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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(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(dāng)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(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)順利進行的前提。

而要準確控制pH，pH＜6.5時，則向污水中加堿。應(yīng)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(yīng)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(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、CO₃^2-、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(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=2.86N_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(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：

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(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(yīng)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(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(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(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(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。