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碳源分类、投加点选择及投加量计算方法

2024-10-14

我国城市污水普遍存在反硝化碳源不足的问题，已经成为制约生物脱氮的重要因素。污水厂在碳源选择时要遵循以下原则：容易被微生物降解，容易被反硝化菌利用；反应速度快，避免增加后续处理单元的负担；反硝化菌适应性好；价格便宜；具有较高生物安全性；便于就地采购。

一、碳源分类

不同种类的碳源，其性质也存在差异，值得注意的是，有些物质黏性较大且遇冷结晶、冰冻等特点，给储运装卸带来非常大的不便，因此北方地区的污水厂在碳源的选择过程中一定要注意这一点。此外，复合碳源的质量控制难度较大，在选择的过程中要注意其所含杂质对后续处理工段以及出水指标的影响，不同碳源特性见表1。

表1 不同碳源特性

目前市面上常用的碳源：甲醇、乙酸、乙酸钠、面粉、葡萄糖、生物质碳源、污泥水解上清液、啤酒废水及垃圾渗滤液等。在使用过程中，需要根据实际工程情况选择合适的碳源。现对各种常用的碳源进行对比，分析各种碳源的优缺点：

1. 甲醇

普遍认为甲醇作为外碳源具有运行费用低和污泥产量小的优势，甲醇作为碳源时，C/N＞5时能达到较好效果，但其弊端有三：

（1）作为化学药剂，成本相对较高;

（2）响应时间较慢，甲醇并不能被所有微生物利用，当投加甲醇后，需要一定的适应期直到它完全富集，发挥全部效果，当用于污水处理厂应急投加碳源时效果不佳；

（3）甲醇具有一定的毒害作用，长期用甲醇作为碳源，对尾水的排放也会造成一定影响。

2. 乙酸钠

乙酸钠的优点在于它能立即响应反硝化过程，可作为水厂应急处置时使用。

普遍认为乙醇反硝化速率不如甲醇高，但由于它没有毒性，污泥产率与甲醇相差不多，所以认为它可以作为甲醇的替代碳源。以乙醇为碳源，硝酸盐为电子受体时，最佳的C/N=5，碳源缺乏时会引起亚硝酸盐积累。

使用乙酸钠要考虑以下3点：

（1）乙酸钠多为20%、25%、30%的液体，由于当量COD低，运输费用高，不能远距离运输。

（2）产泥量大，污泥处理费用增加；

（3）价格较为昂贵，污水处理厂大规模投加乙酸钠几乎不可能。

3. 乙酸

乙酸的优点在于它能立即响应反硝化过程，能用作水厂运行时的应急处理。乙酸由于是小分子有机酸的原因，反硝化菌易于利用，脱氮效果是最好的，但是由于价格较贵，污泥产率高，且目前污水厂的污泥处置问题也是一个较大的公关难题，所以，将乙酸应用于污水处理厂的大规模投加几乎不可能。

4. 糖类

以葡萄糖为代表的糖类物质作为外加碳源处理效果不错，可是，它作为一种多分子化合物，容易引起细菌的大量繁殖，导致污泥膨胀，增加出水中COD的值，影响出水水质，同时，与醇类碳源相比，糖类物质更容易产生亚硝态氮积累的现象，所以，并不提倡大量使用葡萄糖作为外投碳源。

缺点：

（1）需要现场配置成溶液，劳动强度大，投加精准性差，大型污水处理厂无法使用。

（2）工业葡萄糖含杂质多，食品葡萄糖价格贵。

5. 生物质碳源

随着污水脱氮要求的提高，新兴起专业生产碳源的企业，他们通过生物工程原理，对一些糖类、农产品废料等进行发酵，生产无毒无害的生物制品，主要组分是小分子有机酸、醇类、糖类。其较单一的化学品更容易被微生物利用，其使用成本比单一化学品便宜，具备极高的性价比。

缺点：

产品的稳定性待提高，使用前需对每批次产品当量COD进行检测。

6. 污泥水解上清液

生物转化挥发酸VFA 来源于污泥水解的上清液，由于水解所产生的 VFA 拥有很高的反硝化速率，碳源可以直接由污水厂内部提供，在污泥减容的同时还减少了碳源运输方面的问题，所以它是目前比较有优势的碳源。

对于污泥水解利用作外碳源的研究，目前不同的结论有很多，但总体认为它作为反硝化脱氮系统的碳源是一种很有价值的方法。可是，对于不同的污泥，不同的水解条件，所产生的VFA 的组分有较大的差别，而由于组分不同，又能引起反硝化速率的不同（这也是为何很多研究不一致的原因），所以，如何将污泥水解的产物VFA统一化研究应用，还是一个比较大的难题。

除此以外，若直接将水解污泥作为外碳源，还要考虑到污泥水解过程中氮磷的释放问题，这部分氮磷若以碳源的形式投加到污水中，势必会增加污水处理厂的氮磷负荷，如何解决这个问题，是利用污泥水解液的另一大难题。

