硫自養反硝化技術對城市污水處理廠總氮深度處理效率的影響研究

摘要：為提升城市污水處理廠總氮（TN）深度處理能力，本研究采用硫自養反硝化技術對城市污水處理廠進水進行深度脫氮中試。連續運行60 d，兩個污水處理廠水質TN去除率分別為48.4%和58.5%。同時，硫自養反硝化技術具有顯著的化學需氧量（COD）及總磷（TP）去除效果，處理后的水質pH略有下降，仍可滿足出水水質要求。中試表明，水溫是制約硫自養反硝化效能的重要因素。與異養反硝化相比，硫自養反硝化具有運行成本低、低碳排放的特點，且對城市污水的深度脫氮效果好，較適用于膠東半島城市污水處理廠TN處理能力提升項目。

關鍵詞：城市污水處理廠；硫自養反硝化；深度脫氮；水溫

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）07-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.07.052

Study on the Effect of Sulfur Autotrophic Denitrification Technology on the Efficiency of Total Nitrogen Advanced Treatment in Urban Sewage Treatment Plants

ZHANG Xiaoming1， ZHANG Wei1， LIANG Jing2

（1. Weihai Ecological Environment Monitoring Center of Shandong Province; 2. Weihai Ecological Environment Monitoring Center， Weihai 264200， China）

Abstract： In order to enhance the total nitrogen （TN） deep treatment capacity of urban sewage treatment plants， this study adopts sulfur autotrophic denitrification technology to conduct a pilot test of deep nitrogen removal for the influent of urban sewage treatment plants. After continuous operation for 60 days， the TN removal rates of the two sewage treatment plants are 48.4% and 58.5%， respectively. At the same time， the sulfur autotrophic denitrification technology has significant chemical oxygen demand （COD） and total phosphorus （TP） removal effects， and the pH of the treated water quality slightly decreases， still meeting the effluent quality requirements. The pilot test shows that water temperature is an important factor limiting the efficiency of sulfur autotrophic denitrification. Compared with heterotrophic denitrification， sulfur autotrophic denitrification has the characteristics of low operating cost， low carbon emissions， and good deep denitrification effect on urban sewage， which is more suitable for the TN treatment capacity improvement project of the urban sewage treatment plants in

Jiaodong Peninsula.

Keywords： urban sewage treatment plant; sulfur autotrophic denitrification; deep nitrogen removal; water temperature

為著力打好重點海域綜合治理攻堅戰，對標新的地方排放標準，避免過多總氮（TN）排入環境水體造成污染，污水處理廠需要增加深度脫氮單元來完成TN高標準排放的提標改造任務。因而，進一步提升城市污水處理廠TN處理能力，嚴控TN排放成為當前做好入海河流TN治理工作的重中之重。目前，各城市污水處理廠廣泛采用基于異養反硝化原理構建的反硝化濾池工藝進行脫氮，但二級生化處理后污水中剩余有效碳源嚴重不足，其需要外加甲醇、乙醇等有機碳源驅動反硝化作用，存在脫氮成本高、二次污染風險不可控、碳排放量大等問題[1]。經走訪污水處理廠得知，深度異養反硝化脫氮工藝碳源消耗大、污泥產生量多、碳源精準投加困難，運行成本較高，碳排放量較高，利用原有技術進一步提升TN處理能力的經濟壓力較大。相比之下，自養反硝化技術不受水質低碳氮比限制，并且在脫氮成本、污泥產生量、碳排放等方面具有顯著優勢。

1 硫自養反硝化技術發展現狀

硫自養反硝化技術具有低污泥產生量、低成本等優勢，近年來受到研究人員的廣泛關注。它以單質硫、硫化物或還原性含硫化合物等作為電子供體及能源物質，硝酸鹽作為電子受體，將硝酸鹽或亞硝酸鹽還原為氮氣，將還原態硫氧化為硫酸鹽，反應過程無須添加有機碳源，同時有效降低污泥產生量[2]。

