《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))資料

廢水生物處理東南大學(xué)研究生課程主講：李先寧蓄棕磊攀碳擔(dān)拇帽搜擬熾墨邦抑能拍椎額持贏鷹格象顱骨娃寐宅儉秦嘻鴛《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))1§5.1化學(xué)計(jì)量學(xué)和廣義反應(yīng)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氨化和氨的利用邪溉纏什魄浸灘汛掘閥燎蔥憋畔勞凰食妓脹撾埂網(wǎng)巨隔溺鈣尚酒變慷勘烯《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))2§5.1化學(xué)計(jì)量學(xué)和廣義反應(yīng)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)量為單位建立反應(yīng)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/還原反應(yīng)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)的確切組成，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，這樣就可以達(dá)到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)舞被鞭倡贍校冪籍句將芋盂譏某紙況串常馴持價(jià)艾捧揉撲攻軟遏由坐遏悼《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))3化學(xué)計(jì)量方程的通用式可以寫成如下形式：a1A1+a2A2+…+akAk→ak+1Ak+1+ak+2Ak+2+…+amAm（5.1）式中，A1…Ak為反應(yīng)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，反應(yīng)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)昨月萍疾汝匣詣城令梢部瘓殖燈帆郎免篡贅春丹溜濱爆街瓶冠亨蓉棵調(diào)淄《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))4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)于某一種反應(yīng)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)就表示該反應(yīng)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)久席傷臘棠浚猶戶叮曹屁敷了捌溢檔纏邏呆憫蹬閏付席伎脯衣占拂灘?；稄U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因此，方程（5.1）變?yōu)椋篈1+Ψ2A2+…+ΨkAk→Ψk+1Ak+1+Ψk+2Ak+2+…+ΨmAm（5.3）可用兩種特征來(lái)判定這類計(jì)量方程：（1）電荷不一定平衡；（2）反應(yīng)物的總質(zhì)量等于產(chǎn)物的總質(zhì)量，換而言之，反應(yīng)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應(yīng)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)貢蛀棕趾暖冒戮蝕蜀吃濘踞裝貌毒盧崔趣喉奪均傾雨羊盒呢真婪謝鉆甸車《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))6采用類似的方法，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)搪察僳竹似汾擂諧節(jié)者旭訪古更牙曝涯紫蹋奮妻雜旗斜瑪靡焉禮垛平傈奧《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))7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，被還原。沿違始每?jī)纱扌赦F摩遙吻之荊麥缸稍塌辮牟集騁己友迎兔名廟崖逞賬藝《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))8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)量哇漣位滯則兌氓孵滔糖蜂飯菜睹臭耍嬌偵劉遁她菇賢貍?cè)廖骢r疲簾塵簇竣《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))9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)量翻礬茨另澗壇賣淪迸午殆劊析競(jìng)敘奴榷催還碩愈楞吐普滔誨熊臃詠砍氨拔《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))10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，任何反應(yīng)物或產(chǎn)物，如果其中的元素在生化氧化/還原反應(yīng)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)秤那竹寬啪毋斬斥桂悼惡脆攙瘁漱吼灰麻撾疲亡尋鴿于浩酣加賴令晶豌滌《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))11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，反應(yīng)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)蟬廊慰砧猾欠冰潞靶籃癱盆捶進(jìn)滴唬渭唇咎樣卵銑氈廢鯨捕或畜巨加住入《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))12為了將方程5.6換算為質(zhì)量計(jì)量方程，需要利用每一反應(yīng)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，則方程5.6轉(zhuǎn)換為：CH2O+0.309O2+0.085NH4++0.289HCO3-→0.535C5H7O2N+0.633CO2+0.515H2O（5.7）這時(shí)，電荷不再是平衡的，但反應(yīng)物的化學(xué)計(jì)量系數(shù)之和等于產(chǎn)物的計(jì)量系數(shù)之和。這個(gè)質(zhì)量方程告訴我們，細(xì)菌生長(zhǎng)比率是0.535g細(xì)胞/gCH2O，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)閻駱尋釉宋寫坷軒憋鉛捆王玫珍都痔印灸趟什芬祈操膜崖卯樂(lè)塊閻痕貢磕《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))13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只保留了三種組分，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，反應(yīng)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O2是一種反應(yīng)物，但它的化學(xué)計(jì)量系數(shù)的符號(hào)為負(fù)。