污水处理工程中投加各类化学药剂的加药设计

城镇污水、工业废水乃至垃圾渗滤液处理过程中通常需要投加各类化学药剂，如针对 C／N比值较低 、TN排放要求高的城镇污水，为维持较好的反硝化效果 ，确保TN达标，常需在反硝化段投加碳源 ；垃圾填埋场渗滤液、煤化工废水等氨氮浓度较高 ，在生物脱氮过程中由于碱度的大量消耗 ，削弱污水缓冲能力，造成 pH下降，影响微生物生存环境。因此，工程设计需考虑碱度补充措施，对于TP排放要求较高的城镇污水处理厂，常采用辅助除磷化学法等。

加药是系统稳定运行、出水水质达标的关键 ，目前国内尚没有这方面的设计标准。本文根据工程设计经验，对污水处理过程中的加药设计进行总结。

一、碳源投加设计

1.碳源投加衡量指标

反硝化过程的反应式见下图

 

 

由于污水中氮主要以硝酸盐氮形式存在 ，NO2-可忽略不计 ，污水脱氮处理按 BOD5／TN=3衡量碳源是否充足。一般认为，当污水中 BOD5／TN> 3时 ，即认为碳源充足 ，勿需外加碳源；当污水中碳 、氮比过低 ，BOD5／TN< 3，需投加有机碳源，现大多采用甲醇 (CH3OH)，因它被分解后的产物为CO2和 H2O，不留任何难降解的中间产物，且反硝化速率高 。

2.反硝化所需碳源量

在反硝化过程中，硝酸氮通过反硝化菌的代谢活动有同化反硝化和异化反硝化2种转化途径 ，其最终产物分别是有机氮化合物和气态氮 ，前者为菌体组成部分 ，后者排入大气。

当污水中缺乏有机物时，则无机物如氢、Na2S等可作为反硝化反应的电子供体 ，微生物则通过消耗自身的原生质进行内源反硝化。内源反硝化将导致细胞物质的减少 ，同时还生成 NH3，因此 ，不能让内源反硝化占主导地位 ，应向污水中提供必需的有机碳源。

 

由于 NO2-极不稳定 ，易转换为 NO3-，污水初始 DO浓度较低，甲醇投加量计算时将 NO2-和 DO忽略不计 ，可简化甲醇投加量公式。 [见式 (2)]

 

3.碳源投加计算实例

以某生活垃圾填埋场渗滤液处理工程 的水质为例 ，计算所需碳源投加量。渗滤液设计水量为1300 m?／d， 设计进水及 MBR生反池设计出水水质见 表 1。

 

1)碳源投加量计算过程。当 BOD ：TN=2．16< 3，工程需投加碳源。按 BOD ：TN=3考虑，进水 BOD对应的TN量为 3 000 mg／L。需外加碳源的反硝化去除 TN量 ：DN：1．16 kg／m?。外加碳源为 CH3 OH，还原 1 g硝氮所需碳源为 2．47 g，则每立方渗滤液需碳源投加量 ：DN×2．47=2．87 kg／m? 。每天 CH OH的投加量为 3 731 kg。

2)碳源的储存及投加。甲醇的原液密度为0．791 g／mL，储存采用全地下式不锈钢罐 (304 L)，尺寸为直径3．8 m×6．0 m，有效容积为 65m?，储存天数为 13．8 d。甲醇每天投加体积为4717L，配备2台不锈钢隔膜计量泵，1用 1备，单泵流量Q=200L/h，H=70m，N=0．75kW。甲醇输送管道采用不锈钢 SS316L，丝扣连接。
二、碱度补充设计

污水中的碱度主要是由重碳酸盐、碳酸盐和氢氧化物引起的，其中重碳酸盐是污水中碱度的主要形式 。

1. 生物脱氮过程中碱度的变化

生物脱氮是利用自然界氮的循环原理，采用人工方法予以控制。首先，污水中的含氮有机物转化成氨氮，在好氧条件下，由硝化菌作用变成硝酸盐氮，这阶段称为好氧硝化。随后在缺氧条件下，由反硝化菌作用，外加碳源提供能量，使硝酸盐氮变成氮气逸出，这阶段称为缺氧反硝化(见图 1)。

1)硝化过程。在硝化菌和反硝化菌对NH4+进行氧化代谢的同时，硝化菌细胞也在合成 ，但合成所需的碱度极少。因此 ，在碱度变化计算中可不考虑这部分碱度的消耗。

 

在硝化过程中，1 mol原子氮氧化成硝酸盐氮 ，需2 mo1分子氧 ，即 1 g氮完成硝化反应 ，需氧4．57 g。为保持适宜的pH值 ，1 g氨态氮(以N计 )完全硝化 ，需消耗碱度 (以 CaCO3 计 )7．14 g。因 此， 氧 化 1 mol NH3-N(以 N计 )消 耗2 mol O2，消耗 1mol碱度 (以 CaCO3计 )。
2)反硝化过程。

 

