技术文章分享：ESD工艺介绍（三）
(三）案例
1、理论演算
某市政污水处理厂，处理规模为Qm3/d，采用ESD工艺，外回流为100%，一级AO的内回流比为300%，原水可以用作碳源的COD为110mg/L，原水的NH3=TN=50mg/L。按照理想化运行，即：1）硝化池内将NH3100%的氧化为NO3-；2）反硝化池内将NO3-100%的还原为N2；3）PD池内将NO3-100%的还原为NO2-；4）Anammox反应区内只要NO2-：NH4+=1.32:1，就会100%的反应去除，无残留；5）经过厌氧池水解酸化后CODB100%转化为能被PD、CD利用的优质碳源。
这样的理想状态下，一级AO出水中NO3-=10mg/L，NH4+=0mg/L。氨源从厌氧池出水口抽取，抽取量为厌氧池出水流量的x%，经过厌氧池混合液的稀释，氨源中可以利用的碳源COD降为55mg/L，NH4+浓度降为25mg/L。按照这样的基础条件，对二级反硝化区内各段反硝化池（二级反硝化池、三级反硝化池、四级反硝化池）进行理论演算。
1）二级反硝化池演算 在二级反硝化池内，会存在短程反硝化（PD反应，将NO3-还原为NO2-），也存在完全反硝化反应（CD反应，将NO2-还原为N2），还存在着厌氧氨氧化反应（Anammox），这三者之间同时存在，彼此耦合。既有NO2-在PD反应、CD反应、Anammox反应三者之间的总量平衡、浓度平衡，又有碳源在PD反应、CD反应之间的总量平衡、浓度平衡。
图3中四个点：
A、折点。将一级AO出水中的NO3-全部进行PD反应生成NO2-需要的氨源。此时投加氨源带来的COD碳源只要和一级AO出水中的NO3-形成1.14的比例即可（实际比例可能在1.7左右，本文件一律按照理论需求量计算），列出方程式：（x*55）：（1-x）*10=1.14，得x=17.17%；
B、虚拟点B。此点不考虑Ana反应，只考虑氨源投加带来碳源COD，对一级AO出水中的NO3-进行常规全程反硝化，此时投加氨源带来的碳源只要和一级AO出水中的NO3-形成2.86的比例即可，列出方程式：（x*55）：（1-x）*10=2.86,得x=34.21%；
C、虚拟点C。此点不考虑完全反硝化（CD）反应，只考虑氨源投加带来PD反应和Anammox反应。为了满足Anammox反应，NO2-和NH4+之间形成单纯的1.32:1的比例即可，列出方程式：（1-x）*10〕：（x*22.5）=1.32，得x=25.19%；
D、平衡点。实际工程中B、C都不存在，PD会有，CD也会有，Ana反应也会有，NO2-平衡会有，碳源平衡也会有。过了折点之后，氨源投量的上升，会发生CD反应，这样NO2-总量就会逐步下降，而带来的NH4+就会逐步上升，两者之间的差距逐步缩小，到达D点，就会形成1）碳源平衡在PD和CD之间的平衡；2）NO2-之间在CD反应和Anammox反应之间的平衡；这是一个综合平衡，各种反应同时发生，相互耦合；列方程式：〔（1-x）*〔10-（55*x-10*1.14）/1.72〕〕/（22.5*x）=1.32 ，得31.98x2-78.31x+16.63=0,x=23.5%
理想状态下，二级反硝化池内氨源中的碳源COD全部被消耗、一级AO出水中的NO3-全被PD还原为NO2-，PD生成的NO2-也全被消耗，要么被CD消耗，要么被Ana消耗，氨源中的NH4+也全被消耗，出水中只有少量Ana反应新生成的NO3-；按照一级AO出水NO3-浓度为10mg/L计算，二级反硝化池出水中新生的NO3-为1.97mg/L，为简化问题，按照2mg/L计算。此时出水TN=NH3+NO3-+NO2-=0+2+0=2mg/L。
