個(gè)最大值，然后下降，如圖5-2所示。顯然，Monod方程不能描述這種情形。因而，人們付出了相當(dāng)多的努力試圖建立適合這種情形的方程。與對(duì)待自然產(chǎn)生的非抑制性基質(zhì)一樣，許多不同的模型都可以用來(lái)描述所觀察到的基質(zhì)濃度和μ之間的關(guān)系，而且從統(tǒng)計(jì)學(xué)的觀點(diǎn)看，幾乎無(wú)法推薦一種模型而不推薦另一種模型。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)圖5-2比生長(zhǎng)速率系數(shù)與抑制性基質(zhì)濃度之間的典型關(guān)系

因此，與Monod方程一樣，選擇模型應(yīng)該基于對(duì)模型的熟悉程度和模型使用的容易程度，進(jìn)而建議使用Haldane的以酶模型為根底的方程。Andrews首先建議廣泛使用這種函數(shù)描述抑制性有機(jī)基質(zhì)對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)速率的影響，因此將其稱為Andrews方程，其形式為：〔5.39〕方程與Monod方程相似，只是多一個(gè)參數(shù)K1，即抑制性系數(shù)。注意，當(dāng)K1非常大時(shí)，Andrews方程簡(jiǎn)化為Monod方程，說(shuō)明這兩個(gè)方程中KS和有相同意義。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

然而，與非抑制性基質(zhì)情況不同的是，實(shí)際上是不能被觀察到的，而是一個(gè)假設(shè)的最大化比生長(zhǎng)速率，只有當(dāng)基質(zhì)不是抑制性的時(shí)候才有可能得到。此外，因?yàn)椴荒鼙挥^察到，所以KS也具有一定的假設(shè)成分。圖5-2中曲線最顯著的特點(diǎn)是，μ在基質(zhì)濃度為SS*時(shí)到達(dá)最大值μ*。在最大值μ*有：第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)〔5.40〕〔5.41〕

方程5.40說(shuō)明，抑制程度是由KS/K1而不是單由K1決定的。KS/K1越大，μ*相對(duì)于就越小，因而抑制程度就越大。此外，因?yàn)槠淇蓽y(cè)量性，所以μ*和SS*在確定抑制性基質(zhì)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)時(shí)是非常重要的。方程5.39已被廣泛地應(yīng)用于模擬各種廢水處理系統(tǒng)，此處用來(lái)描述抑制性基質(zhì)對(duì)細(xì)菌的比生長(zhǎng)速率的影響。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

其它抑制劑的影響有時(shí)，一種化合物可能抑制微生物利用另一種化合物的生長(zhǎng)。例如，一些有機(jī)化合物會(huì)抑制硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)，而另一些化合物能抑制異養(yǎng)細(xì)菌利用生物性有機(jī)物的生長(zhǎng)。這種情況下，有必要采用動(dòng)力學(xué)模型描述抑制劑〔Si〕濃度對(duì)μ和SS之間相互關(guān)系的影響。在沒(méi)有抑制劑時(shí)，如果能夠用Monod方程來(lái)表達(dá)μ和SS之間的關(guān)系，那么就可以將抑制劑的影響表示為或KS/K1的影響。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

已經(jīng)有幾種抑制劑類(lèi)型通過(guò)與定義酶抑制劑類(lèi)似的方法進(jìn)行了定義，但是，它們都可以用由Han和Levenspiel提出的Monod方程擴(kuò)展模式進(jìn)行模擬。Han和Levenspiel提出的Monod方程擴(kuò)展式為：式中，Si*是使全部微生物活性被抑制時(shí)的抑制劑濃度，m和n分別是反響抑制劑濃度增加對(duì)KS和影響的指數(shù)。方程5.42已成功地用于模擬各種人工合成型化合物對(duì)去除生物質(zhì)型有機(jī)物的影響。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)〔5.42〕

§5.2細(xì)胞生長(zhǎng)與基質(zhì)利用5比基質(zhì)去除速率：合并方程5.34和方程5.35，那么有：第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)〔5.43〕

式中，稱為比基質(zhì)去除率，用符號(hào)表示〔注意，ＹH去掉了下標(biāo)，以強(qiáng)調(diào)該方程的通用性〕。最大比基質(zhì)去除率為：與KS的比率稱為平均反響速率系數(shù)，以符號(hào)ke表示：第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)〔5.45〕〔5.44〕

