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江苏环境科技1998年第4期A/O生物脱氮工艺的设计计算沈炜陈季华(中国纺织大学环境科学与工程系上海20(刃51)摘要论述了生物脱氮的基本原理及刀O脱氮工艺的特点,讨论了A/O完全混合污泥法工艺中好氧池容积、缺氧池容积及需氧量的设计计算公式。关键词生物脱氮峭化反峭化泥龄比生长速率反峭化速率生活污水及含氮工业废水经过常规的活性污泥法处理仅能有效地降低含碳有机物和悬浮固体的浓度,而对氮的去除率较低。这样的处理出水中氮的浓度较高,若直接排人江河湖泊,会造成水体富营养化,使某些藻类恶性繁殖,甚至会引起水体黑臭,对人类产生毒害作用。灯O生物处理工艺采用废水中的含碳有机物为碳源,能有效地同时去除BOD和氮,在废水处理领域中得到了广泛深人的研究和应用。N咐+2oZes丝些押全,No、+ZH·十HZo灯O生物脱氮工艺1.1生物脱氮的原理污水中的氮主要以有机氮或氨氮(N眺-N)形式存在。有机氮可通过细菌分解和水解转化成氨氮。生物脱氮的基本原理是先通过硝化将氨氮氧化成硝酸氮(NO丁一N),再通过·反硝化作用将硝酸氮还原成氮气(N:)从水中逸出。硝化作用包括两个步骤,第一步是通过亚硝酸菌的作用将氨氮氧化为亚硝酸氮(NO2’-N),第二步是通过硝酸菌的作用将亚硝酸氮进一步氧化为硝酸氮。进行硝化作用的两类细菌都是革兰氏阴性无牙抱杆菌,并为严格好氧的专性化能自养菌。反应式如下:亚硝化菌N晰+1.5姚一一入oj+ZH’+线ONO夕+0.502总反应式为:硝化菌一N〔)-3由上述反应式计算可知,将19氨氮氧化为硝酸氮需4.579氧,并消耗7.149碱度(以aCCO3计)。另外硝化过程产生酸度,对于碱度低和氨氮浓度高的废水必须外加碱以维持硝化作用所适宜的pH值。硝化作用的最佳pH值范围为8.0一8.4。反硝化作用是反硝化菌以有机碳为碳源,将硝酸氮还原成氮气而逸人空气中。反硝化细菌是兼性异氧菌。反应式为:se(有机)+4No、+ZHZo卫塑些些鱼知2从+SCO:个+4OH-由上述反应式计算可知,每还原19硝酸氮可提供3.749碱度(以CaC场计)。另外欲去除4个硝酸氮必须提供5个有机碳。1个碳氧化成二氧化碳需2个氧,5个碳折算成BOD值为160(犯xs=160),因此理论上反硝化池的BOD与总氮之比必须大于2.86「(犯x5)/(14x4)=2.86],这样才能满足反硝化细菌对碳源的需要。反硝化反应应在缺氧条件下进行,其适宜的pH值为中性或微碱性。1.2A/O生物脱氮工艺特点A/O工艺中原污水先进人缺氧池,再进人好氧池,二沉池部分出水和沉淀后的污泥同时回流到缺氧池,使缺氧池既能从原污水中得到充足的有机碳源,又能从回流液中得到大量的硝酸氮,从而进行反硝化作用。其流程如图11卯8年第4期江苏环境科技所示。回流水R带图恕一卿丛匕-一一逻巡堕兰二-一.{对于图1所示的灯O工艺,设氨在好氧池全部转化为硝酸氮,硝酸氮在缺氧池全部转化为氮气,并忽略细菌同化作用所去除的氨氮,该系统对氮的去除率可以表示为::饭若豪碧瓷庵·~=r+Rl+r+Rx100%(l)图l刀O生物脱氮工艺流程与传统生物脱氮工艺相比,A/O系统无须外加碳源,可利用原污水中的有机物作为碳源进行反硝化,达到同时去除BOD和脱氮的目的;反硝化中增加的碱度可以补偿硝化过程中对碱度的消耗。