污水生化處理堿度的投加量計(jì)算及案例計(jì)算
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一、pH對(duì)硝化的影響
pH值酸堿度是影響硝化作用的重要因素,。硝化細(xì)菌對(duì)pH反應(yīng)很敏感,，在pH中性或微堿性條件下（pH為8～9的范圍內(nèi)），其生物活性強(qiáng),，硝化過(guò)程迅速,。
當(dāng)pH＞9.6或＜6.0時(shí)，硝化菌的生物活性將受到抑制并趨于停止,。
若pH＞9.6時(shí),，雖然NH4＋ 轉(zhuǎn)化為NO2- 和NO3- 的過(guò)程仍然異常迅速，但是從NH4的電離平衡關(guān)系可知,，NH3的濃度會(huì)迅速增加,。由于硝化菌對(duì)NH3極敏感，結(jié)果會(huì)影響到硝化作用速率,。
在酸性條件下,，當(dāng)pH＜7.0時(shí)硝化作用速度減慢，pH＜6.5硝化作用速度顯著減慢，硝化速率將明顯下降,。pH＜5.0時(shí)硝化作用速率接近零,。
pH下降的原因：
pH下降的原因有兩個(gè)，一是進(jìn)水堿度不高,。二是進(jìn)水碳源不足,，無(wú)法補(bǔ)充硝化消耗的一半的堿度。
由硝化方程式可知,，隨著NH3-N被轉(zhuǎn)化成NO3--N,，會(huì)產(chǎn)生部分礦化酸度H+，這部分酸度將消耗部分堿度,，每克NH3-N轉(zhuǎn)化成NO3--N約消耗7.14g堿度(以CaCO3計(jì)),。因而當(dāng)污水中的堿度不足而TKN負(fù)荷又較高時(shí)，便會(huì)耗盡污水中的堿度,，使混合液中的pH值降低至7.0以下,，使硝化速率降低或受到抑制。
如果無(wú)強(qiáng)酸排入,，正常的城市污水應(yīng)該是偏堿性的,，即pH一般都大于7.0，此時(shí)的pH則主要取決于入流污水中堿度的大小,。
所以,，在生物硝化反應(yīng)器中，應(yīng)盡量控制混合液pH＞7.0,，制pH＞7.0,，是生物硝化系統(tǒng)順利進(jìn)行的前提。
而要準(zhǔn)確控制pH,，pH＜6.5時(shí),，則向污水中加堿。應(yīng)進(jìn)行堿度核算,。
1,、為什么需要補(bǔ)充堿度？
在脫氮工藝中,，都會(huì)經(jīng)過(guò)硝化與反硝化的過(guò)程,，而這兩者的交替就會(huì)出現(xiàn)堿度的變化：
硝化反應(yīng)過(guò)程：在有氧條件下，氨氮被硝化細(xì)菌所氧化成為亞硝酸鹽和硝酸鹽,。他包括兩個(gè)基本反應(yīng)步驟：由亞硝酸菌（Nitrosomonas sp）參與將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽的反應(yīng),；硝酸菌（Nitrobacter sp）參與的將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的反應(yīng)，亞硝酸菌和硝酸菌都是化能自養(yǎng)菌,，它們利用CO2,、CO32-、HCO3-等作為碳源,，通過(guò)NH3,、NH4+、或NO2-的氧化還原反應(yīng)獲得能量,。硝化反應(yīng)過(guò)程需要在好氧（Aerobic或Oxic）條件下進(jìn)行,，并以氧做為電子受體，氮元素做為電子供體,。其相應(yīng)的反應(yīng)式為：
亞硝化反應(yīng)方程式：
55NH4++76O2+109HCO3→C5H7O2N﹢54NO2-+57H2O+104H2CO3