§5.2細(xì)胞生長(zhǎng)與基質(zhì)利用6多重限制性營(yíng)養(yǎng)物：從廣義上來(lái)說(shuō)，營(yíng)養(yǎng)物可以分為兩類(lèi)：補(bǔ)充性營(yíng)養(yǎng)物和可替代性營(yíng)養(yǎng)物。補(bǔ)充性營(yíng)養(yǎng)物是指那些能夠滿足微生物生長(zhǎng)的全部需要的營(yíng)養(yǎng)物。例如，氮提供蛋白質(zhì)合成所需要的氮；葡萄糖提供碳和能量。如果生長(zhǎng)介質(zhì)中缺少其中任何一種，也不提供替代營(yíng)養(yǎng)物，那么生長(zhǎng)就不能進(jìn)行。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

另一方面，可替代性營(yíng)養(yǎng)物是指能滿足同樣需要的營(yíng)養(yǎng)物。例如氮和硝酸鹽能夠提供氮；葡萄糖和苯酚都能夠提供碳和能量。因此，氨和硝酸鹽是可以相互替代的，葡萄糖和苯酚也一樣。在本節(jié)中，將考慮兩種補(bǔ)充性營(yíng)養(yǎng)物比照生長(zhǎng)速率同時(shí)產(chǎn)生限制的情形。盡管在實(shí)際環(huán)境中是非常重要的，但是關(guān)于微生物對(duì)兩種或更多的補(bǔ)充性營(yíng)養(yǎng)物同時(shí)產(chǎn)生限制的響應(yīng)知之甚少。因?yàn)殡S著營(yíng)養(yǎng)物數(shù)量增加，不確定性顯著增加，所以我們將考慮只有兩種營(yíng)養(yǎng)物的情形。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

相互作用和非相互作用關(guān)系假設(shè)有兩種補(bǔ)充性營(yíng)養(yǎng)物SS1和SS2，它們都是細(xì)胞生長(zhǎng)所必需的，在生長(zhǎng)環(huán)境中都是低濃度。究竟哪一種會(huì)控制比生長(zhǎng)速率，有兩種思路可用來(lái)答復(fù)這個(gè)問(wèn)題。代表這兩種思路的模型分為：相互作用模型和非相互作用模型。相互作用模型首先假設(shè)兩種補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)物在同一時(shí)間都影響比生長(zhǎng)速率。如果兩種營(yíng)養(yǎng)物都是生長(zhǎng)所必需，并且其濃度都等于它們的半飽和系數(shù)，那么其中任何單獨(dú)一個(gè)都會(huì)將μ減少到/2。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

但是，既然它們同時(shí)產(chǎn)生影響，所以其結(jié)果是將μ減少到/4。最常見(jiàn)的相互作用模型為多重Monod方程：在任何情況下，SS1和SS2的濃度都使得SS1/(KS1+SS1)和SS2/(KS2+SS2)的值小于1，使μ低于。由此產(chǎn)生兩個(gè)影響：第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)〔5.46〕

第一，給定SS1的值，SS2有數(shù)量限制時(shí)，其μ值將低于SS2到達(dá)過(guò)量時(shí)的μ值；第二，給定一個(gè)SS1或SS2，與之相聯(lián)系的μ值都并不確定，與方程5.36的情形類(lèi)似，μ值同時(shí)取決于二者。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

非相互作用模型假設(shè)：微生物的比生長(zhǎng)速率一次只能受一種營(yíng)養(yǎng)物的限制。因此，μ等于由單一基質(zhì)模型所獲得的最小數(shù)值：如果SS1/(KS1+SS1)<SS2/(KS2+SS2)，那么SS1為速率限制因子；反之亦然。如果SS1/(KS1+SS1)=SS2/(KS2+SS2)，那么兩者都是速率限制因子，但只有特殊條件下才會(huì)發(fā)生這種情況。在非相互作用模型中，Monod方程只應(yīng)用于起速率限制因子的營(yíng)養(yǎng)物，而另一營(yíng)養(yǎng)物的濃度對(duì)μ沒(méi)有影響。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)〔5.47〕

以上兩種模型都只得到有限試驗(yàn)證據(jù)的支持。Bae和Rittmann從理論和試驗(yàn)方面證明，當(dāng)兩種限制組分都是電子供體和受體時(shí)，相互作用模型更適宜一些。此外Bader比較了兩種表達(dá)式的數(shù)學(xué)特征。非相互作用模型本身就造成了從一種營(yíng)養(yǎng)物限制向另一營(yíng)養(yǎng)物限制過(guò)渡時(shí)的不連續(xù)性。在SS1/KS1和SS2/KS2都低的區(qū)域，其預(yù)測(cè)的生長(zhǎng)速率明顯地比較高。相互作用模型不會(huì)導(dǎo)致不連續(xù)性，但當(dāng)SS1/KS1和SS2/KS2都低時(shí)，其可能錯(cuò)誤地預(yù)測(cè)出明顯比較低的生長(zhǎng)速率。在任何一種營(yíng)養(yǎng)物過(guò)量時(shí)，這兩個(gè)函數(shù)就逐漸變?yōu)橄嗤?。最后，因?yàn)橄嗷プ饔媚Ｐ褪沁B續(xù)的，所以在模擬動(dòng)態(tài)條件時(shí)在數(shù)學(xué)上是更可取的。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

