CN109133344A - 一种精准控制污水生物脱氮外加碳源投加量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种精准控制污水生物脱氮外加碳源投加量的方法，包括以下步骤：（1）测定外加碳源的反硝化潜力；（2）测定待处理污水中NO3 ‑‑N、NO2 ‑‑N、总氮和COD浓度；（3）测定待处理污水的反硝化潜力；（4）计算单位体积的待处理污水中的总氮含量和COD含量，根据待处理污水的反硝化潜力计算出理论上单位体积待处理污水中所含有机物可通过反硝化还原去除的N的质量，与总氮含量对比判断是否需要外加碳源，再根据外加碳源反硝化潜力，计算单位体积待处理污水需要投入的外加碳源量。采用本发明方法可根据待处理污水的水质、水量情况，准确计算出完成完全反硝化所需的外碳源投加量。

Description

一种精准控制污水生物脱氮外加碳源投加量的方法
技术领域
本发明属于环境保护中污水处理技术领域，特别涉及一种精准控制污水生物脱氮外加碳源投加量的方法。
背景技术
水资源是人类社会可持续发展的命脉。然而进入21世纪以来，随着经济和城市化进程的高速发展，用水和污水排放量均急剧增加，从而使我国淡水资源短缺和水环境污染的问题日益严重，其中由氮、磷等植物性营养元素过量排放引起的水体富营养化问题尤为突出。水体富营养化促使水体中的藻类过量生长，使饮用水产生异味，并且降低水体的透明度，使得水中溶解氧也随之减少，对水体正常的生态平衡造成破坏，导致水生生物的多样性和稳定性降低。此外，许多藻类能够分泌并释放有毒有害的藻毒素，不仅危害动物，而且对人类的健康会产生严重影响。因此，对污水的脱氮处理势在必行，并已成为当前污水处理及相关排放标准中的首要控制指标。
污水脱氮技术可以分为物化法和生物法两大类。物化法主要有空气吹脱法、折点加氯法、离子交换法和磷酸铵镁沉淀法等，主要适用于高浓度的工业含氮废水的处理。传统的生物脱氮工艺有A/O、A2/O、氧化沟工艺等。因生物处理工艺具有处理效果好，运行费用低，适用性强的优势，生物脱氮已成为目前污水处理工程中采用的主要方法。
污水生物脱氮的本质为自然界中氮元素物质循环的工程应用，其主要工艺过程可分为硝化和反硝化两个阶段：（1）好氧条件下，硝化细菌将污水中氨态氮氧化为硝酸盐氮，即硝化阶段；（2）缺氧或厌氧条件下，反硝化菌将硝化阶段形成的硝酸盐氮还原为氮气，并释放进入大气，从而脱除污水中的氮，即反硝化阶段。其中，在反硝化阶段，反硝化菌一般为异养细菌，需要利用环境中的有机碳源来进行细胞合成并完成硝酸盐的还原。环境微生物学相关研究计算表明，理论上，将1 g硝酸盐氮反硝化还原为氮气需要消耗有机碳源为2.86g（以COD计）。而实际污水所含有的有机物中，只有部分为可生物降解、能够被利用作为反硝化的碳源；且在生物处理过程中，非反硝化的异氧细菌也会消耗一定量的有机物。因此，实际污水生物脱氮过程中，往往需要更高的C/N比来实现完全的硝化反硝化生物脱氮。国内外大量研究表明，针对城镇生活污水的生物脱氮处理，当污水中C/N比大于7左右时（碳源以COD计），反硝化脱氮才能正常进行。
目前，国内大多数的城镇生活污水处理厂普遍存在着进厂原污水C/N比低的状况，为了获得理想的反硝化效果，在反硝化阶段投加外加碳源就成了生物脱氮的关键。常用的外加碳源有甲醇、乙酸、葡萄糖、挥发性脂肪酸等易生物降解有机物；其中甲醇因廉价易得、反硝化效果好，应用最为广泛。但在实际运行过程中，大部分污水处理厂在投加碳源时，并没有科学的计算方法，仅简单地根据前期运行经验以固定剂量投加，不能应对水质、水量的变化对生物脱氮过程的影响。这往往造成：外加碳源不足，引起脱氮效果变差，出水总氮超标的问题；或外加碳源过量，不能被完全降解，出水有机物（COD）超标和药剂浪费的问题。这些问题严重影响了污水生物脱氮处理工艺的运行和出水稳定达标。因此，亟待建立一种可精准控制污水生物脱氮工程中外加碳源投加量的方法。
