揭秘废水处理中的碳源秘密：如何精准计算CNP比？
揭秘废水处理中的碳源秘密：如何精准计算CNP比？
在废水处理过程中，碳源的合理使用对于提高处理效率至关重要。本文将详细介绍不同废水处理工艺（好氧除碳、脱氮、除磷）中碳源的使用要求和计算方法，帮助读者更好地理解CNP比的概念及其在实际操作中的应用。
在处理高氨氮废水时，尽管硝化菌主要负责氧化氨氮，它们通常被视为自养生物，但增加碳源对于提升污泥浓度依然至关重要。这是因为，除了直接参与硝化过程的自养硝化菌外，系统中还包含其他异养微生物，这些微生物需要碳源来生长和代谢，从而促进整个生物群落的活性和稳定性，间接增强对氨氮的处理能力。
关于碳氮比（CN比）100:5:1的设定，这是一个典型的好氧除碳工艺中的营养比要求。这一比例的来源基于对微生物生理需求和反应效率的综合考虑，旨在优化微生物群落的营养平衡，确保硝化过程高效进行的同时，支持其他辅助微生物的活动，比如那些参与有机物分解的异养菌。实际上，不同废水处理工艺确实有不同的CNP（碳、氮、磷）比要求，反映了各自处理目标和微生物代谢路径的差异：
- 好氧除碳工艺追求高效的有机物氧化，故采用CN比100:5:1。
- 脱氮工艺更注重氮的去除，适宜的CN比在4～6之间，以满足反硝化过程对碳的需求。
- 除磷工艺则强调CP比15:1，确保有足够的碳源促进聚磷菌的生长和磷的释放。
- 厌氧除碳工艺环境下，较高的CNP比如300:5:1有助于促进厌氧条件下有机物的彻底分解。
每种工艺下碳源的投加计算需基于进水的营养成分分析，通过调整投料量使系统维持目标CNP比，从而达到最佳的处理效果。具体计算方法涉及复杂的生物学和化学平衡，包括评估现有微生物群落的代谢速率、废水的初始污染物浓度以及期望的处理效率等多方面因素。实际操作中，这通常需要借助专业的水质分析和工艺模拟软件，结合现场运行经验进行精细调整。
CNP比100:5:1这一标准的由来及其应用解释
适用范围明确
此比例特指好氧除碳工艺中的理想营养元素配比，并非适用于所有废水处理过程，如厌氧或脱氮工艺会有不同的CNP要求。
CNP成分解读
- C（碳）：通常表示为化学需氧量(COD)或生化需氧量(BOD)，尽管两者均有其支持者，实际操作中会根据具体情况灵活调整碳源的添加量，确保既不缺乏也不过剩。
- N（氮）：指的是总凯氏氮(TKN)，涵盖有机氮和氨氮，但排除亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。
- P（磷）：一般以正磷酸盐的形式考量，其在计算中的争议最少。
比例来源解析
- 说法一：基于Mc Carty在1970年的研究，他将细菌原生质的分子式估算为含碳比例52.4%，氮12.2%，磷2.3%。考虑到生物处理过程中约20%的BOD用于细胞合成，剩余80%用于能量代谢，因此推导出BOD:N:P=100:5:1的比例。
- 说法二：基于微生物的C:N比，细菌约为4-5，真菌约为10，活性污泥系统综合考虑后接近8。考虑到仅40%的碳源被用于细胞构成，故调整比例为100:5，磷的比例依据上述理论保持不变。
实际应用考量
在执行除碳工艺时，特别是针对降低COD的目标工艺（如普通活性污泥法），尽管理论上推荐CNP比为100:5:1，但在实际操作中经常发现总磷(TP)含量过量，往往还需辅以化学方法除磷以达到排放标准。因此，直接根据TP计算碳源可能导致投加量过大，实践中更倾向于依据氨氮的量来指导碳源的合理添加，以确保处理效率和经济性。
除碳工艺中碳源投加的简化计算方法
为确保除碳工艺的有效性，遵循以下简化的计算公式进行碳源的适量投加：
核心计算公式（式1）
[Cm = 20N - C]
其中：
- $Cm$：需额外补充的外部碳源量，以化学需氧量(COD)表示，单位为mg/l;
- 20：CN比（C:N）;
- $N$：需去除的总凯氏氮(TKN)量，单位为mg/l。
- $C$：表示进出水间碳源（以COD计）的差值，单位为mg/l。
计算所需去除的氮量（式2）
[N = Ne - Ns]
这里：
- $Ne$：为进水样本中的实际TKN浓度，单位为mg/l。
- $Ns$：为二沉池排放水的TKN限定浓度，即处理目标，单位为mg/l。
确定进出水的碳源（COD）差值（式3）
[C = Ce - Cs]
其中：
- $Ce$：代表进水的原始COD浓度，单位为mg/l。
- $Cs$：为二沉池允许排放的COD浓度上限，单位为mg/l。
通过上述三个步骤，我们可以系统地计算出在除碳处理中，为了达到理想的C:N比例，究竟需要向系统中额外添加多少碳源（以COD衡量）。这一过程首先识别去除氮素的需求量，接着分析现有的碳源供应与处理目标之间的差距，最终决定必要的碳源补充量，确保处理过程高效且符合环境排放标准。