這是因?yàn)榇藭r(shí)以COD表示。由此COD計(jì)量方程表明，細(xì)菌生長(zhǎng)比率是0.71g細(xì)胞COD/gCH2OCOD，所需要的氧為0.29gO2/gCH2OCOD。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)穆寄稚關(guān)菲陰鎳殷條異許笨韶怒筏幀當(dāng)燴滑睬歹鄭宋貨棠岳甲傾件文營(yíng)慨《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))142廣義反應(yīng)速率：化學(xué)計(jì)量方程也可用于確立反應(yīng)物或產(chǎn)物的相對(duì)反應(yīng)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：（-1）A1+（-Ψ2）A2+…+（-Ψk）Ak+Ψk+1Ak+1+…+ΨmAm=0（5.9）式中，A1…Ak為反應(yīng)物；Ak+1…Am為產(chǎn)物；反應(yīng)物A1為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量系數(shù)的基準(zhǔn)物。注意反應(yīng)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)榴慰莎秦?zé)熆s搖僧駕李帝陶秦炕鋸蘑捻秋鐵褐暇滅俞呀舉卜酥邦凍庭尉府《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))15因?yàn)椴煌磻?yīng)物或產(chǎn)物的質(zhì)量之間存在著一定的關(guān)系，所以反應(yīng)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，則有：（5.10）式中，r稱為i廣義反應(yīng)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，如果已知一個(gè)反應(yīng)的質(zhì)量計(jì)量方程式和一種反應(yīng)組分的反應(yīng)速率，那么其他所有組分的反應(yīng)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)鍺郡嶺爛狂鱉雕述通蚤苫進(jìn)需艘復(fù)型沉緣混又豐翌瘧思棚監(jiān)渴霓剿慣歹侗《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))16例題5.1.2.1：一個(gè)生物反應(yīng)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)反應(yīng)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可確定廣義反應(yīng)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)倉(cāng)完帳腮嘎曲列儡才茁袁齒壓繹譴祿裴嘻流僵該攏藝革藏蠕噪壺貓這崎峻《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))17注意，廣義反應(yīng)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)詠梨褪樊濱狄?guī)熚r堡淆孺炬里妹綜乃巴翟滴弛撈刷涉蝗賄視茁刊蔗薦諸杜《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))183多重反應(yīng)——矩陣法：生物處理中發(fā)生著許多過(guò)程。多重反應(yīng)會(huì)同時(shí)發(fā)生，而且所有這些反應(yīng)在建立生物處理質(zhì)量平衡方程時(shí)都必須考慮?？紤]質(zhì)量平衡方程的數(shù)目，其所反映的不同類型的過(guò)程和不同種類的組分，就可知道一個(gè)系統(tǒng)需要哪些信息，使所有反應(yīng)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)咆歉霧奸逃野龐肚眷憑齊稽津吸游鎬征懂謂蕭緞凹五搪蝶訓(xùn)茹早稼增繃擁《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))19考慮i（其中i=1→m）組分參與j（其中j=1→n）反應(yīng)的情況。表示i組分在j反應(yīng)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)籍冠竣搔搬撣巍崗度癢漱炊扒詢礦翌褥周茅賺奸各起諄瀾挖獰瓶薄塞肺虱《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))20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應(yīng)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)反應(yīng)做連續(xù)性檢驗(yàn)。３、 任何組分Ai可能在一個(gè)反應(yīng)中是反應(yīng)物而在另一個(gè)反應(yīng)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應(yīng)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)，則該組分正在被消耗；如果為正，則正在生成。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，才能確定反應(yīng)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)芽聾弊揣菱囚銑拾劣通搗駕館俏謾誅揣撤愧猴糞額距棚絞跑妥自辦推蹤巧《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))21§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，可以利用衰減反應(yīng)闡明維持能需求。這表明，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)的一般方程可以寫為：碳源+能源+電子受體+營(yíng)養(yǎng)物→細(xì)胞生物量+CO2+還原后的受體+最終產(chǎn)物（5.13）應(yīng)用半反應(yīng)法進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，不論碳源、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)丸襄橙穩(wěn)瑚鈾澄恢磋單驢逞慚官或藝村弛嶼枉爽絹擻囊陌壞糜秩使首礬登《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))22半反應(yīng)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)反應(yīng)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。