采用方程5.46的相互作用模型，原因有三：第一，Bae和Rittmann提供了證據(jù)；第二，對(duì)廢水生物處理中可能碰到的情形而言，相互作用模型更保守一些；第三，模型對(duì)于一種營(yíng)養(yǎng)物是電子供體〔基質(zhì)〕而另一種為電子受體〔氧氣或硝酸鹽〕的情形應(yīng)用效果較好，這種情形在廢水處理系統(tǒng)中比較常見(jiàn)。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

多重營(yíng)養(yǎng)物還存在一種特殊情況，即當(dāng)一種營(yíng)養(yǎng)物濃度增加時(shí)反而會(huì)降卑微生物活性。例如，缺氧條件下異養(yǎng)菌的生長(zhǎng)就是如此。因?yàn)橄跛猁}復(fù)原能替代好氧呼吸，將電子傳遞至硝酸鹽的酶和及其復(fù)原產(chǎn)物會(huì)受到溶解氧濃度的不利影響，所以在建立缺氧條件生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)時(shí)必須要考慮這一事實(shí)。氧有兩個(gè)影響：〔1〕抑制反硝化酶的合成；〔2〕抑制反硝化酶的活性。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

雖然有一些例外，但在通常情況下，介質(zhì)中存在氧氣〔和/或主動(dòng)將氧氣用作最終電子受體〕會(huì)抑制硝酸鹽復(fù)原酶系統(tǒng)的合成。當(dāng)沒(méi)有氧氣，或氧氣量不能滿足需要時(shí)，會(huì)發(fā)生去阻抑作用，酶又被合成。然而，當(dāng)微生物在好養(yǎng)和缺氧條件之間循環(huán)時(shí)，情況變得更復(fù)雜了，此時(shí)調(diào)控系統(tǒng)似乎被改變了，即使有溶解氧存在，有些酶的合成還是在以變慢了的速度繼續(xù)進(jìn)行。氧對(duì)酶活性的影響取決于細(xì)菌種類(lèi)。在有些細(xì)菌中，有氧存在時(shí)酶活性會(huì)降低，而其它一些細(xì)菌那么不然。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

盡管如此，對(duì)于細(xì)菌在好氧和缺氧條件之間不斷循環(huán)的系統(tǒng)，氧抑制酶活性似乎是影響硝酸鹽復(fù)原速率的主要機(jī)理；缺氧條件下的優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)似乎會(huì)提供一些即使在有氧時(shí)也能以變慢了的速度起作用的酶類(lèi)。在廢水生物處理系統(tǒng)中，有一種因素可能會(huì)使得分析氧對(duì)硝酸復(fù)原影響復(fù)雜化，即微生物以絮體還是生物膜生長(zhǎng)。因?yàn)閿U(kuò)散是向生物絮體或生物膜內(nèi)部細(xì)菌供氧的惟一機(jī)制，因此，即使水流主體中有氧氣，有一些細(xì)菌仍然會(huì)處在完全沒(méi)有氧的微環(huán)境中。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

由于溶解氧對(duì)異養(yǎng)菌的缺氧生長(zhǎng)影響復(fù)雜，并且這些影響還沒(méi)完全弄清楚，所以一般采用相比照較簡(jiǎn)單的模型進(jìn)行描述。一個(gè)通常的方式是采用方程5.46描述有機(jī)質(zhì)(SS)和硝酸鹽(SNO)對(duì)μ的同時(shí)影響，并添加第三項(xiàng)。這第三項(xiàng)會(huì)隨著溶解氧濃度(SO)的增加而使μ降低。方程形式為：第三項(xiàng)通常是酶動(dòng)力學(xué)中用來(lái)描述經(jīng)典非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑影響的函數(shù)。參數(shù)KIO是氧的抑制系數(shù)。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)〔5.48〕

多重營(yíng)養(yǎng)物限制的意義設(shè)計(jì)生物處理的前提是生物反響器中生物的比生長(zhǎng)速率與生長(zhǎng)限制營(yíng)養(yǎng)物的濃度之間存在著函數(shù)關(guān)系。由于這種函數(shù)關(guān)系，如果采用工程方法控制比生長(zhǎng)速率，那么就可能控制排出生物反響器的生長(zhǎng)限制營(yíng)養(yǎng)物的濃度。然而，這只有在工程師希望控制的營(yíng)養(yǎng)物正好是生長(zhǎng)限制性營(yíng)養(yǎng)物時(shí)才能實(shí)現(xiàn)如果設(shè)計(jì)的目的是去除溶解性有機(jī)物，那么所有其它營(yíng)養(yǎng)物必須供給充足。或者，如果目的是使硝酸鹽作為最終電子受體從而去除硝酸鹽氮，那么就應(yīng)該在處理系統(tǒng)的適當(dāng)位置使硝酸鹽成為速率限制因子。所以，一個(gè)明確的處理目標(biāo)，必須與廢水中各種組分濃度方面的知識(shí)相結(jié)合，才能確保所設(shè)計(jì)出的生物處理確實(shí)滿足之。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

