一、pH對硝化的影響

pH

值酸鹼度是影響硝化作用的重要因素。硝化細菌對pH反應很敏感，在pH中性或微鹼性條件下（pH為8～9的範圍內），其生物活性強，硝化過程迅速。

當pH＞9。6或＜6。0時，硝化菌的生物活性將受到抑制並趨於停止。

若pH＞9。6時，雖然NH

4

＋

轉化為NO

2

-

和NO

3

-

的過程仍然異常迅速，但是從NH

4

的電離平衡關係可知，NH

3

的濃度會迅速增加。由於硝化菌對NH

3

極敏感，結果會影響到硝化作用速率。

在酸性條件下，當pH＜7。0時硝化作用速度減慢，pH＜6。5硝化作用速度顯著減慢，硝化速率將明顯下降。pH＜5。0時硝化作用速率接近零。

pH

下降的原因：

pH

下降的原因有兩個，一是進水鹼度不高。二是進水碳源不足，無法補充硝化消耗的一半的鹼度。

由硝化方程式可知，隨著NH

3

-N被轉化成NO

3

-

-N，會產生部分礦化酸度H

+

，這部分酸度將消耗部分鹼度，每克NH

3

-N轉化成NO

3

-

-N約消耗7。14g鹼度（以CaCO

3

計）。因而當汙水中的鹼度不足而TKN負荷又較高時，便會耗盡汙水中的鹼度，使混合液中的pH值降低至7。0以下，使硝化速率降低或受到抑制。

如果無強酸排人，正常的城市汙水應該是偏鹼性的，即pH一般都大於7。0，此時的pH則主要取決於入流汙水中鹼度的大小。

所以，在生物硝化反應器中，應儘量控制混合液pH＞7。0，制pH＞7。0，是生物硝化系統順利進行的前提。

而要準確控制pH，pH＜6。5時，則向汙水中加鹼。應進行鹼度核算。

1

、為什麼需要補充鹼度？

在脫氮工藝中，都會經過硝化與反硝化的過程，而這兩者的交替就會出現鹼度的變化：

硝化反應過程：

在有氧條件下，氨氮被硝化細菌所氧化成為亞硝酸鹽和硝酸鹽。他包括兩個基本反應步驟：由亞硝酸菌（Nitrosomonas sp）參與將氨氮轉化為亞硝酸鹽的反應；硝酸菌（Nitrobacter sp）參與的將亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽的反應，亞硝酸菌和硝酸菌都是化能自養菌，它們利用CO

2

、CO

3

2-

、HCO

3

-

等作為碳源，透過NH

3

、NH

4

+

、或NO

2

-

的氧化還原反應獲得能量。硝化反應過程需要在好氧（Aerobic或Oxic）條件下進行，並以氧做為電子受體，氮元素做為電子供體。其相應的反應式為：

亞硝化反應方程式：

55NH4++76O2+109HCO3

→C5H7O2N﹢54NO2-+57H2O+104H2CO3

硝化反應方程式：

400NO2-+195O2+NH4-+4H2CO3+HCO3-

→C5H7O2N+400NO3-+3H2O

硝化過程總反應式：

NH4-+1.83O2+1.98HCO3

→0.021C5H7O2N+0.98NO3-+1.04H2O+1.884H2CO3

透過上述反應過程的物料衡算可知，在硝化反應過程中，將1g氨氮氧化為硝酸鹽氮需好氧4.57g（其中亞硝化反應需耗氧3.43克，硝化反應耗氧量為1.14克），同時約需耗7.14g重碳酸鹽（以CaCO3計）鹼度

。

3

在硝化反應過程中，氮元素的轉化經歷了以下幾個過程：

氨離子NH4-→羥胺NH2OH→硝醯基NOH→亞硝酸鹽NO2-→硝酸鹽NO3-

在缺氧條件下，利用反硝化菌將亞硝酸鹽和硝酸鹽還原為氮氣而從汙水中逸出，從而達到除氮的目的。

反硝化是將硝化反應過程中產生的硝酸鹽和亞硝酸鹽還原成氮氣的過程，反硝化菌是一類化能異養兼性缺氧型微生物。當有分子態氧存在時，反硝化菌氧化分解有機物，利用分子氧作為最終電子受體，當無分子態氧存在時，反硝化細菌利用硝酸鹽和亞硝酸鹽中的N