2灯O工艺的设计2.1回流比的合理选择式中:犷一系统对氮的去除率(%;)R一出水回流比(出水回流量与处理水量之比);分一处理水量(时/d);一污泥回流比(污泥回流量与处理水量之比)。由(l)式可知,污泥和出水的总回流比越大,氮的去除率越高。表l是按上述公式算出的总回流比与氮去除率的关系。表1总回流比与氮去除率的关系总回流比氮去除率(%)5023456789101.7758083.385.787.588.89().090.9由表l可知,该工艺要取得满意的氮去除率,必须有足够大的回流比。但是随着回流比的增加,氮去除率的增长幅度越来越小,而且回流比的过度增加会使缺氧池溶解氧增多,影响脱氮反应的顺利进行。一般回流比为3一o42.2好氧池溶积计算唐宁和霍普沃特(D~&HopW叮1)1964年指出:硝化反应过程的动力学关系符合莫诺特(Monod)方程式所示的规律。故硝化菌的生长和底物浓度之间有如下关系:20℃、pH最佳值为5.0一5.4);【N咐一N」一反应器中氨氮浓度,mg几;KN一饱和(或半速率)常数,mg几,一般KN取0.5一0.2nl留L。硝化过程中的内源呼吸系数Hd值很小,故硝化的产率系数YN可看作和它的净产率系数(YN)。bs相等,硝化菌的比生长速率(补)N和它的比净生长速率(衬)N相等,即:(川)N二威,(妇N=(两。故:(拜)N=(,,,。a、)、仁N田一N]KN+仁N田一N](2)!=(,,、、卫皿竺少生-(6C)N、`一,,,aX“、KN+LN咐一N」式中:(il)N一硝化菌(主要控制于亚硝酸菌)的比生长速率,d一’(I与;,、)N一硝化菌的最大比生长速率,d一’。一般(z,,.。、)N取(0.3一0.5)d一`(温度为即:(eC)NKN+仁N咐一N」一(z,:,lax)N「N咐一N](3)式中:「N川一N]一反应器中氨氮浓度(日c)N一硝化菌泥龄,d。mg/L江苏环境科技1卯8年第4期:迎dt一勒又,所以V、咖=万[N川一N]。一[N咐一N]eqN二XN6N、,Z、、I0l...月心.1Zr、,/t、对于灯0生物脱氮系统,由于自养硝化菌的世代生长期较长,为了保证生长速率较慢的硝化菌不致从系统中流失,应根据所需的硝化速率或出水氨氮浓度去确定反应器的设计泥龄。设硝化效率为EN,则:Q{〔N民一N]。一[N田一N]e{EN二l一[N嘴一N]e[N咐一N]0(4)XNVN从而可得式中:〔NH’+一N〕e、「N咐一N」0一进、出水的氨氮浓度(mg/[J)。在完全混合活性污泥法反应器中,氨氮浓度和流出中的相同。故由式(3)和式(4)可得:VN二Q}[N贯一N〕。一[N树一N]e}XNqN(O()N二KN+(l一E、)[N咐一N]。(l,,。)(l一EN)【N田一N]。(5)在上式中,当EN已知时,即可将它代人并计算确定(eC)N。从而可由下式求底物(BOD)利用比速率q:。,、、,(拌)、,、l洲声、\I上/、一INqN,月N一、厂,\不上/N一/八\,j与/\iN戈、,r/N式(11)得:VN=(。。)NY、Q{[N咐一N]。一[N咐一N」e}XN式中:VN一按硝化要求的好氧池容积,衬;XN一反应器中硝化菌浓度,gm·vssd/;q、一氨氮(N咐一N)利用比速率,d一’;伽一根据硝化要求的好氧池水力停留时间,d一’;YN一硝化菌产率系数,mg·VSS(硝化菌)/嗯(N咐一N)。2.3缺氧池容积计算缺氧池容积可根据反硝化速率和需要去除的硝酸氮的量计算。