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1、废水生物处理废水生物处理东南大学研究生课程东南大学研究生课程 主讲：李先宁主讲：李先宁 5.1 化学计量学和广义反应速率化学计量学和广义反应速率5.2 细胞生长与基质利用细胞生长与基质利用5.3 维持、内源代谢、衰减、溶胞和死亡维持、内源代谢、衰减、溶胞和死亡5.5 颗粒态有机物和高分子量有机物的溶解颗粒态有机物和高分子量有机物的溶解5.7 磷的吸收和释放磷的吸收和释放第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学5.8 化学计量式简化及其应用化学计量式简化及其应用5.4 溶解性微生物产物的生成溶解性微生物产物的生成 5.6 氨化和氨的利用氨化和氨的利用 5.1 化学计量学
2、和广义反应速率化学计量学和广义反应速率1 化学计量学：化学计量学：化学计量方程通常以化学计量方程通常以摩尔（摩尔（molmol）作为单位，但摩尔不是最方便的单位。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质量平衡方程。以质量。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/ /还原还原反应中获得能量
3、，其中电子从电子供体中移出，最后转移到最终电子受体，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，建立建立电子平衡方程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。质的确切组成，因而做到这点很难。化学需氧量（化学需氧量（CODCOD）是有效电子的一）是有效电子的一种衡量种衡量。因而，我们可以建立氧化态发生变化的所有成分的。因而，我们可以建立氧化态发生变化的所有成分的CODCOD平衡式，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这样就可以达到建立电子平衡
4、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摩尔或质量计量方程换算为CODCOD计量方程。计量方程。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学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：化学计量方程的通用式可以写成如下形式：a a1 1A A1 1 + a + a2 2A A2 2 + + a ak kA Ak k a ak+1k+1A A k+1k+1 + a + a k+2k+2A A k+2 k+2 + + a ammA Amm （5.15.1）式中，式中，A A1 1A Ak k为反应物，为反应物，a a1 1a ak k为相应摩尔计量系数；为相应
5、摩尔计量系数；A A k+1k+1AAmm为产物，为产物，a ak+1k+1aamm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：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，第一，电荷是平衡电荷是平衡的；的；第二，第二，反应物中任何元素的总摩尔数反应物中任何元素的总摩尔数等于等于产物中该元素的总摩尔数产物中该元素的总摩尔数。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学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
6、系数就表示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该反应物或产物相对于基准物基准物的质量。假设以的质量。假设以A A1 1作为质量计量方程的基准作为质量计量方程的基准物，其化学计量系数为物，其化学计量系数为1.01.0，其余各组分的新的质量计量系数（称为标准化，其余各组分的新的质量计量系数（称为标准化学计量系数学计量系数 i i）可由下式计算：）可由下式计算： i i = =（a ai i）（）（MWMWi i）/ /（a a1 1）（）（MWMW1 1） （5.25.2）式中式中，a ai i 和和MWMWi i 分别分别为为组分组分A Ai i
7、的的摩尔计量系数和分子量摩尔计量系数和分子量；a a1 1 和和MWMW1 1 分分别别为基准物的摩尔计量系数和分子量。为基准物的摩尔计量系数和分子量。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 因此，方程（因此，方程（5.15.1）变为：）变为： A A1 1 + + 2 2A A2 2 + + k kA Ak k k+1k+1A Ak+1k+1 + + k+2k+2A Ak+2k+2 + + + + mmA Amm （5.35.3）可用两种特征来判定这类计量方程：可用两种特征来判定这类计量方程：（1 1）电荷不一定平衡电荷不一定平衡；（2 2）反应物的总质量反应物的
8、总质量等于等于产物的总质量产物的总质量，换而言之，换而言之，反应物计量系数反应物计量系数的总合等于产物计量系数的总合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。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。在生化反应器中使用。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 采用类似的方法，以采用类似的方法，以CODCOD为单位可以建立氧化状态发生改变的化合物或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基于CODCOD的系的系数数，以符号，以
9、符号Y Y表示。表示。A Ai i 组分基于组分基于CODCOD的系数的系数Y Yi i 可由下面公式计算：可由下面公式计算：Y Yi i = =（a ai i）（）（MWMWi i）（）（CODCODi i）/ /（a a1 1）（）（MWMW1 1）（）（CODCOD1 1） （5.45.4）Y Yi i = = i i（CODCODi i）/ /（CODCOD1 1） （5.55.5）式中，式中，CODCODi i 和和CODCOD1 1分别为分别为单位质量的单位质量的A Ai i和基准物的化学需氧量和基准物的化学需氧量，可以，可以从相应化合物或组分被氧化成从相应化合物或组分被氧化成CO
10、CO2 2和和H H2 2O O的平衡方程中获得。表的平衡方程中获得。表5-15-1列出了生列出了生物处理中通常会改变氧化状态的一些组分的物处理中通常会改变氧化状态的一些组分的CODCOD质量当量。质量当量。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 组分a氧化态变化COD当量b微生物C5H7O2N C至+1.42gCOD/g C5H7O2N1.42gCOD/g VSS； 1.20gCOD/g TSS；氧（作为电子受体） O（0）至O（-）-1.00gCOD/g O2c硝酸根（作为电子受体）N（+）至N（0）-0.646gCOD/g NO3-；-2.86gCOD/g N
11、亚硝酸根（作为氮源）N（+）至N（-）-1.03gCOD/g NO3-；-4.57gCOD/g N硫酸根（作为电子受体）S（+ ）至S（- ）-0.667gCOD/g SO42-；-2.00gCOD/g S二氧化碳（作为电子受体） C（ + ）至C（- ）-1.45gCOD/g CO2；-5.33gCOD/g C第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学表表表表5-1 5-1 一些常见组分的一些常见组分的一些常见组分的一些常见组分的CODCOD质量当量质量当量质量当量质量当量( (化学需氧化学需氧化学需氧化学需氧量，需氧为量，需氧为量，需氧为量，需氧为+ +，电子供体）
12、，电子供体），电子供体），电子供体）注：注：a . a . 顺序与表顺序与表5-25-2相同相同 b . b . 负号表示组分接受电子负号表示组分接受电子 c . c . 根据定义，需氧量是负氧根据定义，需氧量是负氧高失高失还还，被氧化；低得氧，被，被氧化；低得氧，被还还原。原。 组分a氧化态变化COD当量bCO2、HCO3-、H2CO3没有变化0.00生活污水有机物C10H19O3NC至+ 1.99gCOD/g有机物蛋白质C16H24O5N4C至+ 1.50gCOD/g蛋白质碳水化合物CH2OC至+ 1.07gCOD/g碳水化合物油脂C8H16OC至+ 2.88gCOD/g油脂乙酸CH3CO
13、O-C至+ 1.08gCOD/g乙酸丙酸C2H5COO-C至+ 1.53gCOD/g丙酸苯甲酸C6H5COO-C至+ 1.98gCOD/g苯甲酸乙醇C2H5OHC至+ 2.09gCOD/g乙醇乳酸C2H4OHCOO-C至+ 1.08gCOD/g乳酸第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学表表表表5-1 5-1 一些常见组分的一些常见组分的一些常见组分的一些常见组分的CODCOD质量当量质量当量质量当量质量当量 组分a氧化态变化COD当量b丙酮酸CH3COCOO-C至+ 0.92gCOD/g丙酮酸甲醇CH3OHC至+ 1.50gCOD/g甲醇NH4+NO3-N（- ）至
14、N（+）3.55gCOD/g NH4+，4.57 g COD/g NNH4+NO2-N（- ）至N（+ ）2.67gCOD/g NH4+，3.43 g COD/g NNO2- NO3-N（+ ）至N（+）0.36gCOD/g NO2- ，1.14 g COD/g NS SO42-S（0）至S（ + ）1.50gCOD/g SH2S SO42-S（-）至S（ + ）1.88gCOD/g H2S，2.00gCOD/g SS2O32-SO42-S（+）至S（ + ）0.57gCOD/g S2O32-，1.00 g COD/g SSO32-SO42-S（+ ）至S（ + ）0.20gCOD/g SO3
15、2- ，0.50 g COD/g SH2H（0）至（+）8.00gCOD/g H第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学表表表表5-1 5-1 一些常见组分的一些常见组分的一些常见组分的一些常见组分的CODCOD质量当量质量当量质量当量质量当量 注意：注意：1 1、在氧化条件下，、在氧化条件下，COCO2 2的的CODCOD为零，因为其中的为零，因为其中的碳已处于最高氧化态碳已处于最高氧化态（+），），就如重碳酸盐和碳酸盐中的碳一样。就如重碳酸盐和碳酸盐中的碳一样。2 2、此外，氧的此外，氧的CODCOD为负，因为为负，因为CODCOD是需要氧的，亦即表示失去氧。是需
16、要氧的，亦即表示失去氧。3 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、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，那么它们的还原反应中不改变氧化状态，那么它们的CODCOD变化为零变化为零，可以从，可以从CODCOD计量计量方程中去掉方程中去掉。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 uu例题例题5.1.1.15.1.1.1：假设细菌以碳水化合物（假设细菌以碳水化合物（CHCH2 2O O）作为碳源、以氨作为氮源生长，其典）作为碳源、以氨作为氮源生长，其典型型摩尔计量方程摩尔计量方程为：为：CHCH
17、2 2O + 0.290 OO + 0.290 O2 2 + 0.142 NH + 0.142 NH4 4+ + + 0.142 HCO + 0.142 HCO3 3- - 0.142 C 0.142 C5 5H H7 7O O2 2N + 0.432 N + 0.432 COCO2 2 + 0.858 H + 0.858 H2 2O O （5.65.6）式中，式中，C C5 5H H7 7O O2 2N N为细菌经验分子式。注意，电荷是平衡的，反应物中每为细菌经验分子式。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，细一元素的摩尔数等于产物中该元
18、素的摩尔数。摩尔计量方程告诉我们，细菌生长比率是菌生长比率是0.142 mol0.142 mol细胞细胞/mol CH/mol CH2 2O O，所需要的氧为，所需要的氧为0.290 molO0.290 molO2 2/ mol / mol CHCH2 2O O。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 为了将方程为了将方程5.65.6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。量。CHCH2 2O O、NHNH4 4+ +、HCOHCO3 3- -、C C5 5H H7 7O O2 2N N、COCO2 2
19、和和H H2 2O O的分子量分别为的分子量分别为3030、1818、6161、113113、4444和和1818。将这些分子量和方程。将这些分子量和方程5.65.6中的化学计量系数代入方程中的化学计量系数代入方程5.25.2，则方程，则方程5.65.6转换为：转换为：CHCH2 2O + 0.309 OO + 0.309 O2 2 + 0.085 NH + 0.085 NH4 4+ + + 0.289 HCO + 0.289 HCO3 3- - 0.535 C 0.535 C5 5H H7 7O O2 2N + 0.633 N + 0.633 COCO2 2 + 0.515 H + 0.51
20、5 H2 2O O （5.75.7）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，细菌生长比率是量系数之和。这个质量方程告诉我们，细菌生长比率是0.535g0.535g细胞细胞/gCH/gCH2 2O O，所需要的氧为所需要的氧为0.309 gO0.309 gO2 2/gCH/gCH2 2O O。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学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现在将摩尔计量方程转换为CODCOD计量方程，为此，必须利用表计量方程，为此，必须利用表5-15-
21、1所给所给的的CODCOD当量值。这时，氨的当量值。这时，氨的CODCOD当量为零，因为细胞物质中氮的氧化状态当量为零，因为细胞物质中氮的氧化状态与氨氮的氧化状态相同，都是与氨氮的氧化状态相同，都是-，氧化状态没有发生改变，利用方程，氧化状态没有发生改变，利用方程5.45.4得得到：到：CHCH2 2O COD + O COD + （-0.29-0.29）O O2 2 0.71 C 0.71 C5 5H H7 7O O2 2N COD N COD （5.85.8）注意，方程注意，方程5.85.8只保留了三种组分，因为这种情况下只有这三种组分是可只保留了三种组分，因为这种情况下只有这三种组分是可
22、以用以用CODCOD表示的，也需注意的是，与质量计量方程一样，反应物的化学计表示的，也需注意的是，与质量计量方程一样，反应物的化学计量系数之和与产物的计量系数之和相等。最后要注意的是，虽然量系数之和与产物的计量系数之和相等。最后要注意的是，虽然O O2 2是一种是一种反应物，但它的化学计量系数的符号为负。这是因为此时以反应物，但它的化学计量系数的符号为负。这是因为此时以CODCOD表示。由表示。由此此CODCOD计量方程表明，细菌生长比率是计量方程表明，细菌生长比率是0.71g0.71g细胞细胞COD/g CHCOD/g CH2 2O CODO COD，所需，所需要的氧为要的氧为0.29gO0