3

+

和N

5

+

做為電子受體，O

2

-

作為受氫體生成水和OH

-

鹼度，有機物則作為碳源提供電子供體提供能量並得到氧化穩定，由此可知反硝化反應須在缺氧條件下進行。從NO

3

-

還原為N

2

的過程如下：

反硝化反應過程：

NO3-

反硝化過程中，反硝化菌需要有機碳源（如碳水化合物、醇類、有機酸類）作為電子供體，利用NO

3

-

中的氧進行缺氧呼吸。其反應過程可以簡單用下式表示：

→ NO2- → NO → N2O → N2

NO3- + 4H(

電子供體有機物) → 1/2N2 + H2O + 2OH-

NO2- + 3H(

電子供體有機物) → 1/2N2 + H2O + OH-

如果汙水中含有溶解氧，為使反硝化完全，所需碳源有機物（以BOD表示）用下式計算：

汙水中含碳有機物作為反硝化反應過程中的電子供體。透過上述反應過程的物料衡算可知，每轉化1gNO2-為N2時，需有機物（以BOD表示）1.71g；每轉化1gNO3-為N2時，需有機物（以BOD表示）2.86g。同時產生3.57g重碳酸鹽鹼度（以CaCO3計）。

其中：

C

— 反硝化過程有機物需要量（以BOD表示），mg/ L；

N

i

— 初始硝酸鹽氮濃度，mg/L；

N

0

— 初始亞硝酸鹽氮濃度，mg/L；

DO

0

— 初始溶解氧濃度，mg/L。

如果汙水中碳源有機物濃度不足時，應補充投加易於生物降解的碳源有機物（甲醇、乙醇或糖類）。

以甲醇為例，則：

C=2.86Ni + 1.71N0 + DO0

如果水中有NO

2

-

，則會發生下述反應：

NO3-+1.08CH3OH+0.24H2CO3→0.056C5H7O2N+0.47N2↑+1.68H2O+HCO3-

由上式可見，每還原1gNO

2

-

和1gNO

3

-

分別需要消耗甲醇1。53g和2。47g。

當水中有溶解氧存在時，氧消耗甲醇的反應式為：

NO2-+0.67CH3OH+0.53H2CO3→0.04C5H7O2N+0.48N2↑+1.23H2O+HCO3-

綜上所述，可得反硝化過程需要有機碳源（甲醇）的投加量公式為：

O2+0.93CH3OH+0.056NO3-→0.056C5H7O2N+1.64H2O+0.056HCO3-+0.59H2CO3

其中：

C

m

— 反硝化過程中需要的甲醇濃度（mg/L）

其餘符號同上

Cm=2.47Ni+1.53N0+DO0

而當汙水中的鹼度不足而TKN負荷又較高時，便會耗盡汙水中的鹼度，使混合液中的pH值降低至7。0以下，使硝化速率降低或受到抑制。

所以，在生物硝化脫氮中，應儘量控制混合液pH＞7。0，制pH＞7。0，是生物硝化系統順利進行的前提。而要準確控制pH，則必須向汙水中加鹼。

在實際工程應用中，對於典型的城市汙水，進水中NH

3

-N濃度一般為20～40mg/L（TKN約50～60mg/L），鹼度約200mg/L（以Na

2

CO

3

計）左右。

綜上所述，硝化反應每氧化1g氨氮耗氧4.57g，消耗鹼度7.14g，表現為pH值下降。在反硝化過程中，去除硝酸鹽氮的同時去除碳源，這部分碳源摺合DO 2.6g，另外，反硝化過程中補償鹼度3.57g。所以，全程硝化反硝化過程需要消耗3.57g鹼度。

2

1

、一般來說，在硝化反應中每硝化1gNH

3

-N需要消耗7。14g鹼度，所以硝化過程中需要的鹼度量可按下式計算：

、鹼度投加量的計算

式中：

Q

— 進水的日平均汙水量，m

3

/d；

ΔCNH

3

-N — 進出水NH

3

-N濃度的差值，mg/L；

7。14

— 硝化需鹼量係數，kg鹼度/kgNH

3

-N。

2

、對於含氨氮濃度較高的工業廢水，通常需要補充鹼度才能使硝化反應器內的pH值維持在7。2～8。0之間。計算公式如下：

鹼度＝7.14×QΔCNH3-N×10-3 (1)