脱氮工艺中碳源投加的简化计算方法
在硝化与反硝化处理体系里，由于内回流溶解氧的影响，实际碳源投加量往往与理论值有所偏差，因此在操作实践中，通常依据经验公式进行快速估算。脱氮系统理想的碳氮比(CN)建议维持在4至6之间，具体投加量可通过水质检测结果动态调整。
外部碳源投加量的简易计算公式如下（式4）
[Cm= 5N]
其中，
- $Cm$：表示需额外添加的碳源量（以COD计），单位为mg/l；
- 5：是一个经验常数，表示每去除1kg NO3N所需外加碳源量（以COD计）为5kg；
- $N$：是需通过外源碳去除的总氮量（TN），单位为mg/l。
需外源碳去除的氮量(N)计算（式5）
[N = Ne - Ns]
其中，
- $Ne$：是二沉池出水的实际总氮浓度，单位为mg/l；
- $Ns$：是二沉池排放标准中的总氮限值，单位为mg/l。
实例计算
假设某城镇污水处理厂日处理量为10,000m³，二沉池出水总氮排放标准为≤15mg/L，氨氮≤5mg/L。当前氨氮达标，但总氮浓度 $Ne$ 测得为20mg/L，超出了排放标准。据此，我们计算外部碳源的需求量。
计算需去除的氮量
[N = 20 - 15 = 5mgN/L]应用公式计算外部碳源投加量
[Cm = 5 \times 5 = 25 mgCOD/L]计算每日所需外加COD总量
[C0D=10^4 \times 25 \times 10^{-3} = 250 kgCOD/d]
根据不同碳源的COD当量，计算各碳源的日需求量：
- 乙酸：(COD当量1.07kgCOD/kg)，需要 $(250 / 1.07 = 233kg/d)$。
- 甲醇：(COD当量1.5kgCOD/kg)，需要 $(250 / 1.5 = 166.7 kg/d)$。
- 乙酸钠：(COD当量0.78kgCOD/kg)，需要 $(250 / 0.78 = 320.5 kg/d)$。
- 葡萄糖：(COD当量1.06kgCOD/kg)，需要 $(250 / 1.06 = 235.8 kg/d)$。
通过上述步骤，我们不仅得到了外部碳源的总体需求量，还针对不同碳源进行了具体的量化计算，便于实际操作与管理。
除磷工艺中碳源投加量的简化计算
在除磷过程中，聚磷菌在厌氧环境下释放磷以获取能量，并利用这些能量吸收低分子有机物作为生存基础。因此，确保进水中存在充足的有机质，对促进聚磷菌厌氧生存及实现高效除磷至关重要。一般推荐进水的COD与TP比值大于15，以确保聚磷菌有足够营养底物，达到理想的除磷效果。
外部碳源投加量简易计算公式如下（式6）
[Cm = 15P - C]
其中，
- $Cm$：代表需额外添加的碳源量（以COD计），单位为mg/l；
- 15：为推荐的CP比值；
- $P$：是需通过外源碳去除的总磷量（TP），mg/l；
- $C$：是进出水间碳源（COD）的差值，mg/l。
计算需外源碳去除的TP量（式7）
[P = Pe - Ps]
其中，
- $Pe$：为进水TP浓度，mg/l；
- $Ps$：为二沉池TP排放标准，mg/l。
进出水COD差值(C)的计算公式为（式8）
[C = Ce - Cs]
其中，
- $Ce$：是进水实际COD浓度，mg/l；
- $Cs$：是二沉池COD排放标准，mg/l。
实际案例计算
假设某城镇污水处理厂日处理水量为10,000m³，进水COD为100mg/L，进水TP为11mg/L，二沉池出水COD需低于10mg/L，TP排放标准不高于1mg/L。根据以上信息，我们计算外部碳源的需求量。
计算需去除的总磷量
[P = 11 - 1 = 10 mgP/L]计算进出水COD差值
[C = 100 - 10 = 90 mgCOD/L]应用公式计算外部碳源投加量
[Cm = 15 \times 10 - 90 = 60 mgCOD/L]计算每日所需外加COD总量
[Cd=10^4 \times 60 \times 10^{-3} = 600 kgCOD/d]
根据不同碳源的COD当量，计算各碳源日需求量：
- 乙酸：(COD当量1.07kgCOD/kg)，需要 $(600 / 1.07 = 560.8 kg/d)$；
- 甲醇：(COD当量1.5kgCOD/kg)，需要 $(600 / 1.5 = 400 kg/d)$；
- 乙酸钠：(COD当量0.78kgCOD/kg)，需要 $(600 / 0.78 = 769.2 kg/d)$；
- 葡萄糖：(COD当量1.06kgCOD/kg)，需要 $(600 / 1.06 = 566 kg/d)$。
本计算展示了如何根据具体水质参数，简便快捷地确定除磷工艺所需的外部碳源投加量，并对比了不同碳源的用量，为实际操作提供指导。