生物脱氮的生化反应计量学关系式

华南理工大学学报(自然科学版)第26卷第3期JournalofSouthChinaUniversityofTechnologyVol.26No.31998年3月(NaturalScience)March1998科研简报生物脱氮的生化反应计量学关系式3周少奇(华南理工大学造纸与环境工程学院广州510641)关键词硝化;反硝化;生化反应计量学中图资料分类号X172;X132所有非光合作用微生物的中间反应都由两部分组成,一个是合成,一个是能量.美国学者McCartyPL提出了半反应的概念和理论[1],将生化反应过程写成三种形式的半反应,一个用于细胞物质(Rc),一个用于电子供体(Rd),一个用于电子受体(Ra).以电子当量为基础可以写出生化反应的计量方程式:R=Rd-feRa-fsRc(1)fe+fs=1.0(2)式中,fe表示电子供体用于能量部分的分量,fs表示用于合成部分的分量.在本文中作者采用该理论对生物硝化、生物反硝反应进行了研究,获得了具有普适意义的有关计量学关系式.1生物反硝化反应的计量学关系式考虑到以1mol电子当量为基础,各种电子供体提供1mol电子与14molO2接收的电子是等价的,所以这里电子供体以14(COD)计,它可以是各种有机物(如各种碳水化合物、脂肪酸、有机酸、醇类、苯甲酸等)或无机物(如硫、氢气以及无机离子等);电子受体是NO-3或NO-2.细胞物质是反硝化菌(一般采用C5H7O2N),则生物反硝化反应的计量方程式为14(COD)+28-23fs140NO-3+28-23fs140H+fs28C5H7O2N+1-fs10N2ξ+(others)(3)14(COD)+26-23fs78NO-2+26-23fs78H+fs26C5H7O2N+1-fs6N2ξ+(others)(4)由式(3)可得到硝基氮反硝化碳氮比(以COD/NO-3-N计)、微生物生长量Y(Yc以碳源为基准、YN以氮源为基准)与合成分量fs的关系及COD/N与Y之间的关系为COD/NO-3-N=2.857/(1-0.82fs)(5)Yc=0.505fs,Yc∈[0.0,0.505](6)来稿日期:1998-03-263①文中公式(1)～(23)均以质量为计量单位;②本研究部分工作在华南理工大学食品与生物工程学院完成.周少奇,男,1965年生,副教授,博士;主要研究方向:生物废水处理,生物工程流变力学,反应器生态系统动力学,真菌多糖分离提取.YN=565fs/[14(28-23fs)],YN∈[0.0,8.071](7)η=COD/NO-3-N=2.857/(1-1.625Yc),η∈[2.857,15.93](8)η=COD/NO-3-N=2.857/(1+0.57YN),η∈[2.857,15.93](9)同理,由式(4)可推得亚硝基氮反硝化的计量学关系式为η=COD/NO-2-N=1.714/(1-0.885fs)(10)Yc=0.543fs,Yc∈[0.0,0.543](11)YN=339fs/[14(26-23fs)],YN∈[0.0,8.071](12)η=COD/NO-2-N=1.714/(1-1.628Yc),η∈[1.714,14.86](13)或η=COD/NO-2-N=1.714(1+0.95YN),η∈[1.714,14.86](14)2生物硝化反应过程的计量学关系式采用上述生物反硝化反应过程同样的方法,可得生物硝化反应的计量方程式和计量关系:5+2fs40NH+4+1-fs4O2+fs4HCO-3=18NO-3+fs20C5H7O2N+5-4fs20H++5+6fs40H2O(15)ξ=OD/NH+4-N=160(1-fs)/[7(5+2fs)](16)YN=113fs/[7(5+2fs)],YN∈[0.0,2.306](17)ξ=OD/NH+4-N=4.57(1-0.434YN),ξ∈[0.0,4.57](18)或10+3fs60NH+4+1-fs4O2+fs4HCO-3=16NO-2+fs20C5H7O2N+5-3fs15H++10+9fs60H2O(19)ξ=OD/NH+4-N=240(1-fs)/[7(10+3fs)](20)YN=339fs/[14(10+3fs)],YN∈[0.0,1.863](21)ξ=OD/NH+4-N=3.429(1-0.537YN),ξ∈[0.0,3.429](22)3讨论从已查到的100多篇国内外生物脱氮的研究文献(自60年代至1997年)来看,虽有近20篇文献根据实验结果讨论了计量学问题,但都不深入.暂只发现文献[2]推导了一个关于硝基氮反硝化反应碳氮比与微生物生长量Yc的近似关系式为COD/NO-3-N•2.86/(1-1.134Yc)(23)式(23)与本文所得出的式(8