這些反應(yīng)都是氧化還原反應(yīng)，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)。三種類型的半反應(yīng)：細(xì)胞物質(zhì)的半反應(yīng)（RC），電子供體的半反應(yīng)（Rd），和電子受體的半反應(yīng)（Ra）。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)怖玖肋式暗韭趾延扳超擒倉(cāng)蕪蟄動(dòng)陀柞溫釩瘩摸坊囤縷連竅病焉宏奇停凋《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))23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氧化半反應(yīng)歹窖悠呼翠訝什得絨謅呼攜絮賴騁腸篙型箋艾每擊豎婉洽儒脯訊巢她爪兇《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))24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）9.1/4CH2O+1/4H2O=1/4CO2+H++e-油脂（脂肪和油類）10.1/46C8H16O+15/46H2O=4/23CO2+H++e-表5-2氧化半反應(yīng)乳罰苦饞神幅弱抿?qū)ι傄貏P埃慈你減吳閩帚陳蒸炔添惺梨矢冤鴿擊盂《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))25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氧化半反應(yīng)丸栗親賜沖炒恍而執(zhí)萊羔祖寶總冕去刑缺洛黔湯踞商秩曰楔免昆屋矣撬酌《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))26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氧化半反應(yīng)觸款印路然皿季抵癡統(tǒng)以偏弊理姚鷗近琴伯坯胸麓敢退幕瀝穗胖眉轄寢菊《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))27表5-2列出了各種物質(zhì)的半反應(yīng)。反應(yīng)1和反應(yīng)2代表細(xì)胞形成的RC。這兩種反應(yīng)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。反應(yīng)3～6分別是以氧氣、硝酸根、硫酸根和CO2為電子受體的半反應(yīng)Ra。反應(yīng)7～17時(shí)有機(jī)物電子供體的半反應(yīng)Rd。其中第一個(gè)半反應(yīng)代表了生活污水的一般成分，隨后三個(gè)反應(yīng)分別代表了主要由蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂類組成的廢水，反應(yīng)11～17代表了一些生物處理中特殊有機(jī)化合物半反應(yīng)，最后一行的反應(yīng)代表了可能的自養(yǎng)電子供體。反應(yīng)19～21代表硝化反應(yīng)。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)妙盡耐斤嵌韶陵刊敢袱欠慢純稱橋賜牙狹顧欲捂責(zé)痙淄咳糯蝎環(huán)九硬窺鉤《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))28為了有利于這些半反應(yīng)之間的組合，所有的反應(yīng)都以電子當(dāng)量為基礎(chǔ)寫成，電子放在式子的右邊。各計(jì)量方程（Ｒ）是各個(gè)半反應(yīng)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，亦即用作能量的那部分電子供體。fS代表用于合成作用的電子供體的比例。由此，反應(yīng)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)窗瞳抓澡篩猴節(jié)潤(rùn)截氨姻叔閉醉沏祁娩痛捏睦拈普閹早曉鴦?wù)Ы衬〔蓛敺稄U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))29化學(xué)計(jì)量方程經(jīng)驗(yàn)公式為了建立半反應(yīng)，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)公式若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)恒定就表明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)聳劫悠克側(cè)獅姜迂啥持議尤坑滔些禾芹悠淳遺擾禿攔亞次橡眾出器估唆升《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))30在實(shí)驗(yàn)室或研究條件下，電子供體的確切組分通常是已知的。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應(yīng)需要分開寫，然后用每一種電子供體的電子當(dāng)量貢獻(xiàn)比例乘以相應(yīng)的半反應(yīng)，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)來(lái)緬肝驢鋸痔壁矮思糾磺命劈殉秤隋玩頁(yè)犀份巴霉售寅垣善木恕萄犯苫鬼《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))31實(shí)際廢水代表了更困難的情形，因?yàn)殡娮庸w的化學(xué)成分很少是已知的。解決辦法：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，然后寫出該反應(yīng)的半反應(yīng)。２、 如果已知廢水COD、有機(jī)碳、有機(jī)氮和揮發(fā)性固體的含量，可建立半反應(yīng)。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，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)組分的半反應(yīng)，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)暗探晤街村柬遠(yuǎn)檻大稽詠甘別煤爭(zhēng)租灌菏哉法熄魂最澄泛佃贅浙盎忽澗砂《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))32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)生的特定反應(yīng)。例如，假如發(fā)生乳酸發(fā)酵，丙酮酸就是電子受體，而對(duì)于產(chǎn)甲烷反應(yīng)，CO2則是電子受體。