撰稿人:扶志远
关键字：EDNR 极限脱氮 低能耗 低碳源
1 引言
随着我国城镇化进程的加快，生活污水的排放量也在逐年增加，水中氮、磷含量超标导致水体富营养化问题日益突出。这对新时期水污染防治工作有了更高的要求。我国目前对排放处理污水中氮含量已作出明确规定，在2003年7月1日正式实施的《城镇污水厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中规定，一级标准B标准总氮允许的最高排放限值为20mg/L，一级标准A标准总氮允许的最高排放限值为15mg/L。对于四类水体排放标准总氮1.5mg/L的苛刻要求，由于现存工艺无法满足，或者无法承受为满足四类水体排放标准所带来的投资和运营成本的大幅增加，提出了准四类水体排放标准，将总氮放宽到10mg/L。作为水体富营养化的重要污染物，总氮进一步降解成为了世界性难题。
2 工艺流程与分析方法
2.1 工艺流程
废水中总氮主要由氨氮、有机氮、硝态氮和亚硝态氮构成。传统生物脱氮工艺中总氮的去除分两步进行，第一步为硝化反应，通过硝化菌的作用将废水中的氨氮转化为亚硝态氮和硝态氮，第二步为反硝化反应，通过反硝化菌的作用将废水中的硝态氮转化为氮气，从而达到废水中脱氮的目的。
传统脱氮工艺（图2.1.1所示）脱氮率受混合液回流比制约，脱氮率（η）与混合液回流比（R内）之间有如下关系：η= R/(1+ R)，想要获得较高的脱氮率需要增大回流比，当回流比达到4的时候，理论总氮去除率为80%，再提高回流比，将导致大量的溶解氧带回脱氮池，影响脱氮效果。因此，常规一级AO工艺往往很难突破80%的极限去除率，如果要进一步提高总氮去除率，通常要多级A/O和深度脱氮工艺结合。
对污水生物处理而言，要达到高效的处理效果，需要碳、氮、磷合理的营养比例，微生物自身的合成和存活也离不开碳源。传统AO工艺先对CODCr及氨氮进行降解，然后单独对硝酸盐氮进行降解的做法，是对微生物体碳氮磷合理的营养比例进行了人为强制割离，经过AO处理的出水几乎没有碳源，而只剩下总氮，这正是进一步降解总氮变得极其困难的根本原因
基于传统生物脱氮工艺的分析，我公司研发出极限脱氮系统（EDNR），该工艺突破了传统AO工艺在两个反应池内独立完成硝化反硝化作用的思维，而是将硝化池和反硝化池合二为一，在一个生物反应池内完成硝化反硝化作用，实现了氨氮、总氮以及CODCr的同步协同降解，这更加符合微生物自身的有机成分组成以及对碳氮磷营养比例要求的科学规律，从而使得总氮的降解变得简单。EDNR工艺流程如下：
选择池出水进入和EDNR核心反应池，该反应池配套设置了DO仪、ORP仪、鼓风机及曝气系统、内置脱氮反应区，同时配合触媒的投加。在该反应池内，通过如下过程实现了极限脱氮能力：
Ø 精确曝气：通过DO及ORP对鼓风机的控制，实现精确曝气，维持系统内硝化反硝化同步进行的环境，避免过度曝气导致的能耗浪费，同时大量节省了有限的碳源。通过精确曝气，相对于常规工艺可节省能耗20%，同时节省碳源50%以上，实现了绝大多数市政污水无需碳源投加既可满足严格的总氮排放标准。
Ø 内置脱氮反应区：EDNR池内设置了永久性的脱氮反应区，在该集成内置脱氮反应区填装了中麒水务自己研发的催化填料，通过推流器对系统内介质和催化填料进行强制循环接触，增强脱氮效果。
Ø 触媒投加：为了平衡系统内的氧化还原电位，对系统内进行触媒投加，确保脱氮的高效进行。触媒为间断投加，触媒投加增加吨水处理成本约为0.01元。
EDNR系统不同于常规系统先除CODCr和氨氮再除总氮的做法，而是将CODCr、氨氮以及总氮同步协同降解，遵循了微生物自身由碳氮磷组成以及参与处理过程需要合理的碳氮磷比例这一科学规律，从而使得总氮的降解变得简单，理论上可以实现100%的脱氮效率。
