污水處理生化池堿度與NH3-N關(guān)系研究

姚 薇

(烏魯木齊水文勘測(cè)局，新疆 烏魯木齊 830001)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，越來越多的廢水產(chǎn)生，其處理方式成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)話題。各種新的污水處理技術(shù)與處理工藝成為專家學(xué)者的熱點(diǎn)研究課題。

陳治池等人[1]以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，研究總結(jié)數(shù)學(xué)模型在污水處理、資源利用等方面的優(yōu)勢(shì)所在。邱勇等人[2]基于Prophet時(shí)序模型，以實(shí)際工程為例，對(duì)污水處理相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量、定性的分析。郝曉地等人[3]以碳中和為研究背景，以實(shí)際工程為例，研究污水處理技術(shù)對(duì)碳中和的影響，并提出相關(guān)改進(jìn)意見。李廣英等人[4]以某地區(qū)污水處理廠為研究對(duì)象，采用層次分析法，分析其污水處理效率。曹嘉琪等人[5]基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法，分析某地區(qū)污水處理效率。

本研究采用新疆某地區(qū)河水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究堿度和pH值對(duì)水體NH3-N去除率的影響，在最優(yōu)堿度條件下，研究堿度與NH3-N含量之間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)用水及原料

本研究采用新疆某地區(qū)河水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其化學(xué)需氧量為145.3 mg/L，實(shí)驗(yàn)過程中所需的碳酸鈣購于某地區(qū)市場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)用水相關(guān)濃度如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用水相關(guān)濃度

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本研究采用新疆某工程中使用的一體化水處理設(shè)備，該設(shè)備主要由絮凝劑投加設(shè)備，復(fù)試渦流發(fā)生器，氣浮池，污泥斗，生化池和動(dòng)態(tài)膜裝置組成。其設(shè)備相關(guān)參數(shù)及組件如表2所示。

表2 設(shè)備相關(guān)參數(shù)及組件

首先，從新疆某湖抽取實(shí)驗(yàn)用水，將實(shí)驗(yàn)用水引入干粉投料池，在其中加入絮凝劑。將實(shí)驗(yàn)用水?dāng)嚢杈鶆?，使其充分反?yīng)。將攪勻后的實(shí)驗(yàn)用水引入氣浮池，在此處對(duì)實(shí)驗(yàn)用水中的固體與氣體進(jìn)行分類，將其中的固體引入污泥斗，其中的液體經(jīng)過過濾后引入生化池。液體經(jīng)過裝置處理后，對(duì)其水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，待其達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后，將其排放至湖中。

基于《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》，對(duì)實(shí)驗(yàn)用水的水質(zhì)進(jìn)行分析。堿度分析采用堿度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)方法采用滴定法。NH3-N含量采用納氏試劑光度法進(jìn)行測(cè)定。pH和紫外分別采用pH計(jì)和可見光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同生化階段NH3-N含量和堿度變化

分別測(cè)定5個(gè)不同的生化池的NH3-N含量和堿度。圖1為各生化池NH3-N含量和堿度的變化圖。

由圖1可知，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)設(shè)備的處理后，實(shí)驗(yàn)用水的堿度、NH3-N含量和pH值均呈下降趨勢(shì)。由于在生化池處理實(shí)驗(yàn)用水的過程中，會(huì)發(fā)生硝化反應(yīng)，使NH3-N含量逐漸減小。根據(jù)城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)可得，污水排放NH3-N含量最小值為5 mg/L。當(dāng)實(shí)驗(yàn)用水位于5生化池時(shí)，其NH3-N含量最小，為10.1 mg/L，大于污水排放標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的最小值，未達(dá)到排放要求。NH3-N含量的減少率為55.3%，遠(yuǎn)小于前人相關(guān)研究。這是由于生化池中的pH與堿度均呈下降趨勢(shì)，在去除NH3-N的同時(shí)，生化池中會(huì)發(fā)生其他反應(yīng)，從而影響實(shí)驗(yàn)用水的pH與堿度。而堿度會(huì)影響實(shí)驗(yàn)用水的pH值，NH3-N含量主要與實(shí)驗(yàn)用水的pH值有關(guān)，導(dǎo)致NH3-N含量的減少率較低。

