基于低高徑比UASB的硫自養(yǎng)反硝化工藝啟動(dòng)試驗(yàn)研究

摘 要：以UASB反應(yīng)器為研究對象，通過改變進(jìn)水量、進(jìn)水硝氮負(fù)荷、回流比等控制條件，考察泥法低高徑硫自養(yǎng)反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間。試驗(yàn)以市政污水廠的缺氧污泥為接種污泥，通過人工配置的硝態(tài)氮廢水為試驗(yàn)用水，以S2O32-為電子供體，以硝態(tài)氮去除率和自養(yǎng)去除占比為控制指標(biāo)。結(jié)果表明，水溫在15.8～20.7℃，使用低高徑比為10的UASB反應(yīng)器進(jìn)行硫自養(yǎng)馴化，在低進(jìn)水NO3--N污泥負(fù)荷（2±0.03 mg-N/g-VSS/h）、低進(jìn)水流量（2 L/h）和超大回流量（1000%～2059%）參數(shù)運(yùn)行下，可實(shí)現(xiàn)41 d成功啟動(dòng)。

關(guān)鍵詞：高徑比；UASB；硫自養(yǎng)反硝化（SADN）；啟動(dòng)

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1673-9655（2025）01-00-08

0 引言

氮污染相關(guān)的環(huán)境問題越來越受到關(guān)注，為了進(jìn)一步降低水中TN的濃度，需要進(jìn)行深度脫氮。硫驅(qū)動(dòng)型自養(yǎng)反硝化（SADN）是利用化能自養(yǎng)微生物在缺氧條件下， 以還原態(tài)硫（S2O32-、S0、S2-等）為電子供體，將氧化態(tài)氮還原為氮?dú)猓∟2），并生成硫酸鹽的一種工藝[1]。它解決了深度脫氮碳源投加難和成本高等問題，是具有較好應(yīng)用前景的深度脫氮工藝[2]。

硫自養(yǎng)反硝化細(xì)菌生長周期長，對環(huán)境變化敏感，容易流失。因此，目前對于硫自養(yǎng)反硝化研究多集中在以不同粒徑硫磺燒結(jié)顆粒為電子供體的SADN濾池研究，也有工程化實(shí)施案例，例如中科院、中持聯(lián)合研發(fā)的非依賴碳源型深度脫氮技術(shù)，是目前已知國際上規(guī)模最大的SADN技術(shù)應(yīng)用工程，該技術(shù)在寧晉經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)污水處理廠建設(shè)完成規(guī)模為4萬t/d SADN濾池，出水TN濃度穩(wěn)定低于10 mg/L[3]。由于濾池將填料作為微生物載體，使硫自養(yǎng)反硝化菌易持留在濾料表面生長，不僅提高脫氮效率，而且掛膜時(shí)間短[4]。宋慶原等采用SADN濾池處理城鎮(zhèn)污水處理廠二級出水，

3 d即可成功掛膜[5]。

采用還原態(tài)硫作為電子供體的純活性污泥法SADN工藝，其最大優(yōu)勢就是電子供體水溶性高，相間傳質(zhì)速率大，具有極高的反應(yīng)速率和靈活性[6， 7]。

1985年，Claus 和Kutzner 首次利用硫代硫酸鹽自養(yǎng)反硝化去除工業(yè)廢水中的高濃度硝酸鹽并取得較好的脫氮效果。之后，硫代硫酸鹽自養(yǎng)反硝化受到越來越多的關(guān)注，并被廣泛用于低C/N 污水脫氮研究。因此，基于還原態(tài)硫作為電子供體的SADN工藝已被成功建立于活性污泥、顆粒污泥，甚至生物膜系統(tǒng)研究中，但相比SADN濾池，其多數(shù)處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，未見工程實(shí)例報(bào)道，導(dǎo)致很多規(guī)模應(yīng)用層面的問題還未被深刻認(rèn)知[8]。

