污水厂里的计算第六篇-生物脱氮的碳源
这些年随着城镇居民生活水平的提高，人们摄入的蛋白含量高的食品越来越多，通过污水造成的氮的排放量也越来越高，特别是以肉类为主的地区，城镇污水中的总氮远远超出了设计指标，年平均能达到70~80mg/L之间，而国家对污水厂的《GB18918-2002》一级A排放标准中对总氮的要求为15mg/L，在污水厂中需要生物降解的总氮达到55~65mg/L，如此高的降解空间，对生产运行带来很大的压力，甚至有些时候需要外加碳源来满足反硝化反应的进行，今天我们就来聊聊污水厂里生物脱氮的碳源的计算。
为了更好的了解碳源的补充，我们先来了解下污水厂里生物脱氮的反应，在公众号前面的多篇文章里，我们都对污水厂的氮的去除都有很多的讲述，详情大家可以点击回看《污水水质-氮族》；《污水厂实战篇-氨氮，氨氮，又见氨氮（上，下）》。对生物脱氮反应的第一步：氨氮的硝化反应进行了很多的描述，但是对脱氮的第二步反硝化反应介绍的比较少，今天我们先来简单了解下脱氮的第二步—反硝化反应。
由于市政污水厂绝大部分采用的是活性污泥的生物处理法，我们来看看在市政污水厂中生物脱氮的基本原理，脱氮过程一般包括氨化、硝化和反硝化三个过程。
①氨化：污水中的含氮有机物，在生物处理过程中被好氧或厌氧异养型微生物氧化分解为氨氮的过程；
②硝化：污水中的氨氮在硝化菌（好氧自养型微生物）的作用下被转化为NO2-和NO3-的过程；
③反硝化：污水中的NO2-和NO3-在缺氧条件下在反硝化菌（兼性异养型细菌）的作用下被还原为N2的过程。
反硝化反应是把前两步生成的硝酸盐和亚硝酸盐通过反硝化菌的作用，还原成氮气的过程，这个过程的反应方程式为：
NO2-+3H+（电子供给体-有机物）——1/2N2+H2O+OH-
NO3-+5H+（电子供给体-有机物）——1/2N2+2H2O+OH-
在生物反硝化反应中，反硝化菌利用污水中的有机碳源作为电子供体，亚硝酸根NO2-和硝酸根NO3-作为电子受体，将No2-N和NO3-N还原成氮气，同时去除部分的有机物。因此在反硝化反应中，碳源是不可缺少的一部分。能为反硝化菌所利用的碳源是多种多样的，从污水处理厂来说，最为理想和经济的就是污水中本身所含的碳源，这是优于外加的碳源的，一般认为当污水中的BOD5/TN的值大于3~5时，满足微生物的同化作用的比例，就可以说碳源充足，不需要外加碳源。在相关资料中，一般认为每反硝化1Kg硝态氮，需要消耗2.86kg的BOD5，每反硝化1Kg亚硝态氮，需要消耗1.72kg的BOD5。
但是在实际的运行中，污水厂的碳源有时往往会出现BOD5/TN小于3~5的情况，在这种情况下，我们就需要外加碳源，来满足反硝化的碳源需求（需要说明的是在投加碳源进行脱氮之前，一定要有反硝化区域）。市场上的碳源来源比较多，一般常见的有甲醇，乙酸，乙酸钠，淀粉，蛋白质，葡萄糖等。其中淀粉、蛋白质、葡萄糖由于属于高分子的有机物，在水中分解速度较慢，而污水厂中的反硝化反应区域一般设计较小，停留时间小于好氧阶段，因此一般反硝化碳源会采用能快速提供碳源的甲醇，乙酸，乙酸钠等的快速碳源。
在国内外的相关资料中，对外加碳源的计算公式为：
C=2.47N0+1.53N+0.87D
C为需要投加的碳源量，mg/L
N0为初始的NO3-N的量，mg/L
N为初始的NO2-N的量，mg/L
D为初始的溶解氧浓度，mg/L
这个公式是作为理论计算出来的碳源投加量，在实际应用中，由于需要检测缺氧段的硝酸盐和亚硝酸盐的量，同时还要考虑进水中碳源的作用，溶解氧的变化等等因素，这个公式应用的并不是很多。现在比较通用的，在实际中便于采用的，主要依据来源于德国的ATV131《单段活性污泥污水处理厂的设计》标准中的描述：“增加外部碳源时，反硝化每Kg硝酸盐氮需要5 kg COD。
其中SCOD，ext为外加碳源的量，以COD计算。
SNO3，D，Ext为反硝化减少的硝酸盐氮的量
由于硝酸盐氮在实际运行中也比较少的测量，因此，我们最后以总氮计算，得出最后的简化公式为：
Cｍ＝5N
式中Cm：必需投加的外部碳源量(以COD计)，mg／L；
5：反硝化1kg硝态氮需外部碳源量(以COD计)，kgCOD／kgNO３－一N；
N：需要用外部碳源反硝化去除的氮量，mg／L。
通过这样的简化以后，我们就可以非常便捷的计算出污水处理厂所需要的外加碳源的数量了。
假设某污水厂处理水量为3万吨/日，现阶段出水总氮为25mg/L，为了达到国家排放标准的15mg/L，需要在反硝化段投加多少碳源？折合成甲醇或乙酸钠各为多少？
我们先来看一下各碳源的COD当量值，下表列出了每千克的碳源物质所对应的COD值：
| 参数单位 | 甲醇 | 乙酸 | 乙酸钠 | 葡萄糖 |
| 密度（kg／L） | 0．796 | 1．049 | ||
| COD当量（kgCOD／kg） | １.５ | １.０７ | ０.６８ | ０.６ |
| COD当量（kg／L） | １.１９４ | １.１２２ |
我们根据上面的简化公式可以计算出需要投加的碳源是
Ｃｍ＝5×（25－15）＝50ｍｇ／Ｌ
以30000吨进水量计算，需要的COD为
（30000×（50÷1000））÷1000＝1.5吨
折合成甲醇的量为：
1.5÷1.5＝１吨
工业甲醇的含量为75%，则需要投加工业甲醇为：
1÷75%=1.3吨
折合为乙酸钠的量为：
1.5÷0.68=2.2吨
工业出售乙酸钠固体含量为58%，则需要投加工业乙酸钠为：
2.2÷58%=3.8吨
所以计算可以得到，在现有的情况下，总氮达标，需要投加碳源，以甲醇计算需要每天投加1.3吨，乙酸钠需要投加3.8吨，考虑到实际投加过程的损耗和效率在此基础上增加一个系数１.２的系数，
1.3×1.2＝1.56吨
3.8×1.2＝4.56吨
所以现阶段每天需要投加１．４吨的甲醇或者4.56吨的乙酸钠来保证反硝化反应的进行，以达到出水总氮达标的目的，这部分的甲醇或乙酸钠应投加到反硝化区，直接补充给反硝化反应所需的碳源。
以上的计算数值是理论的计算数据，在实际中由于受到多种情况的影响，投加量往往比这个数值要大很多，所以这个数值一般做为最低的投加量来对待，实际的投加量受到现场的条件和各种因素，都会比这个数值要大，运行人员可以根据实际的情况进行调整。