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污水生化處理堿度的投加量計算及案例計算

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 一、pH對硝化的影響

pH值酸堿度是影響硝化作用的重要因素,。硝化細菌對pH反應很敏感,，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，硝化過程迅速,。

當pH＞9.6或＜6.0時，硝化菌的生物活性將受到抑制并趨于停止,。

若pH＞9.6時,，雖然NH₄^＋ 轉(zhuǎn)化為NO₂^- 和NO₃^- 的過程仍然異常迅速，但是從NH₄的電離平衡關系可知,，NH₃的濃度會迅速增加,。由于硝化菌對NH₃極敏感，結果會影響到硝化作用速率,。

在酸性條件下,，當pH＜7.0時硝化作用速度減慢，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時硝化作用速率接近零。

pH下降的原因：

pH下降的原因有兩個,，一是進水堿度不高,。二是進水碳源不足，無法補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)。因而當污水中的堿度不足而TKN負荷又較高時,，便會耗盡污水中的堿度,，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,。

如果無強酸排入,，正常的城市污水應該是偏堿性的，即pH一般都大于7.0,，此時的pH則主要取決于入流污水中堿度的大小,。

所以，在生物硝化反應器中,，應盡量控制混合液pH＞7.0,，制pH＞7.0，是生物硝化系統(tǒng)順利進行的前提,。

而要準確控制pH,，pH＜6.5時,，則向污水中加堿。應進行堿度核算,。

1,、為什么需要補充堿度？

在脫氮工藝中,，都會經(jīng)過硝化與反硝化的過程,，而這兩者的交替就會出現(xiàn)堿度的變化：

硝化反應過程：在有氧條件下，氨氮被硝化細菌所氧化成為亞硝酸鹽和硝酸鹽,。他包括兩個基本反應步驟：由亞硝酸菌（Nitrosomonas sp）參與將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽的反應,；硝酸菌（Nitrobacter sp）參與的將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的反應，亞硝酸菌和硝酸菌都是化能自養(yǎng)菌,，它們利用CO₂,、CO₃^2-、HCO₃^-等作為碳源,，通過NH₃,、NH₄⁺、或NO₂^-的氧化還原反應獲得能量,。硝化反應過程需要在好氧（Aerobic或Oxic）條件下進行,，并以氧做為電子受體，氮元素做為電子供體,。其相應的反應式為：

亞硝化反應方程式：

55NH₄⁺+76O₂+109HCO₃→C5H₇O₂N﹢54NO₂^-+57H₂O+104H₂CO₃

硝化反應方程式：

400NO₂^-+195O₂+NH₄^-+4H₂CO₃+HCO₃^-→C₅H₇O₂N+400NO₃^-+3H₂O

硝化過程總反應式：

NH₄^-+1.83O₂+1.98HCO₃→0.021C₅H₇O₂N+0.98NO₃^-+1.04H₂O+1.884H₂CO₃

通過上述反應過程的物料衡算可知,，在硝化反應過程中，將1g氨氮氧化為硝酸鹽氮需好氧4.57g（其中亞硝化反應需耗氧3.43克,，硝化反應耗氧量為1.14克）,，同時約需耗7.14g重碳酸鹽（以CaCO₃計）堿度。

在硝化反應過程中,，氮元素的轉(zhuǎn)化經(jīng)歷了以下幾個過程：

氨離子NH₄^-→羥胺NH₂OH→硝�,；鵑OH→亞硝酸鹽NO₂^-→硝酸鹽NO₃^-

反硝化反應過程：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氣而從污水中逸出,，從而達到除氮的目的,。

反硝化是將硝化反應過程中產(chǎn)生的硝酸鹽和亞硝酸鹽還原成氮氣的過程，反硝化菌是一類化能異養(yǎng)兼性缺氧型微生物,。當有分子態(tài)氧存在時,，反硝化菌氧化分解有機物，利用分子氧作為較終電子受體,，當無分子態(tài)氧存在時,，反硝化細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須在缺氧條件下進行,。從NO₃^-還原為N₂的過程如下：

NO₃^- → NO₂^- → NO → N₂O → N₂

反硝化過程中，反硝化菌需要有機碳源（如碳水化合物,、醇類,、有機酸類）作為電子供體，利用NO₃^- 中的氧進行缺氧呼吸,。其反應過程可以簡單用下式表示：

NO₃^- + 4H(電子供體有機物) → 1/2N₂ + H₂O + 2OH^-

NO₂^- + 3H(電子供體有機物) → 1/2N₂ + H₂O + OH^-

污水中含碳有機物作為反硝化反應過程中的電子供體,。通過上述反應過程的物料衡算可知，每轉(zhuǎn)化1gNO₂^-為N₂時,，需有機物（以BOD表示）1.71g；每轉(zhuǎn)化1gNO₃^-為N₂時,，需有機物（以BOD表示）2.86g,。同時產(chǎn)生3.57g重碳酸鹽堿度（以CaCO3計）。

如果污水中含有溶解氧,，為使反硝化完全,，所需碳源有機物（以BOD表示）用下式計算：

C=2.86N_i + 1.71N₀ + DO₀

其中：

C — 反硝化過程有機物需要量(以BOD表示)，mg/ L,；

N_i — 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物濃度不足時,，應補充投加易于生物降解的碳源有機物（甲醇、乙醇或糖類）,。