发明内容
针对目前污水处理厂生物脱氮过程中普遍存在的外加碳源投加量无法准确控制，而造成的出水水质不稳定的问题，本发明提供了一种能精准控制生物脱氮外加碳源投加量的方法。可帮助污水处理厂根据待处理污水水质，准确控制外加碳源的投加量，既可保证脱氮效果，又可降低出水COD超标风险，节约药剂成本。
为了达到上述目的，本发明提供了一种精准控制污水生物脱氮外加碳源投加量的方法，包括以下步骤：
（1）测定外加碳源的反硝化潜力；
（2）测定待处理污水中NO3 --N、NO2 --N、总氮和COD浓度；
（3）测定待处理污水的反硝化潜力；
（4）计算单位体积的待处理污水中的总氮含量MN和COD含量MC，根据步骤（3）中所得待处理污水的反硝化潜力计算出理论上单位体积待处理污水中所含有机物可通过反硝化还原去除的N的质量MN-Re，与总氮含量MN进行对比判断是否需要外加碳源；当MN-Re＜MN时，计算单位体积待处理污水中剩余的总氮含量，根据步骤（1）中测定的外加碳源反硝化潜力，计算单位体积待处理污水需要投入的外加碳源量。
其中，外加碳源可选用甲醇、葡萄糖、乙醇钠等。
当外加碳源选用甲醇时，具体步骤如下：
（1）测定外加碳源—甲醇的反硝化潜力。采用批式实验，在污水生物脱氮工艺的缺氧反硝化池取适量污泥，用0.85%生理盐水清洗3～4次，至污泥沉淀后上清液中不含氮和有机物（COD）；置于500 mL具塞三角瓶中，加入NaNO3和甲醇，及微量不含有机碳和氮元素的微生物营养液，并用纯水定容至500 mL，调节pH为7～7.5，使定容后的三角瓶中反硝化污泥浓度为2500 mg/L，硝酸盐氮（NO3 --N）浓度为10～20mg/L，甲醇浓度为66.7～133.3mg/L（折合COD浓度为100～200mg/L），COD与NO3 --N浓度比为10左右，保证NO3 --N能够被充分反硝化去除；密闭三角瓶，保证厌氧反硝化环境，并将三角瓶置于摇床上震荡培养；每隔1小时取混合液20ml，离心后用0.45μm滤膜过滤得到上清液，测定其中的COD、硝酸盐氮（NO3 --N）和亚硝酸盐氮（NO2 --N）含量，直至NO3 --N和NO2 --N含量之和不再变化，反硝化反应结束。记录下反硝化反应开始和结束时混合液中COD、NO3 --N和NO2 --N的含量，采用以下公式计算甲醇的反硝化潜力PDN-甲醇：
式中，CODin和CODeff分别代表初始加入的甲醇和反应结束剩余的甲醇所折合的COD浓度（1 g 甲醇 = 1.5 g COD）；NO3 - in为反应初始的NO3 --N浓度；NO3 - eff和NO2 - eff为反应结束时NO3 --N和NO2 --N的浓度；PDN-甲醇表示单位质量的甲醇可反硝化还原硝酸盐氮的质量。
（2）测定待处理污水中的NO3 --N、NO2 --N、总氮（TN）和COD浓度，记录数据。
（3）测定待处理污水的反硝化潜力。采用批式实验，在污水生物脱氮工艺的缺氧反硝化池取适量污泥，用0.85%生理盐水清洗3～4次，至污泥沉淀后上清液中不含氮和有机物（COD）；置于500 mL具塞三角瓶中，加入NaNO3，待处理污水350 mL，并用纯水定容至500 mL，调节pH为7～7.5，使定容后三角瓶中的反硝化污泥浓度为2500 mg/L，NO3 --N和NO2 --N浓度之和为COD浓度的10%左右；密闭三角瓶，保证厌氧反硝化环境，将三角瓶置于摇床上震荡培养；每隔1小时取混合液20ml，离心后用0.45μm滤膜过滤得到上清液，测定其中的COD、NO3 --N和NO2 --N含量，直至NO3 --N和NO2 --N含量之和不再变化，反应结束；记录反硝化反应开始和完全结束时混合液中COD、NO3 --N和NO2 --N的含量。采用以下公式计算待处理污水的反硝化潜力PDN-污水：
