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污水生(sheng)化處理(li)堿度(du)的投加量計(ji)算及案例計(ji)算

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 一、pH對硝化(hua)的影響

pH值酸堿度(du)是影響硝(xiao)化(hua)(hua)作用的重要因素(su)。硝(xiao)化(hua)(hua)細菌對(dui)pH反(fan)應(ying)很敏感，在pH中性或(huo)微(wei)堿性條件(jian)下（pH為8～9的范圍內），其生物活性強，硝(xiao)化(hua)(hua)過程迅速。

當pH＞9.6或＜6.0時，硝化菌的(de)生物活(huo)性將(jiang)受(shou)到(dao)抑制并趨于停止。

若pH＞9.6時，雖然NH₄^＋ 轉化為NO₂^- 和(he)NO₃^- 的(de)過(guo)程仍然異常(chang)迅速，但是從(cong)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(gan)，結果會影(ying)響(xiang)到硝化作(zuo)用速率。

在酸(suan)性條件下，當pH＜7.0時(shi)(shi)硝化(hua)(hua)作(zuo)(zuo)用速度(du)減慢(man)(man)，pH＜6.5硝化(hua)(hua)作(zuo)(zuo)用速度(du)顯(xian)著減慢(man)(man)，硝化(hua)(hua)速率將明顯(xian)下降。pH＜5.0時(shi)(shi)硝化(hua)(hua)作(zuo)(zuo)用速率接(jie)近零(ling)。

pH下(xia)降的原(yuan)因(yin)：

pH下降的原因有(you)兩個，一是進(jin)水(shui)堿(jian)度(du)(du)不(bu)高。二是進(jin)水(shui)碳源不(bu)足，無法補(bu)充硝化消(xiao)耗的一半(ban)的堿(jian)度(du)(du)。

由硝化方(fang)程式可知，隨(sui)著NH₃-N被(bei)轉化(hua)成NO₃^--N，會(hui)產生部分(fen)礦(kuang)化酸度H⁺，這部(bu)分酸度(du)將消耗部(bu)分堿度(du)，每克NH₃-N轉化成NO₃^--N約消耗7.14g堿度(以CaCO₃計)。因而當污水(shui)(shui)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)堿度不(bu)足而TKN負荷又較高(gao)時，便會(hui)耗(hao)盡污水(shui)(shui)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)堿度，使混合液中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)pH值(zhi)降低至7.0以下，使硝化速率降低或受到抑(yi)制(zhi)。

如果無強酸排入，正常的(de)城(cheng)市污水(shui)應該是偏堿性的(de)，即pH一般都(dou)大(da)于7.0，此時的pH則主要取決于入流污水中(zhong)堿度的大(da)小。

所以，在(zai)生(sheng)物硝(xiao)化反(fan)應器中，應盡(jin)量控(kong)制混合液pH＞7.0，制pH＞7.0，是(shi)生物硝化系統順利進行的前(qian)提。

而要準(zhun)確控制(zhi)pH，pH＜6.5時，則向污水中加堿(jian)。應進(jin)行堿(jian)度核算(suan)。

1、為什么需要補充堿度？

在脫(tuo)氮工藝中，都會經(jing)過硝化與(yu)反硝化的過程，而這兩者的交(jiao)替(ti)就會出現堿度的變(bian)化：

硝化(hua)反應過程：在(zai)有(you)氧(yang)(yang)條件下，氨氮被(bei)硝(xiao)化(hua)細(xi)菌(jun)(jun)所(suo)氧(yang)(yang)化(hua)成為亞硝(xiao)酸鹽(yan)和硝(xiao)酸鹽(yan)。他包括兩個基本反(fan)應步驟：由亞硝(xiao)酸菌(jun)(jun)（Nitrosomonas sp）參與(yu)將氨氮轉(zhuan)化(hua)為(wei)亞硝(xiao)(xiao)酸鹽的反(fan)(fan)應；硝(xiao)(xiao)酸菌(jun)（Nitrobacter sp）參與(yu)的將亞硝(xiao)(xiao)酸鹽轉(zhuan)化(hua)為(wei)硝(xiao)(xiao)酸鹽的反(fan)(fan)應，亞硝(xiao)(xiao)酸菌(jun)和硝(xiao)(xiao)酸菌(jun)都是(shi)化(hua)能自養菌(jun)，它們利用CO₂、CO₃^2-、HCO₃^-等作為碳源(yuan)，通過NH₃、NH₄⁺、或NO₂^-的氧化還原反(fan)應(ying)獲得能(neng)量(liang)。硝化反(fan)應(ying)過程需(xu)要(yao)在好氧（Aerobic或(huo)Oxic）條件下進行，并(bing)以氧(yang)做(zuo)為電子受體(ti)，氮(dan)元素做(zuo)為電子供(gong)體(ti)。其相(xiang)應(ying)的(de)反應(ying)式為：

