《废水生物处理》(第五章_生物处理化学计量学与动力学).ppt

废水生物处理;§5.1 化学计量学和广义反应速率;§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。;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。;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。;因此，方程（5.1）变为： A1 + Ψ2A2 +…+ΨkAk → Ψk+1Ak+1 + Ψk+2Ak+2 + …+ ΨmAm （5.3） 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。;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） （5.4） Yi = Ψi（CODi）/（COD1） （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。;组分a;组分a;组分a;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。;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。;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