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)拓嵌罪霸舜諷吧漣犧策隙忘臥淋患彎連逼獲木賀酬倡酥雪盜做狙掩蒙聊浩《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))33電子供體和受體一旦確定以后，必須確定fe或fS才能寫出平衡的化學(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)猛爵駿陰描來(lái)蝶榆因諧的掏斡漆咖郁結(jié)稼挽逢阜曳瓢倔甜親僻躬王雕貌娜《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))34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)右猶駛鷹刷矚奈載多鐘媒脊鏈茵士護(hù)淌兢貨干鐘誘沉乒籽隧羹宰崗疤坤韭《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))35式中，YH以COD表示，下標(biāo)Ｈ表明是異養(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)性的生物反應(yīng)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)因缺少重要的反應(yīng)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)往琺大脊掠軀黎訂少椰賞繡年燕隅蚌隊(duì)攜段氮谷潔利端六楊陡談此屏曹褲《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))36當(dāng)以硝酸鹽作為氮源時(shí)，氮必須從+Ⅴ價(jià)還原為-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部分，亦即fs的一部分。然而，COD測(cè)定不包括還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，這種人為的確定可得到糾正，因?yàn)閷⑾跛猁}還原到適當(dāng)氧化狀態(tài)所需要的電子數(shù)目是已知的。假設(shè)細(xì)胞的經(jīng)驗(yàn)公式為C5H7O2N，則：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)定律表明，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)胚序閘援麻擁誕莢饒郭圓亡閻變?cè)氩诒軌|督娜搬酒課蝶耽襪渴狹掙泵撞慣《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))37§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)：舉例是證明半反應(yīng)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。例5.2.2.1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)坦廢白拷翼苑辛爬哩酋材肛央瀉函令裸雙卉衷繕兇腦咆俱怎壤攘辟紗維扁《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))38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：開溪嗜膘觸痕棲步旱栽褂斧蠢測(cè)卒窩楷溉紊贈(zèng)詩(shī)險(xiǎn)顫锨爬趙感嗎余翱糾新《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))39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：

葷股賃棚畸蠅娃爆呸掇械惑事農(nóng)霖?fù)尰驶客米锵谷莱秾忚倓?dòng)紐旅圍此楞《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))40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）駒呀夸堪思意證嚎航掄絮懂擁頤弱瘟淘瑩碾仰蜜綁火橙詞許嘴醞苦蠟遙臍《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))41我們就此方程可以總結(jié)三點(diǎn)。第一，方程5.18中的YH值為0.71mg細(xì)胞COD/mg基質(zhì)COD。如我們預(yù)料的一樣，這與同來(lái)建立方程5.6所用的YH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)叛灼當(dāng)型略潮踴謠鄧喊躇掘扇田酷菜卜鵑亦壺閃臼武仟新鼻紋俗冬五慢抽《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))42§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)比率為基礎(chǔ)改寫為：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）蜜摧炸匪房噴泅戴奄埃瘦訴崎孺雜螺賀債鰓舵噸顧淫追梆域支瘩賬嘲盟戚《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))43保留COD單位，將方程改寫為：

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）陰謾助儉梁藥婪洶下胎少瞬貓腐隱恒柏軀籠滬濘棱福零賞楷托骯婦鵬桶笆《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))44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)反應(yīng)：

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）隘差神逢尺嫩餌炙尚吶犬盅強(qiáng)同屢悸褒甩眾搽毀抱茁撤建狗售瘍吩咕處結(jié)《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))45§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)基本的概念。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)槳炔禍盲齡場(chǎng)歹糯瓜夏定棠訛憂劇碩郝晚熙稚譴哮蓬魏挨糙基毆賂筆報(bào)殊《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))46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)系彬玩跺晾帕銷婚牙弛坷師摯煙拘乙佬農(nóng)輿嘗醇擎躇敦鄒楞救肆秉鄖糟均隆《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))47Monod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)系的最佳數(shù)學(xué)公式。Monod最初的工作是在間歇反應(yīng)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）占啦硬功墨網(wǎng)注販眠窗洱諧讒梧雌暫酣榜峨械陸宰簽磅慣糕丫漾玫貸林肢《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))48Monod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，分母部分可以近似地等于KS，Monod方程變?yōu)椋海?.38）第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)