圖1 各生化池NH3-N含量和堿度的變化圖

2.2 堿度對(duì)生化池出水NH3-N含量的影響

由上述分析可知，去除NH3-N的同時(shí)，生化池中會(huì)發(fā)生其他反應(yīng)，從而影響實(shí)驗(yàn)用水的pH與堿度。而堿度會(huì)影響實(shí)驗(yàn)用水的pH值，NH3-N含量主要與實(shí)驗(yàn)用水的pH值有關(guān)，導(dǎo)致NH3-N含量的減少率較低。堿度會(huì)影響實(shí)驗(yàn)用水的NH3-N含量。本節(jié)通過對(duì)生化池中投放碳酸鈣，以控制生化池中的堿度，研究堿度對(duì)實(shí)驗(yàn)用水NH3-N含量的影響。圖2為不同堿度下的NH3-N去除效果。

由圖2可知，隨著堿度的增大，實(shí)驗(yàn)用水的NH3-N含量和NH3-N去除率無明顯的上升或下降趨勢(shì)。出水NH3-N含量呈先上升，后下降的趨勢(shì)。進(jìn)水NH3-N含量呈波動(dòng)趨勢(shì)，總體含量保持在22.3～26.3mg/L。NH3-N去除率隨堿度的增大呈先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)堿度小于220 mg/L時(shí)，堿度的增大對(duì)實(shí)驗(yàn)用水的NH3-N含量及NH3-N去除率有一定的積極影響，隨著堿度的增大，NH3-N含量逐漸減小，NH3-N去除率逐漸增大。當(dāng)堿度大于220 mg/L時(shí)，隨堿度的增大，NH3-N含量逐漸增大，NH3-N去除率逐漸減小，但是其NH3-N含量最大值小于未投放碳酸鈣的NH3-N含量，NH3-N去除率最小值大于未投放碳酸鈣的NH3-N去除率。當(dāng)堿度為220 mg/L時(shí)，是NH3-N去除的最優(yōu)堿度，此時(shí)，由最小NH3-N濃度為3.1 mg/L，NH3-N去除率為88.3%。根據(jù)城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)可得，污水排放NH3-N含量最小值為5 mg/L，在堿度為220 mg/L時(shí)，碳酸鈣投放量為3.8 kg/h，NH3-N含量小于規(guī)范所規(guī)定的最大值，達(dá)到污水排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 最優(yōu)堿度下NH3-N去除效果

根據(jù)2.2節(jié)分析可得，在堿度為220 mg/L時(shí)，碳酸鈣投放量為3.75 kg/h，NH3-N含量最小，為NH3-N去除率的最優(yōu)堿度。因此，基于以上最優(yōu)堿度，研究時(shí)間變化對(duì)NH3-N含量的影響。連續(xù)7天對(duì)生化池NH3-N含量進(jìn)行測(cè)試，在此期間，每小時(shí)投放3.8 kg碳酸鈣，以保持生化池內(nèi)的堿度，使生化池保持在最優(yōu)堿度。NH3-N含量隨時(shí)間的變化圖如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)堿度較高時(shí)，NH3-N含量較低；當(dāng)堿度較低時(shí)，NH3-N含量較高。在最優(yōu)堿度下，實(shí)驗(yàn)用水的NH3-N含量變化趨勢(shì)較為平緩，保持在23.3～27.3 mg/L之間。堿度變化的趨勢(shì)略大于NH3-N含量變化趨勢(shì)，維持在206～225 mg/L，說明碳酸鈣對(duì)于實(shí)驗(yàn)用水的堿度變化影響顯著。由于在加入碳酸鈣后，實(shí)驗(yàn)用水會(huì)發(fā)生硝化反應(yīng)，可顯著降低NH3-N含量，同時(shí)降低實(shí)驗(yàn)用水的堿度。當(dāng)時(shí)間為3 d時(shí)，NH3-N含量有最大值，為4.1 mg/L，當(dāng)時(shí)間為2 d時(shí)，NH3-N含量有最小值，為2.4 mg/L。在進(jìn)行測(cè)試的7 d內(nèi)，NH3-N含量均在城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的范圍內(nèi)，達(dá)到污水排放標(biāo)準(zhǔn)，說明在最優(yōu)堿度下，NH3-N含量降低效果較好。