因?yàn)檠鯕馐且环N溶解性很低的氣體，所以必須不斷地向好氧系統(tǒng)供給氧氣，而且溶液中氧氣的濃度取決于氧氣供給與利用的相對(duì)速率。此外，因?yàn)楣┭跏呛醚鯊U水處理的主要本錢(qián)之一，氧氣供給系統(tǒng)過(guò)于龐大是不經(jīng)濟(jì)的。因此，經(jīng)常出現(xiàn)氧氣濃度降到足以使SO/(KO+SO)<1.0〔其中，KO是溶解氧的半飽和系數(shù)〕的情況。所以，研究這種情況產(chǎn)生的影響是有益的。圖5-3利用典型參數(shù)值，舉例說(shuō)明了氨〔電子供體〕和氧氣〔電子受體〕同時(shí)對(duì)自養(yǎng)硝化細(xì)菌的比生長(zhǎng)速率的影響。之所以選擇這類(lèi)細(xì)菌，是因?yàn)榕c異養(yǎng)菌相比，它們對(duì)溶解氧濃度更敏感〔KO,H<KO,A，下標(biāo)H和A分別表示異養(yǎng)菌和自養(yǎng)菌〕。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)圖5-3氨氮和溶解氧濃度對(duì)自養(yǎng)硝化細(xì)菌比生長(zhǎng)速率的影響

圖5-3揭示了兩個(gè)問(wèn)題：第一，如果我們使生物反響器的運(yùn)行保持恒定的比生長(zhǎng)速率，那么降低生物反響器的氧氣濃度那么會(huì)使氨濃度增加；第二，降低氧氣濃度就相當(dāng)于降低細(xì)菌的。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

合成新的細(xì)胞需要氮和磷。如果沒(méi)有適量的氮和磷，細(xì)胞生長(zhǎng)就不能平衡，處理效果會(huì)受到損害。因此，必須注意提供足量的氮和磷。然而，我們剛剛看到，如果生物反響器中必要營(yíng)養(yǎng)物的濃度非常低，可能成為速率限制因子。這種情況不希望在處理目的是去除有機(jī)物時(shí)發(fā)生。這意味著，供給生物反響器的氮或磷濃度必須足夠高，才能滿足化學(xué)計(jì)量學(xué)所規(guī)定的細(xì)胞合成所需要的量，在溶液中保持足夠的剩余量以防止它們成為速率限制因子。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

Goel和Gaudy研究確定，在正常的異養(yǎng)型生長(zhǎng)中，氨氮的KS-1作為的代表值，如果進(jìn)水的氮濃度超過(guò)化學(xué)計(jì)量所需求的1.0mgN/L，那么對(duì)于廢水處理中異養(yǎng)微生物通常的比生長(zhǎng)速率，氮就不會(huì)成為速率限制因素。雖然也做過(guò)一些有關(guān)磷對(duì)異養(yǎng)微生物動(dòng)力學(xué)限制方面的研究工作，但是其結(jié)果并不如對(duì)氮的研究那么清晰。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

也曾經(jīng)測(cè)定過(guò)微生物純培養(yǎng)和混合培養(yǎng)中磷的限制濃度，但是發(fā)現(xiàn)該濃度太低，當(dāng)時(shí)的技術(shù)無(wú)法檢測(cè)出來(lái)。因此，如果進(jìn)水中磷的濃度超過(guò)化學(xué)計(jì)量要求量的幾十分之一mg-P/L，磷就不會(huì)成為速率限制元素。在一些生物處理中，微生物能經(jīng)過(guò)一個(gè)完整的生長(zhǎng)循環(huán)，在某一階段會(huì)吸收營(yíng)養(yǎng)物，而在另一階段會(huì)釋放營(yíng)養(yǎng)物。為了防止在吸收階段營(yíng)養(yǎng)物成為限制，以上所給出的量應(yīng)該超過(guò)最大去除量而不是最后出水的量。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