23、.29gO2 2/g CH/g CH2 2O CODO COD。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 2 广义反应速率：广义反应速率：化学计量方程也可用于确立反应物或产物的相对反应速率。因为质量计化学计量方程也可用于确立反应物或产物的相对反应速率。因为质量计量方程中的计量系数之和为零，所以量方程中的计量系数之和为零，所以质量计量方程质量计量方程的一般形式可做如下改的一般形式可做如下改写：写：（-1-1）A A1 1 + + （-2 2）A A2 2 + + + + （- - k k）A Ak k + + k+1k+1A Ak+1k+1 + + + + mmA Am
24、m = 0 = 0 （5.95.9）式中，式中，A A1 1A Ak k为反应物；为反应物；A Ak+1k+1AAmm为产物；反应物为产物；反应物A A1 1为标准计量系数的为标准计量系数的基准物。注意反应物的标准计量系数的符号为负，产物的标准计量系数的基准物。注意反应物的标准计量系数的符号为负，产物的标准计量系数的符号为正，符号为正，第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 因为不同反应物或产物的质量之间存在着一定的关系，所以反应物的消因为不同反应物或产物的质量之间存在着一定的关系，所以反应物的消耗速率或者产物的生成速率之间也存在着一定的相关关系：假设以耗速率或者产
25、物的生成速率之间也存在着一定的相关关系：假设以r ri i 表示组表示组分分i i （其中（其中i=1ki=1k）的生成速率，则有：）的生成速率，则有： （5.105.10）式中，式中，r r 称为称为i i 广义反应速率广义反应速率。与前面一样，。与前面一样， i i 的符号表示其是被去除还的符号表示其是被去除还是被生成。因此，如果已知一个反应的质量计量方程式和一种反应组分的是被生成。因此，如果已知一个反应的质量计量方程式和一种反应组分的反应速率，那么其他所有组分的反应速率就都可以确定。方程反应速率，那么其他所有组分的反应速率就都可以确定。方程5.95.9和和5.105.10也也适用于适用于
26、CODCOD计量方程式，只需用适合的计量方程式，只需用适合的CODCOD系数（系数（Y Yi i）替换标准计量系数）替换标准计量系数（ i i）即可。）即可。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 n n例例题题5.1.2.15.1.2.1：一个生物反应器中细菌生长速率是一个生物反应器中细菌生长速率是1.0g/1.0g/（LhLh），并且遵循化学计量方），并且遵循化学计量方程式程式5 5.7.7，试问反应器中碳水化合物和氧的消耗速率各为多少？，试问反应器中碳水化合物和氧的消耗速率各为多少？将方程将方程5 5.7.7改写为方程改写为方程5 5.9.9的形式为：的形式为
27、：-CH-CH2 2O - 0.309O - 0.309 O O2 2 - 0.085 - 0.085 NHNH4 4+ + - 0.289 - 0.289 HCOHCO3 3- - + 0.535 + 0.535 C C5 5H H7 7O O2 2N + 0.633N + 0.633 COCO2 2 + 0.515 + 0.515 H H2 2O =0O =0利用方程利用方程5 5.10.10可确定广义反应速率：可确定广义反应速率：r = r r = r C5H7O2NC5H7O2N/ / 0.535 = 1.00.535 = 1.0 / / 0.535 = 1.87 g CH0.535
28、= 1.87 g CH2 2O/O/（LhLh）第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 注意，广义反应速率是以标准化计量方程的基准物来表示的，碳水化合注意，广义反应速率是以标准化计量方程的基准物来表示的，碳水化合物和氧气的消耗速率可以由方程物和氧气的消耗速率可以由方程5 5.10.10确定：确定：r r CH2OCH2O = = （-1.0-1.0）（）（1.871.87）= = - -1.87 g 1.87 g CHCH2 2O/O/（LhLh）r r O2O2 = = （-0.309-0.309）（）（1.871.87）= -0.58 gO= -0.58 gO2
29、 2 / /（LhLh）第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 3 多重反应多重反应矩阵法：矩阵法：生物处理中发生着许多过程。多重反应会同时发生，而且所有这些反应生物处理中发生着许多过程。多重反应会同时发生，而且所有这些反应在建立生物处理质量平衡方程时都必须考虑。考虑质量平衡方程的数目，在建立生物处理质量平衡方程时都必须考虑。考虑质量平衡方程的数目，其所反映的不同类型的过程和不同种类的组分，就可知道一个系统需要哪其所反映的不同类型的过程和不同种类的组分，就可知道一个系统需要哪些信息，使所有反应物的去向一目了然。些信息，使所有反应物的去向一目了然。第五章第五章 生物处
30、理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 考虑考虑i i（其中（其中i=1mi=1m）组分参与）组分参与j j（其中（其中j=1nj=1n）反应的情况。）反应的情况。 表示表示i i 组分在组分在j j 反应中的标准质量计量系数。这样可得到下面一组质量计量方程：反应中的标准质量计量系数。这样可得到下面一组质量计量方程： （5.115.11） 第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 注意：注意：、 A A1 1不一定表示标准计量系数的基准组分。不同组分都可以作为每不一定表示标准计量系数的基准组分。不同组分都可以作为每一反应的基准物，使所得到的每个标准计量系数都有
31、适当的物理意义。一反应的基准物，使所得到的每个标准计量系数都有适当的物理意义。、 由于方程保持质量守恒，每一个方程的由于方程保持质量守恒，每一个方程的标准计量系数之和必等于标准计量系数之和必等于零零。由此可对每个反应做连续性检验。由此可对每个反应做连续性检验。、 任何组分任何组分A Ai i可能在一个反应中是反应物而在另一个反应中是产物。可能在一个反应中是反应物而在另一个反应中是产物。因此，一个组分的总生成速率是其参加的所有反应的速率加河之后所得到因此，一个组分的总生成速率是其参加的所有反应的速率加河之后所得到的净速率，即：的净速率，即： （5.125.12） 如果净生成速率为负，则该组分正在
32、被消耗；如果为正，则正在生成。如果净生成速率为负，则该组分正在被消耗；如果为正，则正在生成。r rAA可能是几种不同组分的函数。如果是这样，就需要同时求解几种物质的质可能是几种不同组分的函数。如果是这样，就需要同时求解几种物质的质量平衡方程，才能确定反应器中任一种物质的浓度。量平衡方程，才能确定反应器中任一种物质的浓度。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 5.2 细胞生长与基质利用细胞生长与基质利用1 细胞生长的一般方程：细胞生长的一般方程：细胞生长与基质利用是耦合进行的，另外，可以利用衰减反应阐明维持能细胞生长与基质利用是耦合进行的，另外，可以利用衰减反应阐明
33、维持能需求。这表明，只要所产生的溶解性微生物产物可以忽略，那么基质的唯一需求。这表明，只要所产生的溶解性微生物产物可以忽略，那么基质的唯一用途就是细胞生长。因此，当以基质为基准建立细胞生长的化学计量方程时，用途就是细胞生长。因此，当以基质为基准建立细胞生长的化学计量方程时，细胞的化学计量系数就是细胞的真正生长速率。细胞的化学计量系数就是细胞的真正生长速率。细胞生长的一般方程可以写为：细胞生长的一般方程可以写为：碳源碳源+ +能源能源+ +电子受体电子受体+ +营养物营养物细胞生物量细胞生物量+CO+CO2 2+ +还原后的受体还原后的受体+ +最终产物最终产物 （5.135.13）应用半反应法
34、进行数学模拟，不论碳源、能源或电子受体是什么，都能够应用半反应法进行数学模拟，不论碳源、能源或电子受体是什么，都能够以同样形式建立任何情况下的定量方程。以同样形式建立任何情况下的定量方程。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 半反应法半反应法半反应法半反应法 在在没有重要的溶解性微生物产物生成时，所有非光合作用微没有重要的溶解性微生物产物生成时，所有非光合作用微生物的生长反应包括两种组分：生物的生长反应包括两种组分：用于合成的组分用于合成的组分和和用于能量的组分用于能量的组分。合成合成组分中的碳最终转化为细胞物质组分中的碳最终转化为细胞物质，而，而能量组分中的碳都
35、转化为能量组分中的碳都转化为COCO2 2。这些反。这些反应都是氧化还原反应，因此也包括电子从供体到受体的传递。对于异养型应都是氧化还原反应，因此也包括电子从供体到受体的传递。对于异养型生长，电子供体是有机基质；而对于自养型生长，电子供体是无机基质。生长，电子供体是有机基质；而对于自养型生长，电子供体是无机基质。三种类型的半三种类型的半反应：反应：细胞细胞物质的半反应物质的半反应（R RC C），），电子电子供体的半反应（供体的半反应（R Rd d），），和和电子受体的半反应（电子受体的半反应（RaRa）。）。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 第五章第五章 生
36、物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学反应序号半反应细菌细胞的合成反应（RC）以氨为氮源1. （1/20）C5H7O2N+（9/20）H2O=（1/5）CO2+（1/20）HCO3-+1/20NH4+H+e-以硝酸根作为氮源2. （1/28 ）C5H7O2N+（11/28 ）H2O=1/28NO3-+5/28CO2+29/28 H+e-电子受体的反应（Ra）O23. （1/2）H2O=1/4O2+ H+e-硝酸根4. 1/10N2+3/5H2O=1/5NO3-+ 6/5 H+e-硫酸根5. 1/16H2S + 1/16HS-+1/2H2O=1/8SO42-+19/16 H+e-表表
37、表表5-2 5-2 氧化半反应氧化半反应氧化半反应氧化半反应 第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学反应序号半反应CO2（产甲烷）6. 1/8CH4+1/4H2O=1/8CO2+H+e-电子供体的反应（Rd）有机电子供体（异养反应）：生活污水7. 1/50C10H19O3N+9/25H2O=9/50CO2+1/50NH4+1/50HCO3- +H+e-蛋白质（氨基酸、蛋白质、含氮有机物）8. 1/66C16H24O5N4+27/66H2O=8/33CO2+2/33NH4+ 31/33H+e-碳水化合物（纤维素、淀粉、糖类）9. 1/4CH2O+1/4H2O=1/4C
38、O2+ H+e-油脂（脂肪和油类）10. 1/46C8H16O + 15/46H2O=4/23CO2+ H+e-表表表表5-2 5-2 氧化半反应氧化半反应氧化半反应氧化半反应 第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学反应序号半反应乙酸11. 1/8 CH3COO-+3/8H2O=1/8CO2+1/8HCO3-+H+e-丙酸12. 1/14 CH3CH2COO-+5/14H2O=1/7CO2+1/14HCO3- +H+e-苯甲酸13. 1/30 C6H5COO-+13/30H2O=1/5CO2+1/30HCO3- +H+e-乙醇14. 1/12 CH3CH2OH+1/
39、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-表表表表5-2 5-2 氧化半反应氧化半反应氧化半反应氧化半反应 第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学反应序号半反应甲醇17. 1/6 CH3OH+1/6H2O=1/6CO2+H+e-无机电子供体（自养反应）18. Fe 2+=Fe 3+ +e-19. 1/8 NH4+ +3/8H2O=1/8NO3-+5/4H+e-20. 1/6
40、 NH4+ +1/3H2O=1/6NO2-+4/3H+e-21. 1/2 NO2-+1/2H2O=1/2NO3-+H+e-22.1/6S+ 2/3H2O=1/6SO42-+ 4/3H+e-23. 1/16 H2S+1/16HS-+1/2H2O= 1/8SO42-+ 19/16H+e-24. 1/8 S2O32-+5/8H2O= 1/4SO42-+ 5/4H+e-25. 1/8SO32-+1/2H2O=1/2SO42-+ H+e-26. 1/2H2=H+e-表表表表5-2 5-2 氧化半反应氧化半反应氧化半反应氧化半反应 表表5-25-2列出了各种物质的半反应。反应列出了各种物质的半反应。反应1
41、 1和反应和反应2 2代表细胞形成的代表细胞形成的R RC C。这。这两种反应都基于细胞经验分子式两种反应都基于细胞经验分子式C C5 5H H7 7O O2 2N N，但一种是以氨氮为氮源，而另一，但一种是以氨氮为氮源，而另一种是以硝酸盐为氮源。反应种是以硝酸盐为氮源。反应3 3 6 6分别是以氧气、硝酸根、硫酸根和分别是以氧气、硝酸根、硫酸根和COCO2 2为为电子受体的半反应电子受体的半反应R Ra a。反应。反应7 7 1717时有机物电子供体的半反应时有机物电子供体的半反应R Rd d。其中第。其中第一个半反应代表了生活污水的一般成分，随后三个反应分别代表了主要由一个半反应代表了生活
42、污水的一般成分，随后三个反应分别代表了主要由蛋白质、碳水化合物和脂类组成的废水，反应蛋白质、碳水化合物和脂类组成的废水，反应11 11 1717代表了一些生物处理代表了一些生物处理中特殊有机化合物半反应，最后一行的反应代表了可能的自养电子供体。中特殊有机化合物半反应，最后一行的反应代表了可能的自养电子供体。反应反应19 19 2121代表硝化反应。代表硝化反应。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 为了有利于这些半反应之间的组合，所有的反应都以电子当量为基础写为了有利于这些半反应之间的组合，所有的反应都以电子当量为基础写成，电子放在式子的右边。成，电子放在式子的右
43、边。各计量方程（）是各个半反应之和：各计量方程（）是各个半反应之和： （5.145.14）式中，减号（）意味着在使用式中，减号（）意味着在使用RaRa和和RcRc之前必须进行转换。将左边和右之前必须进行转换。将左边和右边交换即可。边交换即可。fefe代表与电子受体相结合的电子供体的比例代表与电子受体相结合的电子供体的比例，亦即用作能量的，亦即用作能量的那部分电子供体。那部分电子供体。f fS S代表用于合成作用的电子供体的比例代表用于合成作用的电子供体的比例。由此，反应的终。由此，反应的终点得到了量化。点得到了量化。为使方程保持平衡，有：为使方程保持平衡，有： （5.155.15）方程说明，最
