环保学院丨污水脱氮外部碳源投加量计算方法，实战计算！看完才知道如此简单！ / 开普饭

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随着污水排放标准的提高，我国城镇污水处理厂对出水中氮浓度的要求越来越严格。与其他可供选择的脱氮途径( 吹脱、折点氯化和离子交换) 相比较，生物脱氮技术通常成本较低且应用更为普遍，但是也受到多种因素的制约。据统计，目前大多数城镇污水处理厂的进水中碳源不能满足生物脱氮的需求。污水中碳源不足严重影响了脱氮效率，投加外部碳源是常用的运行措施。污水处理厂外部碳源投加量与污水厂的进水水质、水温、生化反应系统设计参数等诸多因素有关，然而国内规范和设计手册均未给出单段活性污泥法脱氮工艺外部碳源投加量的计算方法。而准确计算外部碳源投加量，对于指导碳源投加设备选型和污水厂经济、稳定运行具有重要的意义。因此，环保学院根据国外相关工程规范，并结合国内工程实例，提出了一种新的外部碳源投加量计算方法，旨在为相关工程提供参考。本文结合实际案例，附带推理过程，读者可跳过推理，直接阅读红色字样的计算方法!需要本文请文末点赞后留言邮箱！

1 污水厂进水水质预测

1. 1 南方某污水厂二期工程设计进水水质预测

鉴于该污水处理厂二期工程与一期工程共用一根进水总管，故参考一期工程 2015 年 1 月—12 月实际进水水质预测二期工程设计进水水质。一期2015 年实际进水水质: COD 为 54 ～ 471 mg /L，平均值为 232 mg /L; BOD5 为 25 ～ 259 mg /L，平均值为93 mg /L; SS 为 28 ～ 316 mg /L，平均值为 101 mg /L; NH3 － N 为 1 ～ 41. 2 mg /L，平均值为 24 mg /L; TN 为 4 ～ 61. 2 mg /L，平均值为 31 mg /L; TP 为 1 ～ 14. 1 mg /L，平均值为 4 mg /L。城市污水处理厂的设计进水水质一般可采用进水水质指标浓度 85% ～ 90% 的保证率进行预测。二期工程设计进水中主要污染物指标保证率取85% ，根据统计分析后确定二期工程的设计进水水质，具体如下: COD 为 350 mg /L，BOD5 为 140 mg /L， SS 为 205 mg /L，NH3 － N 为 33 mg /L，TP 为 6 mg /L， TN 为 42 mg /L。

1. 2 进水水质指标相关性分析

针对一期工程 2015 年 1 月—12 月实际进水COD、BOD5 和 TN 值，采用最小二乘法进行回归分析，并建立相应的回归方程，得到各进水水质指标之间的相关关系。分析结果表明，进水 COD 与 BOD5的线性关系为 BOD5 = 0. 386 6COD － 3. 561 7( Ｒ2 = 0. 795 5) ，进水 TN 与 BOD5 的线性关系为 BOD5 = 3. 082 1TN + 3. 681 9 ( Ｒ2 = 0. 383 6) 。可见，BOD5 与 COD 之间的线性拟合较好，BOD5 与 TN 的线性拟合程度偏低。选取了全国 19 个省市自治区 127 座污水处理厂为研究对象，分析进水水质指标之间的相关性，其结果与本研究一致。

虽然污水厂设计进水水质可以很好地指导污水处理构筑物的设计和设备选型，但是由于进水 BOD5 与 TN 之间线性相关性较差，所以将设计进水水质作为污水脱氮工艺补充碳源投加量的计算是不合理的。需要预测适用于计算污水脱氮工艺外部碳源投加量的进水水质。

1. 3 碳源投加工况设计水质的预测

由于影响反硝化脱氮反应的主要水质指标是进水中的 BOD5 和 TN，因此碳源投加工况设计水质主要围绕 BOD5 和 TN 进行讨论。一期工程 2015 年 1 月—12 月的 BOD5 /TN 月平均值如图 1 所示。可知，全年 BOD5 /TN 月平均值在 11 月份最小。因此，以 11 月份 BOD5 和 TN 的月平均值( 分别为 70 和 30. 4 mg /L) 作为碳源投加工况设计水质。

2 污水脱氮工艺外部碳源投加量计算

《给水排水设计手册》( 第 5 册) 中介绍了多段活性污泥法脱氮工艺外加碳源( 甲醇) 的计算方法。但国内污水处理厂普遍应用单段活性污泥法，如氧化沟、A/O、AAO、SBＲ等生物脱氮工艺。由于单段活性污泥法的除碳和脱氮过程在同一生物反应池中完成，故单段活性污泥法的生物菌群系统较多段活性污泥法的更加复杂，影响反应效率的因素更多。如果生搬硬套多段活性污泥法脱氮工艺的外部碳源投加计算方法肯定是不合适的。为此，本研究借鉴了德国 ATV － DVWK 规范及标准中的 ATV － A131E“单段活性污泥法污水处理厂的设计”，推荐了一种适用于单段活性污泥脱氮工艺的外部碳源投加量计算方法。

2. 1 生化系统中氮平衡计算

图2 为污水处理厂中生化系统的氮平衡示意。

该氮平衡是将整个生化系统( 生物反应池 + 二沉池) 看成一个封闭系统，进入这个系统的氮等于排出这个系统的氮，即质量守恒。为简化计算，系统内的硝化液回流、污泥回流因不涉及进、出系统，所以不予考虑。

微生物同化作用进入剩余污泥中的氮( N1 ) 按 BOD5 去除量的 5% 计，见式( 1) 。

N1 = 0． 05( Si － Se ) ( 1)