圖3 NH3-N含量隨時(shí)間的變化圖

2.4 堿度消耗和NH3-N去除關(guān)系

由2.3節(jié)分析可得，當(dāng)堿度較高時(shí)，NH3-N含量較低；當(dāng)堿度較低時(shí)，NH3-N含量較高。為分析堿度與NH3-N之間的關(guān)系，將其數(shù)量關(guān)系進(jìn)行擬合，如圖4所示。

圖4 堿度消耗和NH3-N去除關(guān)系

由圖4可知，實(shí)驗(yàn)用水的NH3-N含量的變化量與堿度的變化量呈線性正相關(guān)關(guān)系，隨NH3-N含量的增量的增大，堿度的增量逐漸增大。其擬合關(guān)系式為y=2.38+6.47x，相關(guān)系數(shù)為0.99，相關(guān)性良好。根據(jù)NH3-N含量的變化量與堿度的變化量關(guān)系式可得，每處理1 gNH3-N需要6.47 kg的堿度。根據(jù)室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范可得，每處理1gNH3-N需要7.14kg的堿度。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的堿度消耗量與規(guī)范中的理論值差距較小，所以，此關(guān)系式可用于NH3-N的處理過程，為NH3-N污水的處理過程提供理論指導(dǎo)。

2.5 堿度對(duì)NH3-N去除效果的機(jī)理

由圖1可得，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)設(shè)備的處理后，實(shí)驗(yàn)用水的堿度、NH3-N含量和pH值均呈下降趨勢(shì)。由

于在生化池處理實(shí)驗(yàn)用水的過程中，會(huì)發(fā)生硝化反應(yīng)，使NH3-N含量逐漸減小。pH值會(huì)影響水體內(nèi)的相關(guān)酶的活性，而酶的活性會(huì)影響實(shí)驗(yàn)用水NH3-N的含量，從而降低實(shí)驗(yàn)用水中NH3-N的含量。實(shí)驗(yàn)用水的堿度主要受碳酸根、氫氧化物和各類鹽的影響。在處理廢水的過程中，上述物質(zhì)需在水體中保持處理廢水過程中的酸堿環(huán)境，在此基礎(chǔ)上，還需為其無機(jī)碳源做出貢獻(xiàn)。由前人研究可得，無機(jī)碳源是影響水體內(nèi)微生物的主要物質(zhì)，其缺失會(huì)導(dǎo)致水體內(nèi)的菌類失活。硝化速率還與鹽的種類有關(guān)，相關(guān)研究表明，當(dāng)采用碳酸根時(shí)，其硝化速度大于采用氫氧化鈉的硝化速率。本研究采用碳酸鈣作為調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)用水堿度的物質(zhì)，既可以提高其硝化速率，也可為水體內(nèi)的菌類提供無機(jī)碳源。由圖1可得，利用碳酸鈣調(diào)節(jié)水體的堿度，可有效降低NH3-N含量，添加碳酸鈣后，水體的NH3-N去除率達(dá)到87.8%。

3 結(jié)語

本研究采用新疆某地區(qū)河水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究堿度和pH值對(duì)水體NH3-N去除率的影響，在最優(yōu)堿度條件下，研究堿度與NH3-N含量之間的關(guān)系，結(jié)論如下：