亞硝化反應方(fang)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(shang)述反(fan)應過程的(de)物料衡算可(ke)知，在(zai)硝化反(fan)應過程中，將1g氨氮(dan)氧化(hua)(hua)為(wei)硝(xiao)酸(suan)(suan)鹽(yan)氮(dan)需好(hao)氧4.57g（其中亞硝(xiao)化(hua)(hua)反應需耗氧3.43克，硝(xiao)化(hua)(hua)反應耗氧量為(wei)1.14克），同時(shi)約需耗7.14g重碳酸(suan)(suan)鹽(yan)（以CaCO₃計）堿度。

在(zai)硝化(hua)反應過程中，氮元素的(de)轉化(hua)經(jing)歷了以(yi)下幾個(ge)過程：

氨(an)離子NH₄^-→羥(qian)胺NH₂OH→硝酰基NOH→亞硝酸(suan)鹽NO₂^-→硝酸鹽NO₃^-

反硝化反應過程：在缺氧條件下，利用反硝(xiao)(xiao)化菌將亞硝(xiao)(xiao)酸鹽和(he)硝(xiao)(xiao)酸鹽還原為氮氣而(er)(er)從(cong)污水中(zhong)逸(yi)出，從(cong)而(er)(er)達(da)到(dao)除氮的目的。

反(fan)硝化(hua)是將硝化(hua)反(fan)應過程中產生的硝酸鹽(yan)和亞硝酸鹽(yan)還原成氮(dan)氣的過程，反(fan)硝化(hua)菌是一類(lei)化(hua)能異養兼性缺氧(yang)型微生物。當有(you)分子(zi)(zi)態氧(yang)存(cun)在(zai)時，反(fan)硝化(hua)菌氧(yang)化(hua)分解(jie)有(you)機(ji)物，利用分子(zi)(zi)氧(yang)作為較終電子(zi)(zi)受體(ti)，當無分子(zi)(zi)態氧(yang)存(cun)在(zai)時，反(fan)硝化(hua)細菌利用硝酸鹽(yan)和亞硝酸鹽(yan)中的N₃⁺和N₅⁺做為電子受體(ti)，O₂^-作為受氫體生成水和OH^-堿度(du)，有機物則(ze)作為碳源(yuan)提供(gong)電子供(gong)體提供(gong)能(neng)量并得到氧(yang)化(hua)穩定，由此可知反硝(xiao)化(hua)反應(ying)須在缺氧(yang)條件下進行。從NO₃^-還原(yuan)為(wei)N₂的過程如下：

NO₃^- → NO₂^- → NO → N₂O → N₂

反(fan)硝化過(guo)程中，反(fan)硝化菌需(xu)要有機(ji)碳(tan)源（如碳(tan)水化合物、醇類(lei)、有機(ji)酸類(lei)）作為電子供體，利用NO₃^- 中的(de)氧進(jin)行缺氧呼吸(xi)。其反應過程可以簡單(dan)用下(xia)式表示：

NO₃^- + 4H(電子供(gong)體(ti)有(you)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(fan)硝化(hua)反(fan)應過程(cheng)中的(de)電子供體。通過上(shang)述反(fan)應過程(cheng)的(de)物料衡(heng)算可知(zhi)，每轉化(hua)1gNO₂^-為N₂時，需有機物（以BOD表示）1.71g；每轉(zhuan)化(hua)1gNO₃^-為N₂時，需有機物(wu)（以BOD表示）2.86g。同時產生3.57g重碳酸(suan)鹽(yan)堿(jian)度（以CaCO3計）。

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

C=2.86N_i + 1.71N₀ + DO₀

其中：

C — 反硝化過程有機物需(xu)要(yao)量(以BOD表示)，mg/ L；

N_i — 初始(shi)硝酸鹽(yan)氮(dan)濃度，mg/L；

N₀ — 初始亞硝酸鹽氮濃度，mg/L；

DO₀ — 初(chu)始(shi)溶解(jie)氧濃度，mg/L。

如果污水中碳(tan)源有機物(wu)濃度不足時，應補充投加易于生物(wu)降解(jie)的(de)碳(tan)源有機物(wu)（甲醇、乙醇或(huo)糖類(lei)）。