硝化反應(yīng)方程式：
400NO2-+195O2+NH4-+4H2CO3+HCO3-→C5H7O2N+400NO3-+3H2O
硝化過(guò)程總反應(yīng)式：
NH4-+1.83O2+1.98HCO3→0.021C5H7O2N+0.98NO3-+1.04H2O+1.884H2CO3
通過(guò)上述反應(yīng)過(guò)程的物料衡算可知,，在硝化反應(yīng)過(guò)程中，將1g氨氮氧化為硝酸鹽氮需好氧4.57g（其中亞硝化反應(yīng)需耗氧3.43克,，硝化反應(yīng)耗氧量為1.14克）,，同時(shí)約需耗7.14g重碳酸鹽（以CaCO3計(jì)）堿度。
在硝化反應(yīng)過(guò)程中,，氮元素的轉(zhuǎn)化經(jīng)歷了以下幾個(gè)過(guò)程：
氨離子NH4-→羥胺NH2OH→硝�,；鵑OH→亞硝酸鹽NO2-→硝酸鹽NO3-
反硝化反應(yīng)過(guò)程：在缺氧條件下，利用反硝化菌將亞硝酸鹽和硝酸鹽還原為氮?dú)舛鴱奈鬯幸莩�,，從而達(dá)到除氮的目的,。
反硝化是將硝化反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的硝酸鹽和亞硝酸鹽還原成氮?dú)獾倪^(guò)程，反硝化菌是一類(lèi)化能異養(yǎng)兼性缺氧型微生物,。當(dāng)有分子態(tài)氧存在時(shí),，反硝化菌氧化分解有機(jī)物，利用分子氧作為較終電子受體,，當(dāng)無(wú)分子態(tài)氧存在時(shí),，反硝化細(xì)菌利用硝酸鹽和亞硝酸鹽中的N3+和N5+做為電子受體，O2-作為受氫體生成水和OH-堿度,，有機(jī)物則作為碳源提供電子供體提供能量并得到氧化穩(wěn)定,，由此可知反硝化反應(yīng)須在缺氧條件下進(jìn)行。從NO3-還原為N2的過(guò)程如下：
NO3- → NO2- → NO → N2O → N2
反硝化過(guò)程中,，反硝化菌需要有機(jī)碳源（如碳水化合物,、醇類(lèi)、有機(jī)酸類(lèi)）作為電子供體,，利用NO3- 中的氧進(jìn)行缺氧呼吸,。其反應(yīng)過(guò)程可以簡(jiǎn)單用下式表示：
NO3- + 4H(電子供體有機(jī)物) → 1/2N2 + H2O + 2OH-
NO2- + 3H(電子供體有機(jī)物) → 1/2N2 + H2O + OH-
污水中含碳有機(jī)物作為反硝化反應(yīng)過(guò)程中的電子供體。通過(guò)上述反應(yīng)過(guò)程的物料衡算可知,，每轉(zhuǎn)化1gNO2-為N2時(shí),，需有機(jī)物（以BOD表示）1.71g；每轉(zhuǎn)化1gNO3-為N2時(shí),，需有機(jī)物（以BOD表示）2.86g,。同時(shí)產(chǎn)生3.57g重碳酸鹽堿度（以CaCO3計(jì)）,。
如果污水中含有溶解氧，為使反硝化完全,，所需碳源有機(jī)物（以BOD表示）用下式計(jì)算：
C=2.86Ni + 1.71N0 + DO0
其中：
C — 反硝化過(guò)程有機(jī)物需要量(以BOD表示),，mg/ L；
Ni — 初始硝酸鹽氮濃度,，mg/L,；
N0 — 初始亞硝酸鹽氮濃度，mg/L,；
DO0 — 初始溶解氧濃度,，mg/L。
如果污水中碳源有機(jī)物濃度不足時(shí),，應(yīng)補(bǔ)充投加易于生物降解的碳源有機(jī)物（甲醇,、乙醇或糖類(lèi)）。
以甲醇為例,，則:
NO3-+1.08CH3OH+0.24H2CO3→0.056C5H7O2N+0.47N2↑+1.68H2O+HCO3-
如果水中有NO2-,則會(huì)發(fā)生下述反應(yīng)：
NO2-+0.67CH3OH+0.53H2CO3→0.04C5H7O2N+0.48N2↑+1.23H2O+HCO3-
由上式可見(jiàn),，每還原1gNO2-和1gNO3-分別需要消耗甲醇1.53g和2.47g。
當(dāng)水中有溶解氧存在時(shí),，氧消耗甲醇的反應(yīng)式為：
O2+0.93CH3OH+0.056NO3-→0.056C5H7O2N+1.64H2O+0.056HCO3-+0.59H2CO3
綜上所述,，可得反硝化過(guò)程需要有機(jī)碳源（甲醇）的投加量公式為：
Cm=2.47Ni+1.53N0+DO0
其中：
Cm — 反硝化過(guò)程中需要的甲醇濃度（mg/L）
其余符號(hào)同上
綜上所述，硝化反應(yīng)每氧化1g氨氮耗氧4.57g,，消耗堿度7.14g,，表現(xiàn)為pH值下降。在反硝化過(guò)程中,，去除硝酸鹽氮的同時(shí)去除碳源,，這部分碳源折合DO 2.6g，另外,，反硝化過(guò)程中補(bǔ)償堿度3.57g,。所以，全程硝化反硝化過(guò)程需要消耗3.57g堿度,。
而當(dāng)污水中的堿度不足而TKN負(fù)荷又較高時(shí),，便會(huì)耗盡污水中的堿度，使混合液中的pH值降低至7.0以下,，使硝化速率降低或受到抑制,。
所以，在生物硝化脫氮中,，應(yīng)盡量控制混合液pH＞7.0,，制pH＞7.0，是生物硝化系統(tǒng)順利進(jìn)行的前提,。而要準(zhǔn)確控制pH,，則必須向污水中加堿,。
在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)于典型的城市污水,，進(jìn)水中NH3-N濃度一般為20～40mg/L（TKN約50～60mg/L）,，堿度約200mg/L(以Na2CO3計(jì))左右。
2,、堿度投加量的計(jì)算
1、一般來(lái)說(shuō),，在硝化反應(yīng)中每硝化1gNH3-N需要消耗7.14g堿度,，所以硝化過(guò)程中需要的堿度量可按下式計(jì)算：
堿度＝7.14×QΔCNH3-N×10-3 (1)
式中：
Q — 進(jìn)水的日平均污水量，m3/d,；
ΔCNH3-N — 進(jìn)出水NH3-N濃度的差值,，mg/L；
7.14 — 硝化需堿量系數(shù),，kg堿度/kgNH3-N,。
2、對(duì)于含氨氮濃度較高的工業(yè)廢水,，通常需要補(bǔ)充堿度才能使硝化反應(yīng)器內(nèi)的pH值維持在7.2～8.0之間,。計(jì)算公式如下：
堿度＝K×7.14×QΔCNH3-N×10-3 (2)
式中，K為安全系數(shù),，一般為1.2～1.3,。
3、實(shí)際工程中進(jìn)行堿度核算應(yīng)考慮以下幾部分：入流污水中的堿度,，生物硝化消耗的堿度,，分解BOD5產(chǎn)生的堿度，以及混合液中應(yīng)保持的剩余堿度,。要使生物硝化順利進(jìn)行,，必須滿足下式：
ALKw＋ALKc＞ALKN＋ALKE （3）
如果堿度不足，要使硝化順利進(jìn)行,，則必須投加純堿,，補(bǔ)充堿度。投加的堿量可按下式計(jì)算：
ΔALK＝（ALKN＋ALKE）－（ALKw＋ALKc） （4）
式中：
ΔALK — 系統(tǒng)應(yīng)補(bǔ)充的堿度,，mg／L,；
ALKN — 生物硝化消耗的堿量；ALKN一般按硝化1kgNH3-N消耗7.14kg堿計(jì)算,。