式中，CODin和CODeff分别代表反硝化反应初始时和反应结束的COD浓度；NO3 - in和NO2 - in为反应初始时的NO3 --N和NO2 --N浓度；NO3 - eff和NO2 - eff为反应结束时NO3 --N和NO2 --N的浓度；PDN-污水表示待处理污水中单位质量的COD可反硝化还原硝酸盐氮的质量。
（4）确定外加碳源投加量。计算单位体积（1m3）的待处理污水中的总氮含量MN（g N）和COD含量MC（g COD），根据第（3）步中所得待处理污水的反硝化潜力PDN-污水，计算得出理论上1m3待处理污水中所含有机物（COD）可通过反硝化还原去除的N的质量MN-Re（g N）为：
当MN-Re≥MN时，表示污水原水中含有的有机碳可使N在反硝化阶段被完全去除，无需投加外加碳源；当MN-Re＜MN时，表示污水原水中含有的有机碳不足以使N在反硝化阶段被完全去除，需要投加外加碳源，并按下式计算出不投加外碳源反硝化后，1m3的待处理污水中剩余的总氮含量为ΔMN。
再由第（1）步中求得的甲醇反硝化潜力PDN-甲醇，利用下式可以计算得出要使1m3污水原水中的N被完全去除需要投入的外加碳源甲醇的量M甲醇（g甲醇）为：
由上式即可根据污水处理厂进水水质，精确计算确定完成完全反硝化过程所需的外加碳源投加量。此外，如外加碳源采用葡萄糖、乙酸钠等时，也可根据本发明提出的计算方法，同理计算出相应的外加碳源投加量。
本发明相比现有技术具有以下优点：采用本发明方法可根据待处理污水的水质、水量情况，准确计算出完成完全反硝化所需的外碳源投加量，既可保证稳定的生物脱氮效果，又可解决因外加碳源过量投加引起的出水COD超标和药剂浪费等问题。本发明用于测算外加碳源投入量的方法快速简便，无需大型仪器，可操作性强，在污水处理领域具有极高的应用和推广价值。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细说明。
实施例1：
一种精准控制生物脱氮过程中外加碳源的方法，应用于采用甲醇作为外加碳源的某城镇污水处理厂前置反硝化（A/O）生物处理工艺中。
（1）测定外加碳源—甲醇的反硝化潜力。采用批式实验，在缺氧反硝化池取适量的活性污泥，用0.85%生理盐水清洗3次，使污泥沉淀后上清液中不含氮和有机物（COD）；置于500 mL具塞三角瓶中，加入45.54 mg NaNO3和50 mg甲醇，及微量不含有机碳和氮元素的微生物营养液，并用纯水定容至500 mL，调节pH为7.4，使定容后的三角瓶中反硝化污泥浓度为2500 mg/L，硝酸盐氮（NO3 --N）浓度为15 mg/L，甲醇浓度为100 mg/L（折合COD浓度为150mg/L）；密闭三角瓶，保证厌氧反硝化环境，并将三角瓶置于摇床上震荡培养；每隔1小时取混合液20ml，离心后用0.45μm滤膜过滤得到上清液，测定其中的COD、硝酸盐氮（NO3 --N）和亚硝酸盐氮（NO2 --N）含量，直至NO3 --N和NO2 --N含量之和不再变化，反硝化反应结束。反硝化反应结束时混合液中COD含量为71mg/L，NO3 --N和NO2 --N含量均为0。计算甲醇的反硝化潜力PDN-甲醇：