以(yi)甲(jia)醇為(wei)例，則:

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

如果(guo)水中有(you)NO₂^-,則會(hui)發生下述(shu)反(fan)應(ying)：

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

由上式(shi)可(ke)見，每還原1gNO₂^-和1gNO₃^-分別需要消耗甲醇1.53g和(he)2.47g。

當水中有(you)溶解氧存在時，氧消耗甲醇(chun)的反應(ying)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(ji)碳(tan)源（甲醇）的投加量(liang)公式為(wei)：

C_m=2.47N_i+1.53N₀+DO₀

其(qi)中：

C_m — 反硝化過程中需(xu)要(yao)的甲醇(chun)濃度（mg/L）

其(qi)余(yu)符號(hao)同(tong)上

綜上所述，硝化反(fan)應(ying)每氧化1g氨(an)氮(dan)耗氧4.57g，消耗堿(jian)度7.14g，表現為(wei)pH值下降。在反(fan)硝(xiao)化(hua)(hua)(hua)過程(cheng)中，去(qu)除硝(xiao)酸鹽氮(dan)的同時去(qu)除碳源(yuan)，這部分(fen)碳源(yuan)折合DO 2.6g，另外，反(fan)硝(xiao)化(hua)(hua)(hua)過程(cheng)中補(bu)償堿(jian)度3.57g。所(suo)以，全程(cheng)硝(xiao)化(hua)(hua)(hua)反(fan)硝(xiao)化(hua)(hua)(hua)過程(cheng)需要(yao)消耗3.57g堿(jian)度。

而(er)當污水(shui)中(zhong)的堿度不足而(er)TKN負荷又較高時，便(bian)會(hui)耗盡污水中(zhong)的堿度(du)，使混合液中(zhong)的pH值降低至(zhi)7.0以下，使硝化速率降低或(huo)受到抑制。

所以，在生物硝化脫氮(dan)中，應盡(jin)量控制混(hun)合液pH＞7.0，制(zhi)pH＞7.0，是生物硝化系統(tong)順利(li)進行的前提。而(er)要準(zhun)確控制(zhi)pH，則必須向(xiang)污水中加堿(jian)。

在實(shi)際工程應用(yong)中，對于典型的城市污(wu)水，進(jin)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(ji))左右(you)。

2、堿度投加(jia)量(liang)的計算

1、一般來(lai)說(shuo)，在(zai)硝化反應中每硝化1gNH₃-N需(xu)(xu)要消耗(hao)7.14g堿度，所以硝(xiao)化過程(cheng)中需(xu)(xu)要的堿度量可(ke)按下式計算(suan)：

堿度＝7.14×QΔCNH₃-N×10^-3 (1)

式中：

Q — 進水(shui)的(de)日(ri)平均污水(shui)量，m³/d；

ΔCNH₃-N — 進出水NH₃-N濃度的差(cha)值，mg/L；

7.14 — 硝化需堿量系數，kg堿度/kgNH₃-N。

2、對于含氨(an)氮(dan)濃(nong)度(du)較高(gao)的工業廢水(shui)，通(tong)常需要補充堿度(du)才能使(shi)硝化反(fan)應器內的pH值維持在7.2～8.0之間。計(ji)算公(gong)式如下(xia)：

堿度＝K×7.14×QΔCNH₃-N×10^-3 (2)

式(shi)中(zhong)，K為安全系數，一般(ban)為1.2～1.3。

3、實際工程中(zhong)進(jin)行(xing)堿(jian)度(du)核算應考慮以下(xia)幾(ji)部分：入流污水中(zhong)的堿(jian)度(du)，生物硝化消(xiao)耗(hao)的堿(jian)度(du)，分解(jie)BOD₅產生(sheng)的堿(jian)(jian)度(du)，以及混合液中應保持的剩余堿(jian)(jian)度(du)。要使(shi)生(sheng)物硝(xiao)化(hua)順利進(jin)行，必(bi)須(xu)滿足下式：

ALKw＋ALKc＞ALKN＋ALKE （3）

如果堿度(du)不足，要使硝化順利(li)進(jin)行，則必須投(tou)加(jia)純堿，補充堿度(du)。投(tou)加(jia)的堿量可按(an)下式計(ji)算：

