长期培养时培养器内的细菌组成情况。
（4）根据微生物反应器的理论，在不停止运行的情况下，你有什么方法排除该两种杂菌的影响，使培养器内恢复到非污染的状态，并说明理由。
（5）计算基质S的利用率达到99%时的稀释率。
（6）根据（1）和（5）的计算结果，讨论在环境工程上利用降低稀释率提高污水生物处理系统（细胞分散体系）中污染物去除率的局限性。可采取其它什么措施提高污水生物处理系统（细胞分散体系）的污染物去除率？试利用微生物反应器的知识，分析该措施的理论依据。（30分） 解：（1）???maxSKS?S?0.4S
0.74?SKSD0.74?0.2??0.74kg/m3
?max?D0.4?0.2S0?S10?0.74??92.6% S010稳定运行时，基质浓度 S?利用率
（2）稳定运行时培养器中的细胞浓度
X?YX/S(S0?KSD0.74?0.2)?0.5?(10?)?4.63(kg/m3)
?max?D0.4?0.2连续培养开始后，X逐渐下降，最后稳定在4.63kg/m3左右，因为刚开始时细菌生长量不足，被洗脱，所以X下降。
（3）如图所示
0.4假单胞菌μ 0.3μ(h-1)杂菌B，μB
0.20.1杂菌A，μA
002S(kg/m)346
反应器稀释率D=0.2h-1,取μB和μ的交点为μx
则根据曲线可知，μmaxA （4）根据生长速率曲线可知，μB和μ的交点为μx 对于假单胞菌： ?x??maxSKS?S?0.4S 0.74?S0.3S 0.21?S对于杂菌B： 解得 ?x??maxSKS?S?μx=0.26h-1 控制D值在（0.26－0.4）之间，这样A，B均被洗脱，而原菌种可以生长。 （5）当XS=99%时，S＝0.1kg/m3，因为S?KSD，带入数据，D＝0.048h-1 ?max?D（6）局限性：由于提高污染物去除率时，稀释率降低，反应器体积增加，增加工程造价。 措施： ①增加反应器级数，进行二级串联反应。原因是二级串联全混流反应器效率高于单级全混流反应器； ②采用循环连续反应器，进行回流，提高反应器内菌体浓度。 3.9 对于二级不可逆液相反应αAA+αBB→P,试分别给出利用间歇反应器、半间歇反应器（B一次性加入，A连续加入）和连续反应器进行反应操作情况下，A和B的转化率的定义式。(10分) 解： （1）在间歇反应器中，A转化率为 B转化率为 （2）在半间歇反应器中，A转化率为 xA?1?B转化率为 nA nA0?qnA0t xA=1-nA/nA0 xB=1-nB/nB0 xB=1-nB/nB0 xA=1-qA/qnA0 （3）在连续反应器中，A转化率为 B转化率为 xB=1-qB/qnB0 3.10 某研究单位拟利用以粒状活性炭为载体的二氧化钛催化剂进行水中低浓度有机污染物A的分解研究。已知A的分解反应为不可逆反应，现需要确定该反应的本征速率方程（－rA=kcAn）。请你为该研究单位设计一个系统的、可操作性强的实验方案（利用间歇反应器）。（20分） 解：（1）测定消除外扩散影响的实验条件 ①在一反应器内装入质量为m1的催化剂，此时的填充层高度为h1，在保持相同温度T、压力P、进口物料组成的条件下，改变进料流量qnA0，测定相应的转化率xA； ②在同一反应器内装入质量为m2的催化剂，此时的填充层高度为h2，在同样的温度、压力、进口物料组成的条件下测定不同qnA0时的xA； ③做xA～m/qnA0曲线，求两曲线重合处的进料流量qVt和流速。 （2）测定消除内扩散影响的实验条件 ①保持温度、压力、进口物料组成不变，选取进料流量qnt和催化剂填装量m1，改变催化剂粒径dp，测定相应的转化率xA； ②做xA～dp曲线，曲线中xA不随dp变化而变化的区域，则为无内扩散阻力的粒径条件。