式中，CODin和CODeff分别代表初始加入的甲醇和反应结束剩余的甲醇所折合的COD浓度（1 g甲醇 =1.5 g COD）；NO3 - in为反应初始的NO3 --N浓度；NO3 - eff和NO2 - eff为反应结束时NO3 --N和NO2 --N的浓度。
由计算结果可知，本污水生物脱氮系统中的反硝化阶段，1 g甲醇可反硝化还原0.285 g硝酸盐氮。
（2）测定进厂原污水中COD含量为220 mg/L，氨氮（NH3-N）含量为34.2 mg/L，NO3 --N含量为0.7 mg/L，NO2 --N未检出，总氮含量为35.1 mg/L。
（3）测定进厂原污水的反硝化潜力。采用批式实验，在污水生物脱氮工艺的缺氧反硝化池取适量污泥，用0.85%生理盐水清洗3次，至污泥沉淀后上清液中不含氮和有机物（COD）；置于500 mL具塞三角瓶中，加入45.26 mg NaNO3、350 mL待处理污水，纯水定容至500 mL，调节pH为7～7.5，使定容后三角瓶中的反硝化污泥浓度为2500 mg/L、NO3 --N浓度为15.4 mg/L、NO2 --N未检出、COD浓度为154 mg/L；密闭三角瓶，保证厌氧反硝化环境，将三角瓶置于摇床上震荡培养；每隔1小时取混合液20ml，离心后用0.45μm滤膜过滤得到上清液，测定其中的COD、NO3 --N和NO2 --N含量，直至NO3 --N和NO2 --N含量之和不再变化，反应结束。反应结束时，混合液中COD浓度为42 mg/L、NO3 --N浓度为0.4 mg/L、NO2 --N未检出。采用以下公式计算进厂原污水的反硝化潜力PDN-污水：
式中，CODin和CODeff分别代表反硝化反应初始时和反应结束的COD浓度；NO3 - in和NO2 - in为反应初始时的NO3 --N和NO2 --N浓度；NO3 - eff和NO2 - eff为反应结束时NO3 --N和NO2 --N的浓度。
有计算结果可知，进厂原污水中，1 g COD可反硝化还原0.134 g硝酸盐氮。
（4）确定外加碳源投加量。1m3进厂原污水中的总N含量MN为35.1 g和COD含量MC为220 g。根据上步中求得进厂原污水的反硝化潜力PDN-污水，可计算出理论上1m3进厂原污水中所含有机物通过反硝化可以去除的总氮的量MN-Re（g N）为：
因MN-Re＜MN，原污水中的总N在反硝化阶段不能被完全去除，故需要投加外加碳源。在不投加外加碳源反硝化后，1m3的原污水中剩余的总氮含量ΔMN（g N）为：
由（1）步中获得的甲醇的反硝化潜力PDN-甲醇，可以计算得出要使1m3污水原水中的N被完全去除需要投加的外加碳源甲醇的量M甲醇（g 甲醇）为：
由计算结果可知，若实现完全反硝化，每m3的进厂原污水中需投加外加碳源甲醇19.6g
依据待处理污水体积，根据计算结果向反硝化池中定量投加外加碳源甲醇，对处理后的污水进行检测，其中总氮的含量小于15 mg/L，COD的含量小于50 mg/L，符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中一级A排放标准限值要求。
实施案例2：
一种精准控制生物脱氮过程中外加碳源的方法，应用于某A2/O工艺污水处理厂中 。
（1）测定外加碳源—甲醇的反硝化潜力。采用批式实验，在缺氧反硝化池取适量的活性污泥，用0.85%生理盐水清洗3次，使污泥沉淀后上清液中不含氮和有机物（COD）；置于500 mL具塞三角瓶中，加入45.54 mg NaNO3和50 mg 甲醇，及微量不含有机碳和氮元素的微生物营养液，并用纯水定容至500 mL，调节pH为7.3，使定容后的三角瓶中反硝化污泥浓度为2500 mg/L，硝酸盐氮（NO3 --N）浓度为15 mg/L，甲醇浓度为100 mg/L（折合COD浓度为150 mg/L）；密闭三角瓶，保证厌氧反硝化环境，并将三角瓶置于摇床上震荡培养；每隔1小时取混合液20ml，离心后用0.45μm滤膜过滤得到上清液，测定其中的COD、硝酸盐氮（NO3 --N）和亚硝酸盐氮（NO2 --N）含量，直至NO3 --N和NO2 --N含量之和不再变化，反硝化反应结束。测得反应结束时混合液中COD含量为79 mg/L，NO3 --N和NO2 --N含量均为0。计算甲醇的反硝化潜力PDN-甲醇：
