pH值碱度对脱氮除磷效果的影响及其控制方法徐乐中

pH值碱度对脱氮除磷效果的影响及其控制方法徐乐中[提要口在生活污水处座过程中pH值、碱度对脱氮除磷效果起着重要的作用。本文从pH值、碱度在,削乞反研化及除磷过程中的变化关系来说明彼此间的相互影响,并提出了控制合适pH值、碱度的方法,以确保脱氮除磷的效果。仁关键词〕脱氮脱磷pH值碱度影响因素控制方法随着污水深度处理研究的深入,pH值、碱度与氮、磷的关系越来越受到人们的重视。在硝化反硝化及除磷过程中pH值、碱度要发生相应的变化,并影响到污水处理的效果。本文对pH值、碱度在污水处理过程中的变化规律作了分析.从而确定有利于污水处理效果提高的合适pH值范围,并对如何控制这样的合适范围作了说明。一、污水pH值、碱度、酸容量及缓冲能力之间相互关系污水处理效.果与pH值、碱度关系极大,pH值、碱度不合适的变化将阻碍污水处理效果的提高生活污水的pH值可以根据碳酸平衡关系来确定。根据弱电解质的电离平衡关系,经计算可得生活污水中的pH值。当pH值小于8.2时.污水中弱电解质主要为H:C03.具有如一「反应:H:CO护H十+HCO于电离平衡常数设为K。,则对生活污水进行滴定.当pH二二几.3时,单位体积污水所需H:(l用量,以m了1。卜/L计它反映了污水缓冲能力的大小,又是硝化效果的王要控制指标,因为硝化过程中产酸[H十」,要消耗一定量的酸容量。如果污水中酸容量低,则硝化过程将受到阻碍或被迫停正。以SK。表示原污水中的酸容星.则sK(、一Kll:,十:INHmm`)l14KHT一一原污水中的碳酸盐碱度(n飞n、01/1):l百NH二一原污水中厂Nf仁_{·以N计`mg/1一从当pH值发生变化时.易干形成H)C(。1HCO和HCO一义义){缓冲关系,起缓冲作川其能力大小可以用缓冲强度Pl表不:d阴一dpHK。-[HZC()3]3丫10一7仁H+」一K。·[H:CO丁仁HCO扫pH-一19仁H门一6·37十19[玉ICO育习「CO:二由(l)式可知:在不考虑其它因素的情况下,pH值主要与污水中川CO刃和民O:〕有关。生活污水中的碱度(basicity)可以用酸容量SK(aeideapaeity)来表示,它是衡量硝化效集的决定性因素。SK表示用标准浓度的HCI式中m近似地等于乙HC()二。所以污水中仁HCO。二高.缓冲能力大酸容认(碱度)、pH值和缓冲能力相互影响.相互制约、兵有特定的关系一下面的分析中将进一步说明二、污水处理过程中酸容量变化过程1.酸容量受硝化反硝化过程的影啊污水中的酸容量能抵消污水处理过程中产生的酸起缓冲作用,如果SK足够高将较好地控制pH值的降低,下面通过具体的硝化反硝化过程来分析。在硝化过程中产生酸,反应式为:给水排水、`.,`22No.一1996DOI:10.13789/j.cnki.wwe1964.1996.01.003NH京+202~No汁HZO汁一ZH+(4)由(4)式可知,降解lmolNH寸将产生ZrnolH十,同时得到lmolNO了。考虑细胞自身合成作用,(4)式可进一步表示为:Nl王了+1.830:十1.98HCO了~0.O21C:H:NOZ+0.98NO万+1.o41H户+1.88H2CO3〔5)由(5)式可知在硝化过程中将吸收HCO:-并产生COZ。反硝化过程中产生OH一,增加酸容量,反应式为:ZNO汁HZO~NZ+5[O〕+ZOH一(6)也可表示为:____.5___~_,_,一1~~.3,,~NO子于六C;Hl,O;一HC伍干于CO,+件H20’~“’24一”一“一”--一一“’4一一乙’4一`-1__+长~N?(7)2’“由(6)式可见,降解lmolNO了产生lmolOH一;由(7)式可知,反硝化过程中将产生HCO3和CO:。同样,有机氮结合过程中产生H+,有机氮水解过程中产生OH一,反应式如下:SK产为:SK,一SK。