44、初存在于电子供体中的所有电子，最后的归宿要么是在所方程说明，最初存在于电子供体中的所有电子，最后的归宿要么是在所合成的细胞物资（合成的细胞物资（fefe）中，要么是在电子受体（）中，要么是在电子受体（f fS S）中。）中。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 化学计量方程经验公式化学计量方程经验公式化学计量方程经验公式化学计量方程经验公式为了建立半反应，对于细胞和一些有机物电子供体有必要采用经验公式。为了建立半反应，对于细胞和一些有机物电子供体有必要采用经验公式。所有细胞经验公式都寻求用简单的方式来表示由高度复杂的有机混合物所有细胞经验公式都寻求用简单的方式来表
45、示由高度复杂的有机混合物所组成的物质。因为这些有机物分子的相对数量随着生长条件地变化而变所组成的物质。因为这些有机物分子的相对数量随着生长条件地变化而变化。所以，一个细胞化学公式若适用于所有情况将会是非常偶然的。细胞化。所以，一个细胞化学公式若适用于所有情况将会是非常偶然的。细胞元素成分的恒定性可以通过元素成分的恒定性可以通过CODCOD和各种生长条件下的细胞燃烧热来估算，和各种生长条件下的细胞燃烧热来估算，因为这些参数恒定就表明因为这些参数恒定就表明C C、H H、O O、N N的比率相对恒定。的比率相对恒定。各种经验公式都被提出以表示微生物细胞的有机成分。在废水处理领域，各种经验公式都被提
46、出以表示微生物细胞的有机成分。在废水处理领域，提出最早使用最广泛的的经验公式是提出最早使用最广泛的的经验公式是C C5 5H H7 7O O2 2N N。含磷的公式：含磷的公式：C C6060H H8787O O2323N N1212P P。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 在实验室或研究条件下，电子供体的确切组分通常是已知的。例如，如在实验室或研究条件下，电子供体的确切组分通常是已知的。例如，如果以果以葡萄糖葡萄糖作为能源，其经验公式作为能源，其经验公式C C6 6H H1212O O6 6可用于化学计量方程。此外，如可用于化学计量方程。此外，如果混合介质中
47、含有几种有机电子供体，那么每一供体的半反应需要分开写，果混合介质中含有几种有机电子供体，那么每一供体的半反应需要分开写，然后用每一种电子供体的电子当量贡献比例乘以相应的半反应，再加和到然后用每一种电子供体的电子当量贡献比例乘以相应的半反应，再加和到一起，就可以得到混合物的一起，就可以得到混合物的R Rd d。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 实际废水代表了更困难的情形，因为电子供体的化学成分很少是已知的。实际废水代表了更困难的情形，因为电子供体的化学成分很少是已知的。解决办法：解决办法：、 分析废水中分析废水中C C、H H、O O、N N的含量，由分析结果建
48、立经验公式，然后的含量，由分析结果建立经验公式，然后写出该反应的半反应。写出该反应的半反应。、 如果已知废水如果已知废水CODCOD、有机碳、有机氮和挥发性固体的含量，可建、有机碳、有机氮和挥发性固体的含量，可建立半反应。立半反应。、 如果废水中污染物质主要是如果废水中污染物质主要是碳水化合物碳水化合物、蛋白质蛋白质和和脂类脂类，可以利，可以利用其相对浓度来建立微生物的生长方程，因为它们可以用一般经验公式来用其相对浓度来建立微生物的生长方程，因为它们可以用一般经验公式来表示，分别是：表示，分别是：CHCH2 2O O、C C1616H H2424O O5 5N N4 4和和C C8 8H H1
49、616O O。至于其他混合物，用每一组。至于其他混合物，用每一组分的含量比例乘以相应组分的半反应，然后相加，就可得到分的含量比例乘以相应组分的半反应，然后相加，就可得到R Rd d。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 电子受体的性质取决于微生物生长环境。如果环境是好氧性的，氧气将电子受体的性质取决于微生物生长环境。如果环境是好氧性的，氧气将是电子受体。如果环境是厌氧性的，电子受体将取决于所发生的特定反应。是电子受体。如果环境是厌氧性的，电子受体将取决于所发生的特定反应。例如，假如发生乳酸发酵，丙酮酸就是电子受体，而对于产甲烷反应，例如，假如发生乳酸发酵，丙酮酸就
50、是电子受体，而对于产甲烷反应，COCO2 2则是电子受体。在缺氧条件下，硝酸根可作为电子受体。则是电子受体。在缺氧条件下，硝酸根可作为电子受体。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 电子供体和受体一旦确定以后，必须确定电子供体和受体一旦确定以后，必须确定fefe或或f fS S才能写出平衡的化学计才能写出平衡的化学计量方程。通常量方程。通常f fS S比较容易估计，因为它与以比较容易估计，因为它与以CODCOD表示的真正生长比率相关。表示的真正生长比率相关。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 将生长比率定义为将生长比率定义为利用单位
51、基质所形成的细胞物质的数量利用单位基质所形成的细胞物质的数量。当电子供体。当电子供体为有机化合物时，将生长比率表达为分解单位基质为有机化合物时，将生长比率表达为分解单位基质CODCOD所形成的细胞所形成的细胞CODCOD是非常方便的。测定是非常方便的。测定CODCOD就是测量碳中的有效电子，因为就是测量碳中的有效电子，因为CODCOD是需氧量，是需氧量，氧的当量是，所以每当量电子有氧的当量是，所以每当量电子有8g8g CODCOD。CODCOD和电子当量可以相互换算。和电子当量可以相互换算。因此，生长比率也就是基质迁移单位电子所形成新细胞中碳的有效电子因此，生长比率也就是基质迁移单位电子所形成
52、新细胞中碳的有效电子数量，或者是合成所捕获的电子供体的分数比例，即数量，或者是合成所捕获的电子供体的分数比例，即f fS S。所以，。所以，当以氨氮作当以氨氮作为异养型微生物合成的氮源时为异养型微生物合成的氮源时：f fS SY YHH（氨氮作为氮源，有机电子供体）（氨氮作为氮源，有机电子供体） （5.165.16）第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 式中，式中，Y YHH以以CODCOD表示，下标表示，下标表明是异养型微生物表明是异养型微生物的真正生长比率。的真正生长比率。之所以能够利用上式，是因为可以从生产性、半生产性或试验性的生物反之所以能够利用上式，是因
53、为可以从生产性、半生产性或试验性的生物反应器中获得应器中获得CODCOD数据，确定数据，确定生长比率生长比率Y YHH，从而能够确定系统的，从而能够确定系统的f fS S。只要微生物可以利用氨氮或氨基氮，细胞合成就会优先使用这些氮。如只要微生物可以利用氨氮或氨基氮，细胞合成就会优先使用这些氮。如果没有这种氮，为生物就会利用硝酸盐氮。如果没有任何氮可以利用，细果没有这种氮，为生物就会利用硝酸盐氮。如果没有任何氮可以利用，细胞会因缺少重要的反应物而不能进行合成。胞会因缺少重要的反应物而不能进行合成。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 当以硝酸盐作为氮源时当以硝酸盐作
54、为氮源时，氮必须从，氮必须从+价还原为价还原为-价才能被同化利用。价才能被同化利用。这就需要利用基质中的一些有效电子，属于合成所需能量的一部分，亦即这就需要利用基质中的一些有效电子，属于合成所需能量的一部分，亦即fs fs的一部分。然而，的一部分。然而，CODCOD测定不包括还原氮所需要的电子数，因为这种测定测定不包括还原氮所需要的电子数，因为这种测定不能将氮氧化，使氮仍处于不能将氮氧化，使氮仍处于-价。这是，价。这是，CODCOD生长比率就不是生长比率就不是fs fs的准确估的准确估计，计，Y YHH会比会比fs fs小。然而，这种人为的确定可得到纠正，因为将硝酸盐还原小。然而，这种人为的确
55、定可得到纠正，因为将硝酸盐还原到适当氧化状态所需要的电子数目是已知的。假设细胞的经验公式为到适当氧化状态所需要的电子数目是已知的。假设细胞的经验公式为C C5 5H H7 7O O2 2N N，则：，则：fs fs = = 1.40 Y1.40 YHH（硝酸根作为氮源，有机物作为电子供体）（硝酸根作为氮源，有机物作为电子供体） （5.175.17）热力学定律表明，以硝酸盐为氮源的真正生长比率会小于以氨为氮源的热力学定律表明，以硝酸盐为氮源的真正生长比率会小于以氨为氮源的真正生长比率。例如，以碳水化合物为电子和碳的供体时，以硝酸盐为氮真正生长比率。例如，以碳水化合物为电子和碳的供体时，以硝酸盐为
56、氮源源Y YHH值将比以氨为氮源的值将比以氨为氮源的Y YHH值小值小20%20%。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 5.2 细胞生长与基质利用细胞生长与基质利用2 以氨作为氮源的异养菌的好氧生长：以氨作为氮源的异养菌的好氧生长：举例是证明半反应用途的最好方式。我们将接着例举例是证明半反应用途的最好方式。我们将接着例5.1.1.15.1.1.1建立异养菌好养建立异养菌好养生长的摩尔计量方程。生长的摩尔计量方程。例例5.2.2.15.2.2.1建立以氨作为氮源的异养微生物的好养生长化学计量方程，以碳水化合物建立以氨作为氮源的异养微生物的好养生长化学计量方程，以碳
57、水化合物作为生长基质，真正生长比率作为生长基质，真正生长比率Y YHH为为0.71 mg0.71 mg细胞细胞COD/mgCOD/mg碳水化合物碳水化合物CODCOD。为此，需要利用方程为此，需要利用方程5.145.145.165.16：第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学因此，因此，电子供体是碳水化合物，电子受体是氧。因此，由表电子供体是碳水化合物，电子受体是氧。因此，由表5-25-2有：有： 第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学因为氨为氮源，因为氨为氮源，RcRc
58、为：为：应用方程应用方程5.145.14，得到：，得到： 第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 上式除以上式除以0.250.25，就可以标准化为，就可以标准化为1molCH1molCH2 2O O的情况，变为方程的情况，变为方程5.65.6，该，该方程即为例方程即为例5.1.1.15.1.1.1开始给出的方程。开始给出的方程。 （5. 65. 6）如果以方程如果以方程5.155.15的形式排列方程，就可以将例的形式排列方程，就可以将例5.1.1.15.1.1.1中的方程中的方程5.65.6换算为换算为CODCOD计量方程，即：计量方程，即： （5. 185. 18
59、） 我们就此方程可以总结三点。第一，我们就此方程可以总结三点。第一，方程方程5.185.18中的中的Y YHH值为值为0.71mg0.71mg细胞细胞COD/mgCOD/mg基质基质CODCOD。如我们预料的一样，这与同来建立。如我们预料的一样，这与同来建立方程方程5.65.6所用的所用的Y YHH值值相同。第二，相同。第二，方程方程5.185.18和和方程方程5.155.15表达了相同的信息。换而言之，因为从基表达了相同的信息。换而言之，因为从基质中迁移出的电子必须最后归宿于电子受体或生成的细胞物质中，所以可质中迁移出的电子必须最后归宿于电子受体或生成的细胞物质中，所以可以这样讲，以这样讲，
60、去除的基质去除的基质CODCOD等于等于形成的细胞形成的细胞CODCOD与利用的氧气之和与利用的氧气之和。最后，。最后，因为因为方程方程5.185.18表达的信息与表达的信息与方程方程5.155.15相同，可以看出，氧气的相同，可以看出，氧气的CODCOD计量系数计量系数与与fefe相同。相同。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 5.2 细胞生长与基质利用细胞生长与基质利用3 细胞生长动力学：细胞生长动力学：以氨作为氮源的异养型细菌好氧生长的以氨作为氮源的异养型细菌好氧生长的CODCOD计量方程为：计量方程为：将该方程以真正生长比率为基础改写为：将该方程以真正生
61、长比率为基础改写为：式中，式中，基质（基质（S SS S）和和活性异养微生物（活性异养微生物（X XB,HB,H）的测定都以的测定都以CODCOD为单位。为单位。S SOO为氧气，以为氧气，以CODCOD表示。表示。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学（5. 315. 31） 保留保留CODCOD单位，将方程改写为：单位，将方程改写为： 该方程是该方程是以基质作为基准组分以基质作为基准组分的，也可用的，也可用生物量生物量作为基准组分作为基准组分： 可以得到可以得到： 式中，式中，r = mg COD/(r = mg COD/(LhLh) )。因此，一旦。因此，一旦
62、确定确定了了r rXBXB，其他，其他速率也就清楚了速率也就清楚了。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学（5. 345. 34）（5. 335. 33）（5. 325. 32） 细菌以二分裂方式繁殖。因此，细菌的生长速率可以表示为活性细胞浓细菌以二分裂方式繁殖。因此，细菌的生长速率可以表示为活性细胞浓度的一级反应：度的一级反应： 式中，式中， 为比生长速率系数（为比生长速率系数（h h-1-1）。之所以称为）。之所以称为比生长速率系数比生长速率系数，是，是因为它是用已有的因为它是用已有的活性生物量来定义其生长速率活性生物量来定义其生长速率的，亦即单位时间内单位的，
63、亦即单位时间内单位活性细胞活性细胞CODCOD所生成的细胞所生成的细胞CODCOD的质量。的质量。将方程将方程 代入代入 5.34 5.34 可确定与可确定与生物生长相联系的基质去除速生物生长相联系的基质去除速率率和氧气（电子受体）消耗速率。和氧气（电子受体）消耗速率。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学（5. 355. 35） 5.2 细胞生长与基质利用细胞生长与基质利用4 基质浓度对基质浓度对的影响：的影响：MonodMonod方程方程 最初认为，只有当包括基质在内的所有营养物处于高浓度时，最初认为，只有当包括基质在内的所有营养物处于高浓度时，细菌才能进行指数
64、生长。然而，在细菌才能进行指数生长。然而，在2020世纪世纪4040年代早期发现，即使某种营养物年代早期发现，即使某种营养物浓度有限时，细菌也能进行指数生长。同时也发现，比生长速率系数浓度有限时，细菌也能进行指数生长。同时也发现，比生长速率系数 的值取的值取决于限制性营养物的浓度。决于限制性营养物的浓度。碳源、电子供体、电子受体、氮、碳源、电子供体、电子受体、氮、或者生物生长或者生物生长所需要的所需要的其他任何因子其他任何因子都可能是都可能是限制因子限制因子。自那以后，这种现象的普遍性就。自那以后，这种现象的普遍性就经常得到证实。所以，现在把它当作微生物生长动力学的一个基本的概念。经常得到证实
65、。所以，现在把它当作微生物生长动力学的一个基本的概念。此处首先考虑只有一种有机基质是生长限制因子的情形。此处首先考虑只有一种有机基质是生长限制因子的情形。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 图图5-15-1描述了描述了 与单一限制性基质浓度之间的函数关系与单一限制性基质浓度之间的函数关系。 最初随着基质浓度最初随着基质浓度的增加而迅速上升，然后逐渐地接近最大值。这个最大值称为最大比生长速的增加而迅速上升，然后逐渐地接近最大值。这个最大值称为最大比生长速率率 。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学图图5-1 比生长速率系数与非抑制性基
