(三）案例

1、理論演算

某市政污水處理廠，處理規(guī)模為Qm3/d，采用ESD工藝，外回流為100%，**AO的內(nèi)回流比為300%，原水可以用作碳源的COD為110mg/L，原水的NH3=TN=50mg/L。按照理想化運(yùn)行，即：1）硝化池內(nèi)將NH3100%的氧化為NO3-；2）反硝化池內(nèi)將NO3-100%的還原為N2；3）PD池內(nèi)將NO3-100%的還原為NO2-；4）Anammox反應(yīng)區(qū)內(nèi)只要NO2-：NH4+=1.32:1，就會(huì)100%的反應(yīng)去除，無(wú)殘留；5）經(jīng)過(guò)厭氧池水解酸化后CODB100%轉(zhuǎn)化為能被PD、CD利用的**碳源。

這樣的理想狀態(tài)下，**AO出水中NO3-=10mg/L，NH4+=0mg/L。氨源從厭氧池出水口抽取，抽取量為厭氧池出水流量的x%，經(jīng)過(guò)厭氧池混合液的稀釋，氨源中可以利用的碳源COD降為55mg/L，NH4+濃度降為25mg/L。按照這樣的基礎(chǔ)條件，對(duì)二級(jí)反硝化區(qū)內(nèi)各段反硝化池（二級(jí)反硝化池、三級(jí)反硝化池、四級(jí)反硝化池）進(jìn)行理論演算。

1）二級(jí)反硝化池演算  在二級(jí)反硝化池內(nèi)，會(huì)存在短程反硝化（PD反應(yīng)，將NO3-還原為NO2-），也存在完全反硝化反應(yīng)（CD反應(yīng)，將NO2-還原為N2），還存在著厭氧氨氧化反應(yīng)（Anammox），這三者之間同時(shí)存在，彼此耦合。既有NO2-在PD反應(yīng)、CD反應(yīng)、Anammox反應(yīng)三者之間的總量平衡、濃度平衡，又有碳源在PD反應(yīng)、CD反應(yīng)之間的總量平衡、濃度平衡。

圖3中四個(gè)點(diǎn)：

A、折點(diǎn)。將**AO出水中的NO3-全部進(jìn)行PD反應(yīng)生成NO2-需要的氨源。此時(shí)投加氨源帶來(lái)的COD碳源只要和**AO出水中的NO3-形成1.14的比例即可（實(shí)際比例可能在1.7左右，本文件一律按照理論需求量計(jì)算），列出方程式：（x*55）：（1-x）*10=1.14，得x=17.17%；

B、虛擬點(diǎn)B。此點(diǎn)不考慮Ana反應(yīng)，只考慮氨源投加帶來(lái)碳源COD，對(duì)**AO出水中的NO3-進(jìn)行常規(guī)全程反硝化，此時(shí)投加氨源帶來(lái)的碳源只要和**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、虛擬點(diǎn)C。此點(diǎn)不考慮完全反硝化（CD）反應(yīng)，只考慮氨源投加帶來(lái)PD反應(yīng)和Anammox反應(yīng)。為了滿足Anammox反應(yīng)，NO2-和NH4+之間形成單純的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、平衡點(diǎn)。實(shí)際工程中B、C都不存在，PD會(huì)有，CD也會(huì)有，Ana反應(yīng)也會(huì)有，NO2-平衡會(huì)有，碳源平衡也會(huì)有。過(guò)了折點(diǎn)之后，氨源投量的上升，會(huì)發(fā)生CD反應(yīng)，這樣NO2-總量就會(huì)逐步下降，而帶來(lái)的NH4+就會(huì)逐步上升，兩者之間的差距逐步縮小，到達(dá)D點(diǎn)，就會(huì)形成1）碳源平衡在PD和CD之間的平衡；2）NO2-之間在CD反應(yīng)和Anammox反應(yīng)之間的平衡；這是一個(gè)綜合平衡，各種反應(yīng)同時(shí)發(fā)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%

理想狀態(tài)下，二級(jí)反硝化池內(nèi)氨源中的碳源COD全部被消耗、**AO出水中的NO3-全被PD還原為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反應(yīng)新生成的NO3-；按照**AO出水NO3-濃度為10mg/L計(jì)算，二級(jí)反硝化池出水中新生的NO3-為1.97mg/L，為簡(jiǎn)化問(wèn)題，按照2mg/L計(jì)算。此時(shí)出水TN=NH3+NO3-+NO2-=0+2+0=2mg/L。

2）三級(jí)反硝化池演算  三級(jí)反硝化池進(jìn)水NO3-按照2mg/L計(jì)算，同樣投加氨源，氨源中的碳源COD進(jìn)行PD反應(yīng)，將NO3-PD還原為NO2-，多余的碳源COD會(huì)將一部分NO2-進(jìn)行完全反硝化反應(yīng)（CD）還原為N2，剩余的NO2-和NH4+形成1.32:1的比例進(jìn)行Anammox反應(yīng)。假定三級(jí)反硝化投加的氨源比例為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%，可見(jiàn)三級(jí)反硝化所加的氨源較少。