§5.3維持、內(nèi)源代謝、衰減、溶胞和死亡1傳統(tǒng)模式：在傳統(tǒng)模式中，所有導(dǎo)致生長(zhǎng)比率和活性降低的過(guò)程都用以下計(jì)量方程表示：細(xì)胞＋電子受體→CO2＋復(fù)原后的受體＋營(yíng)養(yǎng)物＋細(xì)胞殘留(5.52)此表達(dá)式包含著重要概念，即活性生物量因?yàn)樗p而被降解，碳氧化為CO2所遷移的電子被傳遞給電子受體。此外，并非所有細(xì)胞物質(zhì)都被徹底氧化了，還有一局部成為細(xì)胞殘留物。盡管這些殘留物最終是可以被生物降解的，但它們的降解速率極低，對(duì)大多數(shù)生物處理而言，細(xì)胞殘留物似乎是惰性的，不會(huì)再受到生物的作用，因而不斷積累，降低了懸浮固體中活性生物量的比例。最后，氮以氨氮形式被釋放，但仍有一局部在細(xì)胞殘留物中。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

圖5-5說(shuō)明了這些過(guò)程是如何與好氧環(huán)境微生物生長(zhǎng)相聯(lián)系的。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)圖5-5細(xì)胞衰減和細(xì)胞活性損失的傳統(tǒng)模式示意圖溶解性基質(zhì)SS細(xì)胞殘留物XD生物量XBCOD去除/細(xì)胞生長(zhǎng)CO2+H2OO2+NH3CO2+H2O+NH3

O2衰減去除COD

將式5.52改寫(xiě)為COD平衡方程，結(jié)果是：細(xì)胞COD+[-(1-fD)]電子受體的O2當(dāng)量→fD細(xì)胞殘留物COD(5.53)式中，fD是活性生物量中能夠形成細(xì)胞殘留物XD的比例。對(duì)廢水生物處理中常見(jiàn)的生物量而言，fD。方程說(shuō)明，細(xì)胞在衰減中所消耗的氧氣或硝酸鹽必須等于活性生物量COD損失與所生成細(xì)胞殘留COD的差值。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

方程5.52含有的另一重要概念是，當(dāng)細(xì)胞物質(zhì)被降解時(shí)，氮以氨形式被釋放。如果將方程5.52改寫(xiě)成氮的化學(xué)計(jì)量方程，即為：細(xì)胞N→NH3-N+細(xì)胞殘留N(5.54)

因?yàn)槲覀円呀?jīng)用生物量COD作為細(xì)胞物質(zhì)的根本度量，所以將氮計(jì)量方程與細(xì)胞COD相關(guān)聯(lián)會(huì)是比較方便的，只需引入兩個(gè)換算因子即可。這兩個(gè)換算因子是iN/XB和iN/XD，分別代表活性細(xì)胞和細(xì)胞殘留中的氮與COD的質(zhì)量比。因此：

iN/XB?細(xì)胞COD→NH3-N+iN/XD?細(xì)胞殘留物COD(5.55)第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

因?yàn)榉纸鈫挝毁|(zhì)量的細(xì)胞COD能產(chǎn)生fD單位的細(xì)胞殘留物COD〔方程5.53〕，方程5.55告訴我們，分解單位質(zhì)量的細(xì)胞COD所釋放的氨氮量是〔iN/XB-iN/XDfD〕。如果用C5H7O2N代表細(xì)胞，那么iN/XB。而細(xì)胞殘留物還沒(méi)有像活性細(xì)胞那樣被研究過(guò)，沒(méi)有普遍接受的經(jīng)驗(yàn)公示用于計(jì)算iN/XD。然而，由于許多含氮化合物是能量?jī)?chǔ)存物，其在內(nèi)源代謝中被分解，所以細(xì)胞殘留物含量可能低于細(xì)胞的氮含量。因此有人推薦iN/XD值是0.06mgN/mgCOD。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

細(xì)胞衰減速率是細(xì)胞濃度的一次方程：〔5.56〕式中，ｂ是衰減系數(shù)，單位是ｈ-1。應(yīng)用方程5.10的概念，細(xì)胞殘留物的產(chǎn)生速率可為：〔5.57〕與細(xì)胞衰減相聯(lián)系的氧氣〔電子受體〕利用速率為：

〔5.58〕第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

該方程也可用于以氧氣當(dāng)量表示的硝酸鹽利用速率，但是不同電子受體的衰減系數(shù)可能不同。最后，氨氮釋放速率為：

〔5.59〕第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

b〔衰減系數(shù)〕-1-1-1-1。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

厭氧系統(tǒng)中也會(huì)發(fā)生衰減，但其b值小于好氧系統(tǒng)，原因在于厭氧系統(tǒng)中細(xì)菌值低得多-1-1。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