式中，CODin和CODeff分别代表初始加入的甲醇和反应结束剩余的甲醇所折合的COD浓度（1 g 甲醇 =1.5 g COD）；NO3 - in为反应初始的NO3 --N浓度；NO3 - eff和NO2 - eff为反应结束时NO3 --N和NO2 --N的浓度。
由计算结果可知，本污水生物脱氮系统中的反硝化阶段，1 g甲醇可反硝化还原0.317 g硝酸盐氮。
（2）测定进厂原污水中COD含量为295 mg/L，氨氮（NH3-N）含量为32.9 mg/L，NO3 --N含量为0.2 mg/L，NO2 --N未检出，总氮含量为33.2 mg/L。
（3）测定进厂原污水的反硝化潜力。采用批式实验，在污水生物脱氮工艺的缺氧反硝化池取适量污泥，用0.85%生理盐水清洗3次，使污泥沉淀后上清液中不含氮和有机物（COD）；置于500 mL具塞三角瓶中，加入62.4 mg NaNO3、350 mL待处理污水，定容至500 mL，调节pH为7～7.5，使定容后三角瓶中的反硝化污泥浓度为2500 mg/L、NO3 --N浓度为20.7mg/L、NO2 --N未检出、COD浓度为207 mg/L；密闭三角瓶，保证厌氧反硝化环境，将三角瓶置于摇床上震荡培养；每隔1小时取混合液20ml，离心后用0.45μm滤膜过滤得到上清液，测定其中的COD、NO3 --N和NO2 --N含量，直至NO3 --N和NO2 --N含量之和不再变化，反应结束。反应结束时，混合液中COD浓度为62 mg/L、NO3 --N浓度为0.2 mg/L、NO2 --N未检出。采用以下公式计算进厂原污水的反硝化潜力PDN-污水：
式中，CODin和CODeff分别代表反硝化反应初始时和反应结束的COD浓度；NO3 - in和NO2 - in为反应初始时的NO3 --N和NO2 --N浓度；NO3 - eff和NO2 - eff为反应结束时NO3 --N和NO2 --N的浓度。
有计算结果可知，进厂原污水中，1 g COD可反硝化还原0.141 g 硝酸盐氮。
（4）确定外加碳源投加量。1m3进厂原污水中的总N含量MN为33.2 g和COD含量MC为295 g。根据上步中求得进厂原污水的反硝化潜力PDN-污水，可计算出理论上1m3进厂原污水中所含有机物通过反硝化可以去除的总氮的量MN-Re（g N）为：
因MN-Re＞MN，原污水中的总N在反硝化阶段可以被完全去除，故无需投加外加碳源。
污水采用原有方式进行生物脱氮，并不投加外加碳源，对处理后的污水进行检测，其中总氮的含量小于15 mg/L，COD的含量小于50 mg/L，符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中一级A排放标准限值要求。

Claims (6)

1.一种精准控制污水生物脱氮外加碳源投加量的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）测定外加碳源的反硝化潜力；
（2）测定待处理污水中NO3 --N、NO2 --N、总氮和COD浓度；
（3）测定待处理污水的反硝化潜力；
