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改编自MeCarty。
污水处理是一个3.1.1.1 2.4.1节中介绍和使用例子,QH70; N。”其他公式组成已经使用相同的元素,但他们都导致对同一单位生物量的鳕鱼。5提出了另一个公式,包括磷,厘米,Hs70: iNi: R7n虽然意识需要磷的生物量是至关重要的,没有必要包括磷的经验公式,因为质量通常是大约五分之一的氮的质量要求。这使得磷需求即使简单的经验公式计算。
所有经验公式生物质材料寻求代表了一种简单的方式组成的高度复杂和综合的有机分子的混合物。毛皮thermore。因为这些分子的相对数量变化的生长条件文化变革/纯粹是偶然的,如果一个生物化学公式适用于所有情况。估计整个恒常性的元素成分可以通过测量获得的鳕鱼和燃烧热生物质在不同条件下生长,因为恒常性的参数可能意味着C元素的比例,H, O, N是相对恒定的。的调查表明元素成分的确是一个函数的增长条件。”Thus, while an empirical formula can he written for biomass, its applicability to all situations is doubtful and one should view with caution equations said to depict "the biochemical reaction"" exactly. Nevertheless. the concepts stated in Eq. 3.13 are still valid and many important relationships can be demonstrated through their use. Consequently, for illustrative purposes, the formula C\H-0,N will be used to represent biomass throughout this book. As discussed in Section 2.4.1. it has a COD of 1.42 mg COD/mg VSS. or 1.20 mg COD nig SS.
在实验室或研究情况,电子供体的确切成分通常是已知的。例如,如果葡萄糖能量来源,其实验式C„H、O,将用于化学计算方程式。此外,如果一个合成培养基包含几个有机电子给体,每个可能的半反应分开写,然后他们可以结合起来得到R。,乘以每个半反应混合物的分级的贡献(电子等效的基础上)的捐赠者中并添加在一起。
一个实际废水提供了一个更加困难的局面,因为捐赠者的化学成分很少。一个方法是分析浪费的碳,氢,氧和氮的内容,并构造一个经验公式的结果。一种半反应可以为特定的公式写的。例如,如表3.2所示。有机物废水在国内的经验公式已经估计C是什么。N H, ();。另外,如果鳕鱼、有机碳、有机氮、和挥发性固体内容的废水是已知的,他们可以用来生成半反应。最后,如果一个废水包含主要碳水化合物、蛋白质和脂质,知识的相对浓度可用于编写微生物增长方程,因为每个可以表示为一个通用的经验公式:CHX), c, H:„iO, N。,。分别和CsH |„0。与其他混合物一样,每个乘以的半反应废水中的组件的一部分,添加三个R,。
电子受体的性质取决于环境的生物量的增长。如果有氧环境,受体将氧气。如果它是厌氧的,受体将取决于特定的反应。例如,如果发生乳酸发酵,丙酮酸受体,而二氧化碳是甲烷生成的受体。最后,硝酸盐可以作为电子受体缺氧条件下。写给所有这些半反应,如表3.2所示。
确定f。一旦电子供体和电子受体已确定,f, f,平衡之前必须确定化学计量方程可以写。一般来说,f„更容易估计,因为它可以与真正的增长产生表示在鳕鱼的基础上。如果英国《金融时报》是电子供体的一部分转移到电子受体提供的能量syn重要新生物量、能量守恒和Eq。3.15告诉我们,剩下的电子最初在捐赠者必须形成的新生物。如果我们接受QH702N生物量的代表,我们可以看到,碳和氮的降低将容纳这些电子的元素。氮在生物质是第三状态,即。,如氨基氮。如果氮可用于生物质合成也在第三状态,如氨、没有电子将被要求减少它,通过捕获的电子合成都将与碳有关。因此,生物质能源的碳的等于能源整合在合成或fs表示为电子供体的一小部分。因此,如果我们可以测量中可用的能源或电子生物质生产,我们会有一个fs。
