高氮废水生物脱氮的碱度平衡计算案例

董 磊，张 欣，陈银广，郑 雄，张 辰

(1.同济大学，上海 200092；2.上海市政工程设计研究总院〈集团〉有限公司，上海 200092)

工业制革废水、垃圾渗滤液等高氮废水，在生物脱氮过程中由于碱度的大量消耗削弱了废水缓冲能力，造成pH下降，影响微生物生存环境导致废水脱氮效率降低[1-2]。因此，工程中需注重废水处理系统内部的碱度平衡，为保证生物脱氮的正常进行，对无法满足碱度平衡的系统需开展碱度补充相关工艺设计。

1 生物脱氮过程的碱度变化

废水中的碱度主要由重碳酸盐、碳酸盐和氢氧化物构成。废水生物脱氮过程中碱度会随反应过程发生变化[2]。

1.1 硝化过程的碱度变化

新鲜废水中的含氮有机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转化为亚硝酸盐氮，然后再转化为硝酸盐氮，反应过程如式(1)～式(3)[2-3]。

(1)

(2)

(3)

硝化过程释放出H+使混合液pH下降。理论上，1 g氨态氮(以N计)完全硝化，需消耗碱度7.14 g(以CaCO3计，下同)。

硝化菌对pH的变化十分敏感，最佳pH值为8.0～8.4，为了保持适宜的pH，硝化系统应具有足够的碱度，防止pH下降影响硝化菌作用。

1.2 反硝化过程的碱度变化

反硝化是在缺氧条件下，反硝化菌利用硝酸盐氮中的氧作为电子受体，以污水中的有机物(BOD)作为电子供体将硝酸盐氮还原成氮气，反应过程如式(4)～式(6)[2-3]。

(4)

(5)

(6)

反硝化过程会产生碱度。理论上，每还原1 g硝酸盐氮生成碱度3.57 g。生物脱氮反应中各项生化反应的特征如表1所示。

由表1可知，生物脱氮硝化过程消耗碱度，1 mg氨氮硝化产生硝酸盐氮消耗7.14 mg碱度，1 mg硝酸盐氮还原为氮气生成碱度3.57 mg。总体上，1 mg氨氮转化为氮气消耗碱度3.57 mg。结合工程应用经验和相关文献[1-4]，一般要求生物脱氮系统总碱度不应低于70 mg/L。

表1 生物脱氮反应过程各项生化反应特征[3]Tab.1 Characteristics of Biochemical Reactions in Biological Denitrification Process[3]

2 碱度平衡及工程案例

如果废水总氮(TN)较高，原水碱度较低，生化反应会使pH下降，碱度不足，脱氮反应难以进行。因此，该类废水处理应补充碱度，通过投加石灰、氢氧化钠、碳酸钠或碳酸氢钠等碱性物质调节废水碱度。

2.1 补充碱度计算

以某工业园区制革高氮废水为例(设计规模为5万m3/d)，计算碱度投加量。该工业园区废水处理厂设计进出水水质如表2所示。

表2 设计进出水水质Tab.2 Design Water Quality of Influent and Effluent

生物脱氮硝化后混合液碱度计算如式(7)[4]。

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

(7)

其中：ALKe——出水碱度(以CaCO3计，下同)，mg/L；

ALK0——进水碱度，mg/L；

Nh——需硝化的氨氮浓度，mg/L。

Nh按式(8)计算。

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

(8)

其中：N——进水总氮浓度，以250 mg/L计；

N0——需反硝化的硝酸盐浓度，mg/L。

N0按式(9)计算[4]。

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

(9)

其中：Ne——出水总氮浓度，mg/L；

S0——进水BOD5浓度，以600 mg/L计；

Se——出水BOD5浓度，以30 mg/L计。

为保证最低碱度70 mg/L，则需补充碱度投加量ALK△：70=200-7.14×219.5+3.57×171.5+0.1(600-30)+ALK△，得到本工程需补充碱度投加量ALK△=767.98 mg/L。

2.2 原液储存池计算

本工程拟投加氢氧化钠，则投加量为：MNaOH=767.98÷100×2×40=614.38 mg/L。

氢氧化钠饱和溶液浓度为50%，采用氢氧化钠固体溶解发热量大，现场制备困难。市售氢氧化钠溶液浓度一般在30%左右。本工程每天所需30%氢氧化钠原液为：M30%=MNaOH×Q/30%=102.40t，体积约为77 m3(密度为1.33 g/mL)。

原液储存量一般为5～7 d，按7 d计算，本工程氢氧化钠原液储存池有效池容应为538.93 m3，设计取值550 m3。

2.3 加药泵计算

对于氢氧化钠溶液的投加，可以投加原液(浓度为30%)，也可以对原液进行稀释后投加，稀释后的溶液浓度一般为10%左右。

本工程按10%的稀溶液投加，则每天需投加的氢氧化钠稀溶液为：M10%=MNaOH×Q/0.1=307.19 t，体积为276.75 m3(密度为1.11 g/mL)。

拟设置3台加药泵，2用1备，则每台泵的流量为5.8 m3/h，加药泵扬程根据加药间-投加点管路系统的走向确定，经验值一般为30～50 m。

2.4 加药泵选择

废水处理加药泵通常采用隔膜计量泵或螺杆泵[5-6]。由于本工程氢氧化钠溶液投加量较大，选用隔膜计量泵不经济。同时，考虑到氢氧化钠为强碱性溶液，要求加药泵耐碱腐蚀性强，可供选择的加药泵类型有以下3种。

(1)CQ、BCQ型磁力驱动离心泵，CQ、BCQ40-25-200，Q=6.3 m3/h，H=50 m，N=5.5 kW；

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

(3)TDF型高压多级耐腐蚀离心泵，TDF6-10，Q=6 m3/h，H=50 m，N=5.5 kW。

3 结论

本文分析研究了高氮废水生物脱氮硝化和反硝化过程的碱度变化，以某5万m3/d工业园区高氮(TN达250 mg/L)废水处理工程为例，计算得到系统需补充的碱度投加量为768 mg/L，需要的30%氢氧化钠原液为77 m3/d，原液储存池有效容积为550 m3，共配置3台加药泵，2用1备，每台泵流量为5.8 m3/h，并推荐了加药泵设备选型。实际废水处理工程中生物反应池通过碱度的补充有效保证了脱氮反应的正常进行，脱氮效率可达85%以上，为同类高氮废水生物处理工程设计提供了重要参考。