θCm
他们推荐了一种保守的安全系数来解决环境条件的不测变化和（或）毒性或抑制性化合物的存在。
安全系数这一概念，还可使系统有足够的容量，以保证处理进水的高峰氮负荷。可以使用一种非稳定状态的质量平衡法，来确定在各种安全系数下进水的高峰负荷对出水NH3-N含量的影响。从图4．2中可以看出进水的高峰负荷对出水中NH3-N的影响。 通过例子能够充分说明硝化动力学在氧化沟设计上的应用。
【例4．1】设计一个每天能处理3785m3污水的氧化沟，污水水质如下： BOD5＝200mg／L TSS＝200 mg／L TKH＝30mg/L
碱度＝350 mg／L（以CaCO3计） 最低温度＝10℃
要求出水充分硝化，其中溶解性BOD5的含量不得超过5.0mg／L。 在进行这一设计时，要作某些假设：
1．忽略用于合成的那一部分总氮，假设去除的总氮都被氧化。 2．假设安全系数为3.0，以应付高峰流量。 3．假设氧化沟中的溶解氧为2.0mg/L。 首先要检查是否存在着足以维持pH值的碱度。
假设全部进水的总氮（TKN）都被氧化，刚所需碱度为： mg(碱)
所需碱度＝30mg（TKN）／L×7.14────＝214mg／L（以CaCO3计） mg(TKN) 残余碱度为：
350mg／L-214mg／L＝136mg／L（以CaCO3计）
如果在氧化沟中使用紊动性高的曝气设备，产生的二氧化碳就可能吹脱得多，136mg／L（以CaCO3计）的残余碱度就足以维持大于7.2的pH值。
现在我们来计算10℃、且pH＞7.2时的亚硝化单胞菌的最大生长率（μn）max。这时的溶解氧为2.0mg/L，pH值大于7.2。
我们还要假设：氮不是限制速率的因素。 这样，在这些条件下：
(μn)max＝0.47e0.098(T-15) 代入： T＝10℃ O2＝2mg/L 并假设， KO2＝1.3mg/L
３１
得出：
2.0
(μn)max＝0.47e0.098(10-15)（─────）＝0.175d-1 2.0＋1.3 最小污泥停留时间：
1 1
θmc＝────＝───＝5.71d (μn)max 0.175 设计污泥停留时间：
θcd＝S·F×θcm＝3.0×5.71＝17.13d 取近似值： θcd＝17d
这样，就确定了硝化菌和异养菌的设计生长率： 1 1
-1
μh＝μn＝───＝───＝0.0588d
d
θc 17 根据下述公式，可以确定出水的NH3-N： N
μn＝(μn)max[────] Kn＋N
Kn＝100.051T-1.158＝100.051×10-1.158＝0.22mg/L 代人：
N
0.0588＝0.175[─────] 0.22＋N N＝0.11mg/L 这基本上是完全硝化。
现在可以计算有机物的去除率。已知： μn＝μh＝0.0588d-1＝YU-kd 假设：
Y＝0.55mgVSS/mgBOD5 kd＝0.55d-1
就可以计算出U：
μh＋kd 0.0588＋0.05 kg(被去除的BOD5) U＝────＝───────＝0.198───────── Y 0.55 kg(MLVSS)·d 这样，就可以确定所需池容和水力停留时间：
3785m3／d×（200-5）mg／LBOD5＝740kgBOD5／d 从而：
740kgBOD5
所需MLVSS(kg)＝─────────────＝3740kg kg(被去除的BOD5) 0.198───────── kg(MLVSS)·d
假定要保持2500mg／L MLVSS的话，那么，氧化沟所需池容（V）就为：
３２
3740kgMLVSS
V＝────── ＝1500m3 2500mg/L ──── 1000
水力停留时间（θ）为：
V 1500m3 24h θ＝──＝─────×──＝9.5h
3
Q 3785m/d d
4．5 脱 硝 作 用
负责除碳的异养菌，能够在缺氧条件下把硝酸盐和亚硝酸盐用作氧源。这个过程通常称为硝酸盐呼吸，它能够把硝酸盐和亚硝酸盐还原成氮气。如果在氧化沟中设一缺氧区，并把污水中的有机物用作碳源，就可以在不添加化学剂的情况下，明显地提高氧化沟的脱硝程度。
4．5．1 脱硝的生物化学
过去的污水脱硝是以甲醇为碳源来进行的。麦卡蒂等人提出了下述方程式来表达使用甲醇时的脱硝作用：
去除硝酸盐的总反应式：
NO3-＋1.08CH3OH＋0.24H2CO3＝0.056C5H7NO2＋0.47N2＋1.67H2O＋HCO3- （4．26） 去除亚硝酸盐的总反应式：
NO2-＋0.53H2CO3＋0.67CH3OH＝0.04C5H7HO2＋0.48N2＋1.23H2O＋HCO3- （4．27） 脱氧总反应式：
O2＋0.93CH3OH＋0.56N03-＝0.056C5H7NO2＋1.04H2O＋0.59H2CO3＋0.056HCO3- (4·28) 从方程式（4．26）、（4．27）和（4．28）中可以看出： 1．每去除1mg（NO3--N＋NO2--N），可产生3.47 mg的 碱度。 2．可用下式来表示微生物的生长率：
Ydn＝0.53NO3--N＋0.32NO2--N＋0.19DO （4．29） 式中 Ydn—生长系数[mg(细胞)／mg(NO3--NO2--N)]； NO3--N—硝酸盐浓度（mg／L，以N计）； NO2--N—亚硝酸盐浓度（mg／L，以N计）； DO—溶解氧浓度（mg/L）。
