技术文章分享：ESD工艺介绍（二）

二、ESD的应用前景

1、环境对TN超净出水的需求

生态环境部颁布的《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）将水环境划分为五个标准：Ⅰ类-- 主要适用于源头水，国家自然保护区；Ⅱ类-- 主要适用于集中式生活饮用水、地表水源地一级保护区，珍稀水生生物栖息地，鱼虾类产卵场，仔稚幼鱼的索饵场等；Ⅲ类-- 主要适用于集中式生活饮用水、地表水源地二级保护区，鱼虾类越冬、回游通道，水产养殖区等渔业水域及游泳区；Ⅳ类主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区；Ⅴ类-- 主要适用于农业用水区及一般景观要求水域。 

表1 《地表水环境质量标准》（GB3838-2002） 

随着经济发展，生活改善，人民群众对环境的要求越来越高，各地的排放标准也在不断的提高。1996年生态环境部颁发的《污水综合排放标准》（GB8978-1996）中要求各地生活污水处理厂排放水质COD≤60mg/L，NH₃≤15mg/L，TP≤0.5mg/L，未对TN提出要求；2002年生态环境部颁发的《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）中的一级A要求各地生活污水处理厂排放水质COD≤50mg/L，NH₃≤15mg/L，TN≤15mg/L，TP≤0.5mg/L；随着生活水平的提高，各地纷纷提出更严的环境标准，如2022年江苏省颁布的《江苏省城镇污水处理厂污染物排放标准》（DB32/4440-2022）新地标中要求COD≤30mg/L，NH₃≤1.5mg/L，TN≤10mg/L，TP≤0.3mg/L。

表2     数据比较

污水处理厂的污染物排放指标很多，最核心的就是COD、NH₃、TN、TP这四项。从上表中可以看出，四大指标中，COD、NH₃、TP这三项指标都能达到水环境质量标准中的四类水标准，只有TN这一项不能达到地表四标准，甚至也远远低于五类水标准。正是由于TN指标上面的巨大差距，导致现实环境中经常出现“富营养化”污染事件，如青岛的“海苔”事件、无锡太湖的“蓝藻”事件，现实迫切需要大幅度提高TN排放要求。以前，由于技术和经济问题使得提高出水TN要求成为不可能，本发明从技术、经济两方面使得大幅度提高TN出水要求成为可能，意义重大。

2、现有技术的局限

现有市政污水处理厂应用最多的就是AAO工艺，第一个A是厌氧池，主要为生物除磷创造条件，COD、NH₃、TN的解决主要是后面的AO工艺，又称倒置式反硝化工艺。从反应的次序上来说，生化池中微生物由于竟食优势，首先去除的是有机污染物（COD、BOD），当BOD₅较低时，再进行硝化反应，将NH₃氧化为亚硝酸盐（NO₂^-）和硝酸盐（NO₃^-），NH₃氧化为硝态氮后反硝化菌再进行还原反应，将硝态氮还原为N₂。由于反硝化菌属于异养菌，反应时需要消耗碳源COD，所以采用倒置反硝化工艺，将完成硝化反应的污水内回流到前面的反硝化池，充分利用原水中的碳源COD进行反硝化，这样就不需要外加碳源或者少加碳源。由于内回流的限制，AO工艺TN去除率不可能做到很高，理论上最高去除率为80%，当进水TN为50mg/L时，AAO工艺最好的状态下，出水TN浓度为10mg/L，再想提升TN去除率基本不可能；

最新的AOA工艺将反硝化置于好氧硝化之后。这是一个很好的技术，能够实现低碳源时同时对COD、NH₃、TN、TP很好的去除。这个工艺的核心，是控制硝化时间实现不完全硝化。O段的HRT由常规的6h以上缩短到4-5.5h，传统AAO工艺中O池出水中只有NO₃^-（出水中NH₃浓度大多在0.5mg/L以下），AOA工艺O段出水中同时出现NH₃、NO₂^-、NO₃^-，在胞内碳的加持下，最后一段的反硝化池内就会实现全程反硝化、短程硝化反硝化、部分反硝化、厌氧氨氧化四者同时发生，彼此耦合。但是由于在O池内主要是部分硝化PN（Partial Nitrification）,出水中NH₄⁺、NO₃^-、NO₂^-三者之间的比例不能精确控制，不能将NO₂^-和NH₄⁺之间比例精确地控制为1.32:1,TN的去除不能做到最大，不可能取得TN≤2mg/L的超净出水；

国内也有不少污水处理厂采用Bardengpho工艺，目前存在两个问题：a、对Bardenpho工艺掌握不透，很多污水厂内回流都在第二个O上，和Bardenpho工艺核心理念不符，回到了AAO工艺，TN去除率一样受到内回流比的影响；b、经典Bardenpho工艺要求在第二级反硝化补充碳源，这样也能够取得TN的超净出水，但是运行费用上升，经济因素限制了这一技术的实际应用。 

3、ESD工艺的优点

ESD工艺具有如下优点：1）可以取得TN超净出水。在自控的加持下，将Ana反应区内NO₂^-和NH₄⁺的浓度控制在1.32:1附近区域，就可以使得NO₂^-和NH₄⁺尽量彼此消耗殆尽，出水TN最低。在二级反硝化区内串联两段或三段反硝化，就可以将出水TN降到2mg/L或1.5mg/L以下，取得TN超净出水；2）TN的去除效率更高。常规反硝化是单边去除TN，去除1kgNO₃^-就是去除1kgTN；而Ana去除TN是双边，一边是NO₂^-，另一边是NH₄⁺，去除1kgNO₂^- ,实际去除TN是1.76kg；3）不需要外加碳源，只需要投加免费的氨源，运行费用低；4）由于有15-30%左右的NH₃随着氨源直接到二级反硝化通过Ana反应被直接去除，没有硝化过程，曝气电耗降低；5）剩余污泥量少。由于20-30%的TN依靠Ana反应去除，Ana菌的产泥系数明显低于常规反硝化细菌的产泥系数，剩余污泥量少；6）利用浓度梯度，反应速度较快。二级反硝化区为多格串联的全混式反应池，整体上属于推流式反应器，池内底物浓度（NO₃^-）在进口处一般是5-10mg/L，属于零级反应区，明显高于AAO工艺中的常规一级全混式反硝化池，反应速度更快；7）发明工艺和目前最流行的A2O和Bar工艺接近，现有污水处理厂改造容易，工人操作管理上手快。8）整个工艺为厌氧+缺氧+好氧+厌氧氨氧化模式，厌氧反应之后进行缺氧反应，再进行好氧硝化反应，最后进行厌氧氨氧化反应。反硝化细菌属于异养菌，可以利用碳源迅速繁殖，抗冲击能力较强，将它们置于整个反应的首端，最能抵御进水的冲击。作为自养菌的硝化细菌、厌氧氨氧化菌繁殖慢，抗毒性不如异养菌，将硝化置于反硝化之后，尤其是繁殖速度最慢抗冲击能力最弱的厌氧氨氧化置于整个反应的最后端，同时安装填料固定Ana菌，这样的系统最为稳定。