目前，泥法反應(yīng)器的研究多集中在UASB（升流式厭氧污泥床）形式和ABR（厭氧折流板反應(yīng)器）形式[9]，這兩種反應(yīng)器主要依靠有效的進(jìn)水配水系統(tǒng)，即通過進(jìn)水水流和回流產(chǎn)生的上升流速的提升作用，使污泥處于流化狀態(tài)，促使硫單質(zhì)與反硝化生物膜直接接觸，通過表面結(jié)合或胞外酶獲得可溶性的還原性硫/硫化合物[10]。以UASB反應(yīng)器為例，其反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)非常適合反硝化的反應(yīng)，UASB反應(yīng)器由下至上一般包括：進(jìn)水系統(tǒng)、污泥床區(qū)、出水區(qū)，反應(yīng)器內(nèi)的DO＜0.5 mg/L，具有良好的缺氧環(huán)境，為硫自養(yǎng)反硝化反應(yīng)提供了絕佳的環(huán)境條件[11]。Cardoso等[12]分別以單質(zhì)硫、硫代硫酸鈉、硫化鈉接種同樣的污泥啟動(dòng)升流式厭氧污泥反應(yīng)器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)硫代硫酸鈉系統(tǒng)的脫氮效果最好，硫代硫酸鈉系統(tǒng)的反硝化速率分別為硫單質(zhì)系統(tǒng)的9.5倍、硫化鈉系統(tǒng)的4.5倍。袁瑩等[13]比較了單質(zhì)硫、硫代硫酸鈉、硫化鈉3種電子供體在3個(gè)運(yùn)行相同的連續(xù)流UASB反應(yīng)器的脫氮效果，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)水NO3--N濃度為13 mg/L時(shí)，硫代硫酸鈉系統(tǒng)的反硝化效果最好，其反硝化速率為2.88 kg/（m3·d）。

采用UASB反應(yīng)器的泥法研究或工程應(yīng)用中，SADN工藝若想達(dá)到高效快速啟動(dòng)，必須滿足的原則是：一是能夠保持大量的活性污泥和足夠長的污泥齡；二是保持廢水和污泥之間的充分接觸[14]。而反應(yīng)器高徑比是滿足這兩個(gè)條件實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定啟動(dòng)的一個(gè)重要條件。高徑比一般是指反應(yīng)器高度與直徑的比值。適當(dāng)?shù)母邚奖瓤梢蕴岣邚U水中懸浮顆粒物的沉降效果，通過調(diào)節(jié)高徑比，可以增加反應(yīng)器中污泥顆粒的停留時(shí)間，使顆粒物有足夠的時(shí)間沉降至底部，保證反應(yīng)器內(nèi)持有足夠的微生物量。此外，高徑比還會(huì)影響反應(yīng)器內(nèi)液固分布的均勻性。

實(shí)驗(yàn)室規(guī)模研究使用的UASB反應(yīng)器高徑比普遍偏大，例如Jin Qian等[15]構(gòu)建了內(nèi)徑5.0 cm，高度110 cm，有效容積2.0 L的圓柱形UASB反應(yīng)器，該研究采用Na2S2O3作為電子供體，通過逐步調(diào)整硝酸鹽負(fù)荷和內(nèi)循環(huán)來調(diào)節(jié)上升流速方式進(jìn)行馴化啟動(dòng)。該研究在第Ⅲ階段76 d左右啟動(dòng)成功，硝酸鹽去除率穩(wěn)定保持在94.5%±1.0%，但該研究高徑比高達(dá)22，很難實(shí)現(xiàn)工程轉(zhuǎn)化。蘇秀玲[11]在《脫氮型UASB在反硝化處理中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用》一文中談到在生化脫氮工藝設(shè)計(jì)時(shí)，對硝態(tài)氮的濃度遠(yuǎn)大于氨氮的污水，推薦選用UASB作為形成缺氧條件的主反硝化反應(yīng)器。在江西工程實(shí)例設(shè)計(jì)中，單池D=10.5 m，其高徑比（H有效/D）采用1.2，反應(yīng)區(qū)有效高度（H有效）則高達(dá)12.2 m。因此，作者在結(jié)論中也提到用于脫氮目的的UASB工藝目前還未得到廣泛應(yīng)用。

SADN工藝普遍存在反硝化速率較低的問題，這是因?yàn)榱蜓趸⊿OB）生長緩慢，細(xì)胞產(chǎn)量低或污泥產(chǎn)率極低，每去除1 kg NO3--N僅產(chǎn)生的0.01 kg VSS，遠(yuǎn)低于異養(yǎng)反硝化0.4～0.8 kg VSS污泥產(chǎn)率，因此SADN反應(yīng)器中的生物量濃度低，啟動(dòng)馴化周期長[15， 16]。出于工程應(yīng)用中的施工難度及基建費(fèi)用限制，實(shí)際工程中不可能選用較大的高徑比UASB作為SADN工藝反應(yīng)器。因此，通過改變進(jìn)水量、污泥負(fù)荷、回流比等控制條件，尋找更加經(jīng)濟(jì)可行的方式，加速純泥法SADN的啟動(dòng)馴化時(shí)間，從而加快推廣該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用[17]。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

