生豬養(yǎng)殖廢水具有氨氮高、總氮高、有機(jī)物濃度高的特點(diǎn)，水量變化大且水質(zhì)復(fù)雜，目前多采用厭氧/好氧法處理。由于可生物降解有機(jī)物在厭氧段即被大量去除，造成異養(yǎng)反硝化碳源不足，而市政污水處理廠對(duì)納管廢水TN要求較高，導(dǎo)致豬場(chǎng)廢水TN常難以達(dá)標(biāo)，即使采用兩級(jí)AO工藝脫氮效率仍然不高，氮去除率僅為74.1%~83.5%，需要減少進(jìn)水量、延長(zhǎng)第二級(jí)AO的停留時(shí)間、增大內(nèi)回流比來(lái)提高脫氮效果，且仍需外加大量碳源，增加處理成本的同時(shí)存在二次污染風(fēng)險(xiǎn)。

自養(yǎng)脫氮技術(shù)具有無(wú)需外加有機(jī)碳源、剩余污泥產(chǎn)量少、脫氮效率高、運(yùn)行穩(wěn)定和耐低溫等優(yōu)點(diǎn)，可有效節(jié)省處理成本，同時(shí)避免了因碳源難以精準(zhǔn)投加，造成脫氮效率不高或出水COD升高的弊端。其中硫自養(yǎng)反硝化是以脫氮硫桿菌、脫氮副球菌等硫氧化細(xì)菌為功能菌，以無(wú)機(jī)碳源（CO32-、HCO3-等）構(gòu)建細(xì)胞體，還原態(tài)硫作為電子供體完成反硝化過(guò)程的新型脫氮工藝，具有運(yùn)行簡(jiǎn)便、脫氮效果好等優(yōu)勢(shì)。目前實(shí)際工程多采用單質(zhì)硫驅(qū)動(dòng)的自養(yǎng)反硝化技術(shù)，具有底物來(lái)源廣泛、運(yùn)行安全系數(shù)高、出水水質(zhì)好、無(wú)二次污染的優(yōu)點(diǎn)，反硝化過(guò)程見下式：

然而，由于單質(zhì)硫具有疏水性，以及較差的水溶性、顆粒分散性和固液傳質(zhì)性能，硫氧化菌對(duì)單質(zhì)硫的利用效率不足，限制了該工藝脫氮潛力的發(fā)揮。當(dāng)前硫自養(yǎng)反硝化工藝多以固定床形式構(gòu)建，為保證脫氮性能，需較高的硫填料填充率，初期建設(shè)投資成本高，且微生物和填料易在反沖洗等環(huán)節(jié)大量流失，制約了工藝的推廣應(yīng)用。減小硫顆粒的尺寸可增加比表面積，提高傳質(zhì)并為微生物提供更多的黏附位點(diǎn)，提升單質(zhì)硫的生物利用效率，因此研發(fā)和應(yīng)用基于粉末單質(zhì)硫的新型硫自養(yǎng)脫氮工藝對(duì)提升脫氮負(fù)荷，進(jìn)一步推廣工藝應(yīng)用場(chǎng)景具有重要意義。已報(bào)道的基于粉末單質(zhì)硫的硫自養(yǎng)反硝化工藝大多局限于實(shí)驗(yàn)室小試，中試及工程實(shí)例較少。本研究將一種新型循環(huán)流化自養(yǎng)脫氮塔用于實(shí)際養(yǎng)豬廢水深度脫氮，可為基于粉末單質(zhì)硫的新型硫自養(yǎng)脫氮工藝的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供新的思路和實(shí)踐參考。

1、工程概況

某生豬養(yǎng)殖基地污水處理站設(shè)計(jì)處理能力為150m3/d，原主體處理工藝采用兩級(jí)AO工藝，工藝流程如圖1所示。

由于使用年限長(zhǎng)、設(shè)備老化，出現(xiàn)厭氧塔無(wú)法持續(xù)產(chǎn)沼維持水溫、反硝化碳源不足等問題，導(dǎo)致污水處理站運(yùn)行不穩(wěn)定、出水TN易超標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)抽檢結(jié)果見表1。此外，下游污水處理廠對(duì)接管廢水水質(zhì)要求提高，嚴(yán)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，加大了污水處理站TN處理達(dá)標(biāo)的難度，亟需開展工藝改造升級(jí)。

針對(duì)TN超標(biāo)問題，對(duì)原有AO池檢修碳源投加管路和硝化液回流系統(tǒng)，增加DO檢測(cè)設(shè)備，挖掘原生化系統(tǒng)的反硝化潛能。同時(shí)在現(xiàn)有二沉池出水后串聯(lián)高效硫自養(yǎng)脫氮塔深度脫氮。硫自養(yǎng)反硝化高效脫氮系統(tǒng)具有施工周期短、占地面積小、脫氮效率高且穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。任爭(zhēng)鳴等構(gòu)建中試硫填充床系統(tǒng)對(duì)城市污水處理廠二級(jí)出水進(jìn)行深度脫氮，結(jié)果表明對(duì)NO3--N去除率達(dá)90%，最大脫氮負(fù)荷可達(dá)1158mg/（L·d），且系統(tǒng)運(yùn)行成本較傳統(tǒng)反硝化低，僅為0.11元/m3。該技術(shù)對(duì)現(xiàn)有構(gòu)筑物、設(shè)備、場(chǎng)地等干擾小，尤其適用于已建廢水處理系統(tǒng)的升級(jí)與提標(biāo)改造。