（4）计算单位体积的待处理污水中的总氮含量MN和COD含量MC，根据步骤（3）中所得待处理污水的反硝化潜力计算出理论上单位体积待处理污水中所含有机物可通过反硝化还原去除的N的质量MN-Re，与总氮含量MN进行对比判断是否需要外加碳源；当MN-Re＜MN时，计算单位体积待处理污水中剩余的总氮含量，根据步骤（1）中测定的外加碳源反硝化潜力，计算单位体积待处理污水需要投入的外加碳源量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（1）中外加碳源选用甲醛；所述甲醛的反硝化潜力测定方法为：采用批式实验，在污水生物脱氮工艺的缺氧反硝化池取适量污泥，用0.85%生理盐水清洗至污泥沉淀后上清液中不含氮和有机物；加入NaNO3和甲醇，及不含有机碳和氮元素的微生物营养液，并用纯水定容，调节pH为7～7.5，并使定容后的溶液中反硝化污泥浓度为2500 mg/L， NO3 --N浓度为10～20mg/L，甲醇浓度为66.7～133.3mg/L，并保证厌氧反硝化环境，进行震荡培养，直至NO3 --N和NO2 --N含量之和不再变化，反硝化反应结束；记录下反硝化反应开始和结束时混合液中COD、NO3 --N和NO2 --N的含量，采用以下公式计算甲醇的反硝化潜力PDN-甲醇：
式中，CODin和CODeff分别代表初始加入的甲醇和反应结束剩余的甲醇所折合的COD浓度；NO3 - in为反应初始的NO3 --N浓度；NO3 - eff和NO2 - eff为反应结束时NO3 --N和NO2 --N的浓度；PDN-甲醇表示单位质量的甲醇可反硝化还原硝酸盐氮的质量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤（3）中待处理污水的反硝化潜力的测定方法为：采用批式实验，在污水生物脱氮工艺的缺氧反硝化池取适量污泥，用0.85%生理盐水清至污泥沉淀后上清液中不含氮和有机物；置于500 mL具塞三角瓶中，加入NaNO3，待处理污水350 mL，并用纯水定容至500 mL，调节pH为7～7.5，使定容后三角瓶中的反硝化污泥浓度为2500 mg/L， NaNO3的加入量使得NO3 --N和NO2 --N浓度之和为COD浓度的10%；密闭三角瓶，保证厌氧反硝化环境，将三角瓶置于摇床上震荡培养，直至NO3 --N和NO2 --N含量之和不再变化，反应结束；记录反硝化反应开始和完全结束时混合液中COD、NO3 --N和NO2 --N的含量。
4.采用以下公式计算待处理污水的反硝化潜力PDN-污水：
式中，CODin和CODeff分别代表反硝化反应初始时和反应结束的COD浓度；NO3 - in和NO2 - in为反应初始时的NO3 --N和NO2 --N浓度；NO3 - eff和NO2 - eff为反应结束时NO3 --N和NO2 --N的浓度；PDN-污水表示待处理污水中单位质量的COD可反硝化还原硝酸盐氮的质量。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述MN-Re计算公式为：
。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述是否需要外加碳源的判断方法如下：当MN-Re≥MN时，无需投入外加碳源；当MN-Re＜MN时，单位体积待处理污水中剩余的总氮含量ΔMN的计算公式如下：；再根据步骤（1）中测定的外加碳源反硝化潜力，计算单位体积待处理污水需要投入的外加碳源量M甲醇：。
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