66、质浓度间的典型关系比生长速率系数与非抑制性基质浓度间的典型关系 MonodMonod方程是历史上首先提出并且被广泛接受的用来描述方程是历史上首先提出并且被广泛接受的用来描述图图5-15-1所所示关系示关系的最佳数学公式。的最佳数学公式。MonodMonod最初的工作是在间歇反应器进行的，但是随后被最初的工作是在间歇反应器进行的，但是随后被研究人员用于在限定基质生长的单种细菌的连续流系统，并得到完善。由研究人员用于在限定基质生长的单种细菌的连续流系统，并得到完善。由此得到的结论认为，采用直角双曲线方程能足够精确地拟合生长曲线此得到的结论认为，采用直角双曲线方程能足够精确地拟合生长曲线。Monod
67、Monod提出的方程是提出的方程是：式中，式中，K KS S是半饱和系数。是半饱和系数。K KS S决定了决定了 接近接近 的快慢程度，并被定义的快慢程度，并被定义为为 等于等于 的一半时的基质浓度，见图的一半时的基质浓度，见图5-15-1。K KS S越小，越小， 接近接近 时的基质时的基质浓度越低。浓度越低。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学（5. 365. 36） MonodMonod方程的简化方程的简化方程的简化方程的简化对方程对方程5.365.36可以做出两种简化，这种简化在废水处可以做出两种简化，这种简化在废水处理系统的模拟过程中经常被采用。理系统的
68、模拟过程中经常被采用。、 如果如果S SS S远大于远大于K KS S，该方程可近似表示为：，该方程可近似表示为： （5.375.37）这种方法称为这种方法称为零级近似法零级近似法。因为在这种情况下，。因为在这种情况下，比生长速率系数与基质比生长速率系数与基质浓度无关，其值等于最大比生长速率系数，细菌会以尽快的速度生长浓度无关，其值等于最大比生长速率系数，细菌会以尽快的速度生长。、 如果如果S SS S远小于远小于K KS S，分母部分可以近似地等于，分母部分可以近似地等于K KS S，MonodMonod方程变为：方程变为： （5.385.38）第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处
69、理化学计量学和动力学 这种方法称为这种方法称为一级近似法一级近似法。当用。当用CODCOD来表示可生物降解有机物的总量来表示可生物降解有机物的总量时，时，K KS S会相对地比较大，使活性污泥反应器中的会相对地比较大，使活性污泥反应器中的S SS S通常小于通常小于K KS S，因此，有时用，因此，有时用它来模拟这种系统。它来模拟这种系统。CarrettCarrett和和SawyerSawyer最早建议使用方程最早建议使用方程5.375.37和方程和方程5.385.38。他们观察到，当基质。他们观察到，当基质浓度低时，细菌的比生长速率与基质浓度成正比例，而当基质浓度较高时，浓度低时，细菌的比生
70、长速率与基质浓度成正比例，而当基质浓度较高时，细菌的比生长速率与基质浓度无关。细菌的比生长速率与基质浓度无关。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 抑制性基质抑制性基质抑制性基质抑制性基质 有时，尤其是在处理含合成有机化合物的工业废水时，会有时，尤其是在处理含合成有机化合物的工业废水时，会碰到这样的情况，即随着基质浓度的增加，微生物的比生长速率达到一个碰到这样的情况，即随着基质浓度的增加，微生物的比生长速率达到一个最大值，然后下降，如图最大值，然后下降，如图5 5- -2 2所示。显然，所示。显然，MonodMonod方程不能描述这种情形。方程不能描述这种情形。因
71、而，人们付出了相当多的努力试图建立适合这种情形的方程。与对待自因而，人们付出了相当多的努力试图建立适合这种情形的方程。与对待自然产生的非抑制性基质一样，许多不同的模型都可以用来描述所观察到的然产生的非抑制性基质一样，许多不同的模型都可以用来描述所观察到的基质浓度和基质浓度和 之间的关系，而且从统计学的观点看，几乎无法推荐一种模型之间的关系，而且从统计学的观点看，几乎无法推荐一种模型而不推荐另一种模型。而不推荐另一种模型。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学图图5-2 比生长速率系数与抑制性基质浓度
72、之间的典型关系比生长速率系数与抑制性基质浓度之间的典型关系 因此，与因此，与MonodMonod方程一样，选择模型应该基于对模型的熟悉程度和模型方程一样，选择模型应该基于对模型的熟悉程度和模型使用的容易程度，进而建议使用使用的容易程度，进而建议使用HaldaneHaldane的以酶模型为基础的方程。的以酶模型为基础的方程。AndrewsAndrews首先建议广泛使用这种函数描述抑制性有机基质对细菌生长速率的首先建议广泛使用这种函数描述抑制性有机基质对细菌生长速率的影响，因此将其称为影响，因此将其称为AndrewsAndrews方程方程，其形式为：，其形式为： （5.395.39）方程与方程与M
73、onodMonod方程相似，只是多一个参数方程相似，只是多一个参数K K1 1，即抑制性系数，即抑制性系数。注意，当。注意，当K K1 1非常大时，非常大时，AndrewsAndrews方程简化为方程简化为MonodMonod方程，表明这两个方程中方程，表明这两个方程中K KS S和和 有相同意义。有相同意义。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 然而，与非抑制性基质情况不同的是然而，与非抑制性基质情况不同的是， 实际上是不能被观察实际上是不能被观察到的到的，而是而是一个一个假设的最大化比生长速率假设的最大化比生长速率，只有当基质不是抑制性的时候才有可，只有当基质
74、不是抑制性的时候才有可能得到。此外，因为能得到。此外，因为 不能被观察到，所以不能被观察到，所以K KS S也具有一定的假设成分。图也具有一定的假设成分。图5-25-2中曲线最显著的特点是，中曲线最显著的特点是， 在基质浓度为在基质浓度为S SS S* * 时时达到最大值达到最大值*。在最大值在最大值*有：有：第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学（5. 405. 40）（5. 415. 41） 方程方程5.405.40表明，抑制程度表明，抑制程度是由是由 K KS S/K/K1 1 而而不是单由不是单由K K1 1决定的。决定的。K KS S/K/K1 1越大，越
75、大，*相对于相对于 就越小，因而抑制程度就越大。此外，因为其可测量性，所以就越小，因而抑制程度就越大。此外，因为其可测量性，所以* * 和和S SS S* *在确定抑制性基质的动力学参数时是非常重要的。在确定抑制性基质的动力学参数时是非常重要的。方程方程5.395.39已被广已被广泛地应用于模拟各种废水处理系统，此处用来描述抑制性基质对细菌的比泛地应用于模拟各种废水处理系统，此处用来描述抑制性基质对细菌的比生长速率的影响。生长速率的影响。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 其它抑制剂的影响其它抑制剂的影响其它抑制剂的影响其它抑制剂的影响 有时，一种化合物可能抑制
76、微生物利用另一种化合有时，一种化合物可能抑制微生物利用另一种化合物的生长物的生长。例如，一些。例如，一些有机化合物会抑制硝化细菌有机化合物会抑制硝化细菌的生长，而的生长，而另一些化合另一些化合物能抑制异养细菌利用生物性有机物的生长。这种情况下，有必要采用动物能抑制异养细菌利用生物性有机物的生长。这种情况下，有必要采用动力学模型描述抑制剂（力学模型描述抑制剂（S Si i）浓度对）浓度对 和和S SS S 之间之间相互关系的影响。在没有抑制相互关系的影响。在没有抑制剂时，如果能够用剂时，如果能够用MonodMonod方程来表达方程来表达 和和S SS S 之间之间的关系，那么就可以将抑制的关系，
77、那么就可以将抑制剂的影响表示为剂的影响表示为 或或K KS S/K/K1 1的影响。的影响。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 已经有几种抑制剂类型通过与定义酶抑制剂类似的方法进行了定义，但已经有几种抑制剂类型通过与定义酶抑制剂类似的方法进行了定义，但是，它们都可以用由是，它们都可以用由HanHan和和LevenspielLevenspiel提出的提出的MonodMonod方程扩展模式进行模拟。方程扩展模式进行模拟。HanHan和和LevenspielLevenspiel提出的提出的MonodMonod方程扩展式为方程扩展式为：式中，式中，S Si i* *是使
78、全部微生物活性被抑制时的抑制剂浓度，是使全部微生物活性被抑制时的抑制剂浓度，mm和和n n分别是反分别是反应抑制剂浓度增加对应抑制剂浓度增加对K KS S和和 影响的指数。方程影响的指数。方程5.425.42已成功地用于模拟各种已成功地用于模拟各种人工合成型化合物对去除生物质型有机物的影响。人工合成型化合物对去除生物质型有机物的影响。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学（5. 425. 42） 5.2 细胞生长与基质利用细胞生长与基质利用5 比基质去除速率：比基质去除速率：合并合并 方程方程5.34 5.34 和和方程方程5.355.35 ，则则有：有：第五章第五
79、章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学（5. 435. 43） 式中，式中， 称为比基质去除率，用符号称为比基质去除率，用符号 表示（注意，表示（注意，HH去掉了下标，去掉了下标，以强调该方程的通用性）。以强调该方程的通用性）。最大比基质去除率为：最大比基质去除率为： 与与K KS S的比率称为平均反应速率系数，以符号的比率称为平均反应速率系数，以符号keke表示：表示： 第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学（5. 455. 45）（5. 445. 44） 5.2 细胞生长与基质利用细胞生长与基质利用6 多重限制性营养物：多重限制性营养物：从广义
80、上来说，营养物可以分为两类：从广义上来说，营养物可以分为两类：补充性营养物补充性营养物和和可替代性营养物可替代性营养物。补充性营养物是指那些能够满足微生物生长的全部需要的营养物补充性营养物是指那些能够满足微生物生长的全部需要的营养物。例如，氮。例如，氮提供蛋白质合成所需要的氮；葡萄糖提供碳和能量。如果生长介质中缺少其提供蛋白质合成所需要的氮；葡萄糖提供碳和能量。如果生长介质中缺少其中任何一种，也不提供替代营养物，那么生长就不能进行。中任何一种，也不提供替代营养物，那么生长就不能进行。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 另一方面，另一方面，可替代性营养物是指能满足
81、同样需要的营养物可替代性营养物是指能满足同样需要的营养物。例如氮和硝酸。例如氮和硝酸盐能够提供氮；葡萄糖和苯酚都能够提供碳和能量。因此，氨和硝酸盐是可盐能够提供氮；葡萄糖和苯酚都能够提供碳和能量。因此，氨和硝酸盐是可以相互替代的，葡萄糖和苯酚也一样。在本节中，将考虑两种补充性营养物以相互替代的，葡萄糖和苯酚也一样。在本节中，将考虑两种补充性营养物对比生长速率同时产生限制的情形。对比生长速率同时产生限制的情形。尽管在实际环境中是非常重要的，但是关于微生物对两种或更多的补充性尽管在实际环境中是非常重要的，但是关于微生物对两种或更多的补充性营养物同时产生限制的响应知之甚少。因为随着营养物数量增加，不
82、确定性营养物同时产生限制的响应知之甚少。因为随着营养物数量增加，不确定性显著增加，所以我们将考虑只有两种营养物的情形。显著增加，所以我们将考虑只有两种营养物的情形。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 相互作用和非相互作用关系相互作用和非相互作用关系相互作用和非相互作用关系相互作用和非相互作用关系 假设有两种补充性营养物假设有两种补充性营养物S SS1S1和和S SS2S2，它们都，它们都是细胞生长所必需的，在生长环境中都是低浓度。究竟哪一种会控制比生长是细胞生长所必需的，在生长环境中都是低浓度。究竟哪一种会控制比生长速率，有两种思路可用来回答这个问题。代表这两种
83、思路的模型分为：相互速率，有两种思路可用来回答这个问题。代表这两种思路的模型分为：相互作用模型和非相互作用模型。作用模型和非相互作用模型。相互作用模型相互作用模型首先假设两种补充营养物在同一时间都影响比生长速率。如首先假设两种补充营养物在同一时间都影响比生长速率。如果两种营养物都是生长所必需，并且其浓度都等于它们的半饱和系数，那么果两种营养物都是生长所必需，并且其浓度都等于它们的半饱和系数，那么其中任何单独一个都会将其中任何单独一个都会将 减少到减少到 /2/2。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 但是，既然它们同时产生影响，所以其结果是将但是，既然它们同时产生
84、影响，所以其结果是将 减少到减少到 /4/4。最常见的。最常见的相互作用模型为多重相互作用模型为多重MonodMonod方程：方程：在任何情况下，在任何情况下，S SS1S1和和S SS2S2的浓度都使得的浓度都使得S SS1S1/(K/(KS1S1+ S+ SS1S1) )和和S SS2S2/(K/(KS2S2+ S+ SS2S2) )的值的值小于小于1 1，使，使 低于低于 。由此产生两个影响：。由此产生两个影响：第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学（5. 465. 46） 第一，第一，给定给定S SS1S1的值，的值，S SS2S2有数量限制时，其有数量限制
85、时，其 值将低于值将低于S SS2S2达到过量时的达到过量时的 值；值；第二，第二，给定一个给定一个S SS1S1或或S SS2S2，与之相联系的，与之相联系的 值都并不确定，与方程值都并不确定，与方程5.365.36的情的情形类似，形类似， 值同时取决于二者。值同时取决于二者。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 非相互作用模型假设非相互作用模型假设：微生物的比生长速率一次只能受一种营养物的限制。：微生物的比生长速率一次只能受一种营养物的限制。因此，因此， 等于由单一基质模型所获得的最小数值：等于由单一基质模型所获得的最小数值：如果如果S SS1S1/(K/(K
86、S1S1+ S+ SS1S1)S)SS2S2/(K/(KS2S2+ S+ SS2S2) )，则，则S SS1S1为速率限制因子；反之亦然。如为速率限制因子；反之亦然。如果果S SS1S1/(K/(KS1S1+ S+ SS1S1)=S)=SS2S2/(K/(KS2S2+ S+ SS2S2) )，则两者都是速率限制因子，但只有特殊条件，则两者都是速率限制因子，但只有特殊条件下才会发生这种情况。在非相互作用模型中，下才会发生这种情况。在非相互作用模型中，MonodMonod方程只应用于起速率限方程只应用于起速率限制因子的营养物，而另一营养物的浓度对制因子的营养物，而另一营养物的浓度对 没有影响。没有
87、影响。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学（5. 475. 47） 以上两种模型以上两种模型都只得都只得到有限试验证据的支持。到有限试验证据的支持。BaeBae和和RittmannRittmann从理论和试从理论和试验方面证明，当两种限制组分都是电子供体和受体时，相互作用模型更合验方面证明，当两种限制组分都是电子供体和受体时，相互作用模型更合适一些。此外适一些。此外BaderBader比较了两种表达式的数学特征。非相互作用模型本身就比较了两种表达式的数学特征。非相互作用模型本身就造成了从一种营养物限制向另一营养物限制过渡时的不连续性。在造成了从一种营养物限制向另一
