氨氮消化产生的生物量是通过将化学计量生物量产率应用于实际消耗的氨氮来计算的。 根据提供的反应，55摩尔的铵离子产生1摩尔的细菌组织，表示为 C5H7O2N，摩尔质量约为 113 克/摩尔。因此，测量进入中试反应器的铵质量流量，乘以去除比例，并将消耗的铵转化为等效的生物量质量。

核心计算公式为：生物量产量 = 消耗的氨氮负荷 × 化学计量生物量产率。对于所述反应，产率约为 每克消耗的 NH4+ 产生 0.114 克生物量，或 每克消耗的 NH4-N 产生 0.147 克生物量。

确定氨氮负荷

计算进水氨氮质量流量

进入反应器的氨氮负荷根据流量和浓度计算得出：

[ L_{\text{NH}4} = Q \times C{\text{NH}_4} ]

其中：

(L_{\text{NH}_4}) = 进水氨氮负荷
(Q) = 液体流量
(C_{\text{NH}_4}) = 进水氨氮浓度

为了获得一致的结果，请使用兼容的单位。例如：

[ \text{kg/d} = \frac{\text{m}^3}{\text{d}} \times \frac{\text{mg}}{\text{L}} \times 10^{-3} ]

此转换有效，因为 (1\ \text{mg/L}) 等于 (1\ \text{g/m}^3)。

使用实际消耗的氨氮

生物量是由微生物去除的氨形成的，而不一定是由全部进水负荷形成的：

[ L_{\text{consumed}} = Q(C_{\text{in}} - C_{\text{out}}) ]

如果仅有去除百分比：

[ L_{\text{consumed}} = L_{\text{in}} \times X ]

其中 (X) 是氨氮转化分数。85% 的去除率表示为 (X = 0.85)。

应用化学计量产率

将铵的摩尔数转换为生物量的摩尔数

所述反应为：

[ 5CO_2 + 55NH_4^+ + 76O_2 \rightarrow C_5H_7O_2N + 54NO_2^- + 52H_2O + 109H^+ ]

该反应建立了以下摩尔关系：

[ 55\ \text{mol NH}_4^+ \rightarrow 1\ \text{mol 生物量} ]

生物量分子的摩尔质量约为 113 克/摩尔。铵离子的摩尔质量约为 18.04 克/摩尔。

因此：

[ Y_{\text{biomass/NH}_4^+}

\frac{113}{55 \times 18.04} ]

[ Y_{\text{biomass/NH}_4^+} \approx 0.114\ \frac{\text{g 生物量}}{\text{g NH}_4^+} ]

生物量产率则为：

[ P_{\text{biomass}}

L_{\text{NH}_4^+,\text{consumed}} \times 0.114 ]

区分 `NH4+` 和 `NH4-N`

中试工厂数据通常报告为氨氮 (NH4-N)，而不是完整的铵离子质量。这种区别会改变数值产率。

对于上述反应：

[ Y_{\text{biomass/NH}_4\text{-N}}

\frac{113}{55 \times 14.01} ]

[ Y_{\text{biomass/NH}_4\text{-N}} \approx 0.147\ \frac{\text{g 生物量}}{\text{g NH}_4\text{-N}} ]

当浓度表示为 NH4+ 时，使用 0.114 克/克。当表示为 NH4-N 时，使用 0.147 克/克。

中试工厂示例

包含流量、浓度和转化的示例

假设中试反应器具有：

流量：(Q = 1.0\ \text{m}^3/\text{d})
进水氨氮：(C_{\text{in}} = 100\ \text{mg NH}_4\text{-N/L})
出水氨氮：(C_{\text{out}} = 20\ \text{mg NH}_4\text{-N/L})

消耗的氨氮负荷为：

[ L_{\text{consumed}}

1.0(100-20) ]

[ L_{\text{consumed}}

80\ \text{g NH}_4\text{-N/d} ]

应用 NH4-N 产率：

[ P_{\text{biomass}}

80 \times 0.147 ]

[ P_{\text{biomass}} \approx 11.8\ \text{g 生物量/d} ]

因此，估计的总生物量产量约为 11.8 克/天（以干细胞生物量表示）。

将结果表示为反应器产率

为了比较不同的中试运行，通过消耗的氨氮对生物量产量进行归一化：

[ Y = \frac{P_{\text{biomass}}} {L_{\text{NH}_4\text{-N},\text{consumed}}} ]

这给出的产率单位为：

[ \text{g 生物量}/\text{g NH}_4\text{-N 消耗} ]

