物质平衡和化学计量学

在处理食物和农业废水无论是制定治理利用策略，还是规划综合治理项目的初始阶段，对其效果有基本的了解质量流量或工艺设计中的加载因素是必不可少的。

化学计量学是解释化学反应的物质。如果有足够的信息，人们可以使用化学计量学来计算质量、摩尔和百分数，这是一个化学过程的表达式。考虑一个简单的反应，其中反应物a转化为产物B(公式1.4):

aA b bB

其中a和b被称为化学计量系数，因此是正比例常数。公式1.4告诉我们，每消耗a摩尔反应物a就会产生b摩尔的生成物b。如果最初A的摩尔浓度是NA0, B的起始浓度是NB0，那么在任何给定的时间，反应物A和生成物B将是NA和NB。它们之间的关系如下式(式1.5):

其中(Nag - NA)表示A在当时的摩尔消耗量，(NB - Nbg)表示B在当时的摩尔增益。当已知方程1.5中的其他项时，可以用方程1.5计算NA或NB。对于更一般的化学反应，其形式如下(式1.6):

则有(式1.7):

(Nag - Na) / = (Nbg - Nb) / b = (Nc - Ncg) / c = (Nd - Ndo) / d

所有项的单位都是摩尔。

化学计量方程规定了质量守恒的重要原理:质量既不能被创造也不能被毁灭;它只能从一种形式或状态转换到另一种形式或状态。然而，化学计量学表达式只能提供在给定时间内基本化学反应的快照;它没有揭示化学反应发生的速度。对于这个属性，我们引入了一个新的术语，化学反应速率。考虑我们在公式1.4中使用的化学反应:

aA b bB

在这种情况下，我们将反应器中每单位体积A的消耗率(摩尔单位)表示为rA，将反应器中每单位体积B的生成率表示为rB。由直观和化学计量方程(方程1.8)可知:

应该强调的是，到目前为止讨论的所有单位都是以摩尔为基础的。在许多污水生物处理工艺设计和计算，单位很可能是基于质量的。基于质量的单位与基于摩尔的单位的关系如式1.9所示:

[摩尔单位]=[质量单位]/[分子量]

然而，很难建立污水处理过程中涉及的所有微生物的精确分子结构;因此，必须使用基于质量的单位。在这种情况下，化学计量方程不能使用;反应速率之间的关系需要从实验中得到。

化学计量学是一种特殊形式的物料平衡用于反应，用摩尔单位表示。在现实世界中，这些反应发生在反应堆或其他形式的容器中。它们的设计和布局将影响反应中消耗的材料数量和产生的新物质。由于这种认识，我们将使用质量平衡方程来描述处理系统中材料的宏观动力学。我们通常开始在处理系统上建立质量平衡方程，控制体积是真实系统的代表部分，可以在整个系统域中集成。控制体积内材料的变化应满足质量守恒定律(式1.10):

[输入物种]-[输出物种]+[生成物种]=[物种累积]

以质量为单位，式1.10可以用数学表示为(式1.11):

min - mout + rA Vc = d(CVc)/dt

式中min为进入控制体积的物种质量流量，mout为退出控制体积的物种质量流量，Vc为控制体积，C为物种质量浓度。利用适当的系统边界条件、流体流动特性和物种的初始条件，可以对式1.11进行积分，得到方程中变量的数量。

式1.11描述了一个非稳态体系，其中物种的数量随反应时间的变化而变化。对于稳态系统，式1.11简化为(式1.12):

min - mout + rA Vc = 0

继续阅读:动力学和反应速率

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