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隨著農業面源污染、污（廢）水排放及其他人類活動的加劇，氮素污染成為地表水體水質面臨的主要問題之一，也嚴重影響了全球供水戰略。尤其是水體中硝酸鹽濃度的升高，不僅會引發水體富營養化、導致藻類過度繁殖，破壞生態棲息地，還會對人類健康帶來潛在風險。因此，各國逐步加大對水污染控制的力度，制定了更為嚴格的污水排放標準。然而，當前污水處理廠二級出水在深度脫氮方面仍然面臨巨大挑戰。傳統的異養反硝化（HD）工藝對外加有機碳源的依賴使處理成本大幅增加，還可能導致出水COD超標和溫室氣體排放量增加，并產生大量的剩余污泥，增加了污泥處理和處置的難度和費用。為滿足日益嚴格的脫氮要求，污水處理廠亟需尋找更加經濟、環保的替代方案。

硫自養反硝化（SAD）技術利用自養微生物通過無機碳和硫作為碳源和電子供體，實現NO3?-N的轉化。由于S0在自然界中廣泛存在，其經濟可行性優于其他還原硫化合物。SAD技術已被證實具有良好的硝酸鹽去除能力，成為了異養反硝化的替代方案，也被越來越多地應用于廢水的低碳脫氮以實現碳中和的目標。然而，當前SAD案例有限，導致SAD濾池工程設計參數不夠完善，實際運行經驗不足，這阻礙了其大規模的推廣應用。

為了應對污水處理廠二級出水中氮濃度難以達標的難題，依托邯鄲西污水處理廠，構建了一套處理能力為1000m3/d的SAD濾池中試系統，在低溫條件下，對不同進水負荷時的脫氮性能進行了系統評估，重點考察了其對NO3?-N、TN等主要污染物的去除效果，并與該廠HD濾池的運行效果進行了對比，以期為未來污水廠深度脫氮工程的設計、調試運行提供理論依據，并為污水處理廠實現減污降碳協同增效提供可行的技術路徑。

1、材料與方法

1.1 污水處理廠概況

邯鄲西污水處理廠處理能力為18×104m3/d，主體工藝為“多級AO+高效氣浮+深床反硝化濾池”，其中HD濾池實際運行水量為5×104m3/d。設計進水COD、BOD5、SS、NH3-N、TN、TP濃度分別為500、280、400、45、65、8mg/L，出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）一級A標準。由于現狀排水體制等原因，該廠進水C/N無法滿足同步脫氮除磷的需求，導致HD濾池的碳源消耗成本高，出水COD有超標的風險。因此在邯鄲西污水處理廠開展中試，測試不投加碳源情況下SAD濾池的脫氮效果。

1.2 中試裝置及運行

中試SAD濾池（見圖1）所用濾料由硫磺、天然納米礦物活性組分及功能性添加組分熔融復合而成，其既是脫氮電子供體，又是脫氮微生物的載體。硫自養反硝化濾料的有效粒徑為2~6mm，含硫量為75%，酸溶物含量為10%，表觀密度為1.95g/cm3，堆積密度為1.28g/cm3，堆積空隙率為48%，顆粒濕強度為31.6N。中試裝置為一體化設備，濾池水流方向為降流式，處理規模為1000m3/d，設計硝態氮容積負荷為0.4~1.0kg/（m3·d），設備尺寸為W×L×H=3m×8m×3m，濾料填充高度為1.83m，濾池為3格并聯運行，單格過濾面積為3m2。濾池進水采用堰板配水，底部布水布氣系統采用S型濾磚，濾料承托層采用厚約20mm高密度聚乙烯承托板。濾料總體積為16.5m3，濾速為3.70~4.63m/h，強制濾速為5.55~6.95m/h，水頭損失≤1.5m。

SAD濾池進水為二沉池出水，TN為10~18mg/L，NO3--N為9~17mg/L，COD<50mg/L，TP為0.16~0.26mg/L，pH為6.5~7.3，冬季水溫為15.1~16℃。通過水泵將污水送至濾池進水渠并由配水堰板均勻配水，污水自上至下經過濾料層后出水，通過調整進出水閥門開度來調節進水量和濾池過濾水位。連續運行一段時間后需要進行反沖洗以去除截留的懸浮物及老化生物膜，同時運行中通過反沖洗驅除氮氣來消除濾層氣堵。濾池采用氣水聯合反沖洗方式，水沖洗強度為15m3（/m2·h），氣沖洗強度為60m3（/m2·h），先氣洗5min，再氣水聯合沖洗20min，最后水洗5min。采用水反沖洗方式驅除濾層內滯留的氮氣，每次持續2min。

