高氮廢水生物脫氮的堿度平衡計算案例

董 磊，張 欣，陳銀廣，鄭 雄，張 辰

(1.同濟大學，上海 200092；2.上海市政工程設計研究總院〈集團〉有限公司，上海 200092)

工業制革廢水、垃圾滲濾液等高氮廢水，在生物脫氮過程中由于堿度的大量消耗削弱了廢水緩沖能力，造成pH下降，影響微生物生存環境導致廢水脫氮效率降低[1-2]。因此，工程中需注重廢水處理系統內部的堿度平衡，為保證生物脫氮的正常進行，對無法滿足堿度平衡的系統需開展堿度補充相關工藝設計。

1 生物脫氮過程的堿度變化

廢水中的堿度主要由重碳酸鹽、碳酸鹽和氫氧化物構成。廢水生物脫氮過程中堿度會隨反應過程發生變化[2]。

1.1 硝化過程的堿度變化

新鮮廢水中的含氮有機物易在氨化菌的作用下分解形成氨氮，氨氮在硝化自氧菌好氧作用下先轉化為亞硝酸鹽氮，然后再轉化為硝酸鹽氮，反應過程如式(1)～式(3)[2-3]。

(1)

(2)

(3)

硝化過程釋放出H+使混合液pH下降。理論上，1 g氨態氮(以N計)完全硝化，需消耗堿度7.14 g(以CaCO3計，下同)。

硝化菌對pH的變化十分敏感，最佳pH值為8.0～8.4，為了保持適宜的pH，硝化系統應具有足夠的堿度，防止pH下降影響硝化菌作用。

1.2 反硝化過程的堿度變化

反硝化是在缺氧條件下，反硝化菌利用硝酸鹽氮中的氧作為電子受體，以污水中的有機物(BOD)作為電子供體將硝酸鹽氮還原成氮氣，反應過程如式(4)～式(6)[2-3]。

(4)

(5)

(6)

反硝化過程會產生堿度。理論上，每還原1 g硝酸鹽氮生成堿度3.57 g。生物脫氮反應中各項生化反應的特征如表1所示。

由表1可知，生物脫氮硝化過程消耗堿度，1 mg氨氮硝化產生硝酸鹽氮消耗7.14 mg堿度，1 mg硝酸鹽氮還原為氮氣生成堿度3.57 mg。總體上，1 mg氨氮轉化為氮氣消耗堿度3.57 mg。結合工程應用經驗和相關文獻[1-4]，一般要求生物脫氮系統總堿度不應低于70 mg/L。

表1 生物脫氮反應過程各項生化反應特征[3]Tab.1 Characteristics of Biochemical Reactions in Biological Denitrification Process[3]

2 堿度平衡及工程案例

如果廢水總氮(TN)較高，原水堿度較低，生化反應會使pH下降，堿度不足，脫氮反應難以進行。因此，該類廢水處理應補充堿度，通過投加石灰、氫氧化鈉、碳酸鈉或碳酸氫鈉等堿性物質調節廢水堿度。

2.1 補充堿度計算

以某工業園區制革高氮廢水為例(設計規模為5萬m3/d)，計算堿度投加量。該工業園區廢水處理廠設計進出水水質如表2所示。

表2 設計進出水水質Tab.2 Design Water Quality of Influent and Effluent

生物脫氮硝化后混合液堿度計算如式(7)[4]。

ALKe=ALK0-7.14Nh+3.57N0+0.1(S0-Se)

(7)

其中：ALKe——出水堿度(以CaCO3計，下同)，mg/L；

ALK0——進水堿度，mg/L；

Nh——需硝化的氨氮濃度，mg/L。

Nh按式(8)計算。

Nh=N-0.05(S0-Se)-2[4]=219.5

(8)

其中：N——進水總氮濃度，以250 mg/L計；

N0——需反硝化的硝酸鹽濃度，mg/L。

N0按式(9)計算[4]。

N0=N-0.05(S0-Se)-Ne=171.5

(9)

其中：Ne——出水總氮濃度，mg/L；

S0——進水BOD5濃度，以600 mg/L計；

Se——出水BOD5濃度，以30 mg/L計。

為保證最低堿度70 mg/L，則需補充堿度投加量ALK△：70=200-7.14×219.5+3.57×171.5+0.1(600-30)+ALK△，得到本工程需補充堿度投加量ALK△=767.98 mg/L。

2.2 原液儲存池計算

本工程擬投加氫氧化鈉，則投加量為：MNaOH=767.98÷100×2×40=614.38 mg/L。

氫氧化鈉飽和溶液濃度為50%，采用氫氧化鈉固體溶解發熱量大，現場制備困難。市售氫氧化鈉溶液濃度一般在30%左右。本工程每天所需30%氫氧化鈉原液為：M30%=MNaOH×Q/30%=102.40t，體積約為77 m3(密度為1.33 g/mL)。

原液儲存量一般為5～7 d，按7 d計算，本工程氫氧化鈉原液儲存池有效池容應為538.93 m3，設計取值550 m3。

2.3 加藥泵計算

對于氫氧化鈉溶液的投加，可以投加原液(濃度為30%)，也可以對原液進行稀釋后投加，稀釋后的溶液濃度一般為10%左右。

本工程按10%的稀溶液投加，則每天需投加的氫氧化鈉稀溶液為：M10%=MNaOH×Q/0.1=307.19 t，體積為276.75 m3(密度為1.11 g/mL)。

擬設置3臺加藥泵，2用1備，則每臺泵的流量為5.8 m3/h，加藥泵揚程根據加藥間-投加點管路系統的走向確定，經驗值一般為30～50 m。

2.4 加藥泵選擇

廢水處理加藥泵通常采用隔膜計量泵或螺桿泵[5-6]。由于本工程氫氧化鈉溶液投加量較大，選用隔膜計量泵不經濟。同時，考慮到氫氧化鈉為強堿性溶液，要求加藥泵耐堿腐蝕性強，可供選擇的加藥泵類型有以下3種。

(1)CQ、BCQ型磁力驅動離心泵，CQ、BCQ40-25-200，Q=6.3 m3/h，H=50 m，N=5.5 kW；

(2)IH型標準化工泵，IH40-25-200，Q=6.3 m3/h，H=30～50 m，N=4 kW；

(3)TDF型高壓多級耐腐蝕離心泵，TDF6-10，Q=6 m3/h，H=50 m，N=5.5 kW。

3 結論

本文分析研究了高氮廢水生物脫氮硝化和反硝化過程的堿度變化，以某5萬m3/d工業園區高氮(TN達250 mg/L)廢水處理工程為例，計算得到系統需補充的堿度投加量為768 mg/L，需要的30%氫氧化鈉原液為77 m3/d，原液儲存池有效容積為550 m3，共配置3臺加藥泵，2用1備，每臺泵流量為5.8 m3/h，并推薦了加藥泵設備選型。實際廢水處理工程中生物反應池通過堿度的補充有效保證了脫氮反應的正常進行，脫氮效率可達85%以上，為同類高氮廢水生物處理工程設計提供了重要參考。