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对于什么是BOD5,什么是COD,它们如何测定,两者之间的区别与联系,这里就不再详细展开了,比较麻烦。以下内容重点围绕100:5:1的来源展开。
1. 两个分子式
C5H7NO2(C5H7NO2P1/12),活性污泥微生物的分子表达式,这个化学式可追溯于Hoover等人1952年的文章《Assimilationof Dairy Wastes by Activated Sludge》,作者通过试验微生物对营养物的吸收量,以及对微生物组分化学定量分析得到的经验分子式,然后基本上就一直延续使用至今,如用在各种代谢模型中。
C6H12O6,葡萄糖的分子表达式,作为一种研究比较多的碳源有机物,经常出现在各种化学反应表达式中,这里就以它为碳源物质来推导上述比例关系。为何是C6H12O6,因为它确实具有代表性,有机物在微生物体内的氧化分解需要涉及到一些列生化途径,比如EMP途径、ED途径,同时蛋白质、脂肪也可能通过糖异生途径最终转化为糖类物质,无论外部的,还是内部的,很多地方都可看到糖的影子,如果研究碳源对微生物的影响(纯理论层面),它就是不二选择。
2. 两个半反应
任何氧化还原反应,都是由两方参与的,电子供体方(氧化反应)和电子受体方(还原反应),参与的两方必须保证电荷守恒。好氧环境下,C6H12O6作为外碳源,是提供电子供体的一方,它提供的电子有两个去处,去用于产能(能量代谢),去用于微生物的增殖(物质代谢),下式为C6H12O6同时参与能量代谢及物质代谢的综合表达式。
式中:前者:0价的O变成了-2价的O;后者:+4价的C变成了0价的C。
3)如果单纯考虑能量代谢反应式,那么只需将供体半反应与受体半反应(能量代谢)叠加即可;如果单纯考虑物质代谢反应式,那么只需将供体半反应与受体半反应(物质代谢)叠加即可;如果考虑总代谢反应式,那么就麻烦了,供体释放的1个电子(e-1)怎么分给两个受体反应呢,三七分,四六分,五五分,还是,这里存在无数个可能?这就需要试验来确定了,对于上述总代谢反应式而言,分给物质代谢的电子fs占比5/9(55.6%),分给能量代谢的电子f0占比4/9(44.4%),也即可以理解为55.6%的C6H12O6参与了物质代谢,44.4%的参与了能量代谢。
3. 100:5:1怎么来的
说法一:C5H7NO2(C5H7NO2P1/12)分子式得出,在污泥微生物通用分子式中,C:N:P的质量比例为60:14:2.583,有人觉得,对于外碳源而言,C的含量只有20%参与到微生物物质代谢中,那么对于实际的比值就应该是:300:14:2.583,即116.1:5.4:1,暂且认为是100:5:1吧。这里是实实在在的C元素含量,如果你仔细发现,通过上面的介绍,数据20%是错误的,从对外公布的综合化学反应方程式来看,参与合成的C比例(或C6H12O6比例)是55.9%,因此该说法没有依据。
说法二:细菌C:N=4-5:1,真菌C:N=10:1,活性污泥微生物介于两者之间,比如取值C:N=8:1,考虑到C的含量只有40%参与到微生物物质代谢中,那么对于实际的比值应该就是C:N=20:1,由于N:P=5:1,那么综合下来就是C:N:P=100:5:1,从这里看出,此处仍是C元素含量,且这个40%和上面的20%同样取值有问题,所以这种说法也没有依据。
说法三:C6H12O6推导来的:
1)首先
1gC6H12O6对应的化学耗氧量从下式中可以计算得出为1.067gO2,也即1.067gCOD/gC6H12O6,这个换算及表达关系是没有问题的,这本来就是化学反应所需的理论需氧量,也即化学需氧量COD。
C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O
2)其次
1gC6H12O6对应1.067gCOD,由于是易降解物质,如果非要说,COD=BOD全,那么也没问题,但是如果去测,可能测的方法问题,测出来的数据并非能表达出上述的理论关系,测出来一般是COD>BOD全>BOD5。
3)再次