2.4.1节收益率被定义为生物的数量单位使用的基质形成的。然而,它也指出,当捐赠者是一种有机化合物,通常是方便表达收益率作为基质的质量形成的生物质鳕鱼/质量鳕鱼摧毁。鳕鱼测试是衡量电子可以从碳。因为鳕鱼是需氧量,和氧气的当量8,有八个克的鳕鱼电子等效,通过检查可以看出半反应3在表3.2。这允许互变现象的鳕鱼和电子等价物。因此,收益率也可用电子的数量在新单位生物量碳的电子从基质中删除,或捕获的电子供体的分数通过合成、fs。因此,当氨氮作为氮源对异养生物合成:
f = Y (NHj作为氮源,有机电子供体)(3.16)
在Y„表示基于鳕鱼和下标H表明异养生物的真正增长收益增长。情商的效用。3.16来自这样一个事实:真正的增长收益,可以确定YIb鳕鱼单位从收集的数据完整,飞行员,或以实验室规模生物反应器,从而让f„下的系统研究。这样的技术将在第8章讨论。
只要氨或氨基氮微生物,他们将使用生物质合成优先。如果不可用,微生物将使用nitrate-N。(如果没有可用氮,细胞合成无法发生,因为一个重要反应物不见了。)当硝酸盐为氮源,必须减少氮+ V州第三状态,才能吸收。这需要一些可用的电子在衬底和合成所需的能量的一部分,即。的一部分,f„。然而,所需的电子减少氮不以COD测试,因为测试不氧化氮,但叶子在第三国家。在这种情况下,真正的增长收益率表示fs的鳕鱼基础不是一个准确的估计。相反,Y,,将小于f„。然而这工件可以纠正,因为我们知道所需要的电子数减少nitrate-N到适当的氧化态。假设生物质能的实验式QHO ^ N,它可以显示:
f = 1.40 Y,(不,作为氮源,有机电子供体)(3.17)
热力学表明真正的增长收益获得增长以硝酸盐为氮源时将小于真实的增长收益获得氨可用。例如,对于碳水化合物的电子和碳捐赠者,Y的值„小约20%以硝酸盐为氮源。
通常情况下有一个需要建立生物量增长和底物利用的化学计量在实验之前确定的值Y„是可用的。因此,它会有一个是有好处的理论基础估计f„或Y。这使得许多工人寻求热力学方法预测收益率值/ 1 ^然而,正如2.4.1节所讨论的,这是一个困难的任务,因为大量的因素的影响收益。迄今为止最成功的方法是Heijnen et al ., M ^基于吉布斯能量耗散每C-mole生物质生产的程度减少碳的捐赠者,氮源的性质,可用的吉布斯能量/电子供体和受体之间的电子。他们的技术可以预测真正的增长为自养和异养生物产量值增长为各种不同的情况。误差大约是13%的表值时的最佳估计吉布斯能量耗散每C-mole生物质生产,但是增加到19%时,耗散估计相关方程,涉及到碳链长度和碳源的减少的程度。因为每个人都应该充分理解Heijnen技术等。“在使用它,因为表示需要建立的理解是超出了本书的范围,读者被称为原始工作如果他们想使用这种方法。
3.2.2有氧的增长异养生物的氨氮源
说明使用半反应的最好办法是通过一个例子。我们将开发摩尔的异养生物化学计量方程有氧增长的起点3.1.1.1示例。
3.2.2.1例子
写化学方程式卤好氧异养微生物增长对碳水化合物利用氨氮源,这样真正的增长条件下产量(YH)是0.71毫克每毫克的生物质鳕鱼形成碳水化合物鳕鱼移除。
R = R。,我;•R,——我;■R t;= Y„= 0.71 f = 1.00 - 0.71 = 0.29
受体的捐赠者是碳水化合物和氧气。因此,从表
R = 1/4 CH . .O + 1/4 H O = 1/4有限公司e + H + R = 12 H O = 1/4 O + H f - e
由于氨氮源,R,是:
R = 1/20 C, H, 0; N + H: 9/20 0 = 1/5, 1/20 HCO +,
应用情商。3.14给:
-0.29 R„= 0.0725 O, H + 0.29 + 0.29 e = 0.145 H, 0
-0.71 R = 0.142, + 0.0355 HCO + 0.0355 NH;0.71 + 0.71 H + e
= 0.0355 C, H, 0: N + 0.3195 H: 0
R = 0.25 CH, 0 + 0.0725 O, NH + 0.0355;HCO + 0.0355,
0.108 = 0.0355 CsH; 0 N + CO + 0.2145 H, 0
这可以归一化到一个摩尔碳水化合物通过除以0.25,让情商。3.6,3.1.1.1起点的例子:
CH, 0 + 0.29 O;全民健康保险实施+ 0.142 + 0.142 HCO - 0.142 CH ?0 0.432 N +公司+ 0.858 H; 0 (3.6)
方程3.6转换为COD-based 3.1.1.1化学计量方程的例子。如果我们重新安排这个方程在相同的形式为情商。3.15中,结果是:
+ 0.71 C5H70 0.29 O, N鳕鱼= CH, 0鳕鱼(3.18)
