《废水生物处理》(第五章-生物处理化学计量学和动力学)ppt课件.ppt
《《废水生物处理》(第五章-生物处理化学计量学和动力学)ppt课件.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《《废水生物处理》(第五章-生物处理化学计量学和动力学)ppt课件.ppt(125页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
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 在整堂课的教学中,
2、刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确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
3、。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,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)是有效电子的一种)是有效电子的一种衡量衡量。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
4、衡式,这平衡式,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在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确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
5、k+2k+2A A k+2 k+2+a+ammA Amm (5.15.1)式中,式中,A A1 1AAk k为反应物,为反应物,a a1 1aak k为相应摩尔计量系数;为相应摩尔计量系数;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整
6、堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确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
7、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 分别为组分分别为组分A Ai i 的摩尔计量系数和分子量;的摩尔计量系数和分子量;a a1 1 和和MWMW1 1 分分别为基准物的摩尔计量系数和分子量。别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在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确因
8、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
9、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整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确采用类似的方法,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)(
10、)(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COCO2 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CODC
11、OD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在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确组分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亚硝酸根(作为氮源)N(+)至N(-)-1.03gCOD/g NO3-;-4.57
12、gCOD/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),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
13、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。在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确组分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CH3COO-C至+1.08gCOD/
14、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在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确组分a氧化态变化COD当量b丙酮酸CH3COCOO-C至+0.92gCOD/g丙酮酸甲醇CH
15、3OHC至+1.50gCOD/g甲醇NH4+NO3-N(-)至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
16、(+)0.20gCOD/g SO32-,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在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确注意: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
17、。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在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深
18、,所提出的问题也很明确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,其典型)作为碳源、以氨作为氮源生长,其典型摩尔计量方程摩尔计量方程为:为:CHCH2 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
19、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在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,
20、所提出的问题也很明确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 O
21、2 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+0.515 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 g
22、O2 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在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确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5-15-1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
23、.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
24、,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0.29gO0.29gO2 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在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确2 广义反应速率:广义反应速率:化学
25、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 Amm=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
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 废水生物处理 废水 生物 处理 第五 化学 计量学 动力学 ppt 课件
限制150内