2.1 分析方法
本次分析，以河北定兴县某一体化EDNR极限脱氮装置和深圳固戍应急污水厂一体化EDNR极限脱氮装置为例。
废水进出水质指标采用《水和废水监测分析方法》（第四版）中方法测定
3 数据分析与讨论
3.1 COD去除效果分析
在河北定兴县某一体化EDNR极限脱氮工艺进行连续16天进出水进行分析和检测，结果如下：
进出水总氮对比折线图如下：
从以图3-1可以看出，在进水总氮高达62mg/L的情况下，出水仍能满足稳定低于5mg/L，最低达到0.8mg/L。2019年8月25日总氮突然升高到20mg/L是由于碳源严重不足导致。
以上结果表明CODCr/TN到4的时候，出水就可以稳定低于5mg/L；在CODCr/TN达到6以上的时候，出水总氮可以降到1mg/以内，主要是受限于控制的波动，出水总氮稳定在2mg/L的附近。相对于传统工艺要求的BOD/TN大于4而言，EDNR工艺所需碳源采用的是CODCr/TN（生活污水BOD约为CODCr的50%），由此可以看出，EDNR工艺相对于传统工艺节省碳源50%以上，可以做到绝大多数市政污水无需投加碳源即可满足严格的总氮排放标准。
EDNR系统进出水氨氮折线图如下：
EDNR系统进出水CODCr的图表对比：
从图可以看出，进水CODCr在108~192mg/L之间。出水在11~29mg/L之间，可以满足四类水体的排放要求。
EDNR系统进出水总磷折线图如下：
EDNR工艺在深圳固戍应急污水处理厂进行连续30天的检测，数据如下：
4 环境效益及经济效益分析
4.1 COD环境效益分析
EDNR极限脱氮系统工艺，出水TN稳定在5mg/L以下，而《城镇污水厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中一级A标准，TN最高允许排放浓度为15mg/L，则该工艺可减排总氮10mg/L。以此计算，每万吨污水减排TN总量为100kg。据公开数据显示，全国日处理污水量为22846万吨，EDNR工艺每天可减排TN总量为：22846*0.1=2284.6吨
4.2 经济效益分析
污水出水TN主要以NO3-的形式排放，排放该部分的总氮同时带走了34.3mg/L的溶解氧，而这部分溶解氧由鼓风机提供。同时传统工艺为了把这部分总氮降解去除，按照总氮4倍的比例投加碳源，投加的碳源消耗溶解氧40mg/L，合计造成约74mg/L的溶解氧浪费。我们通过如下计算来进行能耗分析：
74mg/L=74g/m3=740kg/104m3
即每万吨水节省740kg的溶解氧，功率溶解氧转移系数按照1.1计算，则需要消耗的能耗为740kg/（1.1kg/kw*h）=672kw*h，即每万吨水造成672度能耗的浪费。
为降解10mg/L的总氮，需要外加碳源按照40mg/L计，折合吨水碳源0.4kg，则每万吨水节省碳源约为0.4吨。
根据公开资料，全国日处理污水量为22846万吨，EDNR工艺每天可节省的电耗和碳源计算如下：
能耗节省：674*22846=15,398,204度
节省碳源：0.4*22846=9138.4吨，按照葡萄和CODCr之间1.1的转换系数，每天可节省葡萄糖9138.4/1.1=8038吨。
5 结语
EDNR工艺是遵循微生物自身的碳氮磷元素组成及降解污染物所要求的合理碳氮磷营养比例这一科学规律的应用典范。正是基于对科学规律的遵循和利用，使得总氮的去除变得简单，在实现总氮排放量大幅下降的同时，节省了能耗的浪费，也节省了大量碳源（粮食）的投加，是目前为止最为节能环保的污水处理工艺。
EDNR工艺是对现有传统AO的颠覆，该工艺的推广和应用将宣告深度脱氮工艺的终结，同时开启一个更高效、更节能、更环保的污水处理新时代。