化学计量学与质量恒算

化学计量学与质量恒算生物反应的化学计量学电子供体微生物电子受体还原态电子受体ATPe－fsfefs＋fe=1生物反应的化学计量学•形成生物量的电子当量•fs＝•所消耗电子供体的电子当量•所消耗电子受体的电子当量•fe＝•所消耗电子供体的电子当量•形成还原态电子受体的电子当量•fe=•所消耗电子供体的电子当量平衡半反应的步骤•1.对于还原半反应，等号左边为物质的氧化态，右边为还原态。只有一种元素变化价态。•例：CO2还原为氨基酸（CH2NH2COOH)•CO2+?=CH2NH2COOH•C变换价态•逆反应为CH2NH2COOH氧化为CO2平衡半反应的步骤•2.平衡C,H,O以外的其它元素，如氮•CO2+NH4+＋?=CH2NH2COOH•pH问题：平衡N可用NH4+或NH3，用NH3虽然简单，但是不能表示说明真正的酸碱状态，因为大多生物反应pH接近于7，这时氨氮形式主要以NH4+存在。平衡半反应的步骤•3.用CO2和HCO3-平衡C。用HCO3-上的负电荷平衡NH4+的正电荷。•CO2+HCO3-＋NH4+＋?=CH2NH2COOH平衡半反应的步骤•4.用H2O平衡O•CO2+HCO3-＋NH4+＋?=CH2NH2COOH＋3H2O•5.用质子平衡H•CO2+HCO3-＋NH4+＋6H+=CH2NH2COOH＋3H2O•6.必要时增加电子平衡电荷•CO2+HCO3-＋NH4+＋6H+＋6e-=CH2NH2COOH＋3H2O平衡半反应的步骤7.最后检查•合并半反应时取消电子，在总反应式中无电子。•酸碱平衡：按下列式子平衡酸碱，取消在溶液pH条件下不该出现的物质或元素状态。酸(如H+和CO2)和碱（如NH3和OH-）在等式的同一边不能同时出现，因为他们彼此中和•H++OH-=H2O•H++NH3=NH4+•NH3+CO2＋H2O＝NH4+＋HCO3-•CO2＋OH-＝HCO3-合成半反应电子供体微生物C5H7O2N电子受体还原态电子受体ATPe－fsfe2357221112420205CONHHeCHONHO32572251291112828282828CONOHeCHONHO生物反应化学计量学•总反应（R）：R=Rd＋feRa＋fsRc•电子供体半反应（Rd）：•e＝4a＋b－2c－3d•无机物：22312abcdacadCHONHOCONHHeeeee32313198888NHHONOHe23FeFee生物反应化学计量学•电子受体半反应（Ra）：•好氧：•反硝化：•硫酸盐还原：•发酵产甲烷：221142OHeHO322161355105NOHeNHO242215118482SOHeHSHO242111884COHeCHHO生物反应化学计量学•细胞合成半反应（Rc）：•N源为氨氮：•N源为硝酸盐：2357221112420205CONHHeCHONHO23572251291112828282828CONOHeCHONHO计量学举例：有机物好氧反应•有机物：辛烷；氮源：氨氮•电子供体半反应：•电子受体半反应：•合成半反应：•测定得fs＝0.39；fe=1-0.39=0.61•Rd：•feRa：•fsRc：•总反应：•81822184502525CHHOCOHe221142OHeHO2357221112420205CONHHeCHONHO81823572220.020.150.020.020.060.14CHONHCHONCOHO220.150.610.610.31OHeHO2357220.100.020.390.390.020.16CONHHeCHONHO818220.020.320.16CHHOCOHe降解1kg辛烷的质量恒算•（114）（32）（17）（113）•需氧量＝（0.15×32）／（0.02×114）＝2.1kg•NH3需要量＝（0.02×17）／（0.02×114）＝0.15kg•合成生物量＝（0.02×113）／（0.02×114）＝1.0kg•核算：•反应物：生成物：•C8H181.0kgCO21.2kg•NH30.2kgCells1.0kg•O22.1kgH2O1.1kg•3.3kg3.3kg81823572220.020.150.020.020.060.14CHONHCHONCOHO废水的电子当量和氧当量•废水是复合污染物，需要一种方式来描述电子供体和电子受体•解决方法：利用电子当量和氧当量•电子当量（meq)＝质量（mg）／电子当量转换因子（mg/meq）•电子当量转换因子：转移单位摩尔电子所需的电子供体质量例：100mg/L乙酸的电子当量浓度是多少？•CH3COOH＋2H2O＝2CO2＋8H+＋8e-•（MW=60）•60g乙酸提供8moles电子•电子当量转换因子＝60g／8eq＝7.5g/eq（＝7.5mg/meq）•100mg/L乙酸的电子当量浓度＝100×1/7.5＝13.3meq/L（13.3mmolesofelectronsperliter)电子受体也可以用电子当量表示•指可接受1摩尔电子的电子受体质量•氧的电子当量转换因子＝32/4＝8gO2/eq•O2+4H++4e-=2H2O•8gO2可接受1molee-•10mg/LO2接受1.25mmoleofe-/L需氧量•O2+4H++4e-=2H2O•8gOD（CODorNOD）给出1molee-•10mg/LCOD给出1.25mmoleofe-/L•氧当量（mgCOD/THOD/NOD)＝质量（mg）×氧当量转换因子（mgO2当量/mg）•氧当量转换因子：理论上氧化单位质量电子供体的需氧量。对于有机电子供体，为COD/WT例：100mg/L乙酸的氧当量浓度是多少？