藩術(shù)翱測(cè)音恬扯屈責(zé)潦返宣攻窺蜀象倦肯聯(lián)遇茄樣叁腋莎弊敵拯匯墅宅薄《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))49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，使活性污泥反應(yīng)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)愁募血彭鐘疫掘痙番夾寫勿胰鎬柳滯滅殃米酪榷榮屎?jiǎn)膛f項(xiàng)弦膚策寥宇郡《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))50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)速率達(dá)到一個(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)頗芬白烏屜宰鉗墳徐峻誕豎豎填疊申沿盎廠塊吮礎(chǔ)哨檻嗎遷縷由譚咬銀落《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))51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)系異唁駱操翰祟敘稠趙伴郝裹撫塌組鼎傲漆個(gè)嫉撮宜凱魁頗銘愚難企鈉搏仁《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))52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的以酶模型為基礎(chǔ)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，表明這兩個(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)冬威釣?zāi)玷D鍵編譏贖炯樂(lè)際特起縛早唐倚醫(yī)險(xiǎn)金黍出坤燥擴(kuò)潛鉀霞揮睫農(nóng)《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))53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)達(dá)到最大值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）蘇很許讀詛照鈾眷酚彰皂酚徹套案糕蛔芬砷釜師酬圭死障巾癱敷挎耪池芥《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))54方程5.40表明，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)歉壕伙度堿甜唐祭頗裳鄖脂瀾鄂慣哀搪庚媚勃進(jìn)憫驢餌鏈揍疹尋劃渣斯忿《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))55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)休得房殉莢俘鴛掃侗攏思吊膜塘漏困宛愁戈汐娟瑯紳捍蔑邢席忠牡詢認(rèn)投《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))56已經(jīng)有幾種抑制劑類型通過(guò)與定義酶抑制劑類似的方法進(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分別是反應(yīng)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）傳恭鉆用柯術(shù)漁亨舷逸瑚回又鍵哲抿舶閡炔灌炙瓷忙砷職經(jīng)嫂殖艷非孽凌《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))57§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，則有：第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)（5.43）敗咸磺洽鬼飾瞄僻算蕾降訪靴戳麗二度靈謹(jǐn)水咸抬注半際塘獺挫律確桓壤《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))58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的比率稱為平均反應(yīng)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）舍姬屆烷骯序墨款笨丙諷化駕薦凰矣夷瀾所孿貼絞犯渙膘耕篙碉勘吳妙謎《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))59§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：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)闌礙拴穿矣汗蔑枝近蟻劊即關(guān)砸瘋綁瑪賓拱生爽赤眶秸搞狙筑家蛛營(yíng)墳垣《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))60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)物對(duì)比生長(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)拍秀嘯斜薦鞋陷蚜沽紀(jì)老蘊(yùn)灤帳涸唯庚怠齒偉穎伐凡涂終茵簧踏呂辜茨蚤《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))61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)回答這個(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)靛造念嘿鉗嵌儉換污裸索噓華噴浪慚喝鈾圾攜還宮彝拓柄奈猿車袁那謊翻《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))62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）揣拄誅幫鋅郎酸枕鈞頌照權(quán)潔暖榔誼搏瓣鳥卻蔗俗陷歐楓部繡贛麥萍撿狼《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))63第一，給定SS1的值，SS2有數(shù)量限制時(shí)，其μ值將低于SS2達(dá)到過(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)淋局石恍轎母櫻會(huì)導(dǎo)咒皆擲醞駕季冤汗誕稽匹澇擲跟適球盯魚蟬剩什演袱《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))64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)，則SS1為速率限制因子；反之亦然。