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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），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被轉化成NO₃^--N，會產生部分礦化酸度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，都會經過硝化與反硝化的過程，而這兩者的交替就會出現堿度的變化：

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）參與將氨氮轉化為亞硝酸鹽的反應；硝酸菌（Nitrobacter sp）參與的將亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽的反應，亞硝酸菌和硝酸菌都是化能自養菌，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，氮元素的轉化經歷了以下幾個過程：

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兼性缺氧型微生物。當有分子態氧存在時，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，每轉化1gNO₂^-為N₂時，需有機物（以BOD表示）1.71g；每轉化1gNO₃^-為N₂時，需有機物（以BOD表示）2.86g。同時產生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，kg堿度/kgNH₃-N。

2、對于含氨氮濃度較高的工業廢水，通常需要補充堿度才能使硝化反應器內的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，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分解過程中產生的堿量；ALKc與系統的SRT有關系：當SRT＞20d時，可按降解每千克BOD₅產堿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；對于產泥量來說，氫氧化鈣會產生大量的污泥，氫氧化鈉和碳酸鈉無（極少）多余污泥產生；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，該硝化系統內堿源不足。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，具體可根據純堿的有效成分，換算出純堿的投加量。