88、营养物限制过渡时的不连续性。在S SS1S1/K/KS1S1和和S SS2S2/K/KS2S2都低的区域，其预测的生长速率明显地比较高。相互作用模型不都低的区域，其预测的生长速率明显地比较高。相互作用模型不会导致不连续性，但当会导致不连续性，但当S SS1S1/K/KS1S1和和S SS2S2/K/KS2S2都低时，其可能错误地预测出明显都低时，其可能错误地预测出明显比较低的生长速率。在任何一种营养物过量时，这两个函数就逐渐变为相比较低的生长速率。在任何一种营养物过量时，这两个函数就逐渐变为相同。最后，因为相互作用模型是连续的，所以在模拟动态条件时在数学上同。最后，因为相互作用模型是连续的，所
89、以在模拟动态条件时在数学上是更可取的。是更可取的。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 采用采用方程方程5.465.46的相互作用模型，原因有三：的相互作用模型，原因有三：第一第一，BaeBae和和RittmannRittmann提供了证据提供了证据；第二第二，对废水生物处理中可能碰到的情形而言，相互作用模型更保守一，对废水生物处理中可能碰到的情形而言，相互作用模型更保守一些些；第第三，模型对于一种营养物是电子供体（基质）而另一种为电子受体三，模型对于一种营养物是电子供体（基质）而另一种为电子受体（氧气或硝酸盐）的情形应用效果较好，这种情形在废水处理系统中比较（氧
90、气或硝酸盐）的情形应用效果较好，这种情形在废水处理系统中比较常见常见。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 多重营养物还存在一种特殊情况，即当一种营养物浓度增加时反而会降多重营养物还存在一种特殊情况，即当一种营养物浓度增加时反而会降低微生物活性。例如，缺氧条件下异养菌的生长就是如此。因为硝酸盐还低微生物活性。例如，缺氧条件下异养菌的生长就是如此。因为硝酸盐还原能替代好氧呼吸，将电子传递至硝酸盐的酶和及其还原产物会受到溶解原能替代好氧呼吸，将电子传递至硝酸盐的酶和及其还原产物会受到溶解氧浓度的不利影响，所以在建立缺氧条件生长动力学时必须要考虑这一事氧浓度的不利影响，
91、所以在建立缺氧条件生长动力学时必须要考虑这一事实。氧有两个影响：实。氧有两个影响：（1 1）抑制反硝化酶的合成；）抑制反硝化酶的合成；（2 2）抑制反硝化酶的活性。）抑制反硝化酶的活性。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 虽然有一些例外，但在通常情况下，介质中存在氧气（和虽然有一些例外，但在通常情况下，介质中存在氧气（和/ /或主动将氧或主动将氧气用作最终电子受体）会抑制硝酸盐还原酶系统的合成。当没有氧气，或气用作最终电子受体）会抑制硝酸盐还原酶系统的合成。当没有氧气，或氧气量不能满足需要时，会发生去阻抑作用，酶又被合成。然而，当微生氧气量不能满足需要时，会发生
92、去阻抑作用，酶又被合成。然而，当微生物在好养和缺氧条件之间循环时，情况变得更复杂了，此时调控系统似乎物在好养和缺氧条件之间循环时，情况变得更复杂了，此时调控系统似乎被改变了，即使有溶解氧存在，有些酶的合成还是在以变慢了的速度继续被改变了，即使有溶解氧存在，有些酶的合成还是在以变慢了的速度继续进行。氧对酶活性的影响取决于细菌种类。在有些细菌中，有氧存在时酶进行。氧对酶活性的影响取决于细菌种类。在有些细菌中，有氧存在时酶活性会降低，而其它一些细菌则不然。活性会降低，而其它一些细菌则不然。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 尽管如此，对于细菌在好氧和缺氧条件之间不断循
93、环的系统，氧抑制酶尽管如此，对于细菌在好氧和缺氧条件之间不断循环的系统，氧抑制酶活性似乎是影响硝酸盐还原速率的主要机理；缺氧条件下的优势生长似乎活性似乎是影响硝酸盐还原速率的主要机理；缺氧条件下的优势生长似乎会提供一些即使在有氧时也能以变慢了的速度起作用的酶类。在废水生物会提供一些即使在有氧时也能以变慢了的速度起作用的酶类。在废水生物处理系统中，有一种因素可能会使得分析氧对硝酸还原影响复杂化，即微处理系统中，有一种因素可能会使得分析氧对硝酸还原影响复杂化，即微生物以絮体还是生物膜生长。因为扩散是向生物絮体或生物膜内部细菌供生物以絮体还是生物膜生长。因为扩散是向生物絮体或生物膜内部细菌供氧的惟一
94、机制，因此，即使水流主体中有氧气，有一些细菌仍然会处在完氧的惟一机制，因此，即使水流主体中有氧气，有一些细菌仍然会处在完全没有氧的微环境中。全没有氧的微环境中。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 由于溶解氧对异养菌的缺氧生长影响复杂，并且这些影响还没完全弄清由于溶解氧对异养菌的缺氧生长影响复杂，并且这些影响还没完全弄清楚，所以一般采用相对比较简单的模型进行描述。一个通常的方式是采用楚，所以一般采用相对比较简单的模型进行描述。一个通常的方式是采用方程方程5.465.46描述有机质描述有机质(S(SS S) )和硝酸盐和硝酸盐(S(SNONO) )对对 的同时影响，
95、并添加第三项。这的同时影响，并添加第三项。这第三项会随着溶解氧浓度第三项会随着溶解氧浓度(S(SOO) )的增加而使的增加而使 降低。方程形式为：降低。方程形式为：第三项通常是酶动力学中用来描述经典非竞争性抑制剂影响的函数。参第三项通常是酶动力学中用来描述经典非竞争性抑制剂影响的函数。参数数K KIOIO是氧的抑制系数。是氧的抑制系数。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学（5. 485. 48） 多重营养物限制的意义多重营养物限制的意义多重营养物限制的意义多重营养物限制的意义 设计设计生物处理的前提是生物反应器中生物的生物处理的前提是生物反应器中生物的比生长速率与
96、生长限制营养物的浓度之间存在着比生长速率与生长限制营养物的浓度之间存在着函数关系。由于函数关系。由于这种这种函数函数关系，如果关系，如果采用工程方法采用工程方法控制比生长速率，那么控制比生长速率，那么就可能控制排出生物反应就可能控制排出生物反应器的生长限制营养物器的生长限制营养物的浓度。然而，这只有在工程师的浓度。然而，这只有在工程师希望控制的营养物正希望控制的营养物正好是生长限制性营养物时才能实现如果设计的目的是去除溶解好是生长限制性营养物时才能实现如果设计的目的是去除溶解性有机物，性有机物，那么那么所有其它营养物必须供应充足所有其它营养物必须供应充足。或者，如果。或者，如果目的是使硝酸盐作
97、为最终目的是使硝酸盐作为最终电子受体从而去除电子受体从而去除硝酸盐氮，那么硝酸盐氮，那么就应该在处理系统的适当位置使硝酸盐就应该在处理系统的适当位置使硝酸盐成为速率限制因子成为速率限制因子。所以，一。所以，一个明确的处理目标，必须与废水中各种组分个明确的处理目标，必须与废水中各种组分浓度方面的知识相结合，才能确保所设计出的生物处理确实浓度方面的知识相结合，才能确保所设计出的生物处理确实满足之。满足之。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 因为氧气是一种溶解性很低的气体，所以必须不断地向好氧系统供应氧因为氧气是一种溶解性很低的气体，所以必须不断地向好氧系统供应氧气，
98、而且溶液中氧气的浓度取决于氧气供应与利用的相对速率。此外，因气，而且溶液中氧气的浓度取决于氧气供应与利用的相对速率。此外，因为供氧是好氧废水处理的主要成本之一，氧气供应系统过于庞大是不经济为供氧是好氧废水处理的主要成本之一，氧气供应系统过于庞大是不经济的。因此，经常出现氧气浓度降到足以使的。因此，经常出现氧气浓度降到足以使S SOO/(K/(KOO+ S+ SOO)1.0)1.0（其中，（其中，K KOO是溶是溶解氧的半饱和系数）的情况。所以，研究这种情况产生的影响是有益的。解氧的半饱和系数）的情况。所以，研究这种情况产生的影响是有益的。图图5-35-3利用典型参数值，举例说明了氨（电子供体）
99、和氧气（电子受体）同利用典型参数值，举例说明了氨（电子供体）和氧气（电子受体）同时对自养硝化细菌的比生长速率的影响。之所以选择这类细菌，是因为与时对自养硝化细菌的比生长速率的影响。之所以选择这类细菌，是因为与异养菌相比，它们对溶解氧浓度更敏感（异养菌相比，它们对溶解氧浓度更敏感（K KO,HO,H K KO,AO,A，下标，下标H H和和A A分别表示分别表示异养菌和自养菌）。异养菌和自养菌）。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学图图5-3 氨氮和溶解氧浓度对自养硝化细菌比生长速率的影响氨氮和溶解
100、氧浓度对自养硝化细菌比生长速率的影响 图图5-35-3揭示了两个问题：揭示了两个问题：第一第一，如果我们使生物反应器的运行保持恒定的比生长速率，那么降低，如果我们使生物反应器的运行保持恒定的比生长速率，那么降低生物反应器的氧气浓度则会使氨浓度增加生物反应器的氧气浓度则会使氨浓度增加；第二第二，降低氧气浓度就相当于降低细菌的，降低氧气浓度就相当于降低细菌的 。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 合成新的细胞需要氮和磷合成新的细胞需要氮和磷。如果没有适量的氮和磷，细胞生长就不能平。如果没有适量的氮和磷，细胞生长就不能平衡，处理效果会受到损害。因此，必须注意提供足量的
101、氮和磷。然而，我衡，处理效果会受到损害。因此，必须注意提供足量的氮和磷。然而，我们刚刚看到，如果生物反应器中必要营养物的浓度非常低，可能成为速率们刚刚看到，如果生物反应器中必要营养物的浓度非常低，可能成为速率限制因子。这种情况不希望在处理目的是去除有机物时发生。这意味着，限制因子。这种情况不希望在处理目的是去除有机物时发生。这意味着，供给生物反应器的氮或磷浓度必须足够高，才能满足化学计量学所规定的供给生物反应器的氮或磷浓度必须足够高，才能满足化学计量学所规定的细胞合成所需要的量，在溶液中保持足够的剩余量以防止它们成为速率限细胞合成所需要的量，在溶液中保持足够的剩余量以防止它们成为速率限制因子。
102、制因子。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 GoelGoel和和GaudyGaudy研究确定，在正常的异养型生长中研究确定，在正常的异养型生长中，氨氮的，氨氮的K KS S为为1.51.54.0mgN/L4.0mgN/L。以。以0.5h0.5h-1-1作为作为 的代表值，如果进水的氮浓度超过化学计量所的代表值，如果进水的氮浓度超过化学计量所需求的需求的1.0mgN/L1.0mgN/L，那么对于废水处理中异养微生物通常的比生长速率，氮，那么对于废水处理中异养微生物通常的比生长速率，氮就不会成为速率限制因素。虽然也做过一些有关磷对异养微生物动力学限就不会成为速率限制
103、因素。虽然也做过一些有关磷对异养微生物动力学限制方面的研究工作，但是其结果并不如对氮的研究那么清晰。制方面的研究工作，但是其结果并不如对氮的研究那么清晰。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 也曾经测定过微生物纯培养和混合培养中磷的限制浓度，但是发现该浓也曾经测定过微生物纯培养和混合培养中磷的限制浓度，但是发现该浓度太低度太低，当时的技术无法检测出来。因此，如果进水中磷的浓度超过化学，当时的技术无法检测出来。因此，如果进水中磷的浓度超过化学计量要求量的几十分之一计量要求量的几十分之一 mg-P/Lmg-P/L，磷就不会成为速率限制元素，磷就不会成为速率限制元素。在
104、一些生。在一些生物处理中，微生物能经过一个完整的生长循环，在某一阶段会吸收营养物，物处理中，微生物能经过一个完整的生长循环，在某一阶段会吸收营养物，而在另一阶段会释放营养物。为了防止在吸收阶段营养物成为限制，以上而在另一阶段会释放营养物。为了防止在吸收阶段营养物成为限制，以上所给出的量应该超过最大去除量而不是最后出水的量。所给出的量应该超过最大去除量而不是最后出水的量。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 5.3 维持、内源代谢、衰减、溶胞和死亡维持、内源代谢、衰减、溶胞和死亡1 传统模式：传统模式：在传统模式中，所有导致生长比率和活性降低的过程都用以下计量方程表
105、在传统模式中，所有导致生长比率和活性降低的过程都用以下计量方程表示：示：细胞电子受体细胞电子受体COCO2 2还原后的受体营养物细胞残留还原后的受体营养物细胞残留 (5.52)(5.52)此表达式包含着重要概念，即活性生物量因为衰减而被降解，碳氧化为此表达式包含着重要概念，即活性生物量因为衰减而被降解，碳氧化为COCO2 2所迁移的电子被传递给电子受体。此外，并非所有细胞物质都被彻底氧化所迁移的电子被传递给电子受体。此外，并非所有细胞物质都被彻底氧化了，还有一部分成为细胞残留物。了，还有一部分成为细胞残留物。尽管这些残留物最终是可以被生物降解的，尽管这些残留物最终是可以被生物降解的，但它们的降
106、解速率极低，对大多数生物处理而言，细胞残留物似乎是惰性的，但它们的降解速率极低，对大多数生物处理而言，细胞残留物似乎是惰性的，不会再受到生物的作用，因而不断积累，降低了悬浮固体中活性生物量的比不会再受到生物的作用，因而不断积累，降低了悬浮固体中活性生物量的比例。例。最后，氮以氨氮形式被释放，但仍有一部分在细胞残留物中。最后，氮以氨氮形式被释放，但仍有一部分在细胞残留物中。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 图图5-5-5 5阐明了这些过程是如何与好氧环境微生物生长相联系的。阐明了这些过程是如何与好氧环境微生物生长相联系的。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学
107、生物处理化学计量学和动力学图图5-5 细胞衰减和细胞活性损失的传统模式示意图细胞衰减和细胞活性损失的传统模式示意图溶解性基质溶解性基质溶解性基质溶解性基质 S SS S细胞残留物细胞残留物细胞残留物细胞残留物 X XD D生物量生物量生物量生物量 X XB BCODCOD去除去除/ /细胞生长细胞生长COCO2 2+H+H2 2O OO O2 2+NH+NH3 3COCO2 2 + H + H2 2O +NHO +NH3 3 O O2 2衰减去除衰减去除CODCOD 将式将式5.525.52改写为改写为CODCOD平衡方程，结果是：平衡方程，结果是：细胞细胞COD + -(1-fCOD + -
108、(1-fDD) ) 电子受体电子受体的的O O2 2当量当量 f fDD细胞残留物细胞残留物COD COD (5.53) (5.53)式中，式中，f fDD是活性生物量中能够形成细胞残留物是活性生物量中能够形成细胞残留物X XDD的比例的比例。对废水生物处。对废水生物处理中常见的生物量而言，理中常见的生物量而言，f fDD的值约为的值约为0.20.2。方程表明，细胞在衰减中所消耗。方程表明，细胞在衰减中所消耗的氧气或硝酸盐必须等于活性生物量的氧气或硝酸盐必须等于活性生物量CODCOD损失与所生成细胞残留损失与所生成细胞残留CODCOD的差的差值。值。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物
109、处理化学计量学和动力学 方程方程5.525.52含有的另一重要概念是，当细胞物质被降解时，氮以氨形式被含有的另一重要概念是，当细胞物质被降解时，氮以氨形式被释放。如果将方程释放。如果将方程5.525.52改写成氮的化学计量方程，即为：改写成氮的化学计量方程，即为： 细胞细胞 N NHN NH3 3-N + -N + 细胞残留细胞残留N (5.54)N (5.54) 因为我们已经用生物量因为我们已经用生物量CODCOD作为细胞物质的基本度量，所以将氮计量作为细胞物质的基本度量，所以将氮计量方程与细胞方程与细胞CODCOD相关联会是比较方便的，只需引入两个换算因子即可。这相关联会是比较方便的，只需
