污水处理生化池碱度与NH3-N关系研究

姚 薇

(乌鲁木齐水文勘测局，新疆 乌鲁木齐 830001)

0 引言

随着社会的发展，越来越多的废水产生，其处理方式成为社会关注的热点话题。各种新的污水处理技术与处理工艺成为专家学者的热点研究课题。

陈治池等人[1]以数学模型为基础，研究总结数学模型在污水处理、资源利用等方面的优势所在。邱勇等人[2]基于Prophet时序模型，以实际工程为例，对污水处理相关数据进行定量、定性的分析。郝晓地等人[3]以碳中和为研究背景，以实际工程为例，研究污水处理技术对碳中和的影响，并提出相关改进意见。李广英等人[4]以某地区污水处理厂为研究对象，采用层次分析法，分析其污水处理效率。曹嘉琪等人[5]基于数据包络分析法，分析某地区污水处理效率。

本研究采用新疆某地区河水进行实验，研究碱度和pH值对水体NH3-N去除率的影响，在最优碱度条件下，研究碱度与NH3-N含量之间的关系。

1 实验部分

1.1 实验用水及原料

本研究采用新疆某地区河水进行实验，其化学需氧量为145.3 mg/L，实验过程中所需的碳酸钙购于某地区市场。实验用水相关浓度如表1所示。

表1 实验用水相关浓度

1.2 实验设备

本研究采用新疆某工程中使用的一体化水处理设备，该设备主要由絮凝剂投加设备，复试涡流发生器，气浮池，污泥斗，生化池和动态膜装置组成。其设备相关参数及组件如表2所示。

表2 设备相关参数及组件

首先，从新疆某湖抽取实验用水，将实验用水引入干粉投料池，在其中加入絮凝剂。将实验用水搅拌均匀，使其充分反应。将搅匀后的实验用水引入气浮池，在此处对实验用水中的固体与气体进行分类，将其中的固体引入污泥斗，其中的液体经过过滤后引入生化池。液体经过装置处理后，对其水质进行监测，待其达到排放标准后，将其排放至湖中。

基于《水和废水监测分析方法》，对实验用水的水质进行分析。碱度分析采用碱度计进行测量，实验方法采用滴定法。NH3-N含量采用纳氏试剂光度法进行测定。pH和紫外分别采用pH计和可见光光度计进行测定。

2 结果与讨论

2.1 不同生化阶段NH3-N含量和碱度变化

分别测定5个不同的生化池的NH3-N含量和碱度。图1为各生化池NH3-N含量和碱度的变化图。

由图1可知，经过实验设备的处理后，实验用水的碱度、NH3-N含量和pH值均呈下降趋势。由于在生化池处理实验用水的过程中，会发生硝化反应，使NH3-N含量逐渐减小。根据城镇污水处理厂污染物排放标准可得，污水排放NH3-N含量最小值为5 mg/L。当实验用水位于5生化池时，其NH3-N含量最小，为10.1 mg/L，大于污水排放标准中所规定的最小值，未达到排放要求。NH3-N含量的减少率为55.3%，远小于前人相关研究。这是由于生化池中的pH与碱度均呈下降趋势，在去除NH3-N的同时，生化池中会发生其他反应，从而影响实验用水的pH与碱度。而碱度会影响实验用水的pH值，NH3-N含量主要与实验用水的pH值有关，导致NH3-N含量的减少率较低。

图1 各生化池NH3-N含量和碱度的变化图

2.2 碱度对生化池出水NH3-N含量的影响

由上述分析可知，去除NH3-N的同时，生化池中会发生其他反应，从而影响实验用水的pH与碱度。而碱度会影响实验用水的pH值，NH3-N含量主要与实验用水的pH值有关，导致NH3-N含量的减少率较低。碱度会影响实验用水的NH3-N含量。本节通过对生化池中投放碳酸钙，以控制生化池中的碱度，研究碱度对实验用水NH3-N含量的影响。图2为不同碱度下的NH3-N去除效果。