2、檢測(cè)方法和設(shè)計(jì)水質(zhì)

2.1 檢測(cè)項(xiàng)目及方法

TN：堿性過(guò)硫酸鉀消解-紫外分光光度法；NO3--N：紫外分光光度法；NH3-N：納氏試劑分光光度法；DO：WTWOxi/PH-3310溶氧儀；pH：在線監(jiān)測(cè)。

脫氮負(fù)荷核算公式如下：

式中：v為脫氮負(fù)荷，mgNO3--N/（L·d）；Ci、Ce分別為進(jìn)、出水NO3--N濃度，mg/L；Q為進(jìn)水流量，m3/d；V為有效容積，m3。

2.2 設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)

由于下游污水處理廠納管標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)于行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出水水質(zhì)以納管限值為準(zhǔn)，設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)見表2。

3、工藝設(shè)計(jì)及運(yùn)行

3.1 工藝設(shè)計(jì)

循環(huán)流化自養(yǎng)反硝化塔規(guī)格為?3.2m×12.0m，有效容積125m3，包括進(jìn)出水系統(tǒng)、布水系統(tǒng)、固液分離系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、藥劑投加系統(tǒng)、pH在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。自養(yǎng)反硝化塔接二沉池出水，現(xiàn)場(chǎng)及平面示意如圖2所示。

3.2 運(yùn)行方式

該項(xiàng)目總體分為啟動(dòng)、調(diào)試運(yùn)行和穩(wěn)定運(yùn)行三個(gè)階段。循環(huán)流化自養(yǎng)反硝化設(shè)備搭建安裝完成后，試運(yùn)行確認(rèn)管路暢通無(wú)滲漏。啟動(dòng)階段為期一周，主要目的是使高效自養(yǎng)脫氮硫自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，使接入的菌種由休眠狀態(tài)恢復(fù)活性并逐步適應(yīng)廢水水質(zhì)。啟動(dòng)階段投加污水處理廠活性污泥和經(jīng)馴化保存的硫自養(yǎng)功能菌種進(jìn)行接種馴化。硫粉和外加堿度性質(zhì)如表3所示。

活性污泥和硫自養(yǎng)功能菌種接種量分別約為100、20t。投入系統(tǒng)后，以二沉池出水（NO3--N濃度為150~250mg/L）輸入高效硫自養(yǎng)反硝化塔至有效容積的65%，同時(shí)補(bǔ)充足量的單質(zhì)硫粉和堿度，使活性污泥與功能菌種在廢水中逐漸適應(yīng)，運(yùn)行過(guò)程中無(wú)外加有機(jī)碳源。通過(guò)一段時(shí)間的馴化，塔內(nèi)硫自養(yǎng)功能菌群得以富集。優(yōu)化運(yùn)行階段逐漸增加進(jìn)水硝態(tài)氮負(fù)荷，調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，提升工藝脫氮負(fù)荷。單質(zhì)硫和碳酸氫鈉投加量均為NO3--N去除當(dāng)量的2.5倍（見表3），在平均進(jìn)水NO3--N濃度為250mg/L情況下，硫粉和碳酸氫鈉設(shè)計(jì)投加速率為0.75kg/（m3·d），以NO3--N去除量穩(wěn)定在200mg/L以上為穩(wěn)定運(yùn)行標(biāo)志。

4、結(jié)果與討論

4.1 污泥馴化

污泥馴化期接入二沉池出水100m3，進(jìn)水NO3--N濃度為157mg/L，初始投加硫粉400kg，后續(xù)補(bǔ)充投加25kg/d，補(bǔ)充堿度25kg/d，反應(yīng)器自循環(huán)運(yùn)行，DO控制在0.3~0.9mg/L。馴化階段出水NO3--N濃度變化如圖3所示。

馴化1d后出水NO3--N濃度顯著降低至72mg/L，之后6d無(wú)進(jìn)水，系統(tǒng)自循環(huán)運(yùn)行，至第7天系統(tǒng)內(nèi)NO3--N濃度降至13mg/L，表明所構(gòu)建硫自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)逐漸適應(yīng)進(jìn)水，功能菌群富集并成為優(yōu)勢(shì)菌群。

4.2 優(yōu)化運(yùn)行

硫自養(yǎng)反硝化功能菌群馴化完成后連續(xù)進(jìn)水運(yùn)行，堿度、硫粉投加量如圖4所示。優(yōu)化運(yùn)行期間逐步提升進(jìn)水負(fù)荷并增加硫粉和堿度投加量，進(jìn)一步富集硫氧化菌群并維持pH在6~9之間，在此pH范圍內(nèi)硫自養(yǎng)反硝化效率最高，反應(yīng)完全。