110、引入两个换算因子即可。这两个换算因子是两个换算因子是i iNN/XB/XB和和i iNN/XD/XD，分别代表，分别代表活性细胞活性细胞和和细胞残留细胞残留中的中的氮与氮与CODCOD的的质量比质量比。因此：。因此： i iNN/XB /XB 细胞细胞COD NHCOD NH3 3-N+ -N+ i iNN/XD /XD 细胞残留物细胞残留物COD (5.55)COD (5.55)第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 因为分解单位质量的细胞因为分解单位质量的细胞CODCOD能产生能产生f fDD单位的细胞残留物单位的细胞残留物CODCOD（方程（方程5.535.5
111、3），方程），方程5.555.55告诉我们，分解单位质量的细胞告诉我们，分解单位质量的细胞CODCOD所释放的氨氮量是（所释放的氨氮量是（ i iNN/XB /XB - - i iN/XDN/XDf fDD）。如果用）。如果用C C5 5H H7 7O O2 2N N代表细胞，则代表细胞，则 i iNN/XB/XB的值为的值为0.087mgN/mgCOD0.087mgN/mgCOD。而细胞残留物还没有像活性细胞那样被研究过，没有。而细胞残留物还没有像活性细胞那样被研究过，没有普遍接受的经验公示用于计算普遍接受的经验公示用于计算 i iNN/XD/XD。然而，由于许多含氮化合物是能量储。然而，由
112、于许多含氮化合物是能量储存物，其在内源代谢中被分解，所以细胞残留物含量可能低于细胞的氮含存物，其在内源代谢中被分解，所以细胞残留物含量可能低于细胞的氮含量。因此有人推荐量。因此有人推荐 i iNN/XD/XD值是值是0.06 mg N/mg COD0.06 mg N/mg COD。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 细胞衰减速率是细胞浓度的一次方程：细胞衰减速率是细胞浓度的一次方程： （5.565.56）式中，式中，是衰减系数是衰减系数，单位是，单位是-1-1。应用方程。应用方程5.105.10的概念，细胞残留物的概念，细胞残留物的产生速率可为：的产生速率可为：
113、 （5.575.57）与细胞衰减相联系的氧气（电子受体）利用速率为：与细胞衰减相联系的氧气（电子受体）利用速率为： （5.585.58）第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 该方程也可用于以氧气当量表示的硝酸盐利用速率，但是不同电子受体该方程也可用于以氧气当量表示的硝酸盐利用速率，但是不同电子受体的衰减系数可能不同。最后，氨氮释放速率为：的衰减系数可能不同。最后，氨氮释放速率为： （5.595.59）第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 b b（衰减系数）（衰减系数）的的数值完全取决于微生物的种类和被利用的基质。后者数值完全取决于微生
114、物的种类和被利用的基质。后者的影响可能来自于生长过程合成的能量储存物的性质。因为方程的影响可能来自于生长过程合成的能量储存物的性质。因为方程5.565.56是非常是非常复杂过程的近似表达式，所以复杂过程的近似表达式，所以b b的数值一定程度上也取决于细胞的生长速率。的数值一定程度上也取决于细胞的生长速率。DoldDold和和MaraisMarais综述了有关综述了有关b b的文献，并得出结论，即好氧和缺氧废水处理系的文献，并得出结论，即好氧和缺氧废水处理系统中，异养菌的典型统中，异养菌的典型b b值为值为0.010.01-1-1。其他人所报道的类似处理系统中的。其他人所报道的类似处理系统中的b
115、 b值值常常低至常常低至0.0020.002-1-1左右。由此可以看出，左右。由此可以看出，b b值的范围可能相当宽。据报道，值的范围可能相当宽。据报道，自养硝化菌自养硝化菌b b值范围也相当大，为值范围也相当大，为0.00020.00020.0070.007-1-1，2020时的典型值为时的典型值为0.0030.003-1-1。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 厌氧系统中也会发生衰减，但其厌氧系统中也会发生衰减，但其b b值小于好氧系统，原因在于厌氧值小于好氧系统，原因在于厌氧系统中细菌系统中细菌 值低得多值低得多，而且这两个参数似乎存在着相关性。例如，而且
116、这两个参数似乎存在着相关性。例如，BryersBryers报道，厌氧氧化菌和产甲烷菌的报道，厌氧氧化菌和产甲烷菌的b b值约为值约为0.00040.0004-1-1，发酵细菌，发酵细菌的的b b值约为值约为0.0010.001-1-1。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 5.3 维持、内源代谢、衰减、溶胞和死亡维持、内源代谢、衰减、溶胞和死亡2 溶解再生长模式：溶解再生长模式：DoldDold等人建立了可以用于模拟含有好氧区和缺氧区的废水处理系统等人建立了可以用于模拟含有好氧区和缺氧区的废水处理系统的模型。的模型。模型只考虑一种生物量，即活性生物量。但是，这些活
117、性微生物在模型只考虑一种生物量，即活性生物量。但是，这些活性微生物在不断地死亡和溶解，产生颗粒态基质和细胞残留物。颗粒态基质转化为不断地死亡和溶解，产生颗粒态基质和细胞残留物。颗粒态基质转化为溶解性基质，被活细胞吸收用于生长，生成新的细胞物质。然而，由于溶解性基质，被活细胞吸收用于生长，生成新的细胞物质。然而，由于细胞的生长比率总小于细胞的生长比率总小于1 1，所以新生成的细胞数量总是小于死亡和溶解，所以新生成的细胞数量总是小于死亡和溶解的细胞数量，导致系统总细胞数量减少（亦即衰减）。细胞残留物和颗的细胞数量，导致系统总细胞数量减少（亦即衰减）。细胞残留物和颗粒态基质积累使得系统中生物量活性降
118、低。粒态基质积累使得系统中生物量活性降低。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 DoldDold等人的模型足够用来模拟许多重要的废水处理系统。等人的模型足够用来模拟许多重要的废水处理系统。此外，这种模型可以解释细菌经过好氧、缺氧和厌氧循环时所衰减量的差此外，这种模型可以解释细菌经过好氧、缺氧和厌氧循环时所衰减量的差别，而这种差异却不能用传统的衰减方式来解释。别，而这种差异却不能用传统的衰减方式来解释。最后，最后，DoldDold等人的模型已经用于单一污泥工艺的一般模型中，并且能够代等人的模型已经用于单一污泥工艺的一般模型中，并且能够代表生产性系统的动态性能变化。表
119、生产性系统的动态性能变化。所以，把它做为传统模式的替代模型。所以，把它做为传统模式的替代模型。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 图图图图5.6 5.6 5.6 5.6 细胞衰减和活性降低的溶解再生长模式示意图细胞衰减和活性降低的溶解再生长模式示意图细胞衰减和活性降低的溶解再生长模式示意图细胞衰减和活性降低的溶解再生长模式示意图第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 式中，式中， 能够产生细胞残留物的活性细胞所占的比例。能够产生细胞残留物的活性细胞所占的比例。 在死亡和溶解过程中没有在死亡和溶解过程中没有CODCOD损失，活性细胞损失
120、，活性细胞CODCOD只是简单地转化只是简单地转化为等量的细胞残留物和颗粒态基质为等量的细胞残留物和颗粒态基质CODCOD。因此，电子受体并没有直接与。因此，电子受体并没有直接与细胞生物量减少（即衰减）相关联。电子受体的利用发生在活性细胞利细胞生物量减少（即衰减）相关联。电子受体的利用发生在活性细胞利用由颗粒态基质水解产生的溶解性基质进行生长的过程。用由颗粒态基质水解产生的溶解性基质进行生长的过程。 与传统模式一样，假设细胞残留物在生物处理的限定时间内能抵抗与传统模式一样，假设细胞残留物在生物处理的限定时间内能抵抗微生物进一步作用。微生物进一步作用。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物
121、处理化学计量学和动力学溶解再生长模式的溶解再生长模式的CODCOD计量方程为：计量方程为： （5.60） 细胞中的氮分布在细胞残留物和颗粒态基质中，后者称为颗粒态可细胞中的氮分布在细胞残留物和颗粒态基质中，后者称为颗粒态可生物降解有机氮。生物降解有机氮。细胞氮的化学计量方程为：细胞氮的化学计量方程为：细胞细胞NN颗粒态可生物降解有机氮颗粒态可生物降解有机氮N + N + 细胞残留物细胞残留物N N （5.615.61）假如假如i iNN/XB/XB和和i iNN/XD/XD的意思同前，方程的意思同前，方程5.615.61可根据细胞可根据细胞CODCOD和细胞残留物和细胞残留物CODCOD改写为
122、：改写为： i iNN/XB/XB 细胞细胞CODCOD颗粒态可生物降解有机氮颗粒态可生物降解有机氮N + N + i iNN/XD/XD 细胞残留物细胞残留物COD COD （5.625.62）因此，单位细胞因此，单位细胞CODCOD衰减后有衰减后有 的颗粒态可生物的颗粒态可生物降解有机氮。这有别于传统模式，因为传统模式中是直接形成溶解性氨降解有机氮。这有别于传统模式，因为传统模式中是直接形成溶解性氨氮。氮。 第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 与在传统模式中一样，细胞与在传统模式中一样，细胞CODCOD衰减速率是活性细胞生物量的一次衰减速率是活性细胞生物量的
123、一次方程：方程：第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学（5.635.63） 式中，式中，b bL L的单位是的单位是h h-1-1，与，与b b的单位一样。的单位一样。 类似传统模式，细胞残留物的产生速率表示为：类似传统模式，细胞残留物的产生速率表示为：（5.645.64） 颗粒态基质颗粒态基质CODCOD（X XS S）的产生速率表示为：）的产生速率表示为：（5.655.65） 注意：该方程与传统模式中的氧气消耗方程注意：该方程与传统模式中的氧气消耗方程5.585.58相似，因为活性细相似，因为活性细胞失去的所有电子均保存在颗粒基质中，而没有传递给氧气。胞失去的所
124、有电子均保存在颗粒基质中，而没有传递给氧气。 最后，颗粒态可生物降解有机氮（最后，颗粒态可生物降解有机氮（X XNSNS）的产生速率为：）的产生速率为：（5.665.66） 需要认识到：需要认识到：b bL L的概念和数值都不同于的概念和数值都不同于b b， 的数值不同于的数值不同于 。原。原因在于：因在于：第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 溶解再生长模式中有溶解再生长模式中有CODCOD循环。细胞循环。细胞CODCOD损失，释放出颗粒态基质，损失，释放出颗粒态基质，其又水解为溶解性基质，又被活性细胞降解利用产生新的细胞，新细胞其又水解为溶解性基质，又被活性细
125、胞降解利用产生新的细胞，新细胞又死亡和溶解，又产生颗粒态基质，如此不断地循环往复。又死亡和溶解，又产生颗粒态基质，如此不断地循环往复。 传统模式和溶解再生长模式的净结果是相同的。因为：不管对实际传统模式和溶解再生长模式的净结果是相同的。因为：不管对实际发生的过程如何进行概念化表示，都会有一定数量的细胞生物量从反应发生的过程如何进行概念化表示，都会有一定数量的细胞生物量从反应器中消失。器中消失。 由于在溶解再生长构想模式中，碳需要沿系统循环多次才能获得传由于在溶解再生长构想模式中，碳需要沿系统循环多次才能获得传统模式中循环一次的细胞减少量，所以统模式中循环一次的细胞减少量，所以b bL L的数值
126、必然大于的数值必然大于b b。相应地，因。相应地，因为一定数量的细胞通过衰减而减少，最终形成的细胞残留物数量相同，为一定数量的细胞通过衰减而减少，最终形成的细胞残留物数量相同，所以，所以， 的数值必然小于的数值必然小于 。 第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学实际上，实际上，b bL L、b b、 、 四个参数值是相互关联的：四个参数值是相互关联的：（5.675.67） 此外，此外，（5.685.68） b bL L和和b b之间的关系也取决于之间的关系也取决于Y Y：（5.695.69） 在估计参数的研究中，通常测定和，而不是在估计参数的研究中，通常测定和，而不
127、是 和和 。由于。由于能影响能影响b bL L和和b b之间的关系，所以在将所测定的值转换为之间的关系，所以在将所测定的值转换为b bL L值时，建值时，建议使用方程议使用方程5.695.69，而不是方程，而不是方程5.675.67。 第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 溶解再生长模式中隐含着一个重要假设，在特定的培养体中，不论细溶解再生长模式中隐含着一个重要假设，在特定的培养体中，不论细菌的生长速率怎样变化，细胞溶解作用始终是以相同的速率系数（菌的生长速率怎样变化，细胞溶解作用始终是以相同的速率系数（b bL L）值）值在进行。在进行。 对于自养型生长，对于自
128、养型生长，b bL L和和b b之间的关系是不同的。这是因为自养型微生之间的关系是不同的。这是因为自养型微生物生长并不利用有机物。因此，死亡和溶解不会增加自养型微生物细胞的物生长并不利用有机物。因此，死亡和溶解不会增加自养型微生物细胞的生长，利用所释放的氮进行生长的自养型微生物细胞数量可以忽略。相反，生长，利用所释放的氮进行生长的自养型微生物细胞数量可以忽略。相反，异养型微生物细胞会利用所释放的有机物进行再生长。因此，溶解再生长异养型微生物细胞会利用所释放的有机物进行再生长。因此，溶解再生长模式和传统模式对于自养细胞是一样的，结果是两套参数值相等。模式和传统模式对于自养细胞是一样的，结果是两套
129、参数值相等。 5.4 溶解性微生物产物的生成溶解性微生物产物的生成 生成溶解性微生物产物的过程有两种，一种是与生长相关的，另一种生成溶解性微生物产物的过程有两种，一种是与生长相关的，另一种是与生长无关的。是与生长无关的。 与生长相关的产物直接从细胞生长和基质利用过程生成。如果溶解性微与生长相关的产物直接从细胞生长和基质利用过程生成。如果溶解性微生物产物生成的数量相当大，则必须修改微生物生长的计量方程以包括这生物产物生成的数量相当大，则必须修改微生物生长的计量方程以包括这类产物。类产物。 以以S SMPMP表示溶解性微生物产物的浓度（以表示溶解性微生物产物的浓度（以CODCOD为单位），为单位）
130、，Y YMPMP表示产物表示产物比率（单位为产物比率（单位为产物COD/COD/基质基质CODCOD），则方程），则方程5.315.31可以改写为以下形式，以可以改写为以下形式，以便包含溶解性微生物产物的形成：便包含溶解性微生物产物的形成：第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学（5.705.70） 5.4 溶解性微生物产物的生成溶解性微生物产物的生成 这表明，当有溶解性产物生成时，电子供体需要量减少。这是因为部这表明，当有溶解性产物生成时，电子供体需要量减少。这是因为部分基质分基质CODCOD仍旧以这些产物形式存留在介质中。以细胞生物量作为基准组仍旧以这些产物形式存
