生豬養殖廢水具有氨氮高、總氮高、有機物濃度高的特點，水量變化大且水質復雜，目前多采用厭氧/好氧法處理。由于可生物降解有機物在厭氧段即被大量去除，造成異養反硝化碳源不足，而市政污水處理廠對納管廢水TN要求較高，導致豬場廢水TN常難以達標，即使采用兩級AO工藝脫氮效率仍然不高，氮去除率僅為74.1%~83.5%，需要減少進水量、延長第二級AO的停留時間、增大內回流比來提高脫氮效果，且仍需外加大量碳源，增加處理成本的同時存在二次污染風險。
自養脫氮技術具有無需外加有機碳源、剩余污泥產量少、脫氮效率高、運行穩定和耐低溫等優點，可有效節省處理成本，同時避免了因碳源難以精準投加，造成脫氮效率不高或出水COD升高的弊端。其中硫自養反硝化是以脫氮硫桿菌、脫氮副球菌等硫氧化細菌為功能菌，以無機碳源（CO32-、HCO3-等）構建細胞體，還原態硫作為電子供體完成反硝化過程的新型脫氮工藝，具有運行簡便、脫氮效果好等優勢。目前實際工程多采用單質硫驅動的自養反硝化技術，具有底物來源廣泛、運行安全系數高、出水水質好、無二次污染的優點，反硝化過程見下式：
然而，由于單質硫具有疏水性，以及較差的水溶性、顆粒分散性和固液傳質性能，硫氧化菌對單質硫的利用效率不足，限制了該工藝脫氮潛力的發揮。當前硫自養反硝化工藝多以固定床形式構建，為保證脫氮性能，需較高的硫填料填充率，初期建設投資成本高，且微生物和填料易在反沖洗等環節大量流失，制約了工藝的推廣應用。減小硫顆粒的尺寸可增加比表面積，提高傳質并為微生物提供更多的黏附位點，提升單質硫的生物利用效率，因此研發和應用基于粉末單質硫的新型硫自養脫氮工藝對提升脫氮負荷，進一步推廣工藝應用場景具有重要意義。已報道的基于粉末單質硫的硫自養反硝化工藝大多局限于實驗室小試，中試及工程實例較少。本研究將一種新型循環流化自養脫氮塔用于實際養豬廢水深度脫氮，可為基于粉末單質硫的新型硫自養脫氮工藝的設計和應用提供新的思路和實踐參考。
1、工程概況
某生豬養殖基地污水處理站設計處理能力為150m3/d，原主體處理工藝采用兩級AO工藝，工藝流程如圖1所示。
由于使用年限長、設備老化，出現厭氧塔無法持續產沼維持水溫、反硝化碳源不足等問題，導致污水處理站運行不穩定、出水TN易超標，現場抽檢結果見表1。此外，下游污水處理廠對接管廢水水質要求提高，嚴于行業標準，加大了污水處理站TN處理達標的難度，亟需開展工藝改造升級。
針對TN超標問題，對原有AO池檢修碳源投加管路和硝化液回流系統，增加DO檢測設備，挖掘原生化系統的反硝化潛能。同時在現有二沉池出水后串聯高效硫自養脫氮塔深度脫氮。硫自養反硝化高效脫氮系統具有施工周期短、占地面積小、脫氮效率高且穩定的優點。任爭鳴等構建中試硫填充床系統對城市污水處理廠二級出水進行深度脫氮，結果表明對NO3--N去除率達90%，最大脫氮負荷可達1158mg/（L·d），且系統運行成本較傳統反硝化低，僅為0.11元/m3。該技術對現有構筑物、設備、場地等干擾小，尤其適用于已建廢水處理系統的升級與提標改造。
2、檢測方法和設計水質
2.1 檢測項目及方法
TN：堿性過硫酸鉀消解-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：在線監測。
脫氮負荷核算公式如下：
式中：v為脫氮負荷，mgNO3--N/（L·d）；Ci、Ce分別為進、出水NO3--N濃度，mg/L；Q為進水流量，m3/d；V為有效容積，m3。
2.2 設計進、出水水質
由于下游污水處理廠納管標準嚴于行業排放標準，設計出水水質以納管限值為準，設計進、出水水質見表2。
3、工藝設計及運行
3.1 工藝設計
循環流化自養反硝化塔規格為Ø3.2m×12.0m，有效容積125m3，包括進出水系統、布水系統、固液分離系統、循環系統、藥劑投加系統、pH在線監測系統。自養反硝化塔接二沉池出水，現場及平面示意如圖2所示。
3.2 運行方式
該項目總體分為啟動、調試運行和穩定運行三個階段。循環流化自養反硝化設備搭建安裝完成后，試運行確認管路暢通無滲漏。啟動階段為期一周，主要目的是使高效自養脫氮硫自養反硝化系統進入工作狀態，使接入的菌種由休眠狀態恢復活性并逐步適應廢水水質。啟動階段投加污水處理廠活性污泥和經馴化保存的硫自養功能菌種進行接種馴化。硫粉和外加堿度性質如表3所示。