二、碳源的选择

在理论上，各类碳源都能保证出水总氮达到排放标准，但要考虑多个因素：

1. 碳源投加的成本投加成本是碳源的当量COD价格+投加量的综合算法，需要理论计算加实际运行的投加量确定；

2. 碳源产泥率投加碳源，必定会增加污泥的产量，而污泥处理成本很高，这个是选择碳源必须考虑到的重要一项。

3. 保证污水运行的稳定性投加碳源目的是为了脱氮，因此在选择碳源的时候，要兼顾污水处理厂的运行稳定，如尽可能避免污泥膨胀、出水COD升高、亚硝基氮累积等。

根据以上，碳源的选择，不是单纯的经济账，而是与稳定运行实际相紧密结合的。科学选择碳源，才能有效地降低污水处理厂的运行成本和污水处理厂的稳定运行。

三、碳源投加位置的选择

城市污水处理厂进水管网中TN的含量相对稳定，但如果接纳工业废水，由于缺乏调节池的环节，可能会出现进水TN的指标波动，在系统进水流量不变的情况下，需要及时控制碳源投加量的大小。

由于化验室TN检测时间较长，无法满足及时调整的要求，可以采用在线监测的手段，将TN、COD、NH₃-N等数据传输给控制系统，系统经过计算自动调整碳源加药泵的流量或调节阀开度，实现碳源自动投加控制。

碳源投加点应在反硝化池前端进行，必须实现投药与进水及回流液充分混合。混合后在阶段曝气和潜水搅拌机的作用下，与反硝化污泥继续充分混合。只有碳源、污水和污泥充分混合的情况下，才能保证反硝化细菌与污染物质充分接触并进行足够时间的反硝化作用，达到最佳的处理效果。

投加点可以设置在反硝化池进水端口，需要注意的是尽量避免短流，并保证反硝化池的充分搅拌。搅拌不应过度，过大的水力搅拌强度会造成水力切削和污泥过度碰撞，造成污泥絮体的物理性解体，并且造成碳源难以吸附在污泥表面上，影响反硝化效率。同时需要注意内回流携带溶解氧造成碳源投加量增加，碳源投加点远离内回流出水口，具体需要根据工艺运行情况而定。

碳源的投加以粗放式和精确式进行，碳源补充应尽量以液态方式进行。条件不满足的情况下，可以根据技术人员的经验，以固态碳源的形式，称重后撒入反硝化池前端。该方式误差较大，并应考虑固态碳源入水后的溶解和水解、电离等过程的时间问题。条件满足的情况下，应尽量以溶液形式投加碳源，并做好计量或自动控制。碳源溶液的浓度以高量、较低浓度为宜。

投加前还应注意药品的预处理，加药泵前过滤，药品质量控制等问题。

碳源在反硝化系统中的投加不能太过超量，否则会影响反硝化池中的微生物菌种优势。太过量的BOD会造成在缺氧条件下，出现过多的厌氧细菌。也会出现较多的好氧细菌，消耗BOD和溶解氧。从而导致好氧细菌、厌氧细菌与反硝化细菌菌群的竞争关系，影响反硝化处理效果。

四、如何计算碳源投加量

1. 生化系统氮平衡计算

在实际工程中，若进入反硝化段的污水BOD5∶N＜4∶1 时，应考虑外加碳源，BOD5/N≥4，可认为反硝化完全。当碳源不足时，系统投加的碳源量可根据对应去除的硝态氮量进行计算。

《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一DVWK 规范及标准中的ATV 一A131E " 单段活性污泥污水处理厂的设计" / 推荐了一种适于单段活性污泥脱氮工艺的外部碳源投加量计算方法。

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，见下式。

N1 = 0.05 （ Si -Se ）

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 一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, 其计算见下式。

Kde, BOD = N2 /Si

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 一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2（水温为10～1 2 ℃ ）。

表2 反硝化设计标准值

综上所述，生化系统中氮平衡方程可以表示为下式。

Ni = N1 + N2 +Ne = 0.05( Si -Se)+ KdeBOD Si +Ne计

Ni——为生化系统中进水总氮浓度，mg/L；

KdeBOD——反硝化速率，根据VD/V查表确定；

Ne计——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；

Si——进水中BOD5浓度，mg/L；

Se——出水中BOD5浓度，mg/L。

2. 外加碳源计算

单段活性污泥法中的菌群环境复杂，在硝化反硝化系统中，因内回流携带DO 的影响，实际中投加碳源的量和理论值相差很大，投加在缺氧区的碳源无法被反硝化细菌全部利用，运营中往往是按照经验公式来计算的，德国ATV 标准规定：反硝化1kg 的硝酸盐氮需要5kg 的COD, 这是从大量工程实践中得出的经验数据，详见下式。

C= 5*N

式中：

C ——外部碳源投加量（以COD 计），mg/L；

N ——需要依靠外部碳源反硝化去除的硝酸盐氮量，mg /L。

式中C以COD 计。

N 的计算见下式：

N = Ne计-Ns

N =Ni - 0.05（ Si -Se）- KdeBOD Si - Ns

式中:

Ns为二沉池出水中总氮的设计排放浓度，mg /L。

计算碳源投加量需查询碳源COD当量，常见碳源的COD当量见下表：