由图2可知，随着碱度的增大，实验用水的NH3-N含量和NH3-N去除率无明显的上升或下降趋势。出水NH3-N含量呈先上升，后下降的趋势。进水NH3-N含量呈波动趋势，总体含量保持在22.3～26.3mg/L。NH3-N去除率随碱度的增大呈先上升后下降的趋势。当碱度小于220 mg/L时，碱度的增大对实验用水的NH3-N含量及NH3-N去除率有一定的积极影响，随着碱度的增大，NH3-N含量逐渐减小，NH3-N去除率逐渐增大。当碱度大于220 mg/L时，随碱度的增大，NH3-N含量逐渐增大，NH3-N去除率逐渐减小，但是其NH3-N含量最大值小于未投放碳酸钙的NH3-N含量，NH3-N去除率最小值大于未投放碳酸钙的NH3-N去除率。当碱度为220 mg/L时，是NH3-N去除的最优碱度，此时，由最小NH3-N浓度为3.1 mg/L，NH3-N去除率为88.3%。根据城镇污水处理厂污染物排放标准可得，污水排放NH3-N含量最小值为5 mg/L，在碱度为220 mg/L时，碳酸钙投放量为3.8 kg/h，NH3-N含量小于规范所规定的最大值，达到污水排放标准。

2.3 最优碱度下NH3-N去除效果

根据2.2节分析可得，在碱度为220 mg/L时，碳酸钙投放量为3.75 kg/h，NH3-N含量最小，为NH3-N去除率的最优碱度。因此，基于以上最优碱度，研究时间变化对NH3-N含量的影响。连续7天对生化池NH3-N含量进行测试，在此期间，每小时投放3.8 kg碳酸钙，以保持生化池内的碱度，使生化池保持在最优碱度。NH3-N含量随时间的变化图如图3所示。

由图3可知，当碱度较高时，NH3-N含量较低；当碱度较低时，NH3-N含量较高。在最优碱度下，实验用水的NH3-N含量变化趋势较为平缓，保持在23.3～27.3 mg/L之间。碱度变化的趋势略大于NH3-N含量变化趋势，维持在206～225 mg/L，说明碳酸钙对于实验用水的碱度变化影响显著。由于在加入碳酸钙后，实验用水会发生硝化反应，可显著降低NH3-N含量，同时降低实验用水的碱度。当时间为3 d时，NH3-N含量有最大值，为4.1 mg/L，当时间为2 d时，NH3-N含量有最小值，为2.4 mg/L。在进行测试的7 d内，NH3-N含量均在城镇污水处理厂污染物排放标准所规定的范围内，达到污水排放标准，说明在最优碱度下，NH3-N含量降低效果较好。

图3 NH3-N含量随时间的变化图

2.4 碱度消耗和NH3-N去除关系

由2.3节分析可得，当碱度较高时，NH3-N含量较低；当碱度较低时，NH3-N含量较高。为分析碱度与NH3-N之间的关系，将其数量关系进行拟合，如图4所示。

图4 碱度消耗和NH3-N去除关系

由图4可知，实验用水的NH3-N含量的变化量与碱度的变化量呈线性正相关关系，随NH3-N含量的增量的增大，碱度的增量逐渐增大。其拟合关系式为y=2.38+6.47x，相关系数为0.99，相关性良好。根据NH3-N含量的变化量与碱度的变化量关系式可得，每处理1 gNH3-N需要6.47 kg的碱度。根据室外排水设计规范可得，每处理1gNH3-N需要7.14kg的碱度。实验测得的碱度消耗量与规范中的理论值差距较小，所以，此关系式可用于NH3-N的处理过程，为NH3-N污水的处理过程提供理论指导。