隨著硫自養反硝化研究日趨成熟，硫自養反硝化材料取得重大突破，并逐步投入工程應用，取得良好效果。宋慶原等[3]選用高效硫自養濾料，在污水處理廠進行中試研究，硝酸鹽氮去除率穩定保持在95%以上；朱長軍等[4]在污水處理廠進行硫自養反硝化中試，硝酸鹽氮的平均去除率在98%以上；劉寶峰等[5]在污水處理廠開展硫自養反硝化技術工程化研究，平均氮去除率達到90%。本文采用威海百克環保工程有限公司自主研發的以單質硫+復合礦物質粉混合顆粒為載體的深度反硝化濾料進行中試，測算不同水溫、不同進水TN濃度情況下TN去除率，驗證硫自養反硝化技術與膠東地區城市污水處理廠深度脫氮要求的符合性，為城市污水處理廠提標改造提供解決方案。

2 中試過程

為了驗證硫自養反硝化技術在城鎮污水處理廠深度脫氮中的實際應用效果，特別是驗證冬季氣溫較低條件下脫氮性能，2022年12月至2023年2月，在威海市經區污水處理廠開展首次中試。威海市經區污水處理廠出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級A排放標準，中試進水選用污水處理廠末端排水。為了驗證不同進水TN濃度下的處理效果，2023年3—5月于威海市高區污水處理廠再次啟動中試。威海市高區污水處理廠出水水質達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級A排放標準，中試進水選用污水處理廠后置反硝化生物濾池前端進水。

2.1 中試裝置

中試裝置占地面積為13.2 m2（5.5 m×2.4 m），內部有反硝化濾池、反洗系統和出水緩沖池等。其中，濾池罐高為2.5 m，直徑為2.0 m，內裝直徑2～6 mm的硫自養復合濾料，表面光滑帶孔，堆積密度為1.05 g/cm3±0.20 g/cm3。濾池運行液面高度為2.2 m，濾料高度為1.0 m，濾料體積為3.14 m3，設計處理水量為150 m3/d。

2.2 分析項目與方法

為保證中試效果的準確性和穩定性，兩次中試運行時間均在60 d以上。中試期間，化學需氧量（COD）測定采用《水質 化學需氧量的測定 重鉻酸鹽法》（HJ 828—2017）；TN測定采用《水質 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》（HJ 636—2012）；總磷（TP）測定采用《水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》（GB 11893—1989）；pH測定采用《水質 pH值的測定 電極法》（HJ 1147—2020）；水溫測定采用《水質 水溫的測定 溫度計或顛倒溫度計測定法》（GB 13195—1991）。

3 結果與分析

3.1 除氮效能分析

兩次中試進水TN濃度差異較大，經區污水處理廠中試進水TN濃度在8～14 mg/L，高區污水處理廠進水TN濃度在20～60 mg/L。對兩次中試分別進行研究，探析硫自養反硝化技術對低氮污水和高氮污水的除氮性能。

在中試裝置的啟動階段（1～5 d），反應裝置內的活性污泥正處在馴化階段，因而總氮去除率較低。在啟動的第9天、第22天和第55天，高區污水處理廠TN去除率處于極低值，因為該階段中試裝置進行反洗，除去死亡的活性污泥和雜菌。反洗后，脫氮效果逐步提升，約2 d后恢復至正常狀態。在隨后的試驗中，兩個污水處理廠的TN去除率均相對平穩，反映出反硝化濾池運行穩定。該中試裝置不管對高氮污水還是低氮污水均有較好的脫氮效果。經區污水處理廠中試的低氮污水除氮率均值可達50%左右，相較而言，高區污水處理廠中試的高氮污水除氮率均值略高，可達58%左右。

3.2 COD及TP去除

中試結果顯示，經區污水處理廠進水COD濃度為18～44 mg/L，進水平均COD為32 mg/L，出水平均COD為25 mg/L，平均去除率為23.0%；高區污水處理廠進水COD濃度為70～234 mg/L，波動較大，進水平均COD為124 mg/L，出水平均COD為57 mg/L，平均去除率達49.7%。這證實該硫自養反硝化技術無COD增加的風險，COD去除效果顯著。