基于針對泥法SADN工藝采用低高徑比UASB反應(yīng)器、且采用超大回流比啟動(dòng)研究不足的現(xiàn)象，本研究構(gòu)建了主要由UASB反應(yīng)器（圖1），進(jìn)水箱、進(jìn)水泵、回流泵組成的泥法SADN工藝。UASB反應(yīng)器采用透明有機(jī)玻璃制成，設(shè)計(jì)最大高度2400 mm，三段式柱體通過法蘭連接，根據(jù)試驗(yàn)需要可調(diào)整到不同高度（1600 mm、800 mm）。柱體直徑80 mm，最大有效容積為0.012 m3，設(shè)計(jì)上升流速1 m/h，水力停留時(shí)間2.4 h。該反應(yīng)器由三個(gè)部分組成：進(jìn)水區(qū)、反應(yīng)區(qū)和出水區(qū)，污泥床層位于反應(yīng)區(qū)內(nèi)。進(jìn)水泵分別連接原水水箱和UASB底部進(jìn)水口。在出水堰口下部設(shè)上清液回流口，通過回流泵調(diào)節(jié)上清液回流比來調(diào)節(jié)污泥與污水的混合效果。

1.2 試驗(yàn)方法

為了深入地研究關(guān)鍵參數(shù)（如高徑比、回流比）對馴化時(shí)間的影響，試驗(yàn)共分三個(gè)階段，即第一階段、第二階段和第三階段。三個(gè)試驗(yàn)階段均采用連續(xù)運(yùn)行方式，每個(gè)階段的運(yùn)行參數(shù)如下表1所示。

1.3 試驗(yàn)用水

原水取自位于北京西南某污水處理廠二級處理的二級出水，該廠出水符合《DB 11890—2012城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，即出水CCOD≤20 mg/L、CTN≤10 mg/L、C氨氮≤1 mg/L、CTP≤0.2 mg/L、pH值6～8。試驗(yàn)配水為向二級出水中加入定量分析純NaNO3、NaHCO3和KH2PO4。為消除NO3-親電能力存在的潛在差異，確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，電子供體按照S/N（S2O32--S與NO3--N的質(zhì)量比）5：1的比例加入定量分析純Na2S2O3，以滿足硫驅(qū)動(dòng)型自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)啟動(dòng)的馴化條件[18， 19]。

1.4 試驗(yàn)用泥

接種污泥來源于上述城市污水處理廠的缺氧生物池。基于UASB中三個(gè)試驗(yàn)階段中每個(gè)階段的反應(yīng)區(qū)體積不同，污泥床的接種高度也不同，分別為1600 mm、1200 mm和400 mm。

三個(gè)階段接種污泥通過沉淀濃縮方式，使其MLSS（混合液懸浮固體）達(dá)到10 g/L左右，接種前用去離子水洗滌3次；每個(gè)試驗(yàn)階段重新進(jìn)行接種。三個(gè)階段的污泥濃度及接種高度如表2所示。

1.5 分析項(xiàng)目與測定方法

本試驗(yàn)中水質(zhì)指標(biāo)主要監(jiān)測項(xiàng)目為水溫、DO和ORP，使用便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀（multi 3630 IDS，WTW，Germany）測量；主要水質(zhì)分析項(xiàng)目為NO3--N、硫酸鹽濃度，使用分光光度計(jì)和Hach（DR3900，Hach，USA）提供的試劑進(jìn)行測定。每24 h小時(shí)監(jiān)測和測定1次。每次接種時(shí)，對混合液體揮發(fā)性懸浮固體（MLVSS）和混合液體懸浮固體（MLSS）按照標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測定NO3--N、硫酸鹽濃度。

污泥中微生物群落結(jié)構(gòu)分析采用高通量宏基因組學(xué)技術(shù)，從UASB反應(yīng)器中污泥樣品于-80℃條件下儲(chǔ)存，然后送至南京派諾森基因科技有限公司使用IlluminaMiseq測序平臺(tái)進(jìn)行測序分析。

2 結(jié)果與討論

（1）第一階段：高徑比=30、回流比為100%～150%條件下的馴化時(shí)間

本階段反應(yīng)器高徑比=30，運(yùn)行水溫21.6～25.6℃，進(jìn)水流量為5 L/h。進(jìn)水硝氮負(fù)荷在0～12 d最初為3.48±0.77 mg-N/g-VSS/h，隨著硫自養(yǎng)菌富集，產(chǎn)氣量增大，從13～45 d進(jìn)水硝氮負(fù)荷降至2.28±0.26mg-N/g-VSS/h，在46～76 d穩(wěn)定在1.56±0.04 mg-N/g-VSS/h。0～41 d回流比為100%，上升流速為1.99 m/h；隨著微生物絮體體積逐漸增大，42～46 d調(diào)整回流比為120%，其上升流速提高至2.19 m/h；47～54 d調(diào)整回流比至150%，上升流速提高至2.49 m/h。