当比较不同的水力负荷率、溶解氧条件、温度或反应器配置时，此归一化值非常有用。

将计算与质量平衡联系起来

区分氮的去向

消耗的氨并非全部转化为生物量。根据提供的反应，氨氮分布在：

新细胞组织
亚硝酸盐
残留氨或其他测得的氮形式

因此，完整的中试工厂氮平衡应比较：

[ N_{\text{in}}

N_{\text{biomass}} + N_{\text{nitrite}} + N_{\text{residual}} + N_{\text{other outputs}} ]

化学计量计算估算了生物量成分，而进出水测试验证了整体氮平衡是否合理。

包含碳和氧的需求

反应还表明氨氧化和细胞合成需要二氧化碳和氧气。因此，生物量估算应根据以下因素进行核对：

可利用的无机碳
曝气能力
溶解氧测量值
观察到的亚硝酸盐产量
测得的悬浮固体

如果反应器缺乏足够的碳或氧，理论生物量产量将超过实际可能形成的量。

考虑生物量保留和固体处理

总产量不等于废弃污泥

化学计量结果代表 总的新生物量产量。作为废弃污泥离开中试工厂的量取决于固体保留、沉降、回流、取样和内源呼吸。

简化的净固体平衡为：

[ P_{\text{net solids}}

P_{\text{gross biomass}}

P_{\text{decay}} ]

在计算固体排放率时，还必须包括反应器中保留或通过回流流返回的生物量。

考虑下游好氧消化

好氧污泥消化是一个单独的下游操作。它在没有外部进料的情况下提供额外的曝气，导致微生物进入内源呼吸并消耗部分自身的细胞物质。

补充参考资料表明，好氧消化可以在细胞和水力停留时间约为 15 到 25 天 的情况下，实现约 50% 的总悬浮固体减少。该减少量应在估算氨去除反应器中产生的生物量之后应用，而不是与初始化学计量生物量产率混淆。

理解权衡

理论产率可能超过观察到的固体量

化学计量产率假设反应按所代表的方式进行，且所需的反应物可用。由于内源呼吸、细胞裂解、维持能量、捕获不完全以及随出水流失的固体，实际测得的固体量可能会更低。

分析基础必须保持一致

一个常见的错误是在同一计算中混合使用 NH4+ 和 NH4-N 浓度。请务必确认实验室结果报告的是完整铵离子的质量，还是仅报告了该离子中所含氮的质量。

反应代表特定的生物途径

所提供的方程式描述了与生物量形成和亚硝酸盐产生相关的氨氧化。它不应自动应用于每一种脱氮途径，特别是在不同的生物、电子受体、碳源或反应占主导地位的情况下。

生物量组成是一个近似值

C5H7O2N 是细胞组织的经验表示。它对于设计计算和教学质量平衡很有用，但真实的微生物群落组成各不相同，并且可能含有储存的聚合物、无机材料和附着固体。

为您的目标做出正确的选择

根据中试工厂目标所需的详细程度使用计算：

如果您的主要重点是理论生物量产量： 计算消耗的氨氮负荷，并乘以 0.114 g 生物量/g NH4+ 或 0.147 g 生物量/g NH4-N。
如果您的主要重点是反应器设计： 将生物量估算与需氧量、碳可用性、水力负荷和固体保留要求相结合。
如果您的主要重点是测得的污泥排放量： 根据衰减、保留、回流、出水固体和下游好氧消化调整总生物量产量。
如果您的主要重点是验证中试工厂： 将计算出的生物量和氮产物与测得的悬浮固体、氨、亚硝酸盐、氧气和碳数据进行比较。

通过一致的单位以及完整的固体和氮平衡，氨转化可以为环境单元操作中试工厂中的生物量产量提供一个可辩护的估算。

总结表：

关键项目	计算或指导
进水氨氮负荷	`Q x C_in`
消耗的氨氮	`Q x (C_in - C_out)` 或进水负荷 x 去除分数
`NH4+` 的产率	`0.114 g 生物量/g 消耗的 NH4+`
`NH4-N` 的产率	`0.147 g 生物量/g 消耗的 NH4-N`
中试示例	`80 g NH4-N/d x 0.147 = 11.8 g 生物量/d`
总生物量与净生物量	针对衰减、保留、回流、出水固体和污泥排放进行调整
验证数据	将生物量估算与氨、亚硝酸盐、氧气、碳和悬浮固体测量值进行比较

需要生物脱氮的中试规模可靠数据吗？联系 LABPARK 讨论用于环境和水处理的教育与职业单元操作中试工厂。LABPARK 支持大学、研究机构和企业，提供用于测试氨去除、生物量产量、需氧量、碳需求、固体保留和下游好氧消化的实用系统。我们的中试工厂帮助团队验证工艺性能，加强教学和研究，并利用可测量的运行数据做出更明智的处理设计决策。