理想狀態(tài)下，出水中只有少量Ana反應(yīng)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，同樣為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，出水TN=NO3-=0.4mg/L，這樣進(jìn)行四級(jí)反硝化池演算。

3）四級(jí)反硝化池核算  四級(jí)反硝化池進(jìn)水NO3-為0.4mg/L，同樣投加氨源，氨源中的碳源COD進(jìn)行PD反應(yīng)，將NO3-PD還原為NO2-，多余的碳源COD會(huì)將一部分NO2-進(jìn)行完全反硝化反應(yīng)（CD）還原為N2，剩余的NO2-和NH4+形成1.32:1的比例進(jìn)行Anammox反應(yīng)。假定三級(jí)反硝化投加的氨源比例為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%，四級(jí)反硝化池所加的氨源更少。

理想狀態(tài)下，出水中只有少量Ana反應(yīng)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。

理想狀態(tài)是不存在的。根據(jù)工程實(shí)際，需要對(duì)上述理想化的結(jié)果進(jìn)行修正。

（1）DON問(wèn)題。大量的市政污水處理廠出水證明，氨化反應(yīng)不可能100%的完成，出水中溶解性有機(jī)氮（DON）大多在1-2mg/L之間，個(gè)別的能超出3mg/L。DON問(wèn)題始終存在，但是又很隱秘。在出水TN濃度8-15mg/L這個(gè)大盤子里面，DON僅占10-20%，且國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)TN、NH3作出限制要求，未對(duì)DON進(jìn)行限制，DON目前未引起重視。只有當(dāng)出水TN降到5-8mg/L以下時(shí)，DON在其中的比例上升到20-50%以上才會(huì)引起重視。由于常規(guī)生化處理對(duì)于DON的去除很難提高，只能依靠**氧化，目前接受出水TN中DON一般1-2mg/L這一現(xiàn)狀；

（2）反應(yīng)殘留問(wèn)題。反應(yīng)肯定會(huì)有殘留，不但會(huì)有殘留，還會(huì)有富余。在Ana反應(yīng)中，由于進(jìn)水的波動(dòng)，不可能將NO2-：NH4+永遠(yuǎn)控制在1.32:1,只能控制在附近區(qū)間波動(dòng)，要么是NO2-有富余，要么是NH4+有富余。不管是富余還是殘留，本文將它們統(tǒng)一合并到殘留里面。單純從富余角度來(lái)說(shuō)，將NO2-:NH4+控制在（1.32-1.58）：1這一區(qū)間更好，此時(shí)富余的是NO2-，NH4+沒(méi)有富余，只有殘留。出水只需要考慮TN單一因素，不需要再考慮NH3是否超標(biāo)問(wèn)題。而且這一區(qū)間屬于收斂區(qū)間，即氨源投量越大，出水TN越低；從殘留的角度來(lái)說(shuō)，目前市政污水處理廠NH3的殘留都很低，大多在0.1-0.3mg/L之間，個(gè)別廠甚至檢測(cè)不到。NO2-的殘留濃度一般較高，大多在0.5-1.5mg/L之間。如果將Ana反應(yīng)控制在（1.06-1.32）:1區(qū)間，這樣NO2-始終處于欠缺的狀態(tài)，就可將NO2-的殘留做得很低，NH4+有富余，但是殘留濃度不高，總體上殘留的NO2-+NH4+更低。這點(diǎn)需要在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐中反復(fù)驗(yàn)證，才能取得*優(yōu)解。目前我們按照NO2-富余考慮，NO2-殘留0.5-1.5mg/L，NH4+殘留0.1-0.3mg/L計(jì)算。PD反應(yīng)中NO3-的殘留濃度一般在1-1.5mg/L之間，這個(gè)數(shù)據(jù)不小。實(shí)際運(yùn)行中，是否將PD反應(yīng)控制在碳源適當(dāng)富余，將NO3-的轉(zhuǎn)化率提高。碳源富余說(shuō)明氨源投量略多，CD反應(yīng)比例相應(yīng)提高，積累的NO2-略微下降，在Ana反應(yīng)中就會(huì)出現(xiàn)上文說(shuō)的NO2-略微富余，這點(diǎn)也需要在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐中反復(fù)驗(yàn)證，目前按照PD反應(yīng)后NO3-殘留1-1.5mg/L考慮。

出水TN=新生的NO3-+NO3-殘留+NO2-殘留+NH3殘留+DON=新生NO3-+（1-2）+（0.5-1.5）+（0.1-0.3）+（1-2）=新生NO3-+（2.6-5.8）   

