高氮廢水生物脫氮的堿度平衡計(jì)算案例

董 磊，張 欣，陳銀廣，鄭 雄，張 辰

(1.同濟(jì)大學(xué)，上海 200092；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院〈集團(tuán)〉有限公司，上海 200092)

工業(yè)制革廢水、垃圾滲濾液等高氮廢水，在生物脫氮過(guò)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(huán)境導(dǎo)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(tǒng)內(nèi)部的堿度平衡，為保證生物脫氮的正常進(jìn)行，對(duì)無(wú)法滿足堿度平衡的系統(tǒng)需開(kāi)展堿度補(bǔ)充相關(guān)工藝設(shè)計(jì)。

1 生物脫氮過(guò)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(gòu)成。廢水生物脫氮過(guò)程中堿度會(huì)隨反應(yīng)過(guò)程發(fā)生變化[2]。

1.1 硝化過(guò)程的堿度變化

新鮮廢水中的含氮有機(jī)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(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮，然后再轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，反應(yīng)過(guò)程如式(1)～式(3)[2-3]。

(1)

(2)

(3)

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

硝化菌對(duì)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(tǒng)應(yīng)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(guò)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(jī)物(BOD)作為電子供體將硝酸鹽氮還原成氮?dú)?，反?yīng)過(guò)程如式(4)～式(6)[2-3]。

(4)

(5)

(6)

反硝化過(guò)程會(huì)產(chǎn)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(yīng)中各項(xiàng)生化反應(yīng)的特征如表1所示。

由表1可知，生物脫氮硝化過(guò)程消耗堿度，1 mg氨氮硝化產(chǎn)生硝酸鹽氮消耗7.14 mg堿度，1 mg硝酸鹽氮還原為氮?dú)馍蓧A度3.57 mg?？傮w上，1 mg氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)庀膲A度3.57 mg。結(jié)合工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)[1-4]，一般要求生物脫氮系統(tǒng)總堿度不應(yīng)低于70 mg/L。

表1 生物脫氮反應(yīng)過(guò)程各項(xiàng)生化反應(yīng)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(yīng)會(huì)使pH下降，堿度不足，脫氮反應(yīng)難以進(jìn)行。因此，該類廢水處理應(yīng)補(bǔ)充堿度，通過(guò)投加石灰、氫氧化鈉、碳酸鈉或碳酸氫鈉等堿性物質(zhì)調(diào)節(jié)廢水堿度。

2.1 補(bǔ)充堿度計(jì)算

以某工業(yè)園區(qū)制革高氮廢水為例(設(shè)計(jì)規(guī)模為5萬(wàn)m3/d)，計(jì)算堿度投加量。該工業(yè)園區(qū)廢水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)Tab.2 Design Water Quality of Influent and Effluent

生物脫氮硝化后混合液堿度計(jì)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(jì)，下同)，mg/L；

ALK0——進(jìn)水堿度，mg/L；

Nh——需硝化的氨氮濃度，mg/L。

Nh按式(8)計(jì)算。

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

(8)

其中：N——進(jìn)水總氮濃度，以250 mg/L計(jì)；

N0——需反硝化的硝酸鹽濃度，mg/L。

N0按式(9)計(jì)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(jìn)水BOD5濃度，以600 mg/L計(jì)；

Se——出水BOD5濃度，以30 mg/L計(jì)。

為保證最低堿度70 mg/L，則需補(bǔ)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(bǔ)充堿度投加量ALK△=767.98 mg/L。

2.2 原液儲(chǔ)存池計(jì)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(fā)熱量大，現(xiàn)場(chǎng)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(chǔ)存量一般為5～7 d，按7 d計(jì)算，本工程氫氧化鈉原液儲(chǔ)存池有效池容應(yīng)為538.93 m3，設(shè)計(jì)取值550 m3。

2.3 加藥泵計(jì)算

對(duì)于氫氧化鈉溶液的投加，可以投加原液(濃度為30%)，也可以對(duì)原液進(jìn)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(shè)置3臺(tái)加藥泵，2用1備，則每臺(tái)泵的流量為5.8 m3/h，加藥泵揚(yáng)程根據(jù)加藥間-投加點(diǎn)管路系統(tǒng)的走向確定，經(jīng)驗(yàn)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(jì)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(jì)量泵不經(jīng)濟(jì)。同時(shí)，考慮到氫氧化鈉為強(qiáng)堿性溶液，要求加藥泵耐堿腐蝕性強(qiáng)，可供選擇的加藥泵類型有以下3種。

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

(2)IH型標(biāo)準(zhǔn)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(jí)耐腐蝕離心泵，TDF6-10，Q=6 m3/h，H=50 m，N=5.5 kW。

3 結(jié)論

本文分析研究了高氮廢水生物脫氮硝化和反硝化過(guò)程的堿度變化，以某5萬(wàn)m3/d工業(yè)園區(qū)高氮(TN達(dá)250 mg/L)廢水處理工程為例，計(jì)算得到系統(tǒng)需補(bǔ)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(chǔ)存池有效容積為550 m3，共配置3臺(tái)加藥泵，2用1備，每臺(tái)泵流量為5.8 m3/h，并推薦了加藥泵設(shè)備選型。實(shí)際廢水處理工程中生物反應(yīng)池通過(guò)堿度的補(bǔ)充有效保證了脫氮反應(yīng)的正常進(jìn)行，脫氮效率可達(dá)85%以上，為同類高氮廢水生物處理工程設(shè)計(jì)提供了重要參考。