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脱氮为什么要投加碳源?

更新时间:2023-08-21      点击次数:377
在有氧条件下,氨氮被硝化细菌所氧化成为亚硝酸盐和硝酸盐。包括两个基本反应步骤:由亚硝酸菌(Nitrosomonas sp)参与将氨氮转化为亚硝酸盐的反应;硝酸菌(Nitrobacter sp)参与的将亚硝酸盐转化为硝酸盐的反应,亚硝酸菌和硝酸菌都是化能自养菌,它们利用CO2、CO32-、HCO3-等做为碳源,通过NH3、NH4+、或NO2-的氧化还原反应获得能量。硝化反应过程需要在好氧(Aerobic或Oxic)条件下进行,并以氧做为电子受体,氮元素做为电子供体。其相应的反应式为:



NH4++1.83O2+1.98HCO3→0.021C5H7O2N+0.98NO3-+1.04H2O+1.884H2CO3

在硝化反应过程中,氮元素的转化经历了以下几个过程:氨离子NH4+→羟胺NH2OH→硝酰基NOH→亚硝酸盐NO2-→硝酸盐NO3-。

但是,硝化过程主要由自养微生物完成,亚硝酸菌和硝酸菌都是化能自养菌,硝化过程所需碳源来自 CO32-、HCO2-等无机碳源;硝化菌的世代期较异养菌长得多,生长繁殖速度缓慢, 产率较低,若进水中有机污染物(COD)大大超过氨氮时,异养菌大量繁殖,并在与硝化菌竞争中占优势,逐渐成为优势菌种,从而降低反应器的硝化效率。规范上要求进入硝化池的BOD应小于80mg/L,颜胖子根据实践认为进入硝化池的碳源越低对硝化越有利。

在缺氧条件下,亚硝酸盐和硝酸盐被反硝化菌还原为氮气而从污水中逸出,从而达到除氮的目的,反硝化菌是一类化能异养兼性缺氧型微生物。当有分子态氧存在时,反硝化菌氧化分解有机物,利用分子氧作为最终电子受体,当无分子态氧存在时,反硝化细菌利用硝酸盐和亚硝酸盐中的N3+和N5+做为电子受体生成水和OH-碱度,有机物则作为碳源提供电子供体提供能量并得到氧化稳定,由此可知反硝化反应须在缺氧条件下进行。从NO3-还原为N2的过程如下:NO3-→NO2-→NO→N2O→N2反硝化过程中,反硝化菌需要有机碳源(如碳水化合物、醇类、有机酸类)作为电子供体,利用NO3-中的氧进行缺氧呼吸。其反应过程可以简单用下式表示:

NO3-+4H(电子供体有机物)→1/2N2+H2O+2OH-+NO2-+3H(电子供体有机物)→1/2N2+H2O+OH-




综上,硝化、反硝化过程对有机物的存在是矛盾的:自养硝化菌适宜在低碳源环境下生存,在大量有机物存在时,对氧气和营养物质的竞争不如好氧异养菌,致使反应器内异养菌成为优势菌种;而反硝化反应需要有机碳源作为电子供体完成脱氮过程,也是为什么碳源只能投加到反硝化池的原因。所以,如果仅仅是脱氨,是不需要充足的碳源的,也就是不需要投加碳源,但是如果是脱氮的全过程,就需要充足的碳源,在国内生活污水普遍不足的情况下投加碳源是不可少的措施!





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脱氮工艺碳源投加量




对于脱氮系统,碳源决定了脱氮效率的深度,反硝化池中理论上只要CN比为2.86时,就可以wan全脱氮,如果再加上微生物自身生长,CN比为3.70时可以wan全脱氮公式如下:


假设C为甲醇,甲醇氧化的过程可用(1)式所示,


CH3OH+1.5O2→CO2+2H2O(1)


1、反硝化的时候,如果不包含微生物自身生长,方程式非常简单,通常以甲醇为碳源来表示。


6NO3-+5CH3OH→

3N2+5CO2+7H2O+6OH-(2)


由(1)式可以得到甲醇与氧气(即COD)的对应关系:1mol甲醇对应1.5mol氧气,由(2)式可以得到甲醇与NO3-的对应关系,1mol甲醇对应1.2molNO3-,两者比较可以得到,1molNO3--N对应1.25molO2,即14gN对应40gO2,因此C/N=40/14=2.86。


2、反硝化的时候,如果包含微生物自身生长,如(3)式所示。


NO3-+1.08CH3OH

→0,065C5H7NO2+0.47N2+1.68CO2+HCO3-(3)


同样的道理,我们可以计算出C/N=3.70。



但是理论终究是理论,并没有考虑内回流所携带的氧气。正常情况下,反硝化菌只有在消耗完内回流携带的氧气之后才进行反硝化,所以,这一部分的氧气也是消耗了碳源,所以在一些手册中也给予了规定,要求AO脱氮工艺的CN比控制大于4,实际运行中CN(COD:TN)比一般控制在4~6,缺少碳源,是我目前遇到很多朋友TN不达标的最多的原因之一!

TN去除率低解决办法:按CN比4~6,投加碳源,然后根据反硝化池出口硝态氮的含量进行碳源的增加或者减少的微调操作!


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脱氮工艺碳源投加量的计算




根据第二章节我们知道,脱氮系统的CN比的经验值一般控制在4~6,在计算的时候一般会采用中间值计算或者通过对化验出水TN来调整投加量!


1、外部碳源投加量简易计算方法


统一的计算式为:


Cn=5N     (式1)


式中


  Cn—脱氮必须投加的外部碳源量(以COD计)mg/l;

  5—反硝化1kgNO-3-N需投加外部碳源(以COD计)5kg

  N—需要外部碳源去除的TN量,mg/l


需用外部碳源反硝化去除的氮量计算


N=Ne-Ns      (式2)


式中


  Ne—二沉池出水实际TN浓度mg/l;

  Ns—二沉池TN排放标准mg/l


2、案例计算:


某城镇污水处理厂规模Q=1万m3/d,已建成稳定运行,二沉池出水排放标准总氮Ns≤15mg/L,氨氮为0,而出水总氮Ne超标,Ne=20 mg/L,求外加碳源量。


解:按式(2)计算:


N=Ne-Ns=20-15=5(mgN/L)


代入式(1)得:


Cn=5N=5×5=25(mgCOD/L)


则每日需外加COD量:


Cd=QCn=1×10^4×25×10^-3=250(kgCOD/d)


因楼主选用甲醇为外加碳源,其COD当量为1.5kgCOD/kg甲醇,甲醇量为:250/1.5=166kg/d


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