式中，K為安全係數，一般為1。2～1。3。

3

、實際工程中進行鹼度核算應考慮以下幾部分：入流汙水中的鹼度，生物硝化消耗的鹼度，分解BOD

5

產生的鹼度，以及混合液中應保持的剩餘鹼度。要使生物硝化順利進行，必須滿足下式：

鹼度＝K×7.14×QΔCNH3-N×10-3 (2)

ALKw

如果鹼度不足，要使硝化順利進行，則必須投加純鹼，補充鹼度。投加的鹼量可按下式計算：

＋ALKc＞ALKN＋ALKE （3）

ΔALK＝（ALKN＋ALKE）－（ALKw＋ALKc） （4）

ΔALK — 系統應補充的鹼度，mg／L；

ALKN

— 生物硝化消耗的鹼量；ALKN一般按硝化1kgNH

3

-N消耗7。14kg鹼計算。

ALKE

— 混合液中應保持的鹼量，ALKE一般按曝氣池排出的混合液中剩餘50mg/L鹼度（以Na

2

CO

3

計）計算。

ALKw

— 原汙水中的總鹼量；

ALKc

— BOD

5

分解過程中產生的鹼量；ALKc與系統的SRT有關係：當SRT＞20d時，可按降解每千克BOD

5

產鹼0。1kg計算；當SRT＝10～20d時，按0。05kgALKc/kgBOD

5

；當SRT＜10d時，按0。01gALKc/kgBOD

5

。

式中：

3

汙水處理使用的鹼藥劑，一般有石灰（氫氧化鈣）、燒鹼（氫氧化鈉）、純鹼（碳酸鈉）等。

對於價格來說，氫氧化鈉最貴，氫氧化鈣最低；對於鹼度來說，氫氧化鈉最強，碳酸鈉最低；對於產泥量來說，氫氧化鈣會產生大量的汙泥，氫氧化鈉和碳酸鈉無（極少）多餘汙泥產生；對於危險性來說，氫氧化鈉屬於危化品，鹼性太強，危險性最大，管理及運輸上要求較高，氫氧化鈣及碳酸鈉不屬於危化品，鹼性較弱，危險性較小。

對於鹼的選擇，需要根據實際要求，有些汙水廠因為成本原因使用氫氧化鈣，有些因為工藝需要選擇氫氧化鈉，所以，鹼沒有貴賤之分，只有適不適合自己。

三、例項計算

如前所述，硝化反應中每消耗1g氨氮要消耗鹼度7。14g。一般汙水尤其是工業汙水對於硝化反應來說，鹼度往往是不夠的，因此應投加必要的鹼量以維持適宜的pH值，保證硝化反應的正常進行。

某處理廠採用脫氮工藝，日處理汙水10000m

3

/d。來水水中：BOD

5

＝50mg/L（0。05kg/m

3

），NH

3

-N＝50mg/L，鹼度ALKw＝100mg/L（0。10kg/m³）。欲使出水BOD

5

＜5mg/L，NH

3

-N＜5mg/L，剩餘鹼度10mg/L（0。01kg/m³）。試核算該硝化系統的鹼度，如果鹼度不足，試計算投鹼量？

解：

每日進水鹼度ALKw＝0。10×10

4

＝1000kg/d

反硝化ALKc＝（0。05－0。005）×10

4

×3。47＝1683kg/d（反硝化降解每克BOD

5

產鹼3。47g計算）

ALKN

＝（0。05－0。005）×10

4

×7。14＝3213kg/d（按1kgNH

3

-N消耗7。14kg鹼計算）

每日剩餘鹼度ALKE＝0。01×10

4

＝100 kg/d

ALKw

＋ALKc＝1000kg/d＋1683kg/d=2683kg/d

ALKN

＋ALKE＝3213kg/d＋100kg/d=3313kg/d

ALKw

＋ALKc ≯ ALKN＋ALKE

因此，該硝化系統內鹼源不足。如果不外加鹼源，pH將降低，抑制硝化進行，出水NH

3

-N超標。如果外加鹼源，則投鹼量為：

ΔALK＝3313－2683＝630kg/d

即每天需向來水中投加鹼源630kg，具體可根據純鹼的有效成分，換算出純鹼的投加量。