ó、月Z、,/67了了吸、2.、洽+`\Ue/NS一S一Y盆。至q又,q=所以:0=故:式中V二Q·日Q(S。一Se)叭(8):Q一废水设计流量,时/;dS。,oS一进水、出水底物浓度,mg·BO珠/;Lq一底物(BODS)利用比速率,d一`;X一好氧池中微生物浓度,mg·vSS/L;于一根据去除BOD要求的好氧池水力停VoN=Q,(N。一N。)(瓮,DNX`(14)留时间,do上式计算所得的反应器容积,是按去碳(BOD)计算所得,还应按硝化的要求进行核算,所得反应器容积与之比较,从中选择大者作为设计容积。设氨氮氧化(石肖化)速率为华,则:at,lNdt[N咐一N]。一[N川一N」e(9)式中:vND一反硝化池容积,衬;Q,一反硝化池废水设计流量,时d/;N。、N厂反硝化池流人、流出硝酸氮(No了一N)浓度,mg/;LX’一反硝化池中微生物(反硝化菌)浓度,一般为I(X幻一2以X)gm·VSS/;L/dN、一,“,,,一、、一,--一(淤」州一反硝化速率,二(毗一N)/(“`“):可采用经验数据或通过试验确定。2.4需氧量的计算1卯8年第4期江苏环境科技刀O生物脱氮工艺污泥龄较长,负荷较低,可以假定除了用于合成的那部分有机物以外,都被氧化。同样,除了用于合成的那一部分氮外,所有的氮也都被氧化。进水中的有机碳(BOD)有一部分在缺氧池中被反硝化细菌利用,这样减少了需氧量。由硝化反应式可知4个N咐氧化成NO多,需耗去8个02,又由反硝化反应式可知4个NO了还原成2个从,可使5个有机碳氧化成COZ,相当于耗去5个仇。故在反硝化时氧的回收率为5/8,即反硝化过程回收的氧量为硝化过程消耗的氧量的0.625倍。因此整个系统需氧量为:需氧量=去除的BOD一剩余污泥的BOD+去除的氨氮的需氧量一剩余污泥中氨氮的需氧量一反硝化过程获的氧卜BOD试验时间,t=sd;xP一剩余污泥排放量,k岁;d华一污泥中挥发性固体所占的比例;SS“““’J丁~’一~『””曰”`“·叮J,TKNO一进水凯氏氮浓度,m盯;LTKN厂出水凯氏氮浓度,nl留L。2.5投加碱量的计算在生物脱氮系统中,硝化她氨氮要消耗7.149碱度(以CaCO3计),而还原!g硝酸氮只能提供3.579碱度(以CaCO3计)。因此,为r保持好氧池和缺氧池合适的pH值,需要根据原水碱度、原水凯氏氮浓度、硝化率、脱氮率的计算决定是否需要添加碱剂。参考文献即:qQ(S。一Se)一1.42:(誓卜4·57Q·_一,___,、,`_,__r+R1长州。一IU剑。八l一U.()乙〕万一,一件一下]一“一1十r+h0.56。(攀)(巧,式中:02一需氧量k岁;dQ一处理水量,衬/;dS。一原水BODS,岁LSe一出水BO几,群;LK一一BOD的分解速度常数,d一`;徐亚司.废水中氮磷的处理.上海:华东师范大学出版社秦麟源.废水生物处理.上海:同济大学出版社钱易,米祥友.现代废水处理技术.中国建筑工业出版社程晓如,杨开.设计灯O生物脱氮工艺应注意的几个问题.环境与开发,19%,H(4):l一4(收稿日期:1998一肠一10)利用植物生态治理污染土壤污染土壤的治理通常费时费工。日本北海道工业技术研究所探索利用植物生态系统来净化被四氯乙烯和农药等污染的土壤。利用植物自身放出的物质和植物共生的微生物作用使土壤中有害物质无害化。理想的植物是杨柳、紫首猎等成长率快和微生物有共生关系的植物。南京洪蔚译自《资源环境对策》1998,34(5)