AO生物脱氮工艺的设计计算沈炜1

芜湖联合大学学报1998年第4期(总第8期)A/0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;邮编:2。。50)1摘要论述了生物脱氮的基本原理及A/0脱氮工艺的特点,计论了A/0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。关健词生物脱氮硝化反硝化氮氮硝酸氮泥龄比生长速率反请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,若直接排入江河湖泊,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。A/O和生物处理工艺采用废水中的含碳有机物作为碳源,能有效地同时去除BOD的氮,在废水处理领域得到了广泛深人的研究和应用。IA/0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(NH3一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作用将氨氮氧化成硝酸氮(NO歹一N),再通过反硝化作用将硝酸氮还原成氮气(NZ)从水中逸出。硝化作用包括两个步骤,第一步是通过亚硝酸氮的作用将氨氮氧化为亚硝酸氮(NO歹一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芽抱杆菌,并为严格好氧的专性化能自养菌。反应式如下:_亚硝化菌、__.___NH才+1.50:二二二:二二NO牙+HZO+ZH+No:十0’.502鱼些曳No:、,__.、,、___二__硝化细菌_,_,___总反应式为:Nll才十20:二=二二二二NO歹十1120由上述反应式计算可知,将1克氨氮氧化为硝酸氮需4.57克氧,并消耗7.14克碱度(以CaCO3计)。因此硝化反应必须在好氧条件下进行,一般应维持好氧池混合液溶解氧浓度在1.2~2.omgl/范围内。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水平。硝化作用的最佳PH值范围为8.0~8.4。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入空气中。反硝化菌是兼性异氧菌。反应式为:_,.________反硝化菌_____.___SC(有机)+4NO歹+ZH:O-二二二二二ZN:十SCO:个+4OH-由上述反应式计算可知.每还原l克硝酸氮可提供3.74克碱度(以CaCO:计)。另外欲去除4个硝酸氮必须提供5个有机碳。1个碳氧化碳成二氧化需2个氧,5个碳折算成BOD值为160(32又5一16。),因此理论上反硝化池的BOD与总氮之比必须大于2.86「(32只5)/(14又4)~2.86〕.这样才能满足反硝化细菌对碳源的需要。反硝化反应应在缺沈伟、陈季华:A/O生物脱氮工艺的设计计算氧条件下进行,其适宜的PH值为中性和微碱性。1.ZA/O生物脱氮工艺特点A/O工艺中原污水先进入缺氧池,再进入好氧池,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1所示。回流水R缺板池(A)好氧池(O)二沉池回流污泥r图1^o/生物脱氮工艺流稗与传统生物脱氮工艺相比,A/0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被补硝化过程中对碱度的消耗。ZA/0工艺的设计.21回流比的合理选择对于图1所示的A/0工艺,设氨氮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:(r十R)Q(1+r+R)QX100铸一r+R1十r十RX100%(2一1)式中:刀—系统的去除率(%)R—出水回流比(出水回流量与处理水量之比)Q—处理水量(m3/d)r—污泥回流比〔污泥回流量与处理水量之比)由式(2一1)公式可知,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。总总回流比比111222333444555666777888999l000氮氮去除率(%)))500066。7777555800083.33385。77787.55588.88890.00090.999表1总回流比与氮去除率的关系由表可知,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,而且出水回流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3~4左右。.22好氧池容积计算唐宁和霍普沃特(Down尽.H叩wood)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。故消硝化菌的生长和底物浓度之间有如下关系:(声,)。一(产,,才二)入仁万万丈一刃〕K入十「NH丈一万〕(2一2)式中:(拌)、—硝化菌(主要控制于亚硝酸菌)的比生长速率.d一’芜湖联合大学学报1998年第4期(总第8期)恤m。、)、—硝化菌的最大比生长速率,d一`。一般(件、a、)、取。,3一0.5d一’(温度为20C、PH为最佳值8.0~8.4)[NH才一N〕—反应器中的氨氮浓度,mgl/K、—饱和(或半速率)常数·mgl/,一般K、取0.5~0.Zmgl/硝化过程中的内源呼吸系数Kd值很小,故硝化的产率系数Y、可看作和它的净产率系数(Y、)闭,相等,硝化菌的比生长速率(仁N)和它的比净生长速率(醉)、相等,即:(声)、-l而士二、,(拼,)N=(拌)N。故(氏)N’“尸’`、、尸”,“~1下万下尸=气产,“x少入又U`少大〔NH才一N〕K、+[NH才一N](伏)。K.\)+〔NH才一N〕一(产。