•CH3COOH＋2O2＝2CO2＋2H2O•（MW=60）（MW=2×32）•氧当量转换因子＝COD’／WT＝2×32gCOD’/60g＝1.07•100mg/L乙酸的氧当量浓度＝100×1.07＝107mg/L•如果已知废水的C、H、O、N浓度，可用此法计算废水的氧当量细胞的氧当量•细胞的COD•C5H7O2N＋5O2＝5CO2＋NH3＋2H2O•COD/WT=5×32/113=1.42•细胞的NOD•C5H7O2N＋5O2＝5CO2＋NH3＋2H2O•NH3+2O2=HNO3+H2O•NOD/WT=2×32/113=0.57•细胞的ThOD•C5H7O2N＋7O2＝5CO2＋HNO3＋3H2O•ThOD/WT=7×32/113=1.98电子受体也可以用氧当量表示•硝酸盐还原半反应•NO3-＋6H+＋5e-＝0.5N2＋3H2O•62gNO3-接受5mole电子，或12.4gNO3-/molee-•氧半反应•O2+4H++4e-=2H2O•32gO2接受4mole电子，或8gO2/molee-•因此12.4gNO3-和8gO2具有同样的氧化能力•NO3-的氧当量转换因子＝8/12.4=0.645gO2/gNO3-•因此1gNO3-的氧化能力相当于0.645gO2•1gNO3--N的氧化能力相当于(0.645*62/14)=2.86gO2电子和氧当量的转换•电子当量的转换：质量除以电子当量转换因子•氧当量的转换：质量乘以氧当量转换因子电子供体微生物C5H7O2N电子受体还原态电子受体ATPe－fsfe例：1kg辛烷（间歇）降解的当量恒算•电子当量的转换：辛烷质量＝1kg生物量＝1kg氧质量＝2.1kg水质量＝1.1kge－fsfe818221685050CHHOCOHe•电子当量转换系数：•辛烷：1/50×114＝2.28•生物量：5.65•氧：8•消耗电子：•辛烷＝1/2.28＝0.44kmolese-•合成＋能量：•生物量＝1/5.65=0.18kmolese-•O2＝2.1/8＝0.26kmolese-例：1kg辛烷（间歇）降解的当量恒算•电子当量的转换：辛烷质量＝1kg生物量＝1kg氧质量＝2.1kg水质量＝1.1kge－fsfe81822225/289CHOCOHO•氧当量转换系数：•辛烷：（25/2×32）/114＝3.5•生物量：1.42•氧：1•消耗氧：•辛烷COD＝1×3.5＝3.5kgCOD•合成＋能量：•生物量COD＝1×1.42=1.42kgCOD•O2＝2.1kgO2电子和氧当量之间的转换消耗电子：辛烷＝1/2.28＝0.44kmolese-合成＋能量：生物量＝1/5.65=0.18kmolese-O2＝2.1/8＝0.26kmolese-消耗氧：辛烷COD＝1×3.5＝3.5kgCOD合成＋能量：生物量COD＝1×1.42=1.42kgCODO2＝2.1kgO2÷8×8O2+4H++4e-=2H2O例：辛烷的连续生物降解•In：189kg/dO2In：100kg/dC8H18Out：10kg/dC8H18Out：Biomass•图示反应器可去除90%辛烷，负荷：100kg/d辛烷，189kg/dO2•生物量产生速率是多少？氧当量转换因子81822225/289CHOCOHO•C8H18：25/2×32/114＝3.5kgCOD/kgC5H7O2N＋5O2＝5CO2＋NH3＋2H2O•生物量：5×32/114＝1.42kgCOD/kg用氧当量的解决方法In：189kg/dO2In：100kgC8H18×3.5＝350kg/dCODOut：10kgC8H18×3.5＝35kg/dCODOut：Biomass？•消耗的COD＝350-35＝315kg/d•能量的氧当量＝189kg/dO2•合成的氧当量＝315-189＝126kg/dBiomassasCOD•产生的生物量＝126/1.42＝89kg/d•fe=189/315=0.60•fs=126/315=0.40氧当量转换因子：辛烷：3.5生物量：1.42产量（Y）•Y=产生的生物量/消耗的基质•Y可以测定，直接和fs相关•Y可以变为fs（通过电子或氧当量）•例：Y＝0.49gvss/gCOD,ammoniaNsource,fs=?•用氧当量的解法：•fs=0.49gvss/gCOD×1.42gCOD/gvss=0.70•用电子当量的解法：•fs=0.49gvss/gCOD×8gCOD/eq÷5.65gvss/eq=0.70计量学示例－好氧降解•已知：肉类包装废水经验分子式C3H7O2N（FW=89）•求：好氧处理每克废水的需氧量•解：C3H7O2N+3O2=3CO2+NH3+2H2O•COD/WT=3(32)/89=1.08•该废水好氧生物处理的需氧量是1.08gO2/g吗？•如果Y=0.32gvss/gCOD（好氧生长）•fs＝0.32×1.42＝0.45；fe＝1-0.45＝0.55•因此需氧量＝0.55×1.08＝0.59gO2/g计量学示例－厌氧降解•确定上述每克废水厌氧降解所需营养量和甲烷产量•假定厌氧产量为0.07gvss/gCOD，则fs＝0.1•首先写出半反应：•Rd：•Ra：•Rc：3722231111123412CHONHOCONHHe2357221112420205CONHHeCHONHO242111884COHeCHHO计量学示例－厌氧降解•Ra乘以fe，Rc乘以fs，并合并上述各式：••＋0.9〔〕•＋0.1〔〕3722231111123412CHONHOCONHHe2357221112420205CONHHeCHONHO242111884COHeCHHO37224235720.0830.0680.1130.1130.0780.005CHONHOCHCONHCHON计量学示例－厌氧降解•由于一部分CO2被NH3中和，