我们回到这个方程三个重要点。首先,注意,Y的值,在情商。3.18是0.71毫克生物质鳕鱼形成/ mg衬底鳕鱼。这是一样的Y„值用于开发情商。3.6,正如我们所期望的。第二,注意情商。3.18表示相同的信息,Eq。3.15。换句话说,因为所有的电子从基质中删除必须最终电子受体或生物量形成,我们指出衬底鳕鱼必须等于生物质中删除鳕鱼+形成氧使用。最后,因为情商。3.18表示相同的信息为情商。3.15中,我们可以看到COD-based氧气化学计量系数是一样的英国《金融时报》. .平衡方程式描述。3.15和3.18是一个非常重要的一个,我们将在本书中广泛使用。
3.2.3有氧异养生物的增长以硝酸盐为氮源
正如前面讨论的,必须考虑氮的形式编写的化学计量方程时可用于细胞合成细胞生长。氨将优先使用,因此半反应1在表3.2时应该使用氨可用,即使硝酸作为终端电子受体。只有当存在硝酸盐作为唯一氮源半反应2应使用。在这种情况下,当表达化学计量方程在鳕鱼的基础上,必须认识到,改变氧化态氮+ V三世。作为一个例子,考虑有氧的情况下生长的异养生物碳水化合物以硝酸盐为氮源。在这种情况下,真正的增长收益是0.57毫克生物质碳水化合物鳕鱼,鳕鱼/毫克反射的能量必须减少使用氮气。应用情商。3.17表明,f„是0.80。给摩尔化学计量方程如下:
CH.O + 0.200 O;+ 0.114,4 - 0.114 H - 0.114 CTI-ON»
转换后的群众基础应用3.2 Eq。这就变成了:
CH.O + 0.213 O . .+ 0.236,+ 0.004 H - 0.429 CTI-ON
这个方程转换成大量的鳕鱼基础需要情商的应用。3.5使用单位鳕科鱼在表3.1。注意,不,有一个单位鳕鱼- 1.03毫克COD /毫克不,。这相当于说,每毫克的硝酸,减少氨基氮生物接受尽可能多的电子oxvgen 1.03毫克。情商的应用。3.4 - 3.20 Eq。给:
CH O鳕鱼+ (-0.200)0;+(-0.230)0,相当于没有,
方程3.21清楚地表明,鳕鱼(电子)平衡不会是正确的,如果没有考虑氧化态氮的变化。未能认识到这可能导致当鳕鱼平衡问题上执行操作生物反应器。
常方便表达硝酸盐作为氮源的鳕鱼等价的基础上氮用于生物质合成,而不是硝酸的基础上。在这种情况下,转换因子是-4.57毫克COD / mg N (N)或4.57毫克O /毫克,如表3.1所示。
3.2.4增长与硝酸异养生物的
末端电子受体和氨氮源
如果硝酸作为终端电子受体在缺氧的条件下,所需的数量可以从化学计量方程计算得到用于4号半反应时没有的地方。3 R, Eq。3.14。完全相同的程序会基于大众获取摩尔和化学计量方程式。考虑的情况下氨作为细胞合成的氮源。因为它将使插图的一个很重要的问题,我们将假设真正的增长产生碳水化合物是0.71毫克生物质鳕鱼/ mg衬底鳕鱼,Y是一样的,3.6,用于开发情商价值。在有氧条件下生长。应用适当的技术给:
CH.O + 0.232, + 0.142 NH + 0.142 HCO + 0.232 H -
将它转换为情商的碳水化合物为基础的大规模应用。3.2给:
NH CH.O + 0.479没有-,+ 0.085,0.008 + 0.289 HCO + H -
0.535 QHO: N + 0.634有限公司+ 0.108 N: + 0.584 H, 0 (3.23)
因为真正的增长收益被认为是一样的例子3.1.1.1,大量的生物质形成方程式。3.22和3.23是一样的那些方程式,3.6和3.7,分别。
情商的转换。3.23鳕鱼的基础上需要包含氧气等效转换因子的硝态氮被减少到氮气时,N,硝酸,这种情况当作为终端电子受体。检查表3.1显示,单位为减少没有鳕鱼;N_,不,是-0.646毫克COD /毫克。符号是负的,因为硝酸接受电子。这个值的来源可能从半反应在表3.2显示,1/5摩尔硝酸相当于1/4摩尔氧气。转换质量的基础上显示,每克减少到N的硝酸盐,可以接受尽可能多的电子0.646克的氧气。应用情商。3.4与适当的转换因素Eq。3.23给:
CH: 0鳕鱼+(-0.29)0,相当于没有,-
比较Eq。3.24 - 3.8 Eq。显示,他们都是相同的。这是因为他们都表示在鳕鱼的基础上,他们都使用氨作为生物质合成的氮源,,他们都是派生的产量。一般来说,然而,收益率会降低硝酸作为终端电子受体。””
常方便表达硝酸盐作为电子受体的氧气等效硝酸氮的基础上而不是。在这种情况下,转换因子是-2.86毫克COD / mg N (N)或2.86毫克0:/毫克,如表3.1所示。