如圖2所示，本次馴化過程可劃分為2個(gè)時(shí)期：0～16 d為適應(yīng)期，進(jìn)水NO 3--N濃度為88.68±19.55 mg/L，NO3--N去除率為44.54±11.41%；根據(jù)硫酸鹽的增加量證明系統(tǒng)確實(shí)發(fā)生了硫自養(yǎng)反硝化反應(yīng)：硫酸鹽產(chǎn)生量97.31±38.71 mg/L，自養(yǎng)去除占比為33.43±11.67%。17～54 d為提高期，進(jìn)水NO3--N濃度為57.42±7.19 mg/L，NO3--N去除率為66.69±11.18%，硫酸鹽產(chǎn)生量185.52±53.49 mg/L，自養(yǎng)去除占比提高至66.53±19.24%。當(dāng)運(yùn)行至54 d時(shí)，脫氮拐點(diǎn)出現(xiàn)：出水NO3--N從51.72%突然提高為76.73%，自養(yǎng)去除占比為93.03%，標(biāo)志著啟動(dòng)成功。脫氮拐點(diǎn)一旦出現(xiàn)，出水NO3--N濃度將保持較低且相對穩(wěn)定的狀態(tài)，55～86 d進(jìn)入穩(wěn)定期：進(jìn)水NO3--N平均濃度為36.9±3.11 mg/L，NO3--N去除率為85.43±5.94%，硫酸鹽產(chǎn)生量205.65±21.92 mg/L，自養(yǎng)去除占比86.62±4.56%，最終可達(dá)97.20%。

（2）第二階段：高徑比=20、回流比為200%～250%條件下的馴化時(shí)間

本階段將UASB高度由2400 mm降低至1600 mm，高徑比=20。高度降低后，同時(shí)降低進(jìn)水流量、硝氮負(fù)荷，避免因?yàn)榉磻?yīng)過程產(chǎn)生的氣體過多，導(dǎo)致污泥流失。運(yùn)行水溫在15.7～23.7℃，降低進(jìn)水流量至3 L/h。進(jìn)水硝氮負(fù)荷在0～10 d為3.1±0.08 mg-N/g-VSS/h，11～42 d降至2.85±0.05 mg-N/g-WSS/h。然后在43～48 d穩(wěn)定在2.03±0.08 mg-N/g-VSS/h。0～19 d回流比為200%，上升流速為1.79 m/h；20～33 d調(diào)整回流比為220%，其上升流速提高至1.91 m/h；34～49 d調(diào)整回流比至250%，上升流速提高至2.09 m/h。

從圖3可以看出，本次馴化過程中，反應(yīng)器與高徑比=30、回流比為100%～150%條件下的馴化過程略有不同，其過程時(shí)期可劃分為適應(yīng)期、關(guān)鍵期和穩(wěn)定期3個(gè)階段：0～11 d為適應(yīng)期，進(jìn)水NO3--N濃度為78.9±2.25 mg/L，NO3--N去除率為54±4.48%，硫酸鹽產(chǎn)生量123.6±15.62 mg/L，自養(yǎng)去除占比為38.65±5.34%。

12～43 d為關(guān)鍵期。降低高徑比后，雖然提高了回流比，但回流比仍為經(jīng)驗(yàn)值，此階段出現(xiàn)了NO3--N去除效果降低的波動(dòng)現(xiàn)象。進(jìn)水NO3--N濃度為66.88±3.17 mg/L，NO3--N去除率略下降至51.33±5.33%，硫酸鹽產(chǎn)生量178.03±21.74 mg/L，自養(yǎng)去除占比穩(wěn)步提高為68.89±5.03%。雖然硝態(tài)氮的去除呈下降趨勢，但自養(yǎng)去除比例大幅提高，說明系統(tǒng)內(nèi)通過異養(yǎng)反硝化去除的NO3--N逐漸降低，此階段是硫自養(yǎng)活性污泥法馴化的關(guān)鍵期。

44～49 d為穩(wěn)定期。進(jìn)水NO3--N濃度為44.93±1.85 mg/L，NO3--N去除率為79.32±3.77%，硫酸鹽產(chǎn)生量245.67±18.26 mg/L，自養(yǎng)去除占比為91.36±3.37%。當(dāng)運(yùn)行至48 d時(shí)，脫氮拐點(diǎn)出現(xiàn)，NO3--N去除率為88.70%，自養(yǎng)去除占比提高至99.07%，標(biāo)志著啟動(dòng)成功。