SAD濾池從污泥接種到微生物培養及穩定運行歷時59d，分為污泥接種及激活期（階段Ⅰ）、低負荷培養期（階段Ⅱ）、設計負荷運行期（階段Ⅲ）、極限負荷運行期（階段Ⅳ）及變負荷運行期（階段Ⅴ）5個階段，具體技術參數如表1所示。其中階段Ⅰ采用該污水處理廠脫水后的污泥進行接種，每格SAD濾池加入含水率為80%的污泥185kg，換水兩次，每天曝氣攪拌5min使污泥分布均勻。在階段Ⅱ，SAD濾池進水流量在5d內逐步由18m3/h提高至33m3/h。階段Ⅴ為了探究濾池的抗沖擊負荷能力，流量由42m3/h依次提升到55.44、60m3/h，運行3d后再降到42m3/h。

1.3 水質分析方法

進出水pH、DO、ORP、TDS、水溫：哈希便攜式水質測定儀，TN：過硫酸鹽消解-紫外分光光度法，NO3--N：哈希鉻變酸法，NO2--N：哈希重氮化法，TP：過硫酸鹽消解-鉬酸銨分光光度法，COD：重鉻酸鉀氧化法，SO42-：離子色譜法。

1.4 濾料表面微生物形貌及群落分析

分別采集接種污泥、HD濾池和運行30d后SAD濾池濾料樣品，以分析微生物群落結構。所有樣品均進行高通量測序，并對運行30d后的污泥進行掃描電鏡（SEM）分析。具體操作包括：從濾池中間濾料層取樣，進行聚合酶鏈反應（PCR）擴增、DNA提取和高通量測序；PCR擴增針對微生物16SrRNA基因高變區的V3-V4進行，使用通用引物338F（5′-ACTCCTACGGGCAGCA-3′，正向引物）和806R（5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′，反向引物）。獲得的序列被聚為操作分類單元（OTU），相似性為97%。利用IlluminaMiSeq平臺和MiSeqReagentKitv3（600個循環）進行2×300bp的雙端測序，以確保最佳測序質量（200~450bp）。使用QIIME平臺識別有效序列，并排除模糊堿基N、錯配堿基數超過1以及連續相同堿基數超過8的序列。通過QIIME軟件調用USEARCH去除嵌合體序列，并根據97%的序列相似性閾值進行OTU分類。細菌的16SrRNA基因通過Greengenes數據庫分析，真菌的ITS序列通過UNITE數據庫分析。

2、結果與討論

2.1 NO3--N和NO2--N去除效果分析

各階段濾池進出水NO3--N和NO2--N濃度的變化見圖2。在階段Ⅰ，SAD濾池對NO3--N無去除效果；經階段Ⅱ的低負荷培養后，SAD濾池對NO3--N的去除量逐漸增大，平均出水為5.16mg/L，平均去除率為62.2%；在階段Ⅲ，NO3--N平均去除量為12.3mg/L，去除率能穩定維持在90%以上；在階段Ⅳ，NO3--N平均去除量為10.6mg/L，由于進水負荷提高，空床接觸時間（EBCT）降低，導致以最大負荷運行時濾池出水NO3--N濃度基本維持在3.5mg/L，去除率在75.5%左右。

在階段Ⅴ當進水NO3--N<15mg/L時，SAD濾池出水NO3--N濃度穩定在5mg/L以下，在進水NO3--N濃度相對穩定的情況下，即使水量隨時變化出水NO3--N濃度仍較穩定，說明濾池抗沖擊負荷能力較強，能夠承受變化系數為1.43的流量變化。但當進水流量為55.44m3/h（EBCT為18min），進水NO3--N濃度為20.8mg/L時，出水NO3?-N濃度為10.4mg/L，濾池出水總氮超過10mg/L，當前條件為濾池的最大承受極限，極限脫氮負荷為0.840kg/（m3·d）。較長的EBCT（30min）時出水水質較好，縮短EBCT（18min）導致去除率降低。因此，綜合考慮去除效果和建設投資建議濾池的EBCT以20~30min為宜。

該污水處理廠的HD濾池已運行穩定，因此待SAD濾池微生物培養穩定后，在相同進水條件下將兩者的運行效果進行了對比。污水處理廠二沉池出水NO3--N、TN分別在9~17、10~18mg/L之間，以對NO3--N的去除效果作為評判濾池功能的直接指標。由圖2可知，SAD濾池對NO3--N的去除效果略高于HD濾池，SAD濾池出水NO2--N濃度與進水相差不大，平均出水濃度為0.013mg/L，而HD濾池出水NO2--N平均值為4.1mg/L，明顯高于進水。可見，在進水水質相同時，SAD濾池比HD濾池脫氮效果更好，當然影響HD濾池脫氮效果的最關鍵原因是系統內NO2--N的積累，推測積累的原因可能是低溫環境下，異養微生物對有機碳的利用和NO2--N的還原能力都會減弱，從而導致NO2--N積累。