式中，Si 和 Se 分别为生化系统进水和出水的BOD5 浓度。

生化系统进水 BOD5 的浓度和生物反应池缺氧池容积大小均会影响反硝化作用对氮的去除效果。德国 ATV － A131E 标准中将生物反应池通过反硝化作用去除的氮浓度与生物反应池进水 BOD5 浓度之比定义为反硝化设计标准值，表示为 Kde，BOD，其计算见式( 2) 。

Kde，BOD = N2 /Si ( 2)

式中，N2 为生物反应池通过反硝化作用去除的硝酸盐氮，mg /L。

从理论上讲，反硝化 1 kg 的硝酸盐氮需要消耗2. 86 kg 的 BOD5，即 Kde，BOD = 0. 35。但在实际工程中，单段活性污泥法缺氧池中微生物菌群系统复杂，进入缺氧池的 BOD5 不可能全部被反硝化菌利用，能被用来进行反硝化脱氮反应的只有一小部分，实际 Kde，BOD远小于 0. 35。ATV － A131E 标准通过总结实际工程的数据，提出了可供工程实际应用的反硝化设计标准值，见表 1( 水温为 10 ～ 12 ℃ ) 。

综上所述，生化系统中氮平衡方程可以表示为式( 3) 。Ni =N1 +N2 +Ne计 =0. 05( Si － Se ) + KdeBOD Si + Ne计 ( 3)

式中，Ni 为生化系统中进水总氮浓度，mg /L; Ne计为根据生化系统的设计参数计算所能达到的出水总氮浓度，mg /L。

2. 2 外部碳源投加量计算方法简介

单段活性污泥法中的菌群环境复杂，投加在缺氧区的碳源无法被反硝化细菌全部利用，德国 ATV标准规定: 反硝化 1 kg 的硝酸盐氮需要 5 kg 的 COD，这是从大量工程实践中得出的经验数据，详见式( 4) 。

Cm = 5N ( 4)

式中，Cm 为外部碳源投加量( 以 COD 计) ，mg / L; N 为需要依靠外部碳源反硝化去除的硝酸盐氮量，mg /L。

目前污水厂常用的外部碳源有甲醇、乙酸、乙酸钠等。为方便计算各种外加碳源的投加量，式( 4) 中 Cm 以 COD 计。N 的计算见式( 5) 。

N = Ne计－ Ns ( 5)

式中，Ns 为二沉池出水中总氮的设计排放浓度，mg /L。

3 二期工程外部碳源投加量计算

3. 1 外部碳源投加量设计参数

二期工程设计处理规模为 10 × 104 m3 /d，脱氮采用改良的 AAO 工艺。根据 1. 3 节，生物反应池碳源投加工况的设计水质: BOD5 = 70 mg /L，TN = 30. 4 mg /L，水温为 12 ℃ ; 二沉池出水 BOD5 ≤10 mg /L，出水 TN≤10 mg /L; 外部碳源拟采用乙酸，乙酸的COD 当量以 1. 07 kgCOD/kg 乙酸计。

首先确定生物反应池 VD /VAT值，二期工程设计进水 TN 为 41 mg /L，属于中等浓度，VD /VAT值宜取0. 3 或 0. 4，本工程按照 0. 4 计算。

当 VD /VAT值 = 0. 4 时，根据表 1 可得 Kde，BOD = 0. 14，代入式( 3) 可得: Ne计 = Ni － 0． 05 ( Si － Se ) － Kde，BOD Si = 30. 4 － 0. 05 × ( 70 － 10) － 0. 14 × 70 = 17. 6 mg /L。代入式( 5) 可得: N = 17. 6 － 10 = 7. 6 mg /L。代入式( 4) 可得: Cm = 5 × 7. 6 = 38 mgCOD/ L。乙酸投加量 = 38 /1. 07 = 35. 51 mg /L，设计取 40 mg /L。

3. 2 实际运行效果

该污水处理厂二期工程于 2017 年底通水运行， 2018 年全年出水水质稳定达标。2018 年全年进、出水 TN 和碳源投加量的变化如图 3 所示。可以看出，全年碳源投加量主要集中在旱季( 11 月和 12 月) ，最大投加量为 38. 5 mg /L，与设计值( 40 mg /L)基本吻合。

4 结论

① 由于污水处理厂进水 BOD5 与 TN 的线性相关程度较低，故采用设计进水水质作为碳源投加工况设计水质是不合理的。本研究认为应先找出全年进水 BOD5 /TN 月平均最低值发生的月份，再以该月份 BOD5 和 TN 的月平均值作为碳源投加工况设计水质。

② 国内规范和设计手册均未给出单段活性污泥法脱氮工艺外部碳源投加量的计算方法，本研究借鉴德国 ATV 标准，推荐了一种适用于单段活性污泥法脱氮工艺外部碳源投加量计算的方法。

③ 污水处理厂二期工程 2018 年的实际运行数据表明，提出的单段活性污泥法脱氮工艺外部碳源投加量计算方法是可行的，可供相关工程参考。

④ 污水厂脱氮工艺外部碳源投加量不足会导致污水厂出水 TN 超标，碳源投加过量则会造成药剂的浪费，同时面临出水 COD 超标的风险。为保证出水 COD 达标，需增大好氧池的曝气量，那么将增加电耗，提高污水运营成本。因此，准确计算外部碳源投加量对指导碳源投加设备选型和污水厂经济、稳定运行具有重要意义。欢迎文末留言讨论！

参考文献：郭小春《污水脱氮工艺外部碳源投加量计算方法探讨》

（来源于公众号：环保学院）