活性污泥和硫自養功能菌種接種量分別約為100、20t。投入系統后，以二沉池出水（NO3--N濃度為150~250mg/L）輸入高效硫自養反硝化塔至有效容積的65%，同時補充足量的單質硫粉和堿度，使活性污泥與功能菌種在廢水中逐漸適應，運行過程中無外加有機碳源。通過一段時間的馴化，塔內硫自養功能菌群得以富集。優化運行階段逐漸增加進水硝態氮負荷，調整運行參數，提升工藝脫氮負荷。單質硫和碳酸氫鈉投加量均為NO3--N去除當量的2.5倍（見表3），在平均進水NO3--N濃度為250mg/L情況下，硫粉和碳酸氫鈉設計投加速率為0.75kg/（m3·d），以NO3--N去除量穩定在200mg/L以上為穩定運行標志。
4、結果與討論
4.1 污泥馴化
污泥馴化期接入二沉池出水100m3，進水NO3--N濃度為157mg/L，初始投加硫粉400kg，后續補充投加25kg/d，補充堿度25kg/d，反應器自循環運行，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無進水，系統自循環運行，至第7天系統內NO3--N濃度降至13mg/L，表明所構建硫自養反硝化系統逐漸適應進水，功能菌群富集并成為優勢菌群。
4.2 優化運行
硫自養反硝化功能菌群馴化完成后連續進水運行，堿度、硫粉投加量如圖4所示。優化運行期間逐步提升進水負荷并增加硫粉和堿度投加量，進一步富集硫氧化菌群并維持pH在6~9之間，在此pH范圍內硫自養反硝化效率最高，反應完全。
連續進水階段的進、出水NO3--N濃度變化及反應器脫氮負荷如圖5所示。初始進水流量為36m3/d，進水NO3--N濃度由100mg/L逐步增至250mg/L，此時出水NO3--N濃度也由15mg/L逐步增至75mg/L，盡管脫氮負荷提升但出水水質快速惡化，這主要是由于進水NO3--N濃度提升較快，微生物量富集程度相對不足，群落亦受到一定脅迫，脫氮效果變差。
在進水NO3--N濃度達到250mg/L后，為了改善脫氮效果，將進水流量降至8m3/d，盡管進水氮負荷降低，但出水NO3--N濃度仍隨進水NO3--N濃度升高而升高，表明高濃度硝態氮對硫自養功能菌群存在一定的抑制作用。進水NO3--N濃度穩定后，硫自養功能菌群逐漸適應來水，出水NO3--N濃度下降，脫氮負荷提升，第23天出水NO3--N濃度降至25mg/L以內。將進水流量逐步增至50m3/d，隨進水氮負荷增加，出水NO3--N濃度由22mg/L逐步增至45mg/L，但系統脫氮負荷保持穩定，表明此時主要受硫自養功能菌生物量的限制。隨后在進水流量65m3/d、進水NO3--N濃度平均為250mg/L的情況下穩定運行11d，出水NO3--N濃度逐步降至19mg/L；最后在進水NO3--N平均濃度為250mg/L的情況下，將進水流量逐步增至100m3/d，出水NO3--N濃度最終穩定在5mg/L以下，穩定達標，此時系統進水堿度充足，HRT較長，可確保硫自養反硝化反應進行完全，無中間產物積累。
經優化運行后，該高效循環流化自養脫氮塔脫氮負荷達到240mgNO3--N/（L·d），脫氮效果顯著。穩定運行期間，主要工藝運行控制參數見表4。
4.3 成本核算
高效硫自養脫氮裝置穩定運行后，成本主要包含兩部分：藥劑投加費用及設備運行電費。穩定運行9d，廢水處理總量約900m3，總脫氮量為245.79kg，硫粉總投加量675kg，單質硫原料市場價約883元/t，單位脫氮量硫粉投加費用為2.42元/kgN，遠低于異養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%）市場價約1600元/t，單位脫氮量碳酸氫鈉投加費用為4.39元/kgN，藥劑費總計6.81元/kgN。2臺提升泵24h運行，電耗為34.2kW·h/d，按照大工業電價0.5968元（/kW·h）計，則電耗成本為20.41元/d，單位脫氮量電費為0.75元/kgN。綜上所述，高效硫自養脫氮裝置單位脫氮成本為7.56元/kgN，相較傳統異養反硝化脫氮方式節約運行成本20~40萬元/a。
5、結論
將新型循環流化自養脫氮塔用于養豬廢水深度處理，應用簡便，施工周期短，啟動時間短，脫氮效果顯著，在進水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，脫氮負荷為240mgNO3--N/（L·d）。經過成本核算，采用高效硫自養脫氮裝置運行成本為7.56元/kgN，較傳統異養反硝化可節約運行成本20~40萬元/a。（來源：江南大學環境與土木工程學院，無錫普匯環保科技有限公司，江蘇省厭氧生物技術重點實驗室，江蘇省高校水處理技術與材料協同創新中心）