2.5 碱度对NH3-N去除效果的机理

由图1可得，经过实验设备的处理后，实验用水的碱度、NH3-N含量和pH值均呈下降趋势。由

于在生化池处理实验用水的过程中，会发生硝化反应，使NH3-N含量逐渐减小。pH值会影响水体内的相关酶的活性，而酶的活性会影响实验用水NH3-N的含量，从而降低实验用水中NH3-N的含量。实验用水的碱度主要受碳酸根、氢氧化物和各类盐的影响。在处理废水的过程中，上述物质需在水体中保持处理废水过程中的酸碱环境，在此基础上，还需为其无机碳源做出贡献。由前人研究可得，无机碳源是影响水体内微生物的主要物质，其缺失会导致水体内的菌类失活。硝化速率还与盐的种类有关，相关研究表明，当采用碳酸根时，其硝化速度大于采用氢氧化钠的硝化速率。本研究采用碳酸钙作为调节实验用水碱度的物质，既可以提高其硝化速率，也可为水体内的菌类提供无机碳源。由图1可得，利用碳酸钙调节水体的碱度，可有效降低NH3-N含量，添加碳酸钙后，水体的NH3-N去除率达到87.8%。

3 结语

本研究采用新疆某地区河水进行实验，研究碱度和pH值对水体NH3-N去除率的影响，在最优碱度条件下，研究碱度与NH3-N含量之间的关系，结论如下：

(1)在生化池处理实验用水的过程中，会发生硝化反应，使NH3-N含量逐渐减小。当实验用水位于5生化池时，其NH3-N含量最小，为10.1 mg/L，大于污水排放标准中所规定的最小值，未达到排放要求。由于生化池中的pH与碱度均呈下降趋势，在去除NH3-N的同时，生化池中会发生其他反应，从而影响实验用水的pH与碱度。而碱度会影响实验用水的pH值，NH3-N含量主要与实验用水的pH值有关，导致NH3-N含量的减少率较低。

(2)随着碱度的增大，出水NH3-N含量呈先上升，后下降的趋势。进水NH3-N含量呈波动趋势，总体含量保持在22.3～26.3 mg/L。NH3-N去除率随碱度的增大呈先上升后下降的趋势。当碱度小于220 mg/L时，碱度的增大对实验用水的NH3-N含量及NH3-N去除率有一定的积极影响，随着碱度的增大，NH3-N含量逐渐减小，NH3-N去除率逐渐增大。当碱度为220 mg/L时，是NH3-N去除的最优碱度，此时，由最小NH3-N浓度为3.1 mg/L，NH3-N去除率为88.3%达到污水排放标准。

(3)当碱度较高时，NH3-N含量较低；当碱度较低时，NH3-N含量较高。在最优碱度下，实验用水的NH3-N含量变化趋势较为平缓，保持在23.3～27.3 mg/L之间。碱度变化的趋势略大于NH3-N含量变化趋势，维持在206～225 mg/L，说明碳酸钙对于实验用水的碱度变化影响显著。当时间为3 d时，NH3-N含量有最大值，为4.1 mg/L，当时间为2 d时，NH3-N含量有最小值，为2.4 mg/L。在进行测试的7天内，NH3-N含量达到污水排放标准，说明在最优碱度下，NH3-N含量降低效果较好。

(4)实验用水的NH3-N含量的变化量与碱度的变化量呈线性正相关关系。根据NH3-N含量的变化量与碱度的变化量关系式可得，每处理1 gNH3-N需要6.47 kg的碱度。实验测得的碱度消耗量与规范中的理论值差距较小，为NH3-N污水的处理过程提供理论指导。

(5)经过实验设备的处理后，实验用水的碱度、NH3-N含量和pH值均呈下降趋势。由于在生化池处理实验用水的过程中，会发生硝化反应，使NH3-N含量逐渐减小。pH值会影响水体内的相关酶的活性，从而降低实验用水中NH3-N的含量。在处理废水的过程中，上述物质需在水体中保持处理废水过程中的酸碱环境，还需为其无机碳源做出贡献。无机碳源是影响水体内微生物的主要物质，其缺失会导致水体内的菌类失活。硝化速率还与盐的种类有关，当采用碳酸根时，其硝化速度大于采用氢氧化钠的硝化速率。