从下述综合表达式来看,1gC5H7NO2需要消耗2.389gC6H12O6,而1gC5H7NO2中N、P含量分别为0.124g,0.023g,那么C6H12O6:N:P=103.8:5.4:1,如果这么算,貌似也类似接近100:5:1,但是这里不能将1g C6H12O6等价于1gCOD、1gBOD、1gBOD5、1gC。而1gC6H12O6可以等价于1.067gCOD,于是就有了COD:N:P=110.8:5.4:1,暂且认为100:5:1,差的不多。
3C6H12O6+8O2+2NH3→2C5H7NO2+8CO2+14H2O
你可能疑问:如果1gO2等价于1gCOD,那么上式为何不用1gC5H7NO2反推出1.133gO2呢,即1.133gCOD,那是因为这里的O2只是对应于部分碳源的消耗,如果要换算外碳源与氮磷的关系,那就必须是总碳源量,如果用COD来表征碳源量,那么必须用总的COD,也即所有外碳源全部能量代谢下的耗氧量来表征。
4)综上
前两种方法都没有理论依据,且概念及取值模糊不清或错误,第三种方法来源最为可靠。100:5:1,从某种程度来说,这里的100应该是COD更为准确,在最新书籍《BiologicalWastewater Treatment Principles Modelling and Design》中有这么一句话:For instance,purple phototrophicbacteria (C1H1.8O0.38N0.18) assimilate up to 100:7:2 gCOD, gN, gP,respectively(vs. 100:5:1 foractivated sludge),从这句话可以近似推出作者也是认可COD的这种说法的。一直想从原作者Mccarty(美国工程院院士)文献中弄清楚到底是COD还是BOD,可惜由于相关文献过于久远而没能实现。
因此,100:5:1中的100为COD,这里的COD更多的是一种可完全生物易降解的有机物。从易降解层面来说,BOD似乎比COD更具表达意义,只不过在理论层面上看,COD更易于定量化表达相关关系。从实用层面来看,你可以理解为100:5:1中的COD为可完全生物降解的COD,即BOD全,即COD=BOD全≈BOD5。
4. 100:5:1?4:1?17:1?
100:5:1主要针对的是异养微生物好氧条件下去除有机物来说的,从上面的分析也可以看出,这里暂且认为实际应用按BOD5:N:P=100:5:1来考虑,BOD5:N=100:5,BOD5:P=100:1。
如果有脱氮、除磷要求,那么就需要满足BOD5:TKN进水>4和BOD5:TP>17,这个区间数据包含在100:5:1中,那么对于4和17怎么来的,同样是试验得出的数据,对于碳源表征是BOD还是COD问题,同上,这里就不再赘述。想说的是,规范并没有提及上限数据,按道理其实应该存在一个上限,比如进水BOD5过高,那么缺氧段反硝化完毕后仍剩余大量的BOD5,它们进入好氧池内很容易被异养微生物摄取,进而大量增殖,造成好氧池硝化细菌失去竞争优势。不过目前的生活污水厂很多面临碳源不足的问题。
5. 其它
1)最新的ASM模型中可能已采用新的微生物分子式为C1H1.8O0.5N0.2(C1H1.8O0.5N0.2P0.03S0.02),替换了原来的C5H7NO2(C5H7NO2P1/12),知识也在不断更新,只不过最先从理论层面开始。好在两个表达式差别不大,C1H1.8O0.5N0.2换算下为C5H9NO2.5,如果差别过大,那么现有规范里的很多数据将发生改变,如缺氧池容积计算(0.12)、耗氧量(1.42)等。
2)微生物体内的磷含量通常占细菌细胞有机物干重的2%左右。对于除磷的聚磷菌而言:厌氧末细胞内磷含量很低(VSS/SS=0.80),和一般微生物无异;好氧末细胞内磷含量很高(VSS/SS=0.60),和一般微生物差别较大。
3)厌氧微生物产率系数为何低于好氧微生物,主要在于厌氧环境恶劣,需要产生更多能量来维持自身生存,顾不上提供更多电子去生娃娃。
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