(1)在生化池處理實(shí)驗(yàn)用水的過程中，會(huì)發(fā)生硝化反應(yīng)，使NH3-N含量逐漸減小。當(dāng)實(shí)驗(yàn)用水位于5生化池時(shí)，其NH3-N含量最小，為10.1 mg/L，大于污水排放標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的最小值，未達(dá)到排放要求。由于生化池中的pH與堿度均呈下降趨勢(shì)，在去除NH3-N的同時(shí)，生化池中會(huì)發(fā)生其他反應(yīng)，從而影響實(shí)驗(yàn)用水的pH與堿度。而堿度會(huì)影響實(shí)驗(yàn)用水的pH值，NH3-N含量主要與實(shí)驗(yàn)用水的pH值有關(guān)，導(dǎo)致NH3-N含量的減少率較低。

(2)隨著堿度的增大，出水NH3-N含量呈先上升，后下降的趨勢(shì)。進(jìn)水NH3-N含量呈波動(dòng)趨勢(shì)，總體含量保持在22.3～26.3 mg/L。NH3-N去除率隨堿度的增大呈先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)堿度小于220 mg/L時(shí)，堿度的增大對(duì)實(shí)驗(yàn)用水的NH3-N含量及NH3-N去除率有一定的積極影響，隨著堿度的增大，NH3-N含量逐漸減小，NH3-N去除率逐漸增大。當(dāng)堿度為220 mg/L時(shí)，是NH3-N去除的最優(yōu)堿度，此時(shí)，由最小NH3-N濃度為3.1 mg/L，NH3-N去除率為88.3%達(dá)到污水排放標(biāo)準(zhǔn)。

(3)當(dāng)堿度較高時(shí)，NH3-N含量較低；當(dāng)堿度較低時(shí)，NH3-N含量較高。在最優(yōu)堿度下，實(shí)驗(yàn)用水的NH3-N含量變化趨勢(shì)較為平緩，保持在23.3～27.3 mg/L之間。堿度變化的趨勢(shì)略大于NH3-N含量變化趨勢(shì)，維持在206～225 mg/L，說明碳酸鈣對(duì)于實(shí)驗(yàn)用水的堿度變化影響顯著。當(dāng)時(shí)間為3 d時(shí)，NH3-N含量有最大值，為4.1 mg/L，當(dāng)時(shí)間為2 d時(shí)，NH3-N含量有最小值，為2.4 mg/L。在進(jìn)行測(cè)試的7天內(nèi)，NH3-N含量達(dá)到污水排放標(biāo)準(zhǔn)，說明在最優(yōu)堿度下，NH3-N含量降低效果較好。

(4)實(shí)驗(yàn)用水的NH3-N含量的變化量與堿度的變化量呈線性正相關(guān)關(guān)系。根據(jù)NH3-N含量的變化量與堿度的變化量關(guān)系式可得，每處理1 gNH3-N需要6.47 kg的堿度。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的堿度消耗量與規(guī)范中的理論值差距較小，為NH3-N污水的處理過程提供理論指導(dǎo)。

(5)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)設(shè)備的處理后，實(shí)驗(yàn)用水的堿度、NH3-N含量和pH值均呈下降趨勢(shì)。由于在生化池處理實(shí)驗(yàn)用水的過程中，會(huì)發(fā)生硝化反應(yīng)，使NH3-N含量逐漸減小。pH值會(huì)影響水體內(nèi)的相關(guān)酶的活性，從而降低實(shí)驗(yàn)用水中NH3-N的含量。在處理廢水的過程中，上述物質(zhì)需在水體中保持處理廢水過程中的酸堿環(huán)境，還需為其無機(jī)碳源做出貢獻(xiàn)。無機(jī)碳源是影響水體內(nèi)微生物的主要物質(zhì)，其缺失會(huì)導(dǎo)致水體內(nèi)的菌類失活。硝化速率還與鹽的種類有關(guān)，當(dāng)采用碳酸根時(shí)，其硝化速度大于采用氫氧化鈉的硝化速率。