§5.3維持、內(nèi)源代謝、衰減、溶胞和死亡2溶解再生長(zhǎng)模式：Dold等人建立了可以用于模擬含有好氧區(qū)和缺氧區(qū)的廢水處理系統(tǒng)的模型。模型只考慮一種生物量，即活性生物量。但是，這些活性微生物在不斷地死亡和溶解，產(chǎn)生顆粒態(tài)基質(zhì)和細(xì)胞殘留物。顆粒態(tài)基質(zhì)轉(zhuǎn)化為溶解性基質(zhì)，被活細(xì)胞吸收用于生長(zhǎng)，生成新的細(xì)胞物質(zhì)。然而，由于細(xì)胞的生長(zhǎng)比率總小于1，所以新生成的細(xì)胞數(shù)量總是小于死亡和溶解的細(xì)胞數(shù)量，導(dǎo)致系統(tǒng)總細(xì)胞數(shù)量減少〔亦即衰減〕。細(xì)胞殘留物和顆粒態(tài)基質(zhì)積累使得系統(tǒng)中生物量活性降低。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

Dold等人的模型足夠用來(lái)模擬許多重要的廢水處理系統(tǒng)。此外，這種模型可以解釋細(xì)菌經(jīng)過(guò)好氧、缺氧和厭氧循環(huán)時(shí)所衰減量的差異，而這種差異卻不能用傳統(tǒng)的衰減方式來(lái)解釋。最后，Dold等人的模型已經(jīng)用于單一污泥工藝的一般模型中，并且能夠代表生產(chǎn)性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變化。所以，把它做為傳統(tǒng)模式的替代模型。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

圖5.6細(xì)胞衰減和活性降低的溶解再生長(zhǎng)模式示意圖第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

式中，——能夠產(chǎn)生細(xì)胞殘留物的活性細(xì)胞所占的比例。在死亡和溶解過(guò)程中沒(méi)有COD損失，活性細(xì)胞COD只是簡(jiǎn)單地轉(zhuǎn)化為等量的細(xì)胞殘留物和顆粒態(tài)基質(zhì)COD。因此，電子受體并沒(méi)有直接與細(xì)胞生物量減少〔即衰減〕相關(guān)聯(lián)。電子受體的利用發(fā)生在活性細(xì)胞利用由顆粒態(tài)基質(zhì)水解產(chǎn)生的溶解性基質(zhì)進(jìn)行生長(zhǎng)的過(guò)程。與傳統(tǒng)模式一樣，假設(shè)細(xì)胞殘留物在生物處理的限定時(shí)間內(nèi)能抵抗微生物進(jìn)一步作用。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)溶解再生長(zhǎng)模式的COD計(jì)量方程為：

〔5.60〕

細(xì)胞中的氮分布在細(xì)胞殘留物和顆粒態(tài)基質(zhì)中，后者稱為顆粒態(tài)可生物降解有機(jī)氮。細(xì)胞氮的化學(xué)計(jì)量方程為：細(xì)胞N→顆粒態(tài)可生物降解有機(jī)氮N+細(xì)胞殘留物N〔5.61〕假設(shè)iN/XB和iN/XD的意思同前，方程5.61可根據(jù)細(xì)胞COD和細(xì)胞殘留物COD改寫(xiě)為：

iN/XB·細(xì)胞COD→顆粒態(tài)可生物降解有機(jī)氮N+iN/XD·細(xì)胞殘留物COD〔5.62〕因此，單位細(xì)胞COD衰減后有的顆粒態(tài)可生物降解有機(jī)氮。這有別于傳統(tǒng)模式，因?yàn)閭鹘y(tǒng)模式中是直接形成溶解性氨氮。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

與在傳統(tǒng)模式中一樣，細(xì)胞COD衰減速率是活性細(xì)胞生物量的一次方程：第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)〔5.63〕

式中，bL的單位是h-1，與b的單位一樣。類(lèi)似傳統(tǒng)模式，細(xì)胞殘留物的產(chǎn)生速率表示為：〔5.64〕顆粒態(tài)基質(zhì)COD〔XS〕的產(chǎn)生速率表示為：〔5.65〕

注意：該方程與傳統(tǒng)模式中的氧氣消耗方程5.58相似，因?yàn)榛钚约?xì)胞失去的所有電子均保存在顆?；|(zhì)中，而沒(méi)有傳遞給氧氣。最后，顆粒態(tài)可生物降解有機(jī)氮〔XNS〕的產(chǎn)生速率為：〔5.66〕

需要認(rèn)識(shí)到：bL的概念和數(shù)值都不同于b，的數(shù)值不同于。原因在于：第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

