硝化反硝化碱度平衡

污水生物硝化处理工艺pH值控制及碱度核算

污水生物硝化处理工艺pH值控制及碱度核算

一、影响硝化的重要因素

1、pH和碱度对硝化的影响

pH值酸碱度是影响硝化作用的重要因素。硝化细菌对pH反应很敏感，在pH中性或微碱性条件下（pH为8～9的范围内），其生物活性最强，硝化过程迅速。

当pH＞9.6或＜6.0时，硝化菌的生物活性将受到抑制并趋于停止。

若pH＞9.6时，虽然NH4＋转化为NO2—和NO3—的过程仍然异常迅速，但是从NH4的电离平衡关系可知，NH3的浓度会迅速增加。由于硝化菌对NH3极敏感，结果会影响到硝化作用速率。

在酸性条件下，当pH＜7.0时硝化作用速度减慢，pH＜6.5硝化作用速度显著减慢，硝化速率将明显下降。pH＜5.0时硝化作用速率接近零。

pH下降的原因

pH下降的原因可能有两个，一是进水中有强酸排入，导致人流污水pH降低，因而混合液的pH也随之降低。

由硝化方程式可知，随着NH3-N被转化成NO3—-N，会产生部分矿化酸度H+，这部分酸度将消耗部分碱度，每克NH3-N转化成NO3—-N约消耗7.14g碱度(以CaC03计)。因而当污水中的碱度不足而TKN负荷又较高时，便会耗尽污水中的碱度，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。

如果无强酸排人，正常的城市污水应该是偏碱性的，即pH一般都大于7.0，此时的pH 则主要取决于人流污水中碱度的大小。

所以，在生物硝化反应器中，应尽量控制混合液pH＞7.0，制pH＞7.0，是生物硝化系统顺利进行的前提。

而要准确控制pH，pH＜6.5时，则必须向污水中加碱。应进行碱度核算。

2、有机负荷的影响

在采用曝气生物滤池工艺进行硝化除氮时，NH4-N的去除在一定程度上取决于有机负荷。当有机负荷稍高于3.0kgBOD／(m3滤料·d)时，NH3-N的去除受到抑制；当有机负荷高于4.0kgBOD/（m3滤料·d)时，NH3-N的去除受到明显抑制。因此采用曝气生物滤池进行同步除碳和硝化时，必须降低有机负荷。

根据上述分析，在采用曝气生物滤池工艺进行针对去除有机物的工程设计时，首先必须针对处理水类型和排水水质要求选择合适的BOD容积负荷，BOD容积负荷的选取应根据同类型污水处理厂的实际运行数据加以分析后确定，并在设计时留有一定余量。在采用曝气生物滤池进行同步除碳和硝化时，必须降低有机负荷，最好使有机负荷控制在2.0kgBOD／(m3滤料·d)以下。

二、生物滤池硝化需碱量的计算

在硝化过程中需要消耗一定量的碱度，如果污水中没有足够的碱度，硝化反应将导致pH 值的下降，使反应速率减缓，所以硝化反应要顺利进行就必须使污水中的碱度大于硝化所需的碱度。在实际工程应用中，对于典型的城市污水，进水中NH3-N浓度一般为20～40mg ／L（TKN约50～60mg／L），碱度约200mg／L(以Na2CO3计)左右。

1、一般来说，在硝化反应中每硝化lgNH3-N需要消耗7.14g碱度，所以硝化过程中需要的碱度量可按下式计算：

碱度＝7.14×QΔCNH3-N×10-3 (1)

式中：

Q为进入滤池的日平均污水量，m3／d；

ΔCNH3-N为进出滤池NH3-N浓度的差值，mg／L；

7.14为硝化需碱量系数，kg碱度／kgNH3-N。

2、对于含氨氮浓度较高的工业废水，通常需要补充碱度才能使硝化反应器内的pH值维持在7.2～8.0之间。计算公式如下：

碱度＝K×7.14×QΔCNH3-N×10-3 (2)

式中，K为安全系数，一般为1.2～1.3。

3、实际工程中进行碱度核算应考虑以下几部分：入流污水中的碱度，生物硝化消耗的碱度，分解BOD5产生的碱度，以及混合液中应保持的剩余碱度。要使生物硝化顺利进行，必须满足下式：