（3）第三階段：高徑比=10、超大回流比條件下的馴化時(shí)間

本階段將UASB高度繼續(xù)降低至800 mm，高徑比=10，水溫在15.8～20.7℃。本階段由于UASB高度降低較多，需將進(jìn)水硝氮負(fù)荷和進(jìn)水流量繼續(xù)降低，否則污泥易流失：進(jìn)水流量控制在2 L/h；整個(gè)運(yùn)行期間，進(jìn)水NO3--N污泥負(fù)荷穩(wěn)定在2±0.03 mg-N/g-VSS/h。

UASB反應(yīng)器在高徑比較大的情況下，水力攪拌作用使得反應(yīng)器內(nèi)的流場特性均勻，且污泥沉降性較好，是保證UASB試驗(yàn)反應(yīng)器髙效運(yùn)行的關(guān)鍵之一：該種反應(yīng)器直徑較小，污泥可通過上升流速達(dá)到較好的混合態(tài)，且在出水沿程方向獲得足夠的時(shí)間進(jìn)行沉降，使得污泥流失的可能性大大降低。但是大高徑比UASB反應(yīng)器形式在工程實(shí)踐中較難實(shí)現(xiàn)，因此在小高徑比UASB反應(yīng)器中，混合態(tài)不佳和污泥流失是硫自養(yǎng)活性污泥法從馴化開始就面臨的一大難題：當(dāng)進(jìn)水和回流產(chǎn)生的上升流速不足時(shí)，使得污泥達(dá)不到良好的混合狀態(tài)，導(dǎo)致底物和污泥之間的傳質(zhì)作用不理想[20， 21]，微生物活性得不到充分發(fā)揮，反硝化速率低，污泥會(huì)逐漸變黑，從而導(dǎo)致馴化失??；如需獲得理想的混合態(tài)，需提高上升流速，污泥在上升流速和產(chǎn)氣共同作用下，由于出水沿程方向無法獲得足夠的時(shí)間進(jìn)行沉降，則易出現(xiàn)污泥流失的現(xiàn)象，同樣也面臨在馴化階段失敗的可能。

由于本階段進(jìn)水流量較小，反應(yīng)器內(nèi)采用以往回流比經(jīng)驗(yàn)值運(yùn)行時(shí)，其產(chǎn)生的低流速無法達(dá)到較好的混合效果，污泥很快變黑。UASB反應(yīng)器采用升流運(yùn)行，由于微生物絮體的存在和N2的產(chǎn)生，反應(yīng)器內(nèi)存在一個(gè)復(fù)雜的三相流動(dòng)問題。任婷婷[22]提到UASB反應(yīng)器內(nèi)的擴(kuò)散具有不均勻特性，其流態(tài)主要由氣泡控制。由于氣液流速較低，UASB是擴(kuò)散控制的反應(yīng)器，其擴(kuò)散行為沿反應(yīng)器高度增加而下降。因此，降低高徑比后，反應(yīng)器內(nèi)的混合效果必須通過人工摸索內(nèi)回流比來進(jìn)行調(diào)節(jié)，為減少大量氣泡產(chǎn)生其流態(tài)不易控制，因此在進(jìn)水NO3--N污泥負(fù)荷較低情況下，嘗試采用經(jīng)驗(yàn)值外的超大回流比。污泥截留效果對增殖緩慢的SADN工藝來說不能忽視，也是馴化是否成功的關(guān)鍵，因此回流比的調(diào)節(jié)原則為：反應(yīng)器內(nèi)的污泥既不流失，同時(shí)還可以使污泥充分?jǐn)_動(dòng)起來。

初始回流比穩(wěn)定在1000%，接種污泥顏色為棕褐色；運(yùn)行17 d后，回流比提高至1724%，污泥顏色開始轉(zhuǎn)變?yōu)闇\棕色；繼續(xù)運(yùn)行8 d后，隨著微生物不斷富集，污泥絮體逐漸增大，形成絮體小顆粒，密實(shí)度增加，反應(yīng)器內(nèi)混合態(tài)逐漸變差，出現(xiàn)短流現(xiàn)象。繼續(xù)提高回流比，最終穩(wěn)定在2059%，上升流速保持在4.38～8.59 m/h，顏色最終逐漸變?yōu)榘鬃厣?/p>