溶解再生長(zhǎng)模式中有COD循環(huán)。細(xì)胞COD損失，釋放出顆粒態(tài)基質(zhì)，其又水解為溶解性基質(zhì)，又被活性細(xì)胞降解利用產(chǎn)生新的細(xì)胞，新細(xì)胞又死亡和溶解，又產(chǎn)生顆粒態(tài)基質(zhì)，如此不斷地循環(huán)往復(fù)。傳統(tǒng)模式和溶解再生長(zhǎng)模式的凈結(jié)果是相同的。因?yàn)椋翰还軐?duì)實(shí)際發(fā)生的過(guò)程如何進(jìn)行概念化表示，都會(huì)有一定數(shù)量的細(xì)胞生物量從反響器中消失。由于在溶解再生長(zhǎng)設(shè)想模式中，碳需要沿系統(tǒng)循環(huán)屢次才能獲得傳統(tǒng)模式中循環(huán)一次的細(xì)胞減少量，所以bL的數(shù)值必然大于b。相應(yīng)地，因?yàn)橐欢〝?shù)量的細(xì)胞通過(guò)衰減而減少，最終形成的細(xì)胞殘留物數(shù)量相同，所以，的數(shù)值必然小于。

第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)實(shí)際上，bL、b、、四個(gè)參數(shù)值是相互關(guān)聯(lián)的：〔5.67〕此外，〔5.68〕bL和b之間的關(guān)系也取決于Y：〔5.69〕

在估計(jì)參數(shù)的研究中，通常測(cè)定Ｙ和ｂ，而不是和。由于Ｙ能影響bL和b之間的關(guān)系，所以在將所測(cè)定的ｂ值轉(zhuǎn)換為bL值時(shí)，建議使用方程5.69，而不是方程5.67。

第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

溶解再生長(zhǎng)模式中隱含著一個(gè)重要假設(shè)，在特定的培養(yǎng)體中，不管細(xì)菌的生長(zhǎng)速率怎樣變化，細(xì)胞溶解作用始終是以相同的速率系數(shù)〔bL〕值在進(jìn)行。對(duì)于自養(yǎng)型生長(zhǎng)，bL和b之間的關(guān)系是不同的。這是因?yàn)樽责B(yǎng)型微生物生長(zhǎng)并不利用有機(jī)物。因此，死亡和溶解不會(huì)增加自養(yǎng)型微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)，利用所釋放的氮進(jìn)行生長(zhǎng)的自養(yǎng)型微生物細(xì)胞數(shù)量可以忽略。相反，異養(yǎng)型微生物細(xì)胞會(huì)利用所釋放的有機(jī)物進(jìn)行再生長(zhǎng)。因此，溶解再生長(zhǎng)模式和傳統(tǒng)模式對(duì)于自養(yǎng)細(xì)胞是一樣的，結(jié)果是兩套參數(shù)值相等。

§5.4溶解性微生物產(chǎn)物的生成生成溶解性微生物產(chǎn)物的過(guò)程有兩種，一種是與生長(zhǎng)相關(guān)的，另一種是與生長(zhǎng)無(wú)關(guān)的。與生長(zhǎng)相關(guān)的產(chǎn)物直接從細(xì)胞生長(zhǎng)和基質(zhì)利用過(guò)程生成。如果溶解性微生物產(chǎn)物生成的數(shù)量相當(dāng)大，那么必須修改微生物生長(zhǎng)的計(jì)量方程以包括這類(lèi)產(chǎn)物。以SMP表示溶解性微生物產(chǎn)物的濃度〔以COD為單位〕，YMP表示產(chǎn)物比率〔單位為產(chǎn)物COD/基質(zhì)COD〕，那么方程5.31可以改寫(xiě)為以下形式，以便包含溶解性微生物產(chǎn)物的形成：第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)〔5.70〕

§5.4溶解性微生物產(chǎn)物的生成這說(shuō)明，當(dāng)有溶解性產(chǎn)物生成時(shí)，電子供體需要量減少。這是因?yàn)榫植炕|(zhì)COD仍舊以這些產(chǎn)物形式存留在介質(zhì)中。以細(xì)胞生物量作為基準(zhǔn)組分，將該方程改寫(xiě)為方程5.9的形式，即：第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)〔5.71〕該方程說(shuō)明：〔5.72〕XB，有：〔5.73〕ｒＳＭＰ與rSMP與成比例，說(shuō)明與生長(zhǎng)相關(guān)聯(lián)。

§5.4溶解性微生物產(chǎn)物的生成非生長(zhǎng)相關(guān)的產(chǎn)物的生成，也稱為細(xì)胞相關(guān)產(chǎn)物的生成，是由于細(xì)胞溶解和衰減而引起的。改寫(xiě)方程5.53，使傳統(tǒng)模式的衰減COD計(jì)量方程中包含溶解性介質(zhì)的形成：第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)〔5.74〕式中，fMP——能產(chǎn)生細(xì)胞相關(guān)產(chǎn)物的活性細(xì)胞所占的比例。利用方程5.74和方程5.56可以得出細(xì)胞相關(guān)產(chǎn)物的產(chǎn)生速率：〔5.75〕