d二)、「Nll才一N〕(2一3)式中:[NH才一N〕—反应器中的氨氮浓度,mgl/(G。)N—硝化菌泥龄,d对于A/O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_「N万少一N飞乙、~1一苦一二于-下月牛L义V月军一丈v」。(2一4)式中:[NH才一N〕。、[NH才一N〕。—进、出水的氨氮浓度(mg1/)。在完全混合活性污泥法反应器中,氨氮浓度和出流中的相同。故由式(2一3)和式伦一4)可得:(次)N一K二+(1一E、)〔NH才一(产,,口二)(l一E入)[NH才一N]N〕(2一5)在上式中,当E、已知时,即可将它代入并计算确定帕。)、。从而可由下式求底物(BOD)利用比速率q:1.~丁下子戈一十八汀又U:少入Y(2一6)S。一S。口X(2一7)所以一SgX飞厂一Q夕Q(5.,一凡、)qX2一8)式中:Q—废水设计流量.n3/`dS。·S。—进水、出水底物浓度·mgB()D:21q—底物(BOD:)利用比速率.d一’沈伟、陈季华:A/O生物脱氮工艺的设计计算X—好氧池中微生物浓度,mgVSS/1O—根据去除B〔)D要求的好氧池水力停留时间,d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。、。_~~,,_、.,,,、、一_、,dN~_,坟氦虱乳化又公目1七)迷举刀万了·则ULdNdt[Nll才一N〕。一〔N月才一N〕`氏(2一9)所以.dNdtqN--二二一一一X、一〔Nll才一N]。一[Nll才一N]。Q{〔N万犷一N]。一〔NH才一N〕。}X二0人X人V、(2一10)从而可得,V-\’Q{〔NH才一N〕。一[NH才一N〕。}(2一11)又(拼)、=YNq、,qN=(拼)NYN1,戈拌少N=下万下\V亡/X戈q戈,代入式(2一11)得V人·(民)、Y、Q{[NH才一N〕。一〔NH才一N工}X_、·(2一12)式中:VN—按硝化要求的好氧池容积,m3X、—反应器中硝化菌浓度,mgVSSd/qN—氨氮(NH才一N)利用比速率,d一’ON—根据硝化要求的好氧池水力停留时间.dY、—硝化菌产率系数.mgVS(S硝化菌)/mgNH才一N2.3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酷氮的量计算。V。入Q,(N。一N一)dNdt(2一13)式中:V:)N—反硝化池容积,m“Q’—反硝化池废水设计流量,m3d/N。、N。—反硝化池入流、出流硝酸氮(NO了一N)浓度·平gl//x`—反硝化池中微生物(反硝化菌)浓度.mgVSS/1一般为1000一2000mgVSS/l(芸).)、一蹦化、,mgNO、一Nl/·d,可采肥翩黝姗她洲姗。定。2.4需氧量的计算A/0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以外,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。由硝化反应芜湖联合大学学报1998年第4期(总第8期)式可知4个NH不氧化成NO牙.需耗去8个02。又由反硝化反应可知4个N()歹还原成2个NO:,可使5个有机碳氧化成CO:.相当于耗去5个O:。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。即OoQ(S。一S。)1一己一k`一1.42p,(VSSSS)+4.57Q(TKN。一TKN。)_,八,r十R、八_,。,USS、又上一U。勺乙勺丁-气叮-一-下-下互少一U。沙O厂,气-下r石,少1叫卞r一寸一1戈00(2一14)式中:02—需氧量(kg/d)Q—处理水量(m“/d)S。—原水B(〕DS(g/l)S。—出水BOD:(g/l)k—BOD分解速度常数(d一’)t—BOD试验时间(t一sd)P、—剩余污泥排放量(kg/d)VSSSS—污泥中挥发性固体所占的比例TKN。—进水凯氏氮浓度(mgl/)TKN。—出水凯氏氮浓度(mgl/)2.5投加碱量的计算在生物脱氮系统中,硝化1g氨氮要消耗了.149碱度(以caco。计),而还原馆硝酸氮只能提供3.759碱度(以CaCO3计)。因此,为了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、脱氮率计算是否需要添加碱剂。参考文献1.徐亚同.度水中氮磷的处理.上海:生东师范大学出版社,199.62.秦浑.皮水兰物处理.上海:同济大学出版任,1989.3.钱易,米祥友.玩代度水处理技术.北京:中国建筑工业出版社,1993.4,程晓井,杨开.设计A·O生物脱氮工艺应注意的几入3JJ题.环境与开发.1996,l工(4):l一.4DesigningandCaleulatingofA/0Bio一denitrifieationProeessShenWeiChenjihua(D叩artn一entofEn、ironnlontal501。,lee水Engineer一ng,(,hlnaTextlleUni、℃r,ity,Sllanghai200051)Ab、traetThispaperexplainsthel〕a、ieprineiPleofbio一denitrifieationandproee、5.dise、rssestheformulae、一、edtode、192飞andealeulateeapaeityofantheeharaeteristiesofA厂Ooxiepozid,eaPaeityofoxiepondazldoxygendemandofentirely;nix5IudgeAOProeess·Kevw砚,rds、ludgeagel〕10一denirr一fieationely;nixedsI飞itrifieationdenitrifieational】1】11Onlanltrogennltratenltrogengrowrhraredenitrifyingrate