131、留在介质中。以细胞生物量作为基准组分，将该方程改写为方程分，将该方程改写为方程5.95.9的形式，即：的形式，即：第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学（5.715.71）该方程表明：该方程表明：（5.725.72）由方程由方程5.725.72和方程和方程5.355.35消去消去r rXBXB，有：，有：（5.735.73）与r rSMPSMP与与 成比例，表明与生长相关联。成比例，表明与生长相关联。 5.4 溶解性微生物产物的生成溶解性微生物产物的生成 非生长相关的产物的生成，也称为细胞相关产物的生成，是由于细胞非生长相关的产物的生成，也称为细胞相关产物的生成，是
132、由于细胞溶解和衰减而引起的。改写方程溶解和衰减而引起的。改写方程5.535.53，使传统模式的衰减，使传统模式的衰减CODCOD计量方程中包计量方程中包含溶解性介质的形成：含溶解性介质的形成：第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学（5.745.74）式中，式中，f fMPMP能产生细胞相关产物的活性细胞所占的比例。能产生细胞相关产物的活性细胞所占的比例。利用方程利用方程5.745.74和方程和方程5.565.56可以得出细胞相关产物的产生速率：可以得出细胞相关产物的产生速率：（5.755.75） 类似于细胞残留物，可以用同样的方式在溶解再生长模式中包含溶解类似于细胞
133、残留物，可以用同样的方式在溶解再生长模式中包含溶解性微生物产物生成，用参数性微生物产物生成，用参数 表示，而且其数值小于表示，而且其数值小于f fMPMP，正如，正如f fDD小于小于 一样。一样。 5.4 溶解性微生物产物的生成溶解性微生物产物的生成 结合方程结合方程5.735.73和方程和方程5.755.75，可以看出，溶解性微生物产物的比生成速率，可以看出，溶解性微生物产物的比生成速率与比生长速率呈线性关系。这种关系可能适合于缓慢生长的系统，如活性与比生长速率呈线性关系。这种关系可能适合于缓慢生长的系统，如活性系统，但是却不适合于生长比较快的系统，因此方程系统，但是却不适合于生长比较快的
134、系统，因此方程5.735.73和方程和方程5.755.75不能通不能通用于所有系统。用于所有系统。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 5.5 颗粒态有机物和高分子量有机物的溶解颗粒态有机物和高分子量有机物的溶解 将颗粒态和高分子量有机物转化为可被细菌吸收和降解的小分子是废将颗粒态和高分子量有机物转化为可被细菌吸收和降解的小分子是废水生物处理中重要的一步，因为这类物质在废水中普遍存在，也能通过溶水生物处理中重要的一步，因为这类物质在废水中普遍存在，也能通过溶胞过程产生。胞过程产生。 各种颗粒态物质受到的作用机理可能相同，所以笼统地将这些过程称各种颗粒态物质受到的作
135、用机理可能相同，所以笼统地将这些过程称作水解反应。作水解反应。 水解反应的化学计量学被认为是非常简单的，有机物只是简单地改变水解反应的化学计量学被认为是非常简单的，有机物只是简单地改变了形式，了形式，CODCOD没有变化，亦即没有能量消耗。因为没有能量消耗，没有电没有变化，亦即没有能量消耗。因为没有能量消耗，没有电子移出，也没有使用最终电子受体，所以，化学计量方程简单地表示为：子移出，也没有使用最终电子受体，所以，化学计量方程简单地表示为： 颗粒态基质颗粒态基质CODCOD溶解性基质溶解性基质COD COD （5.765.76） 这意味着，溶解性基质的生成速率与颗粒态基质的减少速率相等。这意味
136、着，溶解性基质的生成速率与颗粒态基质的减少速率相等。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 5.5 颗粒态有机物和高分子量有机物的溶解颗粒态有机物和高分子量有机物的溶解颗粒态有机物的水解反应动力学方程：颗粒态有机物的水解反应动力学方程： 第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学（5.775.77） 式中，式中，k kh h水解反应系数（水解反应系数（h h-1-1）；）； K KXX半饱和系数（半饱和系数（mgmg基质基质COD/mgCOD/mg活性生物量活性生物量CODCOD）。）。 该方程的一个重要特点是，反应速率受到颗粒态基质浓度与异
137、养型微生物该方程的一个重要特点是，反应速率受到颗粒态基质浓度与异养型微生物浓度的比例的控制，而不是只受到颗粒态基质浓度的控制，尽管其与异养型浓度的比例的控制，而不是只受到颗粒态基质浓度的控制，尽管其与异养型微生物浓度的一级函数相关。这是因为，水解反应被认为是受细胞界面调节微生物浓度的一级函数相关。这是因为，水解反应被认为是受细胞界面调节的，依赖于胞外酶，而胞外酶的数量与细胞浓度成比例。的，依赖于胞外酶，而胞外酶的数量与细胞浓度成比例。 5.5 颗粒态有机物和高分子量有机物的溶解颗粒态有机物和高分子量有机物的溶解 尽管反应中没有消耗电子受体，但水解反应速率亦然受到电子受体浓度尽管反应中没有消耗电
138、子受体，但水解反应速率亦然受到电子受体浓度的影响。在好氧条件下，与方程的影响。在好氧条件下，与方程5.465.46中的方式类似，可以采用互动式双营养中的方式类似，可以采用互动式双营养限制方程。在缺氧条件下，类似于式限制方程。在缺氧条件下，类似于式5.485.48的方程比较合适，硝酸盐刺激缺氧的方程比较合适，硝酸盐刺激缺氧水解，而氧气抑制缺氧水解。在两种方程中，颗粒态基质的影响应该用方水解，而氧气抑制缺氧水解。在两种方程中，颗粒态基质的影响应该用方程程5.775.77表示。在短时间的厌氧条件下，水解反应会中断。而在长时间的厌氧表示。在短时间的厌氧条件下，水解反应会中断。而在长时间的厌氧条件下，不
139、会发生这种现象。单独使用方程条件下，不会发生这种现象。单独使用方程5.775.77即能描述完全厌氧条件下的即能描述完全厌氧条件下的水解反应，但其水解反应，但其k kh h值要比好氧条件中所使用的值要比好氧条件中所使用的k kh h值小得多。值小得多。 第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 5.5 颗粒态有机物和高分子量有机物的溶解颗粒态有机物和高分子量有机物的溶解由方程由方程5.615.61看到，细胞衰减而生成颗粒态可生物降解有机氮。此外，废看到，细胞衰减而生成颗粒态可生物降解有机氮。此外，废水中的颗粒态有机物也含有有机氮。当颗粒态基质水解时，所有有机氮会水中的颗
140、粒态有机物也含有有机氮。当颗粒态基质水解时，所有有机氮会转化为溶解性可生物降解的有机氮（转化为溶解性可生物降解的有机氮（S SNSNS），即转化为氨基酸和其他溶解性），即转化为氨基酸和其他溶解性含氮有机基质。含氮有机基质。S SNSNS（r rXNSXNS）的产生速率在数值上与颗粒态有机氮的减少速）的产生速率在数值上与颗粒态有机氮的减少速率（率（r rXNSXNS）相等，后者与颗粒态有机物的水解速率成比例：）相等，后者与颗粒态有机物的水解速率成比例：第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学（5.785.78） 式中，式中，X XNSNS是颗粒态可生物降解有机氮的浓度。
141、是颗粒态可生物降解有机氮的浓度。 5.6 氨化和氨的利用氨化和氨的利用氨化氨化是指当细菌消耗溶解性含氮有机物时，溶解性有机氮转化为氨氮。是指当细菌消耗溶解性含氮有机物时，溶解性有机氮转化为氨氮。实际上，氨化的真正速率是难于测定的，因为细菌生长中会消耗氨氮，惟实际上，氨化的真正速率是难于测定的，因为细菌生长中会消耗氨氮，惟一可测量的是氨在介质中的积累或损失。如果有机基质中有效氮的量刚好一可测量的是氨在介质中的积累或损失。如果有机基质中有效氮的量刚好满足新细胞合成的需要，那么介质中氨氮总浓度就不会变化。另一方面，满足新细胞合成的需要，那么介质中氨氮总浓度就不会变化。另一方面，如果有效氮超过了生物合
142、成需要，氨在介质中的浓度就会增加；如果其小如果有效氮超过了生物合成需要，氨在介质中的浓度就会增加；如果其小于需氧量，氨浓度就会降低。然而，应该认识到，有机氮是否直接转化成于需氧量，氨浓度就会降低。然而，应该认识到，有机氮是否直接转化成新细胞物质，取决于氮的形式。简单化合物如氨基酸中的氮，在用氨基酸新细胞物质，取决于氮的形式。简单化合物如氨基酸中的氮，在用氨基酸合成蛋白质时可以直接转化，而复杂合成有机物中的氮就以氨的形式释放合成蛋白质时可以直接转化，而复杂合成有机物中的氮就以氨的形式释放到介质中到介质中。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 为了使这种复杂的情形易于
143、用数学方式表达，大多数研究为了使这种复杂的情形易于用数学方式表达，大多数研究人员假设，所人员假设，所有有的氮在利用之前都经过介质的氮在利用之前都经过介质。因此，氨化因此，氨化将所有有机氮以氨的形式释放将所有有机氮以氨的形式释放到到介质中，氮介质中，氮利用反应就从介质中利用反应就从介质中获取氨获取氨。至于。至于氨是积累还是被去除取决氨是积累还是被去除取决于氨产生和利用的于氨产生和利用的相对速率。相对速率。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 因为氨化是异养型微生物分解含氮的溶解性有机物时进行的因为氨化是异养型微生物分解含氮的溶解性有机物时进行的，所以氨化，所以氨化速
144、率可能与溶解性基质的去除速率成比例。研究复杂基质的氨化速率的工速率可能与溶解性基质的去除速率成比例。研究复杂基质的氨化速率的工作相对比较少，复杂基质中只有一部分溶解性有机物含有氮，因而还不能作相对比较少，复杂基质中只有一部分溶解性有机物含有氮，因而还不能确定是否可以假设复杂性基质的去除和氨的利用之间成正比例。所以，将确定是否可以假设复杂性基质的去除和氨的利用之间成正比例。所以，将氨化表示为异养细胞浓度和溶解性可生物降解有机氮的一级反应：氨化表示为异养细胞浓度和溶解性可生物降解有机氮的一级反应： r rSNSSNS = - k = - ka a S SNSNS X XB B，H H （5.795
145、.79）式中，式中，k ka a是氨化速率系数是氨化速率系数L/L/（mgmg细胞细胞CODhCODh） ，有关，有关k ka a的信息的信息非常少；非常少； S SNSNS是溶解性可生物降解有机氮是溶解性可生物降解有机氮； X XB B，H H 代表异养活性微生物。代表异养活性微生物。前面前面讨论到讨论到，氨化的计量方程假定，含氮的溶解性有机物中所去除的所有氮都被释放为氨化的计量方程假定，含氮的溶解性有机物中所去除的所有氮都被释放为氨，尽管有些氮可能最后被用于细胞合成。因此，氨化产生氨氮（氨，尽管有些氮可能最后被用于细胞合成。因此，氨化产生氨氮（S SNHNH）的）的速率为速率为： r rS
146、NHSNH = - = - r rSNSSNS （5.805.80）第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 有两个反应从溶液中去除氨。第一，氨用于新细胞的合成，见有两个反应从溶液中去除氨。第一，氨用于新细胞的合成，见方程方程5.65.6；第二第二，氨自养型微生物的基质，这时氨利用的速率方程与任何其他，氨自养型微生物的基质，这时氨利用的速率方程与任何其他介质相介质相同。同。第一种情况下，反应速率可以用一般速率方程和生长计量方程来确定第一种情况下，反应速率可以用一般速率方程和生长计量方程来确定。因为因为 i iNN/XB /XB 是是单位细胞单位细胞CODCOD中氮的质
147、量中氮的质量，所以细胞生长去除氨的速率很简单：，所以细胞生长去除氨的速率很简单： r rSNHSNH = -i = -i N/XB N/XB X XB B （5.815.81） X XB B 代表活性微生物代表活性微生物。方程。方程5.815.81对异养式生长和自养式生长都适用，所对异养式生长和自养式生长都适用，所有其中使用了生物量的一般符号有其中使用了生物量的一般符号X XB B。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 5.7 磷的吸收和释放磷的吸收和释放生物生物除磷是一个由特异储磷微生物（除磷是一个由特异储磷微生物（PAOsPAOs）生长进行的复杂过程）生长进行
148、的复杂过程。PAOsPAOs是以聚磷酸盐形式储存是以聚磷酸盐形式储存磷的，因为磷的，因为生物除磷仍旧是试验研究的活跃课生物除磷仍旧是试验研究的活跃课题，描述生物除磷的各种速率方程还不一致。此外，微生物除磷过程受到题，描述生物除磷的各种速率方程还不一致。此外，微生物除磷过程受到多种组分浓度的复杂调控多种组分浓度的复杂调控。有。有两个过程可以在本节讨论，因为它们明显不两个过程可以在本节讨论，因为它们明显不同于前面所讨论的过程。这两个过程是同于前面所讨论的过程。这两个过程是PAOsPAOs对磷的吸收和释放。对磷的吸收和释放。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 生物除磷
149、有两个概念模型：生物除磷有两个概念模型：Comeau-WentzelComeau-Wentzel模型和模型和MinoMino模型。两者的主模型。两者的主要区别在于，要区别在于，MinoMino模型包括了糖原的形成和利用，而模型包括了糖原的形成和利用，而Comeau-WentzelComeau-Wentzel模型模型却没有。在建立生物除磷数学模型时，有一个研究小组认为，引入详细的却没有。在建立生物除磷数学模型时，有一个研究小组认为，引入详细的机理性数学模型尚为时过早，相反，他们更愿意推荐使用最简单的对生物机理性数学模型尚为时过早，相反，他们更愿意推荐使用最简单的对生物除磷有适度预测性的数学模型。
150、因此他们基本上沿用了除磷有适度预测性的数学模型。因此他们基本上沿用了Comeau-WentzelComeau-Wentzel模模型。此外，他们还假设，型。此外，他们还假设，PAOsPAOs不能以硝酸盐作为最终电子受体，只能利用不能以硝酸盐作为最终电子受体，只能利用细胞中储存的细胞中储存的PHBPHB进行生长。尽管这些假设的限制很严格，但是我们还是进行生长。尽管这些假设的限制很严格，但是我们还是选择活性污泥选择活性污泥ASM2ASM2号模型作为本节要介绍的速率方程的基础，因为这个模号模型作为本节要介绍的速率方程的基础，因为这个模型代表了该领域一些研究人员的一致意见。然而，应该认识到，随着研究型代
151、表了该领域一些研究人员的一致意见。然而，应该认识到，随着研究工作的深入，可能会建立更完善的模型方程。工作的深入，可能会建立更完善的模型方程。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 在厌氧条件下，在厌氧条件下，PAOsPAOs不生长，但分解聚磷酸盐释放出溶解性的磷酸盐，不生长，但分解聚磷酸盐释放出溶解性的磷酸盐，将乙酸储存为将乙酸储存为PHBPHB。（以下方程中，所有的磷酸盐浓度都表示为磷。（以下方程中，所有的磷酸盐浓度都表示为磷P P，有机，有机物都表示为物都表示为CODCOD）。乙酸去除率（）。乙酸去除率（r rSASA）可以用一个互动式双营养物限制表）可以用一个
152、互动式双营养物限制表达式进行模拟：达式进行模拟： （5.825.82）式中，式中， 是乙酸的最大比吸收速率（是乙酸的最大比吸收速率（h h-1-1），），S SAA是乙酸的浓度（以是乙酸的浓度（以CODCOD表示），表示），K KAA是乙酸的半饱和系数，是乙酸的半饱和系数，X XPP PP 是细胞中聚磷酸盐的浓度（以液相是细胞中聚磷酸盐的浓度（以液相P P浓度表示），浓度表示），K KPP PP 是聚磷酸盐的半饱和系数，是聚磷酸盐的半饱和系数，X XB B，P P是是 PAOsPAOs 细胞的浓度（以细胞的浓度（以CODCOD表示）。表示）。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学
