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(xì)菌對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，硝化過程迅速。
當(dāng)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(guān)系可知，NH3的濃度會迅速增加。由于硝化菌對NH3極敏感，結(jié)果會影響到硝化作用速率。
在酸性條件下，當(dāng)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(jìn)水堿度不高。二是進(jìn)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(dāng)污水中的堿度不足而TKN負(fù)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(yīng)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(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，則向污水中加堿。應(yīng)進(jìn)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(yīng)過程：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NH3、NH4+、或NO2-的氧化還原反應(yīng)獲得能量。硝化反應(yīng)過程需要在好氧（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
硝化過程總反應(yīng)式：
NH4-+1.83O2+1.98HCO3→0.021C5H7O2N+0.98NO3-+1.04H2O+1.884H2CO3
通過上述反應(yīng)過程的物料衡算可知，在硝化反應(yīng)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(yīng)需耗氧3.43克，硝化反應(yīng)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(yīng)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→硝酰基NOH→亞硝酸鹽NO2-→硝酸鹽NO3-
反硝化反應(yīng)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(dá)到除氮的目的。
反硝化是將硝化反應(yīng)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(dāng)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(dāng)無分子態(tài)氧存在時，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(jìn)行缺氧呼吸。其反應(yīng)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(yīng)過程中的電子供體。通過上述反應(yīng)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=2.86Ni + 1.71N0 + DO0
其中：
C — 反硝化過程有機物需要量(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物濃度不足時，應(yīng)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(yīng)：
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(dāng)水中有溶解氧存在時，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，可得反硝化過程需要有機碳源（甲醇）的投加量公式為：
Cm=2.47Ni+1.53N0+DO0
其中：
Cm — 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(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(dāng)污水中的堿度不足而TKN負(fù)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(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。
在實際工程應(yīng)用中，對于典型的城市污水，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)左右。
2、堿度投加量的計算
1、一般來說，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(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(yīng)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(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(yīng)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(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)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(guān)系：當(dāng)SRT＞20d時，可按降解每千克BOD5產(chǎn)堿0.1kg計算；當(dāng)SRT＝10～20d時，按0.05kgALKc/kgBOD5；當(dāng)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(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)污水對于硝化反應(yīng)來說，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(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(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。