以甲醇為例,，則:

NO₃^-+1.08CH₃OH+0.24H₂CO₃→0.056C₅H₇O₂N+0.47N₂↑+1.68H₂O+HCO₃^-

如果水中有NO₂^-,則會發(fā)生下述反應：

NO₂^-+0.67CH₃OH+0.53H₂CO³→0.04C₅H₇O₂N+0.48N₂↑+1.23H₂O+HCO₃^-

由上式可見，每還原1gNO₂^-和1gNO₃^-分別需要消耗甲醇1.53g和2.47g,。

當水中有溶解氧存在時,，氧消耗甲醇的反應式為：

O₂+0.93CH₃OH+0.056NO₃^-→0.056C₅H₇O₂N+1.64H₂O+0.056HCO₃^-+0.59H₂CO₃

綜上所述，可得反硝化過程需要有機碳源（甲醇）的投加量公式為：

C_m=2.47N_i+1.53N₀+DO₀

其中：

C_m — 反硝化過程中需要的甲醇濃度（mg/L）

其余符號同上

綜上所述,，硝化反應每氧化1g氨氮耗氧4.57g,，消耗堿度7.14g，表現(xiàn)為pH值下降,。在反硝化過程中,，去除硝酸鹽氮的同時去除碳源，這部分碳源折合DO 2.6g,，另外,，反硝化過程中補償堿度3.57g,。所以，全程硝化反硝化過程需要消耗3.57g堿度,。

而當污水中的堿度不足而TKN負荷又較高時,，便會耗盡污水中的堿度，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)順利進行的前提,。而要準確控制pH,，則必須向污水中加堿。

在實際工程應用中,，對于典型的城市污水,，進水中NH₃-N濃度一般為20～40mg/L（TKN約50～60mg/L），堿度約200mg/L(以Na₂CO₃計)左右,。

2,、堿度投加量的計算

1、一般來說,，在硝化反應中每硝化1gNH₃-N需要消耗7.14g堿度,，所以硝化過程中需要的堿度量可按下式計算：

堿度＝7.14×QΔCNH₃-N×10^-3 (1)

式中：

Q — 進水的日平均污水量,，m³/d,；

ΔCNH₃-N — 進出水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、對于含氨氮濃度較高的工業(yè)廢水,，通常需要補充堿度才能使硝化反應器內(nèi)的pH值維持在7.2～8.0之間,。計算公式如下：

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、實際工程中進行堿度核算應考慮以下幾部分：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，以及混合液中應保持的剩余堿度,。要使生物硝化順利進行,，必須滿足下式：

ALKw＋ALKc＞ALKN＋ALKE （3）

如果堿度不足,，要使硝化順利進行，則必須投加純堿,，補充堿度,。投加的堿量可按下式計算：

ΔALK＝（ALKN＋ALKE）－（ALKw＋ALKc） （4）

式中：

ΔALK — 系統(tǒng)應補充的堿度，mg／L,；

ALKN — 生物硝化消耗的堿量,；ALKN一般按硝化1kgNH₃-N消耗7.14kg堿計算。

ALKE — 混合液中應保持的堿量,，ALKE一般按曝氣池排出的混合液中剩余50mg/L堿度(以Na₂CO₃計)計算,。

ALKw — 原污水中的總堿量；

ALKc — BOD₅分解過程中產(chǎn)生的堿量,；ALKc與系統(tǒng)的SRT有關系：當SRT＞20d時,，可按降解每千克BOD₅產(chǎn)堿0.1kg計算；當SRT＝10～20d時,，按0.05kgALKc/kgBOD₅；當SRT＜10d時,，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,。

對于價格來說,，氫氧化鈉較貴，氫氧化鈣較低,；對于堿度來說,，氫氧化鈉較強，碳酸鈉較低,；對于產(chǎn)泥量來說,，氫氧化鈣會產(chǎn)生大量的污泥，氫氧化鈉和碳酸鈉無（極少）多余污泥產(chǎn)生,；對于危險性來說,，氫氧化鈉屬于危化品,，堿性太強,，危險性較大，管理及運輸上要求較高,，氫氧化鈣及碳酸鈉不屬于w化品,，堿性較弱,，w險性較小。

對于堿的選擇,，需要根據(jù)實際要求,，有些污水廠因為成本原因使用氫氧化鈣，有些因為工藝需要選擇氫氧化鈉,，所以,，堿沒有貴賤之分，只有適不適合自己,。

三,、實例計算

如前所述，硝化反應中每消耗1g氨氮要消耗堿度7.14g,。一般污水尤其是工業(yè)污水對于硝化反應來說,，堿度往往是不夠的，因此應投加必要的堿量以維持適宜的pH值,，保證硝化反應的正常進行,。

某處理廠采用脫氮工藝，日處理污水10000m³/d,。來水水中：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，試計算投堿量,？

解：

每日進水堿度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計算）

ALKN＝(0.05－0.005)×10⁴×7.14＝3213kg/d（按1kgNH₃-N消耗7.14kg堿計算）

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,，抑制硝化進行，出水NH₃-N超標,。如果外加堿源,，則投堿量為：

ΔALK＝3313－2683＝630kg/d

即每天需向來水中投加堿源630kg，具體可根據(jù)純堿的有效成分,，換算出純堿的投加量,。