2）三级反硝化池演算 三级反硝化池进水NO3-按照2mg/L计算，同样投加氨源，氨源中的碳源COD进行PD反应，将NO3-PD还原为NO2-，多余的碳源COD会将一部分NO2-进行完全反硝化反应（CD）还原为N2，剩余的NO2-和NH4+形成1.32:1的比例进行Anammox反应。假定三级反硝化投加的氨源比例为y，列方程式：（1-y）*〔2-（55*y-2.0*1.14）/1.72〕〕:（y*22.5）=1.32，得31.98y2-65.01y+3.33=0，y=5.3%，可见三级反硝化所加的氨源较少。
理想状态下，出水中只有少量Ana反应新生成的NO3-，新生成的NO3-=2*19.7%=0.39mg/L，TN=NH3+NO3-+NO2-=0+0.39+0=0.39mg/L，同样为了简化问题，出水TN=NO3-=0.4mg/L，这样进行四级反硝化池演算。
3）四级反硝化池核算 四级反硝化池进水NO3-为0.4mg/L，同样投加氨源，氨源中的碳源COD进行PD反应，将NO3-PD还原为NO2-，多余的碳源COD会将一部分NO2-进行完全反硝化反应（CD）还原为N2，剩余的NO2-和NH4+形成1.32:1的比例进行Anammox反应。假定三级反硝化投加的氨源比例为z，列方程式：（1-z）*〔0.4-（55*z-0.4*1.14）/1.72〕〕:（z*22.5）=1.32，得31.98z2-62.34z+0.66=0，z=1.1%，四级反硝化池所加的氨源更少。
理想状态下，出水中只有少量Ana反应新生成的NO3-，新生成的NO3-=0.4*19.7%=0.08mg/L，TN=NH3+NO3-+NO2-=0+0.08+0=0.08mg/L。
理想状态是不存在的。根据工程实际，需要对上述理想化的结果进行修正。
（1）DON问题。大量的市政污水处理厂出水证明，氨化反应不可能100%的完成，出水中溶解性有机氮（DON）大多在1-2mg/L之间，个别的能超出3mg/L。DON问题始终存在，但是又很隐秘。在出水TN浓度8-15mg/L这个大盘子里面，DON仅占10-20%，且国家排放标准只对TN、NH3作出限制要求，未对DON进行限制，DON目前未引起重视。只有当出水TN降到5-8mg/L以下时，DON在其中的比例上升到20-50%以上才会引起重视。由于常规生化处理对于DON的去除很难提高，只能依靠高级氧化，目前接受出水TN中DON一般1-2mg/L这一现状；
（2）反应残留问题。反应肯定会有残留，不但会有残留，还会有富余。在Ana反应中，由于进水的波动，不可能将NO2-：NH4+永远控制在1.32:1,只能控制在附近区间波动，要么是NO2-有富余，要么是NH4+有富余。不管是富余还是残留，本文将它们统一合并到残留里面。单纯从富余角度来说，将NO2-:NH4+控制在（1.32-1.58）：1这一区间更好，此时富余的是NO2-，NH4+没有富余，只有残留。出水只需要考虑TN单一因素，不需要再考虑NH3是否超标问题。而且这一区间属于收敛区间，即氨源投量越大，出水TN越低；从残留的角度来说，目前市政污水处理厂NH3的残留都很低，大多在0.1-0.3mg/L之间，个别厂甚至检测不到。NO2-的残留浓度一般较高，大多在0.5-1.5mg/L之间。如果将Ana反应控制在（1.06-1.32）:1区间，这样NO2-始终处于欠缺的状态，就可将NO2-的残留做得很低，NH4+有富余，但是残留浓度不高，总体上残留的NO2-+NH4+更低。这点需要在长期的工程实践中反复验证，才能取得最优解。目前我们按照NO2-富余考虑，NO2-残留0.5-1.5mg/L，NH4+残留0.1-0.3mg/L计算。PD反应中NO3-的残留浓度一般在1-1.5mg/L之间，这个数据不小。实际运行中，是否将PD反应控制在碳源适当富余，将NO3-的转化率提高。碳源富余说明氨源投量略多，CD反应比例相应提高，积累的NO2-略微下降，在Ana反应中就会出现上文说的NO2-略微富余，这点也需要在长期的工程实践中反复验证，目前按照PD反应后NO3-残留1-1.5mg/L考虑。