应该注意从前面的鳕鱼转换因子硝酸盐作为氮源不同于鳕鱼转换因子硝酸盐作为一个终端电子受体,因为最终的氧化态氮是不同的两种情况。这是特别重要的,当硝酸盐作为氮源和终端电子受体。最安全的处理这种情况的方法是保持两个使用硝酸单独写化学计量方程,并应用适当的转换因子对于每个将方程转化为一个鳕鱼。
3.2.5有氧自养生物的增长以氨为电子供体
硝化细菌是自养微生物,从减少氧化氮获得能量。正如前面所讨论的,亚硝化单胞菌氧化am-monia-N nitrite-N和硝化菌属氧化nitrite-N nitratc-N。摩尔化学计量方程式的增长可以通过前面所讨论的半反应技术,需要知识的f„。自养生物生长、产量通常表示为生物量鳕鱼的质量/质量形成的无机元素氧化;例如,毫克每毫克的氨-生物质鳕鱼
N为亚硝化单胞菌去除。将这个屈服值转换成一个电子等效基础确定f,有必要知道亚硝化单胞菌氧化氨氮(III) nitrite-N(+ 3),六个电子改变。因此,氮在这种情况下的当量是14/6 = 2.33克/等价,这意味着:
f„= 0.291青年志愿,„„„„„„„„(NH4作为氮源和电子供体)(3.25)
硝化菌属,nitrite-N(+ 3)作为电子供体,氧化nitrate-N (+ V),两个电子的变化。然而,氨氮作为氮源。结果:
f = 0.875 Y \„„,„„„。(NH4作为氮源,没有;作为电子供体)
这种生物,伊夫圣罗兰„„,„„,,,的单位是毫克生物质鳕鱼形成/ mg nitriteN移除。经常在一起硝化细菌被认为是作为一个群体和硝化作用被当作一个单一的反应将氨氮转化为nitrate-N。在这种情况下,氮经历一个八电子改变所以:
f。= 0.219丫(NH,氮源和捐赠者)(3.27)
丫代表真正的增长收益为自养硝化生物量和生物量的单位是毫克鳕鱼形成/ mg氨氮移除。
应用半反应技术使用典型的屈服值和Eq。3.2提供了基于化学计量方程式硝化。亚硝化单胞菌,NH4基础时,方程是:
NH + 2.457, + 6.716 HCO - 0.114 C, H O: N
当没有:是基础,硝化菌属的方程是:
没有- NH + 0.001。;HCO + 0.014 H:有限公司+ 0.003,
+ 0.339 O - H > 0.006 C, H-OjN 4 - 0.003 H。O + 1.348不,(3.29)
此外,结合两种反应显示,整个化学计量学是:
NH + 3.300 0: HCO + 6.708, 0.129曹:N
+ 3.373,+ 1.041 H; 0 + 6.463 H:有限公司(3.30)
从这些可以看出,大量的碱性(HCO)在氧化氨氮,硝态氮:6.708毫克HCO / mg NHj移除,相当于8.62 mg HCO / mg NH4-N移除。绝大多数的碱度利用率与中和氢离子在发布氨氧化- n。只有一小部分碱度是纳入细胞材料。如果废水包含碱度不足和pH值控制不是练习,pH值低于正常生理范围,减速的活动自养生物和异养生物,影响系统性能。方程也告诉我们,需要大量的氧硝化作用:3.30毫克OVmg NH ^移除,相当于4.33毫克0:/毫克NH4-N氧化nitrate-N。其中3.22毫克0;将使用亚硝化单胞菌和1.11将使用硝化菌属。的氧气要求硝化细菌可以产生重大影响的总量所需的氧生物化学ical操作。最后,它可以看到,相对较少的生物量将形成,反映与自养生长相关的低收益率。每毫克的NH 4删除,只有0.129毫克的生物量将形成,相当于0.166毫克生物量/ mg NH4-N移除。大多数,0.146毫克生物量/毫克NHj-N移除,将由于亚硝化单胞菌的生长,只有0.020毫克生物量/毫克NHj-N移除将会由于硝化菌属。总的来说,硝化细菌的生长几乎没有影响生物量的数量在一个生化操作,但将有一个大影响氧气和碱度的要求。
3.2.6生物量增长动力学
方程3.8 COD-based化学计量方程有氧异养生物的增长与氨氮源。认识到生物的化学计量系数是一样的真正的增长收益,决断力,这两种基质(Ss)和活跃的异养生物(X, iM)单位是鳕鱼的,它可能是重写的真实增长收益:
年代(l是氧气,这是表达的鳕鱼单位,因此带有负号如表格3.1所示”。Putting this in the form of Eq. 3.9, while retaining COD units, gives:
(- l) Ss + (1) - (1 - Y)] S (+ Y„XU1I = 0
这个方程是基于基质组成的引用。或者,它可能是重写与活跃的异养生物参考组成部分,那就是约定使用规定:
继续阅读:加氨和氨利用率
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