從圖4可以看出， 在混合狀態(tài)良好的條件下，本次啟動(dòng)馴化過程可分為兩個(gè)時(shí)期：0～17 d為適應(yīng)期，進(jìn)水NO3--N濃度為39.75±1.45 mg/L，NO3--N去除率為48.61±19.36%，硫酸鹽產(chǎn)生量79.88±34.21 mg/L，自養(yǎng)去除占比為54.33±6.01%。可以看出，自養(yǎng)去除占比相比第一階段和第二階段適應(yīng)期明顯提高。18～37 d進(jìn)水NO3--N濃度為40.65±0.87 mg/L，NO3--N去除率為75.69±2.96%，硫酸鹽產(chǎn)生量178.18±22.18 mg/L，自養(yǎng)去除占比上升為76.59±6.24%。脫氮拐點(diǎn)出現(xiàn)在第40 d，NO3--N的去除率從75.54%顯著提高到85.99%，SADN的去除率達(dá)到93.95%，表明馴化成功。

為了進(jìn)一步了解硫自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)的脫氮情況，分別對種泥和第54 d樣品進(jìn)行了高通量測序，相對豐度前十的門水平細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的變化情況如圖5所示。從圖中可以看出，系統(tǒng)運(yùn)行到第54 d系統(tǒng)的優(yōu)勢門已經(jīng)發(fā)生了變化，群落結(jié)構(gòu)的變化也比較大。種泥中的優(yōu)勢門為變形菌門（Proteobacteria），其相對豐度為36.9%，其次為放線菌門（Actinobacteriota）、厚壁菌門（Firmicutes）、綠彎菌門（Chloroflexi）和擬桿菌門（Bacteroidota），這些門均是活性污泥系統(tǒng)常見的門。第54 d的樣品絕對優(yōu)勢門已經(jīng)從變形菌門（Proteobacteria）轉(zhuǎn)變?yōu)镃ampilobacterota，Campilobacterota的相對豐度從0.19%升高至51.6%，相應(yīng)的變形菌門（Proteobacteria）的相對豐度從36.95%降低至21.68%，同時(shí)相對豐度明顯降低的門還包括綠彎菌門（Chloroflexi）和放線菌門（Actinobacteriota），綠彎菌門（Chloroflexi）的相對豐度從10.73%降低至4.93%，放線菌門（Actinobacteriota）的相對豐度從19.51%降低至3.63%，說明在硫自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)內(nèi)，不適合這些微生物的生長和繁殖。

硫自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)內(nèi)屬水平細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的變化情況如圖6所示，從結(jié)果中看，種泥和第54 d屬水平細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異明顯。種泥中Methylotenera為優(yōu)勢種屬，相對豐度達(dá)到了20.08%，其次為Candidatus_Microthrix，該種屬相對豐度達(dá)到了4.70%，屬于絲狀細(xì)菌，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的污泥膨脹。與種泥不同，第54 d時(shí)系統(tǒng)內(nèi)的優(yōu)勢種屬為Sulfurimonas，該種屬為硫自養(yǎng)反硝化細(xì)菌，其相對豐度達(dá)到了51.59%，說明Sulfurimonas為系統(tǒng)內(nèi)主要的硫自養(yǎng)反硝化菌，起著重要的脫氮作用。另一種值得關(guān)注的種屬為Thiobacillus，該種屬同樣具有自養(yǎng)脫氮能力，其相對豐度達(dá)到了6.00%，屬于系統(tǒng)內(nèi)的次要硫自養(yǎng)反硝化菌。Cong Huang[17]等研究發(fā)現(xiàn)，加入Thiobacillus接種菌可以縮短反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間，保持較高的脫氮速率。但在種泥中，Sulfurimonas和Thiobacillus兩個(gè)種屬的豐度十分低，幾乎檢測不到，這說明第54 d的系統(tǒng)中硫自養(yǎng)菌已經(jīng)占據(jù)脫氮主要地位，這兩種菌的出現(xiàn)保證了SADN過程的成功啟動(dòng)。與此同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的種屬Simplicispira的相對豐度也有所增加，其相對豐度從0.10%增加至6.17%，該種屬具有反硝化功能，說明碳源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足的情況下，Simplicispira可利用少量的碳源進(jìn)行反硝化作用，協(xié)同系統(tǒng)內(nèi)的硫自養(yǎng)反硝化菌共同脫氮。