2.2 總氮去除效果分析

各階段濾池進出水的TN濃度見圖3。SAD系統的啟動時間較短，表明市政污水處理廠的污泥中含有自養脫氮菌群，并且這些菌群易于培養（筆者曾在寧夏青銅峽污水廠進行硫自養中試，發現特制菌劑的接種效果不如市政污水廠的活性污泥）。隨著SAD濾池從低負荷逐步增加至變負荷，TN去除效果逐漸穩定，出水TN濃度基本維持在5mg/L以下。SAD濾池對TN的平均去除量為10.4mg/L，去除率為80.7%，脫氮負荷為0.632kg/（m3·d）。穩定運行后，SAD濾池出水TN濃度完全符合一級A排放標準。

相比之下，HD濾池對TN的平均去除量為4.6mg/L，去除率為34%，脫氮負荷為0.370kg/（m3·d）。可見，SAD濾池對NO3--N、NO2--N、TN的去除效果和穩定性明顯優于HD濾池。值得注意的是，HD濾池NO2--N積累可能也與碳源不足有關，若碳源充足，其處理效果或許可以接近SAD系統。

2.3 其他指標的變化

pH是影響反硝化的一個重要因素，自養反硝化過程中產生的H+會導致系統pH降低，從而影響脫氮速率。試驗中采用的添加堿度的復合硫磺材料對pH的降低有一定的緩沖效果，在無外加堿度的條件下，自養反硝化使系統的pH由7.0~7.8降至6.8左右（穩定運行期間），且此時的pH仍可保證硫自養反硝化細菌的正常生長。而異養反硝化產生堿度，使出水pH較進水略有升高。

SAD通常在厭氧條件下進行，在進水平均DO為3mg/L的條件下，各濾池出水均低于1mg/L。出水DO濃度的降低，說明DO作為電子受體參與了NO3--N競爭，高DO可能會影響SAD系統的脫氮效果，也有文獻證實進水中高濃度的DO會影響SAD系統的脫氮效率。

ORP是影響無氧代謝途徑的重要指標。測定顯示，SAD濾池進水的ORP平均值為141.62mV，出水降至12.69mV，最低達到-17mV。而HD濾池出水的ORP平均值為132.8mV，說明SAD濾池中污泥的反硝化代謝活性更強，SAD濾池中發生了NO3--N還原為N2的過程，使出水ORP值降低。而HD濾池中雖然發生了NO3--N的還原，但也出現了高濃度NO2--N的積累，說明高ORP可能抑制亞硝酸鹽還原酶，從而導致HD濾池中更多的NO2--N積累。當然，HD濾池NO2--N積累也可能與低溫環境下碳源利用率不高有關。降低ORP可以創造更好的還原環境，這將更有利于NO3--N和NO2--N的還原。

考慮到濾料對SAD濾池出水水質的影響，監測了濾料主要釋放離子（SO42-）和進出水TDS的變化，結果如圖4所示。運行初期SAD濾池的SO42-和TDS濃度明顯增加，這可能是由于多孔材料表面存在氧化現象，使得SO42-大量釋放進而導致TDS濃度升高。隨著反應器的不斷運行，SAD濾池內的濾料逐漸被消耗，出水SO42-和TDS濃度逐漸穩定且略高于進水。HD濾池因投加乙酸鈉其出水TDS較進水也有所增大，只是增幅小于SAD濾池。監測發現，去除10mg/L的氮可使TDS平均增加約39.5mg/L，若新建或存量項目對TDS增量比較敏感，則需要慎重考慮SAD工藝。

2.4 SEM表征與微生物種群多樣性分析

接種污泥、HD和SAD濾池生物膜的SEM照片如圖5所示。

接種污泥的主要優勢菌屬為Methylotenera，其細胞呈圓柱形或桿狀，通常單獨存在，或以鏈狀、簇狀排列。HD濾池生物膜的優勢菌屬為Acinetobacter，其細胞呈球狀或短桿狀，直徑約為0.9~1.5μm，細胞通常是以單個或短鏈狀分布。SAD濾池生物膜的主要功能菌屬為Sulfurimonas和Thiobacillus，Sulfurimonas呈彎曲或螺旋狀，尺寸約為（1~3）μm×0.5μm，細胞表面光滑，通常成對分布；Thiobacillus菌種則呈單生、成對或斷鏈形態，大小為（0.5~0.8）μm×（1.0~4.0）μm。在放大10000倍下發現濾料表面細菌形態與短狀桿菌類似，表明SAD濾料能作為硫自養反硝化菌種的載體及電子供體。同時，添加的納米礦物質在濾料表面附著了大量顆粒物質，粒徑小于100nm，增大了比表面積，從而提高了微生物數量和活性。

