污水生化除碳脱氮通俗解析

污水生化除碳脱氮通俗解析

在HJ576-2010《厌氧-缺氧-好氧活性污泥法污水处理工程技术规范》中说明除碳脱氮的需氧量是根据BOD5去除率、氨氮的硝化及除氮的要求来确定的，并给出了如下计算公式，并说明公式中细菌细胞的氧当量c = 1.42、氧化每千克氨氮所需氧量为b = 4.57 kgO2/kgNH₄ -N，有去除氨氮要求时，进水总碱度（以CaCO3计）/氨氮的值宜7.14，不满足时应补碱度。但是，很多读者对此公式及其取值并不理解。本文对污水除碳脱氮的决定因素进行通俗的解析，供水处理人士参考。

通俗来讲：生化过程除碳脱氮的本质是：有机物被氧气氧化消耗氧气；氨氮被硝化时，也会消耗氧气，还会把水里“碱度（碳酸氢根）”吃掉，顺带长出一点点硝化菌的细胞。具体过程如下所述。在污水处理厂，充氧过程是必须的，主要参数有生化需氧量（BOD5）、化学需氧量（CODcr）及氨氧化需氧量。异养菌完成对有机污染物的氧化、硝化细菌完成氨氧化反应（硝化反应）、反硝化过程中硝酸盐和亚硝酸盐又被转化为分子状态的氮（N2）排放到大气里面。反硝化反应的条件是必须存在电子提供者（通常包含在CODcr里）并且氧气含量要低。如果进水的BOD5可以被利用来提供电子，就可以减少污水处理厂总的需氧量。一部分CODcr在进入污水处理厂后会转化成新的生物体，成为剩余活性污泥。其余的CODcr被氧化成CO2，这个过程需要氧气。科学家Hoover和Porges通过研究，发现菌体可以当作物质，用C₅H₇O₂N来表示，那么理论的化学需氧量可以根据以下反应方程式求得。从反应方程式中可见：1 mol的C₅H₇O₂N对应5 mol的O2，1 mol的C₅H₇O₂N质量为113 g、5mol的O₂质量为160 g，即完全氧化113 g微生物需要160 g氧气，那么氧化1 g微生物就需要1.42 g氧气，即HJ576-2010中给出的“细菌细胞的氧当量c = 1.42”。

进水氮化物组分里主要是自由的NH₄ -N和有机氮，它们总称为凯氏氮（TKN）。几乎所有的进水有机氮都被转化成适宜新细胞生长或硝化的NH₄ -N，在不计入硝化菌生长时，硝化反应方程式如下式所示。从反应方程式中可见：2 mol的氧气将1 mol的NH₄ -N氧化为硝酸盐，相当于氧化1 gNH₄ -N需要 4.57 gO2，即HJ576-2010中给出的“氧化每千克氨氮所需氧量为b = 4.57 kgO2/kgNH₄ -N”。

与此同时，反应产生两个H ，这两个H 与污水中的碳酸盐反应，结果，当1 gNH₄ -N被氧化时，将有7.14 g碱度被反应掉，即即HJ576-2010中给出的“进水总碱度（以CaCO3计）/氨氮的值宜7.14”。实际中，硝化菌会少量增长，完整的硝化反应方程式如下式所示。从反应方程式中可见：右边的系数 0.021 表示产出的菌体非常少。换算一下：0.021 mol × 113 g/mol ≈ 2.37 g细胞/mol NH??，也就是约0.17 g细胞/g NH??-N，因为有一小部分氮被装进了细胞，所以被“完全氧化”的氨就少一点，于是单位氮的需氧量略降：从 4.57 kgO?/kgNH₄ -N降到大约4.3 kgO?/kgNH₄ -N。但自养菌生长要吃HCO??当碳源，相当于直接消耗碱度，单位氮的碱度消耗略增：从7.14提到大约7.2 （以 CaCO? 计/gN。