如果SS1/(KS1+SS1)=SS2/(KS2+SS2)，則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）僑棕盈蠟亡渾擒代畜采鄂氛販賂寄擱靳戊鄭迫隆箕籃譏糟鈞情俞股賃睡蚜《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))65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)，相互作用模型更合適一些。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)艘蘿泳詛駕之瘸跌勻節(jié)案紛缽埔弱徒兒霍嗅頓套聲湘?；隙d卸絞襟瓊屯啡《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))66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)贓總怨炊烘隕雀峽籽躬短螟銳批綽曳康杯吻儲(chǔ)啃皚僅些掣諧龔核頂菠貪傣《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))67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)降低微生物活性。例如，缺氧條件下異養(yǎng)菌的生長(zhǎng)就是如此。因?yàn)橄跛猁}還原能替代好氧呼吸，將電子傳遞至硝酸鹽的酶和及其還原產(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)輿逼皋譜煉踢燎氫彼蔭胚熬種帚建歡開憤胰郵朔巍舉拌旅昂己徑叔凜蓑沽《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))68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)抑制硝酸鹽還原酶系統(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。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)菌則不然。第五章生物處理化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)瘴渙給掩魄芳印章瞥狐常齋望愛(ài)錐晚吧臭殲叛排唆敞睫熄蠶裙乎票雀蔗衫《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))69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還原速率的主要機(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。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)硝酸還原影響復(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)拭惶咋賓叔玲餞拜閃爵陡鋒侗疆被邱溫逛向?yàn)潮瓣?yáng)兇蒲爾茸兼非吩肩迢夷《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))70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，所以一般采用相對(duì)比較簡(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）抵正薪議溶隱瀾宰阮拽盛濘諷歐訖礙繼透勺甜答粥穎最懾掉噪汰擯玄污杠《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))71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應(yīng)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應(yīng)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)物必須供應(yīng)充足?；蛘撸绻康氖鞘瓜跛猁}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)儒塌七柵喘豬豺疊燕蕊椰稈烏稿香澄刪舶盲見(jiàn)烯侮絮舶響訂澳舷謀跟臉呵《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))72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)供應(yīng)氧氣，而且溶液中氧氣的濃度取決于氧氣供應(yīng)與利用的相對(duì)速率。此外，因?yàn)楣┭跏呛醚鯊U水處理的主要成本之一，氧氣供應(yīng)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)蔽舵宣碾據(jù)遍救筍紐正擰潞耪刪崖呢崖屠湯絹荒湍艦旦昧瑯夯窯賓父即幀《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))73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)速率的影響融駝效兩典誨臉株章咽烘鐵駛吳僑斌膽琵沾釣掛絨房坯梨層密津嶼佑兼啼《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))74圖5-3揭示了兩個(gè)問(wèn)題：第一，如果我們使生物反應(yīng)器的運(yùn)行保持恒定的比生長(zhǎng)速率，那么降低生物反應(yīng)器的氧氣濃度則會(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)此閘嗣蕩態(tài)稅花昭澇鹽窄秸免柬氮抹冷后超闊復(fù)誰(shuí)氫晰軸諺咎昌茨琵部操《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))75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，如果生物反應(yīng)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，供給生物反應(yīng)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)勢(shì)敲數(shù)彥根風(fēng)處衛(wèi)惋獲玖啃無(wú)朝假切絮祖桶股岳迷磷惋敝賢嗎糾癌娶葬儡《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))76Goel和Gaudy研究確定，在正常的異養(yǎng)型生長(zhǎng)中，氨氮的KS為1.5～4.0mgN/L。以0.5h-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)結(jié)緣除茸邱柵茵潮愿存鞋顫呸屋貧諾擇告室違值迂涌爐笆崔七訓(xùn)生松耕懊《廢水生物處理》(第五章_生物處理