不同樣品在屬水平上的微生物群落結構分布見圖6。SAD濾池的微生物群落與HD濾池存在顯著差異。SAD濾池的主要優勢菌群為Sulfurimonas（44.95%）、Thiobacillus（7%）、Pseudarthrobacter（7%）、Sulfuricurvum（5%）和Simplicispira（4.03%）。Sulfurimonas作為一種自養微生物，能利用硫作為電子供體進行反硝化，這在冬季低溫條件下尤為有效，因為Sulfurimonas在較寬的溫度和酸堿度范圍內均表現出較好的適應性。Thiobacillus也參與硫自養反硝化，但在低溫下生長速度較慢，因此在SAD濾池中的相對豐度低于Sulfurimonas。Sulfuricurvum同樣能夠利用硫化物進行硫自養反硝化。以前的文獻也證實這3種細菌在自養反硝化過程中起著至關重要的作用。Pseudarthrobacter菌屬具有降解多環芳烴、脂肪酸和蛋白質等有機物的能力，可將亞硝酸鹽氮還原為氮氣，通常在異養反硝化系統中出現，可見濾池內自養和異養反硝化同時存在，但是以自養反硝化為主。由于SAD濾料中添加了部分硫鐵礦，使得SAD濾池內Ferritrophicum也得到富集，它利用單質S或Fe2+進行反硝化作用。與之相比，HD濾池中的優勢菌群為Acinetobacter（30.3%）、Paludibacter（2.66%）、Brachymonas（1.99%）和Defluviimonas（0.24%），以異養反硝化菌（Acinetobacter、Brachymonas、Trichococcus和Defluviimonas）為主，它們能夠在低溫環境中生長并參與反硝化過程。由對TN的去除效果可知，這兩種濾池都具有足夠的脫氮能力，但是HD濾池的優勢微生物群落與SAD濾池完全不同，說明優勢微生物群落與濾池的營養狀況密切相關，而且不同的電子供體導致微生物群落的不同演化方向。

2.5 反沖洗對脫氮效果的影響

在運行過程中，對懸浮物的截留和老化生物膜脫落易造成濾池堵塞，因此必須定期進行反沖洗以提高脫氮效率。對于SAD濾池，進水中的SS、脫落的生物膜和反硝化產生的氮氣都是造成濾池堵塞的主要誘因。但反沖洗會導致生物膜脫落，可能影響脫氮效果。為探究反沖洗對生物膜脫氮的影響，設定反沖洗周期為5d，監測了反沖洗后濾池運行4h內的進出水NO3--N濃度，結果如圖7所示。

濾池運行溫度為15℃，進水流量為42m3/h，EBCT為24min。反沖洗后60min內濾池出水NO3--N濃度產生波動，反沖洗前NO3--N去除率為70.9%，反沖洗后去除率最低為55.2%，基本穩定在68.6%~77.3%之間，說明反沖洗對總氮去除效果有短期影響，120min后影響基本消除，且去除率增加，分析原因可能是濾池截留的懸浮物被排出，老化的生物膜得到更新，增加了微生物的活性和反應速率。有研究表明，反沖洗可有效恢復濾池過水通透性，提高脫氮效率，且每周一次徹底的反沖洗可以深度清潔截留的SS和脫落的生物膜。可見，對濾池進行反沖洗基本不影響SAD濾池的脫氮性能。

2.6 運行費用分析

藥劑費是污水廠運營成本的重要組成部分，表2為兩濾池運行費用對比。其中，總氮去除目標為10mg/L；濾料消耗與總氮去除量之比取3.0（按最不利考慮，實測值為2.7）；復合碳源投加比為6.5，處理水量按照5×104m3/d計。可知，SAD濾池相比目標污水廠HD濾池節省運行費用約37.9%。

3、結論

①SAD濾池對TN的平均去除量為10.4mg/L，平均去除率為80.7%。在進水水質相同的條件下，相比于HD濾池，SAD濾池對NO3--N和NO2--N的去除效果更為顯著，且顯示出較強的抗沖擊能力和優異的脫氮效果。

②SAD濾池中的優勢菌種主要包括硫自養細菌Sulfurimonas和Thiobacillus等，而HD濾池中更多為異養反硝化細菌。這種微生物群落差異反映了濾池營養狀況和電子供體的不同，SAD濾池中的硫自養細菌在低溫環境中仍能保持較高的活性。

③相比于HD濾池，SAD濾池可節省運行費用約37.9%，每年可給邯鄲西污水處理廠二期工程節省藥劑成本約233.60萬元。SAD濾池適用于碳源消耗量較大的污水廠的總氮提標。