153、计量学和动力学 反应过程的化学计量学是每去除反应过程的化学计量学是每去除1mg/L1mg/L乙酸乙酸CODCOD在细胞中所生成的在细胞中所生成的mg/L mg/L PHB CODPHB COD。因此，生成。因此，生成PHBPHB（X XPHBPHB）的速率表达式（）的速率表达式（r rXPHBXPHB）为：）为： r r XPHBXPHB = - = - r rSASA （5.835.83）此外，储存单位乙酸此外，储存单位乙酸CODCOD就释放出就释放出Y YP P单位溶解性磷酸盐（单位溶解性磷酸盐（S SP P），），S SP P的增的增加量等于所储存的聚磷酸盐浓度减少的量。因此：加量等于所
154、储存的聚磷酸盐浓度减少的量。因此： r r SPSP = - = - r rXPPXPP = Y = YP P r r XPHBXPHB （5.845.84）HenzeHenze等人选择等人选择Y YP P值为值为0.40mgP/mgCOD0.40mgP/mgCOD，反映过程的平均值。，反映过程的平均值。K KSASA和和K KPPPP值应该选的比较小，这样可以使方程值应该选的比较小，这样可以使方程5.825.82中的括号项成为从中的括号项成为从1 1到到0 0迅速变化的迅速变化的开关函数，表示反应进行和停止。所选择的开关函数，表示反应进行和停止。所选择的K KSASA值为值为4.0mgCOD
155、/L4.0mgCOD/L，K KPPPP为为0.01mgP/mgPAOCOD0.01mgP/mgPAOCOD。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 在好氧条件下，在好氧条件下，PAOsPAOs以储存的以储存的PHBPHB作为碳源和能源而生长。作为碳源和能源而生长。PHBPHB被认为被认为是惟一生长基质，尽管其能够利用溶解性基质生长。因为在生物除磷过程是惟一生长基质，尽管其能够利用溶解性基质生长。因为在生物除磷过程的好氧阶段，剩余的溶解性基质比较少，所以的好氧阶段，剩余的溶解性基质比较少，所以HenzeHenze等人忽略了这部分基质等人忽略了这部分基质以简化模型。此
156、外，因为该过程只能在好氧条件下进行，所以使用了氧气以简化模型。此外，因为该过程只能在好氧条件下进行，所以使用了氧气开关函数，当没有开关函数，当没有O O2 2时，反应速率就变为时，反应速率就变为0 0。考虑到所有这些因素，。考虑到所有这些因素，PAOPAO生生长速率可以用下面的方程来表示：长速率可以用下面的方程来表示： （5.855.85）第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 式中，式中， 是是PAOPAO的最大比生长速率，的最大比生长速率，X XPHBPHB是储存是储存PHBPHB浓度浓度（mgCODmgCOD/L/L），），S SP P是溶解性磷酸盐浓度（是溶
157、解性磷酸盐浓度（mgPmgP/L/L），），K KP P是溶解性磷酸盐的是溶解性磷酸盐的半饱和系数，半饱和系数，S SOO是溶解氧浓度，是溶解氧浓度，K KOO是溶解氧的半饱和系数。要注意的是，是溶解氧的半饱和系数。要注意的是，PHBPHB浓度对细胞生长的影响是根据单位细胞浓度对细胞生长的影响是根据单位细胞CODCOD含有的有效含有的有效PHBPHB数量来表数量来表示的，因为示的，因为PHBPHB在介质中并不是自由态，而是储存在细胞中。因此，在介质中并不是自由态，而是储存在细胞中。因此，K KPHBPHB的单位是的单位是mg PHB COD/mg PAO CODmg PHB COD/mg PA
158、O COD。由于细胞溶解，磷酸盐会不断地被。由于细胞溶解，磷酸盐会不断地被释放到介质中。所以，释放到介质中。所以，SPSP值不会达到值不会达到0 0，总会有磷酸盐可以利用进行生长。，总会有磷酸盐可以利用进行生长。HenzeHenze等人选择的等人选择的K KPHBPHB、K KP P和和K KOO等半饱和系数值分别为等半饱和系数值分别为0.01mg PHB 0.01mg PHB COD/mg PAO CODCOD/mg PAO COD、0.20mgP/L0.20mgP/L和和0.20mgO0.20mgO2 2/L/L。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 好氧生长
159、反应的好氧生长反应的CODCOD化学计量除了化学计量除了PHBPHB是生长基质外，其他均与方程是生长基质外，其他均与方程5.335.33一样。因此，一样。因此，r rXBPXBP、r rXPHBXPHB和和r rSOSO（都以（都以CODCOD表示）之间的关系与方程表示）之间的关系与方程5.345.34中中r rXBXB、r rSSSS和和r rSOSO之间的关系相同，或者：之间的关系相同，或者： （5.865.86）式中，式中，Y YPAOPAO是是PAOPAO以储存以储存PHBPHB为基质的生长比率系数。为基质的生长比率系数。ASM2ASM2号模型假号模型假定定Y YPAOPAO值是值是0
160、.63mgPAO COD/mg PHB COD0.63mgPAO COD/mg PHB COD。应该注意，方程。应该注意，方程5.865.86表示表示PHBPHB减少速率和氧气消耗速率只是与减少速率和氧气消耗速率只是与PAOPAO生长速率相关联。生长速率相关联。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 好氧条件下也有聚磷酸盐储存，所需能量也来自于好氧条件下也有聚磷酸盐储存，所需能量也来自于PHBPHB，其速率表达式，其速率表达式包括方程包括方程5.855.85中所有括号项。然而，当中所有括号项。然而，当PAOPAO中聚磷酸盐含量变得非常高时，中聚磷酸盐含量变得非常高时
161、，可以观察到聚磷酸盐储存就会停止。因此有必要增加一项，以便反映单位可以观察到聚磷酸盐储存就会停止。因此有必要增加一项，以便反映单位PAOPAO聚磷酸盐浓度接近最大值聚磷酸盐浓度接近最大值K KPMAXPMAX时，其储存速率降低的过程。考虑到这时，其储存速率降低的过程。考虑到这些因素后，聚磷酸盐的储存速率可以表达为：些因素后，聚磷酸盐的储存速率可以表达为： （5.875.87）第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 式中，式中， 是聚磷酸盐的最大比储存速率，是聚磷酸盐的最大比储存速率，2020时的典型值为时的典型值为0.06mg 0.06mg P/P/（mg PAO
162、CODhmg PAO CODh）。）。K KIPPIPP是聚磷酸盐储存的抑制系数，假设值为是聚磷酸盐储存的抑制系数，假设值为0.02mgP/mgPAO COD0.02mgP/mgPAO COD。所有其他项的意义见方程。所有其他项的意义见方程5.855.85。介质中溶解性磷酸。介质中溶解性磷酸盐的去除与其转化为聚磷酸盐的量成正比。此外，盐的去除与其转化为聚磷酸盐的量成正比。此外，PHBPHB的减少与氧气的利的减少与氧气的利用也是成比例的。用化学计量法可以确定这些速率之间的关系为：用也是成比例的。用化学计量法可以确定这些速率之间的关系为： （5.885.88）第五章第五章 生物处理化学计量学和动力
163、学生物处理化学计量学和动力学 式中，式中，Y YPHBPHB是储存聚磷酸盐所需要的是储存聚磷酸盐所需要的PHBPHB数量，其典型值为数量，其典型值为0.20mg PHB 0.20mg PHB COD/mg PCOD/mg P。在这个方程中，。在这个方程中，PHBPHB的减少与氧气消耗的速率只与聚磷酸盐储的减少与氧气消耗的速率只与聚磷酸盐储存有关。在好氧条件下，每一项的总速率可以结合方程存有关。在好氧条件下，每一项的总速率可以结合方程5.865.86和方程和方程5.885.88求得。求得。此外，方程此外，方程5.885.88并没有给出溶解性磷酸盐减少的总速率，因为生成聚磷酸盐并没有给出溶解性磷酸
164、盐减少的总速率，因为生成聚磷酸盐并不是从水中去除溶解性磷酸盐的惟一机理。相反，磷也是细胞合成所必并不是从水中去除溶解性磷酸盐的惟一机理。相反，磷也是细胞合成所必需的营养物。需的营养物。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 如果如果 i iP/XBP/XB是生成单位是生成单位PAO CODPAO COD而需要的磷的质量，那么而需要的磷的质量，那么PAOPAO去除溶解性去除溶解性磷的总速率为：磷的总速率为： r rSPSP = ( i = ( iP/XBP/XB r rXBPXBP) r) rXPPXPP （5.895.89）式中，式中，r rXBPXBP由方程由方程
165、5.855.85表示。以细胞表示。以细胞CODCOD计算，细胞的磷含量约为计算，细胞的磷含量约为2.5%2.5%，i iP/XBP/XB的值约为的值约为0.02mgP/mg 0.02mgP/mg 细胞细胞CODCOD。如果处理系统中同时有异养型微生。如果处理系统中同时有异养型微生物和自养型微生物，它们会在生长中以同样的化学计量关系消耗部分溶解物和自养型微生物，它们会在生长中以同样的化学计量关系消耗部分溶解性磷酸盐以合成细胞物质。性磷酸盐以合成细胞物质。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 5.8 化学计量式简化及其应用化学计量式简化及其应用1 最终电子受体需要量的
166、确定：最终电子受体需要量的确定：在确定异养型微生物量生长的最终电子受体需要量时，在确定异养型微生物量生长的最终电子受体需要量时，CODCOD计量方程是计量方程是最有用的，虽然也可以采用其他化学计量方程。采用合并后的异养细胞最有用的，虽然也可以采用其他化学计量方程。采用合并后的异养细胞 CODCOD计量方程是本书一个非常重要特点，并将在本书贯彻始终。以氨作为计量方程是本书一个非常重要特点，并将在本书贯彻始终。以氨作为氮源时，氧气消耗（或硝酸盐的氧气当量）和细胞生长（包括活性的和残氮源时，氧气消耗（或硝酸盐的氧气当量）和细胞生长（包括活性的和残留物）（以留物）（以CODCOD为单位）的总和必然等于
167、从水中去除的为单位）的总和必然等于从水中去除的CODCOD。这是因为。这是因为CODCOD是有效电子的度量。换而言之，被生物降解的基质中的所有有效电子，是有效电子的度量。换而言之，被生物降解的基质中的所有有效电子，或者被去除而转移到最终电子受体，或者被结合到所生成的细胞物质之中。或者被去除而转移到最终电子受体，或者被结合到所生成的细胞物质之中。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 前面讨论到，以氨作为氮源时，细胞合成中没有电子转移给氮。但是，前面讨论到，以氨作为氮源时，细胞合成中没有电子转移给氮。但是，以硝酸盐作为氮源时，必须转移一些电子才能使氮从以硝酸盐作为氮源
168、时，必须转移一些电子才能使氮从 还原到还原到，这些，这些电子因此被结合到细胞之中，尽管电子因此被结合到细胞之中，尽管CODCOD测定检测不到它们。这是因为在测定检测不到它们。这是因为在CODCOD测试中，氮既不能接受电子也不失去电子。因此，如果用测试中，氮既不能接受电子也不失去电子。因此，如果用C C7 7H H5 5O O2 2N N代代表细胞，那么测得的表细胞，那么测得的CODCOD必须乘以必须乘以1.41.4才那能平衡。由此可以概括如下：才那能平衡。由此可以概括如下：第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 去除的去除的CODCOD 消耗的最终电子受体的消耗的最
169、终电子受体的O O2 2当量当量 NN( (生成细胞生成细胞COD) COD) （5.905.90） 式中，以式中，以NHNH4 4为氮源时，为氮源时， NN1.01.0；以；以NONO3 3- -为氮源时，为氮源时， NN1.41.4。该方。该方程具有普遍适应性，而且在确定最终电子受体的需要量时，比摩尔或质量程具有普遍适应性，而且在确定最终电子受体的需要量时，比摩尔或质量计量方程容易得多。因此，该方程得到广泛应用，本书也将经常采用这个计量方程容易得多。因此，该方程得到广泛应用，本书也将经常采用这个方程。除非有特殊说明，本书都假定以氨为氮源，所以方程。除非有特殊说明，本书都假定以氨为氮源，所以
170、 NN一般设为一般设为1.01.0。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 2 营养物需要量的确定：营养物需要量的确定：异养型细胞生长的氮需要量也可以用合并后的计量方程来计算。因为方异养型细胞生长的氮需要量也可以用合并后的计量方程来计算。因为方程中氮的唯一用途是合成细胞物质，所以这种方程也可以用来对一些营养程中氮的唯一用途是合成细胞物质，所以这种方程也可以用来对一些营养物的需求量进行预测。如果以生成单位细胞物的需求量进行预测。如果以生成单位细胞CODCOD来表示来表示NHNH4 4+ +的需要量，则的需要量，则其数值为其数值为0.112mg NH0.112mg NH
171、4 4+ +/mg/mg细胞细胞CODCOD；或者，表示为对氮的需要量时，其数；或者，表示为对氮的需要量时，其数值为值为0.087 mg N/mg0.087 mg N/mg细胞细胞CODCOD。实际上，如果以。实际上，如果以C C5 5H H7 7O O2 2N N代表细胞的组成，代表细胞的组成，则可以认为此特性与氮来源无关。这表明，一旦实际生长比率确定，氮需则可以认为此特性与氮来源无关。这表明，一旦实际生长比率确定，氮需要量也就能容易地估计出来，从而在含氮量不足时向废水提供适当的氮量。要量也就能容易地估计出来，从而在含氮量不足时向废水提供适当的氮量。相应地，每分解相应地，每分解1mg1mg细
172、胞细胞CODCOD，就会有，就会有0.087mgN0.087mgN释放到介质中，这一情形释放到介质中，这一情形必须在旨在破坏细胞的好氧消化处理中得到考虑。就像确定电子受体需要必须在旨在破坏细胞的好氧消化处理中得到考虑。就像确定电子受体需要量一样，传统化学计量方程的主要目的就是为方程应用提供此类简化关系。量一样，传统化学计量方程的主要目的就是为方程应用提供此类简化关系。因此，换算因子可以通用于各种情形以建立新的平衡计量方程。因此，换算因子可以通用于各种情形以建立新的平衡计量方程。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 前面提到，微生物正常生长对磷需要量可估计为氮需要量
173、的前面提到，微生物正常生长对磷需要量可估计为氮需要量的1/51/5（以质量（以质量计）。因此，每生成（或分解）计）。因此，每生成（或分解）1mg1mg异养型或自养型细胞异养型或自养型细胞CODCOD需要（或释需要（或释放）磷约放）磷约0.017mg0.017mg。如果系统中存在。如果系统中存在PAOPAOS S，细胞分解释放的磷会有所不同，细胞分解释放的磷会有所不同，取决于所储存聚磷酸盐的数量。取决于所储存聚磷酸盐的数量。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学 如果要实现有效地废水处理，就需要提供足量营养物。因为没有营养物，如果要实现有效地废水处理，就需要提供足量营
174、养物。因为没有营养物，微生物就不能进行合成反应。虽然氮和磷的需要量最大，但微生物还需要微生物就不能进行合成反应。虽然氮和磷的需要量最大，但微生物还需要其它营养元素。化学计量方程中通常没有包括这些元素，因为它们会产生其它营养元素。化学计量方程中通常没有包括这些元素，因为它们会产生复杂的效应。但是，不应该忽略需要这些营养元素，也不应该想当然地认复杂的效应。但是，不应该忽略需要这些营养元素，也不应该想当然地认为系统中就存在这些元素，因为如果这些营养元素的有效数量不足，则可为系统中就存在这些元素，因为如果这些营养元素的有效数量不足，则可能产生严重后果。能产生严重后果。第五章第五章 生物处理化学计量学和动力学生物处理化学计量学和动力学