2．常用碱性物质

碱度补充可以通过投加石灰、氢氧化钠、碳酸钠或碳酸氢钠等碱性物质。一般来说 ，石灰和氢氧化钠调节废水碱度的效果要优于碳酸钠和碳酸氢钠，对于 MBR膜生物反应器 ，碱度补充不宜采用石灰。

3. 碱度投加计算实例

以某工业废水处理厂为例计算碱度投加过程(投加药剂为氢氧化钠，其他药剂可根据碱度当量进行换算 )，该厂设计规模 Q=5万 In ／d，设计进、出水水质见表 2。

 

根据前述生物脱氮过程中碱度变化的分析可知 ，硝化过程需要 消耗碱度 ，1 mg氨氮硝化为1 mg硝酸盐氮要消耗 7．14 mg碱度 (以 CaCO3计 ，下同 )，反硝化过程中，1 mg硝酸盐氮或亚硝酸盐氮还原为氮气可生成 3．57 mg碱度。生物反应池的碱度一般应 ≥ 70 mg／L。如果进水 TN较高 ，碱度较低 ，硝化将造成碱度过低 ，使硝化反应难以进行。为维持硝化反应正常进行 ，工程设计必须考虑碱度补充措施。碱度补充计算说明如下。

1)加碱量

以生化阶段完全硝化计。硝化后混合液的碱度见式 (3)～式 (5)。

 

以进水碱度 200 mg／L、最低碱度 70 mg／L计，则需补充 碱度 767．98 mg／L。

拟投加 NaOH，则 NaOH投加 量为 614．38 mg／L。NaOH饱和溶液浓度为 50％，采用 NaOH固体溶解发热量大，现场制备困难。市售 NaOH溶液浓度一般在30％左右。则本工程每天所需 30％的氢氧化钠原液为 102．40t，体积为 76．99m?(密度 1．33 g／mL)。

2)加碱溶液泵。

对于NaOH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。按10％ 的稀溶液投加，则每天需投加的氢氧化钠稀溶液为 307．19 t，体积为 276．75 m?。(密度 1．11 g／mL ）。设置 3台 NaOH溶液投加泵 ，2用 1备，则每台泵的流量为 5．8 m?／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 20～50m。NaOH为强碱性溶液，要求加药泵耐碱度腐蚀性强，一般采用全塑泵 ，如 IH型标准化工泵。

三、化学除磷加药设计

1.化学除磷药剂

化学除磷药剂有铁盐 、铝盐及钙盐，聚合硫酸铝、聚合铝化铝等。实际工程应用中选用铁盐、铝盐较为普遍。投加 Ca(OH)2／CaO产泥量大，后续处理处置困难 ，对于大规模的污水处理厂往往不予推荐。

以除磷为目的的铁盐、铝盐 投加量一般 为1.5 -3.0 mol金属盐 ／mol磷去除。若同时配合使用 PAM (投加量为 O.5—2.0 mg／L)，产生的污泥比单独采用混凝剂生成的污泥结构更紧密，沉降性能更好，减少混凝剂的投加量。
2 化学除磷计算实例

以某污水处理厂工程为例，计算化学除磷加药量和污泥产量。该厂设计规模为 15万m?／d，设计进 、出水水质见表 3，化学除磷拟采用硫酸铝。

1) 化学除磷量。根据微生物增殖营养需求，按 C ：N ：P=100 ：5 ：1计 ，则微生物生物除磷量约为 1．7 mg／L，化学除磷量为 5．8 mg／L。

2)理论投加 量 。从以上基本反应可以看 出 ，采用铝盐或铁盐作为沉淀剂，去除 1mol的磷 ，理论上需要 1mol的铝或铁，根据铝和磷的摩尔质量比 ，可得出铝的理论需用量见式 （6）。

 

3)需用系数。

废水中的碱度 、pH值 、微量元素 、配位体等以及 ss的浓度 ，对实际反应产生影响，因此 ，原则上实际需要量应通过实验室确定。根据 GB 50014 -2006《室外排水设计规范》采用铝盐或铁盐时，其投加量与污水中总磷的摩尔比宜为 1．5～3．0。根据文献资料 ，采用硫酸铝除磷时，不同去除铝的需用系数可参考表4。铁盐的需用系数变化一般在 1．6～2．0，典型值为1.8。

 

5)污泥产量。采用石灰、铝盐、铁盐的污泥产生的主要反应见表 5。

 

 

(2)氢氧化铝污泥产量计算 。假定投入的铝除反应生成磷酸铝以外 ，剩余部分反应生成氢氧化铝 ，则氢氧化铝污泥的总产量计算见式 (9)。

四、 结语

随着污水排放标准的不断提高，加药作为保障污水处理厂正常运行、保障出水水质的措施，在工程中的应用越来越普遍。污水处理厂加药设施规模的确定及投加量是基于设计水量和进、出水水质要求 ，实际加药量需根据实际来水水量、水质情况不断地进行优化调整。有条件的污水处理厂可设置在线仪表监测出水水质 ，通过实测出水水质信号反馈控制加药量 。

本文转自中国市政工程2014年第三期，作者为熊建英，文章编号：1004-4655(2014)03-0028-04，只为技术交流，如有侵权，请立即联系删除。