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探究:常见的营养物质搭配比例

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活性污泥中的微生物要生存、繁殖,就必须摄取营养物质,因此,污水厂进水中就必须含有一定量的营养物质,那么对于不同营养物质间的搭配比例是多少呢?
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对于常见的营养物质搭配比例数据,相信大家都不陌生,你可能会见到下列几种形式:C:N:P=100:5:1、COD:N:P=100:5:1、BOD5:N:P=100:5:1,到底哪个是正确的呢?当然了,书上经常看到的好像是最后一个。你的第一反应肯定是:比例数据是科学家大量试验得出的,是的,没错!基本上你看到的所有跟微生物相关的数据都先由试验数据结合理论得出的,然后再用试验去拟合验证,没问题了,就会对外公布了。. J3 e: @  M: A  `© 2tech.cn
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活性污泥中的微生物要生存、繁殖,就必须摄取营养物质,因此,污水厂进水中就必须含有一定量的营养物质,那么对于不同营养物质间的搭配比例是多少呢?
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对于常见的营养物质搭配比例数据,相信大家都不陌生,你可能会见到下列几种形式:C:N:P=100:5:1、COD:N:P=100:5:1、BOD5:N:P=100:5:1,到底哪个是正确的呢?当然了,书上经常看到的好像是最后一个。你的第一反应肯定是:比例数据是科学家大量试验得出的,是的,没错!基本上你看到的所有跟微生物相关的数据都先由试验数据结合理论得出的,然后再用试验去拟合验证,没问题了,就会对外公布了。7 t7 I$ m; g& m; l6 }$ Q# v© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn], Z2 G+ O' X  H( ~  G8 A; p为什么要说这个问题呢,因为在计算反硝化投加碳源量的时候,总是傻傻分不清甲醇或乙酸(乙酸钠)各自的COD与BOD5大小,有时折算出来的是COD,有时折算的是BOD5,然后需要将其转化为外碳源的实际质量,如果不清楚,那就乱套了,算出来的数据肯定是不合理的。8 i3 I# l# w3 R© 2tech.cn
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通常测出来的数据关系是BOD5<COD,污水厂也常用两者之间的关系来表征进水的可生化性。有人认为对于纯的易降解物质,那么BOD全=COD,从理论层面来看,确实如此,但是如果你去测,就会发现,并非这样,可能这就是测不准(全)原理吧,如下面的这些易降解物质。
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© 环保之家[2tech.cn], l( ~4 _! H, ]. F) _5 c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。
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1. 两个分子式8 K" _' `0 k& N8 D, M* p2 [: R© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]3 Z2 B; V- @0 Y6 Z- z2 `" b0 JC5H7NO2(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。
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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。) u1 e0 g& B! U  M& T6 F© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]6 x- @" K- I6 {9 u3 S( t2. 两个半反应
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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。3 ?8 [7 Y4 n; k: P- a! u* _© 2tech.cn

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© 环保之家[2tech.cn]9 u; h  J( ~$ y& `% r# m1 B5 I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。; T! y) d5 p, e2 G6 |  V4 b© 2tech.cn
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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。. p# O3 Q+ I- E. B1 {© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]+ @3 _' X4 s# u& m" l3. 100:5:1怎么来的8 G, X! B8 D7 i: q# }+ M  c# }© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]/ F0 }6 q+ S; s& E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。, }9 O7 X# z  q, y© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]5 G2 T& \% J4 C# B. L' I7 @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。
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说法三:C6H12O6推导来的:9 O/ `1 a' `5 z: n1 X( Z$ q+ W- [' x© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]) G) E$ R2 G; z+ G: g, N) r1)首先
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© 环保之家[2tech.cn]& r; i. M3 P9 v, X1 N: O  X: B1gC6H12O6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。
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© 环保之家[2tech.cn]2 _/ M" H  Q/ u" q$ b0 tC6H12O6+6O2→6CO2+6H2O
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2)其次
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© 环保之家[2tech.cn]) q- N% v* C' h2 g6 F0 E  o! o1gC6H12O6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。
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3)再次. L, m0 D$ x) h© 2tech.cn
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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。
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© 环保之家[2tech.cn]  @/ x, A4 t, u1 J$ k7 o3C6H12O6+8O2+2NH3→2C5H7NO2+8CO2+14H2O' \# \' I2 m  _' D' S3 u4 j. K% C© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]- J8 T/ ]- [0 R0 M% @( b7 A$ |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。
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© 环保之家[2tech.cn]/ U. g7 i9 \. Q; h+ r0 l4)综上
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© 环保之家[2tech.cn]; W2 J& }( f! i0 k# d, a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。
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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。3 _6 Z+ p4 v$ H8 k* f© 2tech.cn
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4. 100:5:1?4:1?17:1?
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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。/ v2 |6 ]2 g# Q3 g$ {0 _© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]0 s+ F$ ?) X) W( ^; Y1 E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。- s, C# ~- G) f: Y* f© 2tech.cn
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5. 其它3 w/ F7 o; L2 K# p8 L© 2tech.cn
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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。
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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。+ V( }& S1 w+ @; L© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]4 u8 a4 a! s& N4 |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。0 M- @* D# M; |/ B© 2tech.cn
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