出水TN=新生的NO3-+NO3-残留+NO2-残留+NH3残留+DON=新生NO3-+（1-2）+（0.5-1.5）+（0.1-0.3）+（1-2）=新生NO3-+（2.6-5.8）
从上面的出水TN构成中就可以看出，新生的NO3-不是关键问题，关键问题是底物富余、底物残留以及DON。
（1）采用AAOAAO工艺最佳。采用AAOAO工艺时，新生的NO3-浓度在2mg/L以下，在出水TN中占比不小。当采用AAOAAO工艺时，新生的NO3-降到0.4mg/L以下，在出水TN构成中占比很小。AAOAAAO工艺将新生的NO3-降到0.08mg/L以下，边际效应很差，意义不大；
（2）在长期的工程实践中继续优化PD、Ana反应的控制区间，将出水NO3-、NO2-和NH3的富余、残留降到最低；
（3）加大最后一段反硝化池，降低Ana反应区内NO2-填料面积负荷，让反应进行的更彻底，残留更低；
（4）从厌氧池出水取得的氨源中携带一些活性较高的异养菌，直接投加到后面的反硝化池后是否会挤压Ana反应区内繁殖速度较慢的自养型Ana菌的生存空间，需要在工程中检验。可能的应对措施：A、直接取原水作为氨源；B、PD池适当放大，且将PD池设计为2格串联，将异养菌的影响尽量压缩在不怕异养菌的PD池内；
AAOAAO工艺，TN出水最好的在2-3mg/L以下，正常的在3-5mg/L，极端不好的在5-6mg/L。
另，二级反硝化区的三段反硝化池的氨源投量是独立计算的，三段串联，同时投加，必定会彼此影响。总平衡演算，二级反硝化池的氨源投量占厌氧池出水总量的20.0%左右，三级反硝化池为5.2%左右，四级反硝化池的氨源投量为1.1%左右，合计28.3%。其余全部进一级AO，占总量的71.7%左右。这是理论值，实际工程中由于各种因素会有小幅波动。
调试先进行二级反硝化池氨源的调控，按照厌氧池总出水流量的15%左右作为起点，逐步加大氨源投量，随着氨源投量的不断加大，出水中NO2-会不断下降，直到满意值为止。再进行三级反硝化池氨源投量的调控，从4%开始，逐步加大氨源投量，直到出水NO2-浓度达到满意值为止。最后进行四级反硝化池氨源投量的调控，从0.5%开始，逐步加大氨源投量，直到出水NO2-浓度达到满意值为止。最后一段反硝化池负荷降低，甚至可将出水NO2-浓度控制在0.2mg/L以下。
2、工程实例
某市政污水处理厂，日处理规模4万m3/d，4组生化池（见下图）每组处理规模1万m3/d。技改前采用AAO处理工艺。新的排放标准要求出水TN由原来的15mg/L升级为10mg/L。和业主多次讨论之后决定采用ESD工艺中的AAOAAO，内控将出水TN控制在4mg/L以下。
技改前AAO工艺的工艺参数：厌氧池HRT1.8h，缺氧池5.5h，好氧池10.3h，总HRT17.6h，外回流最大100%，内回流最大300%；
AAOAAO的工艺参数：厌氧池不变，1.8h；一级缺氧池由原先的全混式反应池改为4格串联的全混式反应池，充分利用浓度梯度，显著缩小一级反硝化池，HRT由原先的5.5h降至3.5h；好氧硝化池HRT由原先的10.3h缩小至6h；一级AO最大内回流比仍然为100%，外回流最大仍为100%。二级缺氧区：第一段缺氧池PD池HRT为0.5h，随后的Anmmox反应池为三池串联，HRT小计2.47h，三池中均安装帘式填料，面积负荷平均为0.8gNO2-/m2.d；第二段缺氧池的PD池HRT为0.25h,随后的Anammox池两格串联，HRT小计1.08h，安装帘式填料，面积负荷平均为0.3gNO2-/m2.d。Anammox池内均采用立式搅拌机搅拌。好氧出水池HRT为1.3h。总HRT为16.9h。理论演算出水TIN小于2mg/L。
图6 技改前后对比