隨著馴化啟動(dòng)完成，繼續(xù)運(yùn)行該系統(tǒng)。從圖7可以看出，進(jìn)水硝氮濃度不斷降低，出水硝氮的濃度呈現(xiàn)下降趨勢，出水硝氮基本能夠穩(wěn)定在10 mg/L以下。從硝氮去除負(fù)荷的數(shù)據(jù)來看，硝氮的去除負(fù)荷能夠達(dá)到0.34 kg N/（m3·d）?？偟膩碚f，系統(tǒng)通過較高進(jìn)水硝氮負(fù)荷的方式啟動(dòng)硫自養(yǎng)反硝化，隨后逐步降低負(fù)荷，不斷進(jìn)行污泥馴化，實(shí)現(xiàn)硫自養(yǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定；當(dāng)進(jìn)水硝氮濃度接近實(shí)際生活污水產(chǎn)生的硝氮濃度且水溫≥23.4℃時(shí)，系統(tǒng)的出水能夠穩(wěn)定低于5 mg/L，已經(jīng)可以達(dá)到深度脫氮的標(biāo)準(zhǔn)。

在試驗(yàn)后期中，當(dāng)溫度降至10℃以下（穩(wěn)定在7～8℃），系統(tǒng)出水NO3--N濃度一直穩(wěn)定在10 mg/L以上；當(dāng)負(fù)荷降至0.25 kgN/（m3·d）時(shí)，系統(tǒng)出水NO3--N濃度才可以降至10 mg/L以下，去除率為64%。在相同容積負(fù)荷下，在溫度＞25℃時(shí)，系統(tǒng)出水NO3--N濃度可以低至1.5 mg/L，去除率也可保證在85%以上。這說明在低溫環(huán)境下，系統(tǒng)啟動(dòng)馴化成功后，系統(tǒng)脫氮能力仍會(huì)收到溫度的影響。

根據(jù)理論反應(yīng)式，每去除1 mg/LNO3--N時(shí)，Na2S2O3理論消耗量50.3 mg/L。當(dāng)進(jìn)水NO3--N濃度在20 mg/L，出水低于5 mg/L時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)人工配水階段結(jié)果來看，在溫度（≥23.4℃）較高時(shí)，工業(yè)級Na2S2O3單價(jià)以2000元/t計(jì)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，處理1 m3污水，不考慮投加NaHCO3補(bǔ)充堿度，反硝化成本約為0.75元/m3，但對出水還需進(jìn)一步處理，以保證SS、濁度滿足生產(chǎn)需要。

3 結(jié)論

（1）不同高徑比和回流比條件下對硫自養(yǎng)活性污泥法反硝化工藝進(jìn)行啟動(dòng)，其馴化階段略微不同，一般在脫氮拐點(diǎn)出現(xiàn)后逐步進(jìn)入穩(wěn)定期。在馴化階段，隨著微生物不斷富集，反應(yīng)器內(nèi)混合態(tài)逐漸變差，出現(xiàn)NO3--N去除效果降低的波動(dòng)現(xiàn)象，此階段是硫自養(yǎng)活性污泥法馴化的關(guān)鍵期，應(yīng)及時(shí)增大回流比調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)的混合態(tài)。

（2）混合態(tài)是影響活性污泥法硫自養(yǎng)反硝化工藝啟動(dòng)時(shí)間長短的關(guān)鍵因素，良好的混合態(tài)可通過增大回流比來實(shí)現(xiàn)。由于硫自養(yǎng)反硝化會(huì)產(chǎn)生大量氣體，可采用低進(jìn)水量、低濃度進(jìn)水硝氮負(fù)荷、超大回流比的方式運(yùn)行，此運(yùn)行方式可減少波動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生，防止出現(xiàn)污泥變黑現(xiàn)象。

（3）反應(yīng)器高徑比是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定啟動(dòng)的一個(gè)重要條件，即使降低高徑比，超大回流比形成的良好混合態(tài)仍可縮短啟動(dòng)馴化時(shí)間，減少污泥變黑的可能。當(dāng)高徑比≥10時(shí)，增大回流比使得反應(yīng)器內(nèi)污泥達(dá)到良好混合態(tài)，40 d即可保證工藝快速啟動(dòng)馴化成功。

參考文獻(xiàn)：

[1] Wang J，Huang B，Li J， et al.Advances and challenges of sulfur-driven autotrophic denitrification（SDAD） for nitrogen removal[J].Chinese Chemical Letters，2020，31（10）：2567-2574.

[2] Sun S， Liu J， Zhang M， et al.Thiosulfate-driven autotrophic and mixotrophic denitrification processes for secondary effluent treatment： Reducing sulfate production and nitrous oxide emission[J].BioresourceTechnology，2020（300）：122651.

[3] 伏波望族.無需外加碳源即可深度脫氮！這個(gè)國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)有多牛？[EB/OL].https：//www.sohu.com/a/499413313_121124527.

[4] 邢琳瓊，胡廣志，李再興，等.硫自養(yǎng)反硝化深度處理城鎮(zhèn)污水研究進(jìn)展[J].應(yīng)用化工，2024，53（3）：699-702， 707.