類(lèi)似于細(xì)胞殘留物，可以用同樣的方式在溶解再生長(zhǎng)模式中包含溶解性微生物產(chǎn)物生成，用參數(shù)表示，而且其數(shù)值小于fMP，正如fD小于一樣。

§5.4溶解性微生物產(chǎn)物的生成結(jié)合方程5.73和方程5.75，可以看出，溶解性微生物產(chǎn)物的比生成速率與比生長(zhǎng)速率呈線性關(guān)系。這種關(guān)系可能適合于緩慢生長(zhǎng)的系統(tǒng)，如活性系統(tǒng)，但是卻不適合于生長(zhǎng)比較快的系統(tǒng)，因此方程5.73和方程5.75不能通用于所有系統(tǒng)。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

§5.5顆粒態(tài)有機(jī)物和高分子量有機(jī)物的溶解將顆粒態(tài)和高分子量有機(jī)物轉(zhuǎn)化為可被細(xì)菌吸收和降解的小分子是廢水生物處理中重要的一步，因?yàn)檫@類(lèi)物質(zhì)在廢水中普遍存在，也能通過(guò)溶胞過(guò)程產(chǎn)生。各種顆粒態(tài)物質(zhì)受到的作用機(jī)理可能相同，所以籠統(tǒng)地將這些過(guò)程稱作水解反響。水解反響的化學(xué)計(jì)量學(xué)被認(rèn)為是非常簡(jiǎn)單的，有機(jī)物只是簡(jiǎn)單地改變了形式，COD沒(méi)有變化，亦即沒(méi)有能量消耗。因?yàn)闆](méi)有能量消耗，沒(méi)有電子移出，也沒(méi)有使用最終電子受體，所以，化學(xué)計(jì)量方程簡(jiǎn)單地表示為：顆粒態(tài)基質(zhì)COD→溶解性基質(zhì)COD〔5.76〕這意味著，溶解性基質(zhì)的生成速率與顆粒態(tài)基質(zhì)的減少速率相等。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

§5.5顆粒態(tài)有機(jī)物和高分子量有機(jī)物的溶解顆粒態(tài)有機(jī)物的水解反響動(dòng)力學(xué)方程：

第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)〔5.77〕

式中，kh——水解反響系數(shù)〔h-1〕；

KX——半飽和系數(shù)〔mg基質(zhì)COD/mg活性生物量COD〕。該方程的一個(gè)重要特點(diǎn)是，反響速率受到顆粒態(tài)基質(zhì)濃度與異養(yǎng)型微生物濃度的比例的控制，而不是只受到顆粒態(tài)基質(zhì)濃度的控制，盡管其與異養(yǎng)型微生物濃度的一級(jí)函數(shù)相關(guān)。這是因?yàn)?，水解反響被認(rèn)為是受細(xì)胞界面調(diào)節(jié)的，依賴于胞外酶，而胞外酶的數(shù)量與細(xì)胞濃度成比例。

§5.5顆粒態(tài)有機(jī)物和高分子量有機(jī)物的溶解盡管反響中沒(méi)有消耗電子受體，但水解反響速率亦然受到電子受體濃度的影響。在好氧條件下，與方程5.46中的方式類(lèi)似，可以采用互動(dòng)式雙營(yíng)養(yǎng)限制方程。在缺氧條件下，類(lèi)似于式5.48的方程比較適宜，硝酸鹽刺激缺氧水解，而氧氣抑制缺氧水解。在兩種方程中，顆粒態(tài)基質(zhì)的影響應(yīng)該用方程5.77表示。在短時(shí)間的厭氧條件下，水解反響會(huì)中斷。而在長(zhǎng)時(shí)間的厭氧條件下，不會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。單獨(dú)使用方程5.77即能描述完全厭氧條件下的水解反響，但其kh值要比好氧條件中所使用的kh值小得多。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

§5.5顆粒態(tài)有機(jī)物和高分子量有機(jī)物的溶解由方程5.61看到，細(xì)胞衰減而生成顆粒態(tài)可生物降解有機(jī)氮。此外，廢水中的顆粒態(tài)有機(jī)物也含有有機(jī)氮。當(dāng)顆粒態(tài)基質(zhì)水解時(shí)，所有有機(jī)氮會(huì)轉(zhuǎn)化為溶解性可生物降解的有機(jī)氮〔SNS〕，即轉(zhuǎn)化為氨基酸和其他溶解性含氮有機(jī)基質(zhì)。SNS〔rXNS〕的產(chǎn)生速率在數(shù)值上與顆粒態(tài)有機(jī)氮的減少速率〔rXNS〕相等，后者與顆粒態(tài)有機(jī)物的水解速率成比例：第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)〔5.78〕式中，X