ALKE — 混合液中應(yīng)保持的堿量,，ALKE一般按曝氣池排出的混合液中剩余50mg/L堿度(以Na2CO3計(jì))計(jì)算。
ALKw — 原污水中的總堿量,；
ALKc — BOD5分解過(guò)程中產(chǎn)生的堿量,；ALKc與系統(tǒng)的SRT有關(guān)系：當(dāng)SRT＞20d時(shí),，可按降解每千克BOD5產(chǎn)堿0.1kg計(jì)算；當(dāng)SRT＝10～20d時(shí),，按0.05kgALKc/kgBOD5,；當(dāng)SRT＜10d時(shí)，按0.01gALKc/kgBOD5,。
3,、堿的選擇
污水處理使用的堿藥劑，一般有石灰（氫氧化鈣）,、燒堿（氫氧化鈉）,、純堿（碳酸鈉）等。
對(duì)于價(jià)格來(lái)說(shuō),，氫氧化鈉較貴,，氫氧化鈣較低；對(duì)于堿度來(lái)說(shuō),，氫氧化鈉較強(qiáng),，碳酸鈉較低；對(duì)于產(chǎn)泥量來(lái)說(shuō),，氫氧化鈣會(huì)產(chǎn)生大量的污泥,，氫氧化鈉和碳酸鈉無(wú)（極少）多余污泥產(chǎn)生；對(duì)于危險(xiǎn)性來(lái)說(shuō),，氫氧化鈉屬于�,；罚瑝A性太強(qiáng),，危險(xiǎn)性較大,，管理及運(yùn)輸上要求較高，氫氧化鈣及碳酸鈉不屬于w化品,，堿性較弱,，w險(xiǎn)性較小。
對(duì)于堿的選擇,，需要根據(jù)實(shí)際要求,，有些污水廠因?yàn)槌杀驹蚴褂脷溲趸}，有些因?yàn)楣に囆枰x擇氫氧化鈉,，所以,，堿沒(méi)有貴賤之分，只有適不適合自己,。
三,、實(shí)例計(jì)算
如前所述，硝化反應(yīng)中每消耗1g氨氮要消耗堿度7.14g,。一般污水尤其是工業(yè)污水對(duì)于硝化反應(yīng)來(lái)說(shuō),，堿度往往是不夠的,，因此應(yīng)投加必要的堿量以維持適宜的pH值，保證硝化反應(yīng)的正常進(jìn)行,。
某處理廠采用脫氮工藝,，日處理污水10000m3/d。來(lái)水水中：BOD5＝50mg/L（0.05kg/m3）,，NH3-N＝50mg/L,，堿度ALKw＝100mg/L（0.10kg/m3）。欲使出水BOD5＜5mg/L,，NH3-N＜5mg/L,，剩余堿度10mg/L（0.01kg/m3）。試核算該硝化系統(tǒng)的堿度,，如果堿度不足，試計(jì)算投堿量,？
解：
每日進(jìn)水堿度ALKw＝0.10×104＝1000kg/d
反硝化ALKc＝(0.05－0.005)×104×3.47＝1683kg/d（反硝化降解每克BOD5產(chǎn)堿3.47g計(jì)算）
ALKN＝(0.05－0.005)×104×7.14＝3213kg/d（按1kgNH3-N消耗7.14kg堿計(jì)算）
每日剩余堿度ALKE＝0.01×104＝100 kg/d
ALKw＋ALKc＝1000kg/d＋1683kg/d=2683kg/d
ALKN＋ALKE＝3213kg/d＋100kg/d=3313kg/d
ALKw＋ALKc ≯ ALKN＋ALKE
因此,，該硝化系統(tǒng)內(nèi)堿源不足。如果不外加堿源,，pH將降低,，抑制硝化進(jìn)行，出水NH3-N超標(biāo),。如果外加堿源,，則投堿量為：
ΔALK＝3313－2683＝630kg/d
即每天需向來(lái)水中投加堿源630kg，具體可根據(jù)純堿的有效成分,，換算出純堿的投加量,。