[5] 宋慶原，林峰，余國富，等．硫自養(yǎng)反硝化濾池對二級出水脫氮效果研究[J]．給水排水，2023，49（3）：21-25，32.

[6] 王端浩，李愛民，李俊，等.硫自養(yǎng)反硝化技術(shù)研究進(jìn)展與展望[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2023，49（2）：38-43.

[7] 陽妍.可溶性無機(jī)硫自養(yǎng)反硝化脫氮代謝歷程及動(dòng)力學(xué)模型[D].重慶：重慶大學(xué)，2022.

[8] 林英姿，王爽，于炳慧，等.ABR反應(yīng)器的兩種快速啟動(dòng)方法對比[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2009，3（4）：669-672.

[9] 曹先仲.厭氧反應(yīng)器快速啟動(dòng)方法試驗(yàn)研究[D].西安：長安大學(xué)，2009.

[10] Jin Q， Bai L， Zhang M， et al. Achieving rapid thiosulfate-driven denitrification （TDD） in a granular sludge system[J].Water Research，2021，190（42）：116716.

[11] 蘇秀玲.脫氮型UASB在反硝化處理中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].工業(yè)水處理，2023，43（4）：184-188.

[12] Cardoso R B， Sierra-Alvarez R， Rowlette P， et al. Sulfide oxidation under chemolithoautotrophic denitrifying conditions[J]. Biotechnology and bioengineering， 2006， 95（6）： 1148-1157.

[13] 袁瑩，周偉麗，王暉，等.不同電子供體的硫自養(yǎng)反硝化脫氮實(shí)驗(yàn)研究[J].環(huán)境科學(xué)， 2013， 34（5）： 1835-1844.

[14] 李紅亮. EGSB反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

[15] Qian，J. al.Achieving rapid thiosulfate-driven denitrification （TDD） in a granular sludge system.WaterResearch， 2021（190）：116716.

[16] 郝曉地，魏洪禹，于文波，等.硫自養(yǎng)反硝化技術(shù)優(yōu)劣辨析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2024，44（4）：1-10.

[17] 劉柏利，胡廣志，李再興，等.無機(jī)硫自養(yǎng)反硝化處理污廢水工程應(yīng)用進(jìn)展[J/OL].應(yīng)用化工.

[18] 馬航， 朱強(qiáng)， 朱亮， 等. 單質(zhì)硫顆粒尺寸及反應(yīng)器類型對硫自養(yǎng)反硝化反應(yīng)器啟動(dòng)的影響[J].環(huán)境科學(xué)，2016，37（6）：2235-2242.

[19] 邢琳瓊， 胡廣志， 李再興， 等.硫自養(yǎng)反硝化深度處理城鎮(zhèn)污水研究進(jìn)展[J/OL].應(yīng)用化工： 1-6[2024-04-16].

[20] 徐師， 張大超， 肖隆文，等.厭氧氨氧化反應(yīng)快速啟動(dòng)方法的研究進(jìn)展[J].環(huán)境工程，2018，36（6）：18-21，168.

[21] 金仁村， 鄭平， 陳旭良，等.厭氧氨氧化反應(yīng)器快速啟動(dòng)方法的探討[J].化工進(jìn)展，2005（6）：629-631.

[22] 任婷婷. 微生物顆粒反應(yīng)器的水動(dòng)力學(xué)[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008.

收稿日期：2024-04-01

作者簡介：張強(qiáng)（1983-），男，高級工程師，碩士研究生，主要從事水污染防控工作。

通信作者：李靜（1976-），女，工程師，博士研究生，主要從事水污染防控工作。

Abstract： The sludge-based sulfur-driven autotrophic denitrification （SADN） process generally has the disadvantage of a long start-up period， which to some extent affects application of this treatment technology. In this study， an UASB reactor is employed， the main objective is to investigate the start-up time of a sludge-based SADN reactor with low height-to-diameter rate by varying the control conditions such as flow rate， NO3-N loading， and reflux ratio. The UASB reactor is inoculated with anoxic sludge obtained from a municipal wastewater treatment plant as the seed sludge， using artificially formulated NO3--N wastewater as the experimental water and S2O32- as the electron donors. The results show that when the water temperature is between 15.8 and 20.7 °C， using an UASB with a low height-to-diameter of 10 can achieve successful start-up within 41 days under the parameters of a low NO3--N loading （2±0.03 mg-N/g-VSS/h）， a low flow rate （2 L/h）， and an ultra-high reflux ratio（1000%～2059%）.