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(qiáng),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(bǔ)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(qiáng)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(bǔ)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�;鵑OH→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?dú)舛鴱奈鬯幸莩觯瑥亩_(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?dú)獾倪^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(jī)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(jī)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(jī)碳源(如碳水化合物、醇類、有機(jī)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(jī)物) → 1/2N2 + H2O + 2OH-
NO2- + 3H(電子供體有機(jī)物) → 1/2N2 + H2O + OH-
污水中含碳有機(jī)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(jī)物(以BOD表示)1.71g;每轉(zhuǎn)化1gNO3-為N2時,需有機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)物濃度不足時,應(yīng)補(bǔ)充投加易于生物降解的碳源有機(jī)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(jī)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(bǔ)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(shí)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(bǔ)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(shí)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(bǔ)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(bǔ)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(qiáng),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�;罚瑝A性太強(qiáng),危險性較大,管理及運(yùn)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(shí)際要求,有些污水廠因?yàn)槌杀驹蚴褂脷溲趸},有些因?yàn)楣に囆枰x擇氫氧化鈉,所以,堿沒有貴賤之分,只有適不適合自己。
三、實(shí)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。