硝化反硝化碳源、堿度的計算方法

一、硝化細菌

硝化反應(yīng)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(yīng)步驟：由亞硝酸菌（Nitrosomonas sp）參與將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽的反應(yīng)；硝酸菌（Nitrobacter sp）參與的將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的反應(yīng)，亞硝酸菌和硝酸菌都是化能自養(yǎng)菌，它們利用CO2、CO32-、HCO3-等做為碳源，通過NH3、NH4+、或NO2-的氧化還原反應(yīng)獲得能量。硝化反應(yīng)過程需要在好氧（Aerobic或Oxic）條件下進行，并以氧做為電子受體，氮元素做為電子供體。其相應(yīng)的反應(yīng)式為：

亞硝化反應(yīng)方程式：

55NH4++76O2+109HCO3→C5H7O2N﹢54NO2-+57H2O+104H2CO3

 

硝化反應(yīng)方程式：

400NO2-+195O2+NH4-+4H2CO3+HCO3-→C5H7O2N+400NO3-+3H2O

 

硝化過程總反應(yīng)式：

NH4-+1.83O2+1.98HCO3→0.021C5H7O2N+0.98NO3-+1.04H2O+1.884H2CO3

 

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

在硝化反應(yīng)過程中，氮元素的轉(zhuǎn)化經(jīng)歷了以下幾個過程：氨離子NH4-→羥胺NH2OH→硝?；鵑OH→亞硝酸鹽NO2-→硝酸鹽NO3-。

 

二、反硝化細菌

反硝化反應(yīng)過程：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無水中逸出，從而達到除氮的目的。

反硝化是將硝化反應(yīng)過程中產(chǎn)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(yǎng)兼性缺氧型微生物。當有分子態(tài)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(tài)氧存在時，反硝化細菌利用硝酸鹽和亞硝酸鹽中的N3+和N5+做為電子受體，O2-作為受氫體生成水和OH-堿度，有機物則作為碳源提供電子供體提供能量并得到氧化穩(wěn)定，由此可知反硝化反應(yīng)須在缺氧條件下進行。從NO3-還原為N2的過程如下：

NO3-→NO2-→NO→N2O→N2

 

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NO3-中的氧進行缺氧呼吸。其反應(yīng)過程可以簡單用下式表示：

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-

 

污水中含碳有機物做為反硝化反應(yīng)過程中的電子供體。由上式可知，每轉(zhuǎn)化1gNO2-為N2時，需有機物（以BOD表示）1.71g;每轉(zhuǎn)化1gNO3-為N2時，需有機物（以BOD表示）2.86g。同時產(chǎn)生3.57g重碳酸鹽堿度（以CaCO3計）。

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

C=2.86Ni+1.71N0+DO0

 

其中：

C為反硝化過程有機物需要量（以BOD表示），mg/l;

Ni為初始硝酸鹽氮濃度（mg/l）

N0為初始亞硝酸鹽氮濃度（mg/l）

DO0為初始溶解氧濃度（mg/l）

如果污水中碳源有機物濃度不足時，應(yīng)補充投加易于生物降解的碳源有機物（甲醇、乙醇或糖類）。以甲醇為例，則

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

 

如果水中有NO2-,則會發(fā)生下述反應(yīng)：

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

由上式可見，每還原1gNO2-和1gNO3-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(yīng)式為：

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

 

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：

Cm=2.47Ni+1.53N0+DO0

 

其中：

Cm為反硝化過程中需要的甲醇濃度（mg/l）

其余符號同上

綜上所述，硝化反應(yīng)每氧化1g氨氮耗氧4.57g,消耗堿度7.14g,表現(xiàn)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，這部分碳源折合DO2.6g,另外，反硝化過程中補償堿度3.57g。