《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級A排放標準規定，TP排放限值為0.5 mg/L，即使達標排放，仍給接納水體帶來較多的磷。為降低污水處理廠尾水中的磷元素，應進一步做深度除磷處理。為探究該反硝化濾池的除磷性能，兩次中試均對進出水的TP濃度進行監測。該裝置對高磷廢水和低磷廢水均有顯著的除磷特性，TP去除率最高可達80%。

3.3 處理前后pH變化

硫自養反硝化反應會產生H+，反應后pH會降低，H+會抑制細胞的合成，導致脫氮反硝化反應速率降低[5]。因而，反應前后pH會發生變化。本研究選用的濾料是硫單質+復合礦物質，其在硫自養反硝化過程中會增加堿度，進而抵消反硝化產生的H+對堿料的消耗，維持體系的pH。脫氮硫桿菌最適宜生長的pH應為6.5～8.0，過高或過低都會對反硝化速率產生不利影響。所以，pH是硫自養反硝化的重要影響因素。

經區污水處理廠反硝化濾池進水pH為6.2～7.2，出水pH為5.8～7.0，出水pH明顯小于進水，平均下降0.2，驗證了硫自養反硝化是一個產H+過程，造成反應系統的pH下降。在啟動時間（1～5 d）內，進水pH為6.2左右，出水pH為5.8左右。在中試進入穩定運行階段后，pH較為穩定，出水pH維持在6.3以上，這表明濾池運行狀況平穩，硫自養反硝化菌種已經成為優勢菌群。高區污水處理廠反硝化濾池出水pH為6.2～7.4，同時日TN去除率波動較大，主要原因是進水水質復雜，TN負荷較高且不穩定。兩個污水處理廠硫自養反硝化中試pH都會下降，但也能維持在6.0～7.4，并不會抑制硫自養反硝化菌種的活性，同時也能滿足出水pH介于6～9的一級A排放標準要求。

3.4 水溫

膠東半島每年進入冬至，最低氣溫會降至-10 ℃左右，城鎮污水處理廠污水水溫會降至10 ℃左右。過低的水溫會使得硫自養反硝化菌群活性大大降低。脫氮硫桿菌的最適溫度為28 ℃。為探究該硫自養反硝化裝置在低溫情況下的除氮效果，2022年12月在經區污水處理廠開展中試。經區污水處理廠中試水溫為9.5～14.0 ℃。在15 ℃以下的水溫條件下，TN去除率維持在50%左右，除中試啟動時間（1～5 d）外，TN去除率的曲線與水溫變化曲線基本一致。

利用該硫自養反硝化裝置，2023年3月中旬在高區污水處理廠開展15 ℃以上脫氮性能的探究。除啟動階段（1～5 d）及反洗期（第9天、第22天及第52天）外，TN去除率基本穩定在50%以上，最高可達85%。中試裝置連續運行60 d，TN平均去除率為58.5%。對比經區污水處理廠中試數據可得，水溫低于15 ℃時，該中試裝置的反硝化效率受到較大影響，水溫是制約硫自養反硝化效能的重要因素。

4 結論

硫自養反硝化技術可以應用在膠東半島的城市污水處理廠，冬季水溫低于15 ℃時，TN平均去除率可接近50%，隨著氣溫的上升，TN去除率可超過80%。硫自養反硝化技術具有較顯著的COD及TP去除效果，可為本地同類污水處理廠深度脫氮提升改造提供參考。硫自養反硝化技術造成水質pH有所下降，但能夠達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）對pH的要求。

參考文獻

1 錢志敏，孫移鹿，張雪寧，等.硫基功能材料在污水深度脫氮中的應用：研究進展與發展趨勢[J].能源環境保護，2023（2）：1-15.

2 王端浩，李愛民，李 俊，等.硫自養反硝化技術研究進展與展望[J].環境保護科學，2023（2）：38-43.

3 宋慶原，林 峰，余國富，等.硫自養反硝化濾池對二級出水脫氮效果研究[J].給水排水，2023（3）：21-25.

4 朱長軍，郭龍龍，李葳峰，等.城鎮污水處理廠硫自養反硝化深度脫氮研究[J].河北工程大學學報（自然科學版），2021（4）：81-85.

5 劉寶峰，郭宇平.硫自養反硝化技術用于市政污水深度處理[J].中國給水排水，2022（22）：91-95.