3．可根据下述方程式来计算所需要的甲醇：
CH3OH＝2.47NO3--N＋1.53NO2--N＋0.87DO （4．30） 但是，更有用的做法是用COD，而不用甲醇来表示有机基质，因为甲醇已很少使用，而把污水用作有机营养源的做法倒是常见的。因此，方程式（4．30）可改写成：
CODreq＝3.71NO3--N＋2.3NO2--N＋1.3DO （4．31） 式中 CODreq—所需可生物降解的COD（mg/L）。
３３
4．5．2 环境条件
与脱硝有关的环境条件包括pH值、温度、有机基质、抑制性或毒性化合物，在这些环境条件中，我们不必关心抑制性或毒性化合物对脱硝的影响，这两种化合物对碳源BOD的去除和硝化影响更大，因此，必须在这些阶段就加以处理。 温度：
温度对一切生物化学过程都具有影响，也同样影响着脱硝率。萨顿（Sutton）等人发现，脱硝率适合于传统的阿伦纽斯关系式。根据污水的温度范围，阿伦纽斯关系式被简化为： KT＝K20θ
T-20
（4．32）
-1
式中 KT—温度为T时的速率常数（时间）； K20—20℃时的速率常数（时间-1）；
θ—常数，根据现有资料，θ的值为1.06～1.12； T—温度（℃）。 pH值和碱度：
一些研究pH值对脱硝率影响的论文一致认为：当pH在7.0～7.5范围内时，可以获得最佳脱硝。这些论文还清楚地表明，当pH超出6.0～8.0的范围时，脱硝率就明显地降低。 如方程式（4．26）、（4．27）和（4．28）所示，在脱硝过程中，会产生碱度。这有助于把pH值维持在所需的范围内，并弥补在硝化过程中消耗的一部分碱度。前述每还原1g氮就产生3.57g碱度的估计，尚未在实地调查中得到证实。有两篇论文曾分别得出2.95g／g和2.89g/g的值。美国环境保护署推荐3g/g为良好的工程设计值。 有机基质：
与硝化不同，脱硝取决于异养微生物。在有机物的新陈代谢过程中，当氮的氧化物（NO3-,NO-2）被用作氧源时，就产生了脱硝作用。为了使脱硝以最大速率进行，必须保证过量的可生物降解有机物的存在。
有资料表明，当用甲醇作碳源时，可以使用莫诺型公式来表示有机基质的可用程度。 C
μdn＝(μdn)max ──── （4．33） Kc＋C 式中 μdn—脱硝杆菌的生长率（d-1）；
（μdn）max—脱硝杆菌的最大生长率（d-1）； C—有机基质的浓度（mg/L）； Kc—有机基质的半速常数（mg/L）。
有人发现，当使用甲醇时，Kc非常低，大约为0.1mg/L（以甲醇计）。
但是莫诺型公式的用途是有限的，因为大多数系统和所有氧化沟系统的目前设计都是以污水为碳源的。因此，对Kc的计算是十分困难的，而且每种污水都各不相同。比尔（Beer）对有机基质的可利用性有较详细的介绍。
很明显，当有大量可生物降解的有机基质可用时，其脱硝率要比单纯内源呼吸条件下的
３４
脱硝率要高得多。一些文献资料所提供的高有机负荷和低有机负荷条件下的脱硝率，可以证实这一点。
4．5．3 脱硝动力学
在描述脱硝过程时，如果假定这个过程是硝酸盐向氮气一步转换，就可以利用通常的莫诺动力学。这是一种合理的方法，因为在污水系统中很少存在大量的亚硝酸盐。
利用下述方程式，可以表达硝酸盐浓度对脱硝动力学的影响。 C
μdn＝(μdn)max───── （4．34） Kdn＋N 式中 N—硝酸盐浓度（NO-3-N mg／L）； Kdn—硝酸盐的半速常数（NO3--Nmg／L）。
许多报告表明，kd的值为0.06～0.16mg/L NO-3-N。因此，当NO-3-N的浓度为1～2mg/L时，NO3--N的浓度就不再影响脱硝率，对硝酸盐浓度来说，脱硝作用即可认为是零级的。 与前免的作法一样，用下述公式可以把脱硝率和脱硝细菌的生长率联系起来。 μdn
qdn＝─── （4．35） Ydn
式中 qdn—脱硝率[g(被去除的NO3--N)／gMLVSS.d]；
Ydn—脱硝细菌的产量常数[g产生的VSS/g（被去除的NO3--N）]。
还是和前面的做法一样，用下述公式可以把污泥停留时间和脱硝率联系起来： 1
───＝Ydn·qdn-kd （4．36） θC 式中 θc—污泥停留时间（d-1）； kd—衰减系数。
由于影响脱硝率的因素多种多样，因此获得具体的常数值是困难的，所以我们始终建议应该进行导试。表4．2根据现有的文献提供了若干动力学常数。
脱硝的动力学常数 表 4．2 qdn脱硝率 Ydn脱硝细菌的产量常数 kd衰减系数 T温度 ---1(g被去除的NO3-N)/ gMLVSS.d [gVSS／g(被去除的NO3-N)] (d) (℃) 0.57 0.05 10 0.63 0.04 20 0.67 0.02 30 0.16～0.90 20 0.24～3.8 5～7 0.36～0.144 0.7～1.4 5～20 0.05～0.18 0.064 16～26 0.069～0.26 15～27 0.019～0.033 氧的问题：
当硝酸盐在异养菌新陈代谢中被用作最终电子受体（氧源）时，它就取代了溶解氧。在
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有机基质 甲醇 甲醇 甲醇 甲醇 柠檬酸钠 甲醇 污水 污水 污水