一乙SK:~KH二十N以一NO。](mmol/L)贵,H·+(13)NH4十~org·N+H+org.N+H20~NH4十+OH一(9)根据以上氮的转换平衡关系,可以计算得出硝化反硝化过程中酸容量的减少量,以△SK。表示。1卜________幼凡一夜〔2`NOe一NO·少+NO。一(o,一g·N。一org·N。)+万。二`mmol/L)(20)NOD一(NH。+org·N。十NO。)一`NO尸一干NH,+org·N。)一N。(mmol/L)(11)将(11)代人(10)得:二Kl共附。,一N。。+一NH。一NH月.口孟、1一14L孟V口e活,口“’`’二孟。`’“。』(mmol/L)(12)其中NO`、NH。、org·N。分别表示NO3、NH六org·N在池中出口处的浓度,以N计(mg/L);NO。、NH。、org’N。分别表示NO孔NH技org·N在池中进口处的浓度,以N计(mg/L);N“表示污泥中所含氮的浓度,以N计(mg/)L。那么,污水厂二沉池出口处剩余酸容量给水排水vo一22No.119,6由于出水中NH才浓度较小,进水中[NO扣近似为。,所以SK,主要与KH:、出水[N氏]有关。2.酸容量受除磷过程的影响如果投加Fe3认FeZ十或A13十金属盐化学除磷,则可产生下列化学反应:Fe’丰+0.250:十2.SH:O~FefOH):+ZH+(14、Fe3一卜+3H:O~Fe(OH)3斗一3H十(15)A13+千3HZO~AI(OH)3+3H+(16)Fe`OH)3或AI(OH)3将产生混凝沉淀作用,吸附污水中的有机结合磷和无机聚合磷。而污水中溶解的P01一则可直接与Fe3+或Al’斗结合(以Me’十表示金属盐),其反应式为:Me3」一+po;一~MepO4告(17)从式(14)、(15)、(26)中可知,在金属盐水解过程中要产生H丰,必然要降低污水中的酸容量,以△万K:表示。设投药量分别以巨Fe3+习、[eF“十三、仁1A3门表示(mg/)L,。SK:为:1二_。、二.1二一。、二.1OSK;一犷石一万万}Fe3+{+只,帐万匕Fe“十」+下~二万“口,、2一18.62口七习`27.93`孟、“`8.99二.1。二,1~~、卜A13+」一)才而(p一p·)`mnTo`/L,(18,式中二共二二「Fe3州表示投加lm只Fe3产户、’18.62`一习~J/’一月卜`一协一1,,__Ll二_。。_二、__L。二_幸不气二-mmol的H卜厂;二万;仁Fe“日一〕表示投加工18.62人`工i“Ui目J几”27.93以人、`习~zJ’」人’JH__一,1,一,,、l二`、。二十`mgFe之+产生万丽mnlol的+Hf病百lA[3门表_、_二。_,1,,,__二_示投加lmg1A3十产生万万互mmd的H+;尸·表示进水PO;浓度以P计(mg/I甲);P,表示出水PO犷浓度以P计(mg/L);(p。一尸,)表示直接与PO犷结合产生MePO、的药剂消耗掉H+的量(mmol/L)。对于生物除磷,在厌氧状态下,微生物细胞吸收有机酸[H十己,放出磷以ADP形式存在,在缺氧和好氧状态下ADP转换成ATP并吸收磷,整个反应过程中每减少lmolP以一将吸收lmolH+。从而增加了酸容量,以乙SK3表示。二凡一而坛于(尸。一印(19)1ǎ、、迄次à并划习ù援侧(19)式是(18)式特殊形式,即当A13+一Fe“+~Fe“一。时的情况,但意义不同。同时考虑脱氮除磷的影响,(13)式可改写为:SK它=SK。一乙SK,一乙SKZ__。二;.1厂、:r;.、:。、,。:一丛一-一八门`下五Lz、月·下`v口。一`丫以·J一18·62[P’e3斗一〕一129.93[FeZ+〕一8.99〔A13+〕+丽二万了(p一p·)(20)三、保证污水处理效果的合适pH值范围1.根据污水中的SK,和[COZ〕确定pH值由(z)式可知,pH值主要与〔HCO丁〕/[C()2」比值有关,〔HCO犷]主要与酸容量SK:有关,[COZ]主要与污水处理过程中氧的利用率有关(产生CO:和CO:吹脱),其理论计算相当复杂,既要考虑单位体积污水CO:产量,又要考虑到单位体积污水耗氧量和氧的利用率,所以可以根据实验来确定pH值与剩余酸容量SK,、氧的利用率之间的关系。