ΔALK＝（ALKN＋ALKE）－（ALKw＋ALKc） （4）

式中：

ΔALK — 系(xi)統應(ying)補充的堿(jian)度，mg／L；

ALKN — 生物硝化消耗的堿(jian)量；ALKN一(yi)般按硝化1kgNH₃-N消耗7.14kg堿計算。

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

ALKw — 原污(wu)水中的總堿量；

ALKc — BOD₅分解(jie)過程中產生(sheng)的堿量；ALKc與(yu)系統(tong)的SRT有關系：當SRT＞20d時(shi)，可按降(jiang)解每千克(ke)BOD₅產堿(jian)0.1kg計算；當SRT＝10～20d時，按0.05kgALKc/kgBOD₅；當SRT＜10d時(shi)，按(an)0.01gALKc/kgBOD₅。

3、堿的選擇

污(wu)水處理使用的堿(jian)藥劑(ji)，一般有石灰（氫(qing)氧化鈣）、燒堿(jian)（氫(qing)氧化鈉）、純堿(jian)（碳(tan)酸鈉）等。

對于(yu)價格(ge)來(lai)說，氫(qing)(qing)氧化(hua)鈉(na)較貴，氫(qing)(qing)氧化(hua)鈣較低；對于(yu)堿(jian)度來(lai)說，氫(qing)(qing)氧化(hua)鈉(na)較強，碳(tan)酸鈉(na)較低；對于(yu)產泥量(liang)來(lai)說，氫(qing)(qing)氧化(hua)鈣會產生大量(liang)的污泥，氫(qing)(qing)氧化(hua)鈉(na)和(he)碳(tan)酸鈉(na)無（極(ji)少）多(duo)余(yu)污泥產生；對于(yu)危險性(xing)來(lai)說，氫(qing)(qing)氧化(hua)鈉(na)屬于(yu)危化(hua)品，堿(jian)性(xing)太強，危險性(xing)較大，管理及運輸上(shang)要求較高(gao)，氫(qing)(qing)氧化(hua)鈣及碳(tan)酸鈉(na)不屬于(yu)w化(hua)品，堿(jian)性較弱(ruo)，w險性較小。

對于堿的選擇(ze)(ze)，需要根據(ju)實際要求，有(you)些(xie)污水廠因為(wei)成本(ben)原因使用氫氧化(hua)鈣，有(you)些(xie)因為(wei)工(gong)藝(yi)需要選擇(ze)(ze)氫氧化(hua)鈉，所以，堿沒有(you)貴賤之分(fen)，只有(you)適不(bu)適合自己。

三(san)、實例計算

如前所述，硝化反(fan)應中每(mei)消耗(hao)1g氨氮要(yao)消耗堿(jian)度7.14g。一般(ban)污水尤其是工業污水對于硝(xiao)化反應(ying)來說(shuo)，堿(jian)度往(wang)往(wang)是不夠的(de)，因此應(ying)投(tou)加必要(yao)的(de)堿(jian)量(liang)以(yi)維持適宜的(de)pH值(zhi)，保證硝(xiao)化反應(ying)的(de)正常進行。

某(mou)處(chu)理廠采用(yong)脫氮工藝(yi)，日處(chu)理污水10000m³/d。來水水中(zhong)：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(sheng)余堿(jian)度(du)10mg/L（0.01kg/m3）。試(shi)核算(suan)該硝化系統的(de)堿(jian)度(du)，如果堿(jian)度(du)不(bu)足，試(shi)計算(suan)投堿(jian)量？

解：

每日(ri)進水堿(jian)度ALKw＝0.10×10⁴＝1000kg/d

反(fan)硝(xiao)化(hua)ALKc＝(0.05－0.005)×10⁴×3.47＝1683kg/d（反硝化降解(jie)每克BOD₅產堿3.47g計(ji)算）

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

每(mei)日剩(sheng)余堿(jian)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(gai)硝(xiao)化(hua)系(xi)統內堿(jian)源不足(zu)。如(ru)果不外加堿(jian)源，pH將降低，抑(yi)制硝化進行，出水NH₃-N超標。如果(guo)外加堿(jian)源，則投堿(jian)量為：

ΔALK＝3313－2683＝630kg/d

即每天(tian)需向來水(shui)中投加堿源630kg，具體(ti)可根據純堿(jian)的(de)有效(xiao)成分，換算出純堿(jian)的(de)投(tou)加量。