选取该区域的催化剂，粒径为dpt （3）测量本征速率方程 在相同反应器中，保持温度、压力、进口物料组成不变，选取催化剂粒径为dpt、进料流量为qVt，则可消除内外扩散的影响。改变进料浓度cA0，测定出口浓度cA，根据积分法或微分法计算本征速率方程。 3.11 对于一级不可逆液相反应A → P，利用有效体积为1m3的完全混合流连续反应器进行动力学实验。将A的浓度为60mmol/m3的液体以0.1m3/h速度流入反应器，在20oC条件下，A的转化率达为80％，试回答以下问题。（共25分） （1）在同样的反应物料流量和温度条件下，利用2个有效体积为0.5m3 的完全混合流连续反应器进行串联操作，试计算A的转化率？ （2）在同样的反应物料流量和温度条件下，利用5个有效体积为0.2m3 的完全混合流连续反应器进行串联操作，试计算A的转化率？ （3）在同样的反应物料流量和温度条件下，利用有效体积为1m3的理想 平推流反应器进行反应操作，试计算A的转化率？ （4）在同样的温度条件下，利用间歇反应器进行反应操作，要使A的去除率达到80％，反应时间应为多少？ （5）根据以上计算结果，讨论反应器操作方式对转化率的影响并简要解释其原因。 解：对于一级不可逆液相反应，完全混合流连续反应器体积为1m3，则有 ?=反应器出口反应物A浓度 则一级反应速率常数 V1??10h qV0.1cA?cA0(1?k?)?cA0(1?xA) k=0.4h-1 （1）2个完全混合流连续反应器串联，单个反应器的空间时间 ?1=反应器出口反应物A浓度 V10.5??5h qV0.1cA?cA0(1?k?1)?60(1?0.4?5)?6.67mmol/m3 转化率 xA＝88.9% 22（2）5个完全混合流连续反应器串联，单个反应器的空间时间 ?5=反应器出口反应物A浓度 V50.2??2h qV0.1cA?cA0(1?k?5)?60(1?0.4?2)?3.18mmol/m3 转化率 xA＝94.7% 55（3）采用平推流反应器进行反应操作，反应器的停留时间 ?=反应器出口反应物A浓度 转化率 V1??10h qV0.1cA?cA0?e?k??60?e?10?0.4?1.10mmol/m3 xA＝98.2% （4）采用间歇反应器进行反应操作，有 ?ln(1?xA)?kt t=?ln(1?xA)ln(1?0.8)???4.02h k0.4反应器出口反应物A浓度 转化率 cA?cA0?e?k??60?e?10?0.4?1.10mmol/m3 xA＝98.2% （5）反应器操作方式对转化率的影响 ①对于完全混合流连续反应器，串联级数增加，相应的转化率亦增加 ②完全混合流连续反应器与间歇反应器和平推流反应器相比，在相同的时间内，后两者的转化率较高 ③平推流反应器和间歇反应器在相同的时间内具有相同的转化率 原因： ①完全混合流连续反应器存在“稀释”效应，即反应器中A浓度低于进料浓度，反应速率较低；而平推流反应器或间歇反应器不存在这种“稀释”效应，反应速率较高，转化率亦较高。所以，平推流反应器或间歇反应器转化率高于相同反应体积的完全混合流连续反应器。 ②在多级串连全混流式反应器中，反应器中A相当于被逐步稀释。当级数n趋向于无穷大时，多级串连反应器相当于平推流反应器。 3.12 利用如图所示的细胞循环反应器进行某细菌的培养，进料速率qv0=1 m3/h, S0=2 g/m3, X0=0, V=1m3。已知该细菌的比生长速率μ与基质浓度S之间的 关系符合Monod方程，μmax，A=2 h－1, Ks =0.5 g/ m3，每消耗2g基质生成1g细胞。试回答以下问题。（21分） （1）保持γ＝0.5不变，分别计算β＝1，1.5，2.5条件下，培养器内基质的