連續(xù)進(jìn)水階段的進(jìn)、出水NO3--N濃度變化及反應(yīng)器脫氮負(fù)荷如圖5所示。初始進(jìn)水流量為36m3/d，進(jìn)水NO3--N濃度由100mg/L逐步增至250mg/L，此時(shí)出水NO3--N濃度也由15mg/L逐步增至75mg/L，盡管脫氮負(fù)荷提升但出水水質(zhì)快速惡化，這主要是由于進(jìn)水NO3--N濃度提升較快，微生物量富集程度相對(duì)不足，群落亦受到一定脅迫，脫氮效果變差。

在進(jìn)水NO3--N濃度達(dá)到250mg/L后，為了改善脫氮效果，將進(jìn)水流量降至8m3/d，盡管進(jìn)水氮負(fù)荷降低，但出水NO3--N濃度仍隨進(jìn)水NO3--N濃度升高而升高，表明高濃度硝態(tài)氮對(duì)硫自養(yǎng)功能菌群存在一定的抑制作用。進(jìn)水NO3--N濃度穩(wěn)定后，硫自養(yǎng)功能菌群逐漸適應(yīng)來(lái)水，出水NO3--N濃度下降，脫氮負(fù)荷提升，第23天出水NO3--N濃度降至25mg/L以內(nèi)。將進(jìn)水流量逐步增至50m3/d，隨進(jìn)水氮負(fù)荷增加，出水NO3--N濃度由22mg/L逐步增至45mg/L，但系統(tǒng)脫氮負(fù)荷保持穩(wěn)定，表明此時(shí)主要受硫自養(yǎng)功能菌生物量的限制。隨后在進(jìn)水流量65m3/d、進(jìn)水NO3--N濃度平均為250mg/L的情況下穩(wěn)定運(yùn)行11d，出水NO3--N濃度逐步降至19mg/L；最后在進(jìn)水NO3--N平均濃度為250mg/L的情況下，將進(jìn)水流量逐步增至100m3/d，出水NO3--N濃度最終穩(wěn)定在5mg/L以下，穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)水堿度充足，HRT較長(zhǎng)，可確保硫自養(yǎng)反硝化反應(yīng)進(jìn)行完全，無(wú)中間產(chǎn)物積累。

經(jīng)優(yōu)化運(yùn)行后，該高效循環(huán)流化自養(yǎng)脫氮塔脫氮負(fù)荷達(dá)到240mgNO3--N/（L·d），脫氮效果顯著。穩(wěn)定運(yùn)行期間，主要工藝運(yùn)行控制參數(shù)見表4。

4.3 成本核算

高效硫自養(yǎng)脫氮裝置穩(wěn)定運(yùn)行后，成本主要包含兩部分：藥劑投加費(fèi)用及設(shè)備運(yùn)行電費(fèi)。穩(wěn)定運(yùn)行9d，廢水處理總量約900m3，總脫氮量為245.79kg，硫粉總投加量675kg，單質(zhì)硫原料市場(chǎng)價(jià)約883元/t，單位脫氮量硫粉投加費(fèi)用為2.42元/kgN，遠(yuǎn)低于異養(yǎng)反硝化碳源投加成本（見表5）。

堿度總投加量675kg，碳酸氫鈉（有效含量≥99%）市場(chǎng)價(jià)約1600元/t，單位脫氮量碳酸氫鈉投加費(fèi)用為4.39元/kgN，藥劑費(fèi)總計(jì)6.81元/kgN。2臺(tái)提升泵24h運(yùn)行，電耗為34.2kW·h/d，按照大工業(yè)電價(jià)0.5968元（/kW·h）計(jì)，則電耗成本為20.41元/d，單位脫氮量電費(fèi)為0.75元/kgN。綜上所述，高效硫自養(yǎng)脫氮裝置單位脫氮成本為7.56元/kgN，相較傳統(tǒng)異養(yǎng)反硝化脫氮方式節(jié)約運(yùn)行成本20~40萬(wàn)元/a。

5、結(jié)論

將新型循環(huán)流化自養(yǎng)脫氮塔用于養(yǎng)豬廢水深度處理，應(yīng)用簡(jiǎn)便，施工周期短，啟動(dòng)時(shí)間短，脫氮效果顯著，在進(jìn)水NO3--N濃度為250mg/L情況下，出水NO3--N濃度為5mg/L以下，平均脫氮效率為98%以上，脫氮負(fù)荷為240mgNO3--N/（L·d）。經(jīng)過(guò)成本核算，采用高效硫自養(yǎng)脫氮裝置運(yùn)行成本為7.56元/kgN，較傳統(tǒng)異養(yǎng)反硝化可節(jié)約運(yùn)行成本20~40萬(wàn)元/a。