德国污水设计规范A131中介绍了这种关系,见表1。pH值与氛的利用率(oR)及刹余破容t的关系(10℃)农1丫丫丫、补\\\\\了了///\\\\入入/////\\\\\///////卜卜//////////////////丁丁丁丁\\\二二二口...口二l一一几几德板板6669991222l8882444111.0006.9996.7776.6666.5556。444111.5557.1116.9996。8886.7776.666222.0007.2227.0006.9996.8886.777222.5557.3337.1117.0006.9996.8883330007.4447.2227.1117.0006。999咋刁一图1pH6.57.07.5pl一【值与硝化速率关系曲线图2pH值与反硝化速率关系曲线由表1知,只要已知SK。和氧的利用率,就可确定pH值。2.硝化过程中合适的pH值范围和酸容量pH值将影响硝化速率,最佳pH值范围在7.5~8.6之间,pH值低则硝化速率低。当pH值小于6.8时,硝化速率将迅速下降。图1闭表示pH值与硝化速率关系,一般pH值大于7.2为宜,则SK。大于等于2.ommol/L为宜。3.反硝化过程中合适的pH值范围和酸容量在反硝化过程中最佳pH值为7.0,pH小于或大于7.。,反硝化速率随之降低。图2川清楚地表明了这种关系,若氧的利用率为9%,pH=7.0,则SK,需大于2.ommol/L;若氧的利用率为18%,则SK,需大于3.ommol/L。所以氧的利用率越大,相同pH值下的剩余酸容量要求越大。4.除磷过程中合适的pH值范围pH值对化学除磷效果的影响主要取决于各种化学药剂,FePO。的最低溶解度在pH一4~6范围内,AIPO、最低溶解度在pH一5~7范围内。而化学药剂主要以混凝沉淀作用为主,其实际pH值范围在6.5~8.5之间,与硝化过程要求的pH值范围相似,在此范围内,水解产物Me(OH)。能较好地吸附无机聚合磷和有机结合磷等。生物除磷要求在厌氧区有有机酸存在,所以pH值小于等于7.0为宜。四、保证合适pH值、碱度的工艺控制方法由(20)式和表1可知,反应过程中pH值主要与酸容量和氧的利用率有关,对式(20)进给水排水vol.22No.119,6O曰O泛目飞ēù、E共沂)歼瑕曰援行变换,可得到进水中要求的碳酸盐碱度KHKH=SK。]18.[AI1尸、,,,.、,~、,~,.一了丁L八月,十八口。一八口,」十l任~二〔F一〕喻塌〔F一〕+称,土,1__}一二万:;二一(厂。一厂,一OU。,I(21)L如果污水处理工艺不是采用化学除磷而是生物除磷,即A13+=Fe3+=Fe’+一。,那么由式(2l)可知,这时的KHT要求较小,所以在同样的KH:下,生物除磷更有利于硝化反硝化效果的提高。2.若反硝化效果好,出水中的NO歹浓度将减小,这时所需的KH二较小,所以在硝化的同时继续反硝化,将有利于污水处理效果的提高。3.若经计算所需进水的KHT达不到要求,即原污水中碳酸盐碱度不足,这时应设法提高原污水的KHT。方法主要有吹脱法、投加药剂法或过滤法。吹脱法在曝气过程中不再适用,因为在曝气过程中已包含吹脱过程,而且从能量利用方面考虑,应设法提高氧的利用率;过滤法也不可行;只有选择合适的药剂,提高污水的KHT,才是可行的方法。最经济的方法是投加石灰,下面对几种药剂的效果进行比较,见表2。pH=8.5~9.5之间,而提高碳酸盐碱度,pH值小于8.2为宜,否则〔HCO万三反而会降低,达不到增加KH:的目的。石灰的投量可根据下式估算,或根据试验确定。[Ca(OH)2〕=74(a一x)式中[Ca(OH):〕表示投药量(mg/L),a表示由式(21)计算所需的KH汀mmol/)L;x表示原污水实际的碳酸盐碱度(mmol/)L。综上所述,污水中pH值、碱度对污水处理效果起着决