ALKw＋ALKc＞ALKN＋AlKE （3）如果碱度不足，要使硝化顺利进行，则必须投加纯碱，补充碱度。投加的碱量可按下式计算：

ΔALK＝（ALKN＋ALKE）—（ALKw＋ALKc）（4）式中：ΔALK为系统应补充的碱度，mg／L；

ALKN 为生物硝化消耗的碱量；ALKN一般按硝化每kgNH3-N消耗7.14kg碱计算。

ALKE 为混合液中应保持的碱量，ALKE一般按曝气池排出的混合液中剩余50mg/L碱度(以Na2CO3计)计算。

ALKw 为原污水中的总碱量；

ALKc 为BOD5分解过程中产生的碱量；ALKc与系统的SRT有关系：

当SRT＞20d时，可按降解每千克BOD5产碱0.1kg计算；

当SRT＝10～20d时，按0.05kgALK/kgBOD5；

当SRT＜10d时，按0.01gALK/kgBOD5。

三、【实例计算】如前所述，硝化反应中每消耗1g氨氮要消耗碱度7.14g。一般污水尤其是工业污水对于硝化反应来说，碱度往往是不够的，因此应投加必要的碱量以维持适宜的pH值，保证硝化反应的正常进行。

某处理厂采用曝气生物滤池处理工艺，日处理污水10 000m3/d。

二级来水水中：BOD5＝18mg/L（18g/m3＝0.018kg/m3），NH3-N＝35mg/L，碱度ALKw

＝210mg/L。欲使出水BOD5＜5mg/L，NH3-N＜5mg/L。

试核算该硝化系统的碱度，如果碱度不足，试计算投碱量。

解：ALKw ＝0.21×104＝2100kg/d 进水碱度210mg/L

ALKc ＝(0.018－0.005)×104×0.1＝13kg/d BOD5＝18mg/L 降解每克BOD5产碱0.1g计算

ALKN ＝(0.035－0.005)×104×7.14＝2142 kg/d 按1kgNH3-N消耗7.14kg碱计算

ALKE ＝0.05×104＝500 kg/d 按曝气池排出液中剩余50mg/L碱度计算。

ALKw＋ALKc ＝2100kg/d＋13kg/d = 2113kg/d

ALKN＋ALKE ＝2142 kg/d＋500 kg/d = 2642 kg/d

ALKw＋ALKc ≯ALKN＋ALKE

因此，该硝化系统内碱源不足。如果不外加碱源，pH将降低，抑制硝化进行，出水NH3-N 超标。如果外加碱源，则投碱量为：

ΔALK＝2642—2113＝529 kg/d≈529 kg/d÷40kg/袋≈13袋/天÷3个班≈4袋/班

即每天需向来水中投加碱源529kg，具体可根据纯碱的有效成分，换算出纯碱的投加量。

二级来水再生处理加碱量

二级来水加碱应根据NH3-N含量投加：NH3-N含量在35mg/L左右时按315 L/h投加

NH3-N含量在30mg/L左右时按270 L/h投加

NH3-N含量在25mg/L左右时按225 L/h投加各班人员应该经常检查NH3-N含量和纯碱投加量。

四、而积磷菌、反硝化菌和硝化细菌生长的最佳pH值在中性或弱碱性范围，当pH 值偏离最佳值时，反应速度逐渐下降，碱度起着缓冲作用。污水厂生产实践表明，为使好氧池的pH值维持在中性附近，池中剩余总碱度宜大于70mg/L。每克氨氮氧化成硝态氮需消耗7.14g 碱度，大大消耗了混合液的碱度。反硝化时，还原1g 硝态氮成氮气，理论上可回收3.57g 碱度，此外，去除1g五日生化需氧量可以产生0.3g碱度。出水剩余总碱度可按下式计算，剩余总碱度＝进水总碱度＋0.3×五日生化需氧量去除量＋3×反硝化脱氮量一7.14×硝化氮量，式中3 为美国EPA(美国环境保护署)推荐的还原1g硝态氮可回收3g碱度。由硝化方程式可知，随着NH3-N被转化成NO3—-N，会产生部分矿化酸度H+，这部分酸度将消耗部分碱度，每克NH3-N转化成NO3—-N约消耗7.14g碱度(以CaC03计)。因而当污水中的碱度不足而TKN负荷又较高时，便会耗尽污水中的碱度，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。也就是说它只是个理论值，具体只能通过实验得出了。