從上面的出水TN構(gòu)成中就可以看出，新生的NO3-不是關(guān)鍵問(wèn)題，關(guān)鍵問(wèn)題是底物富余、底物殘留以及DON。

（1）采用AAOAAO工藝*佳。采用AAOAO工藝時(shí)，新生的NO3-濃度在2mg/L以下，在出水TN中占比不小。當(dāng)采用AAOAAO工藝時(shí)，新生的NO3-降到0.4mg/L以下，在出水TN構(gòu)成中占比很小。AAOAAAO工藝將新生的NO3-降到0.08mg/L以下，邊際效應(yīng)很差，意義不大；

（2）在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐中繼續(xù)優(yōu)化PD、Ana反應(yīng)的控制區(qū)間，將出水NO3-、NO2-和NH3的富余、殘留降到*低；

（3）加大*后一段反硝化池，降低Ana反應(yīng)區(qū)內(nèi)NO2-填料面積負(fù)荷，讓反應(yīng)進(jìn)行的更徹底，殘留更低；

（4）從厭氧池出水取得的氨源中攜帶一些活性較高的異養(yǎng)菌，直接投加到后面的反硝化池后是否會(huì)擠壓Ana反應(yīng)區(qū)內(nèi)繁殖速度較慢的自養(yǎng)型Ana菌的生存空間，需要在工程中檢驗(yàn)。可能的應(yīng)對(duì)措施：A、直接取原水作為氨源；B、PD池適當(dāng)放大，且將PD池設(shè)計(jì)為2格串聯(lián)，將異養(yǎng)菌的影響盡量壓縮在不怕異養(yǎng)菌的PD池內(nèi)；

AAOAAO工藝，TN出水*好的在2-3mg/L以下，正常的在3-5mg/L，極端不好的在5-6mg/L。

另，二級(jí)反硝化區(qū)的三段反硝化池的氨源投量是獨(dú)立計(jì)算的，三段串聯(lián)，同時(shí)投加，必定會(huì)彼此影響。總平衡演算，二級(jí)反硝化池的氨源投量占厭氧池出水總量的20.0%左右，三級(jí)反硝化池為5.2%左右，四級(jí)反硝化池的氨源投量為1.1%左右，合計(jì)28.3%。其余全部進(jìn)**AO，占總量的71.7%左右。這是理論值，實(shí)際工程中由于各種因素會(huì)有小幅波動(dòng)。

調(diào)試先進(jìn)行二級(jí)反硝化池氨源的調(diào)控，按照厭氧池總出水流量的15%左右作為起點(diǎn)，逐步加大氨源投量，隨著氨源投量的不斷加大，出水中NO2-會(huì)不斷下降，直到滿意值為止。再進(jìn)行三級(jí)反硝化池氨源投量的調(diào)控，從4%開(kāi)始，逐步加大氨源投量，直到出水NO2-濃度達(dá)到滿意值為止。*后進(jìn)行四級(jí)反硝化池氨源投量的調(diào)控，從0.5%開(kāi)始，逐步加大氨源投量，直到出水NO2-濃度達(dá)到滿意值為止。*后一段反硝化池負(fù)荷降低，甚至可將出水NO2-濃度控制在0.2mg/L以下。

2、工程實(shí)例

某市政污水處理廠，日處理規(guī)模4萬(wàn)m3/d，4組生化池（見(jiàn)下圖）每組處理規(guī)模1萬(wàn)m3/d。技改前采用AAO處理工藝。新的排放標(biāo)準(zhǔn)要求出水TN由原來(lái)的15mg/L升級(jí)為10mg/L。和業(yè)主多次討論之后決定采用ESD工藝中的AAOAAO，內(nèi)控將出水TN控制在4mg/L以下。   

技改前AAO工藝的工藝參數(shù)：厭氧池HRT1.8h，缺氧池5.5h，好氧池10.3h，總HRT17.6h，外回流*大100%，內(nèi)回流*大300%；

AAOAAO的工藝參數(shù)：厭氧池不變，1.8h；**缺氧池由原先的全混式反應(yīng)池改為4格串聯(lián)的全混式反應(yīng)池，充分利用濃度梯度，顯著縮小**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縮小至6h；**AO*大內(nèi)回流比仍然為100%，外回流*大仍為100%。二級(jí)缺氧區(qū)：**段缺氧池PD池HRT為0.5h，隨后的Anmmox反應(yīng)池為三池串聯(lián)，HRT小計(jì)2.47h，三池中均安裝簾式填料，面積負(fù)荷平均為0.8gNO2-/m2.d；**段缺氧池的PD池HRT為0.25h,隨后的Anammox池兩格串聯(lián)，HRT小計(jì)1.08h，安裝簾式填料，面積負(fù)荷平均為0.3gNO2-/m2.d。Anammox池內(nèi)均采用立式攪拌機(jī)攪拌。好氧出水池HRT為1.3h?？侶RT為16.9h。理論演算出水TIN小于2mg/L。

圖6  技改前后對(duì)比