青铜峡市第一污水处理厂是主要负责青铜峡市城区生活污水处理的任务，处理水量3万吨/天，该污水处理厂已运行约20年。由于部分水处理设备老化严重、自控程度低，当前运行状况已不能满足环保需求，因此2022年开始对该污水厂进行改造。工程内容分技术提升工艺、改造和新建三部分，其中技术提升工艺：将原本的“氧化沟”工艺改造为“MBBR”工艺，并增加“反硝化深床滤池”深度处理工艺；改造部分：粗格栅及提升泵房、细格栅及曝气沉砂池、氧化沟、终沉池、污泥脱水间、加氯间、加药间和送水泵房；新建部分包括：污水提升泵池、鼓风机房、污泥泵池、反硝化深床滤池车间及巴氏计量渠，沃尔德斯主要负责新建部分的反硝化深床滤池设备整体方案的实施。
青铜峡市第一污水处理厂鸟瞰图
在此基础上，沃尔德斯联合合肥工业大学陈天虎教授课题组成功研发出“氮曲·自养反硝化滤池”技术，并在青铜峡市第一污水处理厂完成了一个千吨级处理规模的中试验证。
中试介绍
1、设计简介
设备为一体化集装箱，设计最大流量1000 m3/d，滤速：4.6 m/h，平均停留时间：24 min，设计硝酸盐氮负荷约：0.6 kg/(m3·d)。该设备共设有三格填料区，滤池尺寸为1m（L）×3m（B）×3m（H），下部为滤砖及承托板，高度为0.32 m。此外，反洗水强度25m3/（m2·h），反洗气强度45 m3/（m2·h）。
中试设备图
2、调试运行
滤池内设备调试主要有反冲洗鼓风机、水泵、阀门、仪表和加药泵等。调试前检查仪表、设备的电源接线、接地等正确后首次启动采用点动方式，再次检查设备运转方向准确性、设备无碰及后正常启动。
中试自养反硝化平台运行实况图
首先，进行污泥接种，共3天。接种污泥含水量为97%，按1000 g/m3浓度接种，48h内日停止进水，浸泡污泥两天，期间换水一次，每天曝气混匀5min，使污泥分布更均匀。
其次，低负荷运行，共7天。启动滤池运行，采用逐步提高进水量的方式连续运行，培养微生物膜。期间进水量由单格2.75m3/h，逐步提高到11m3/h。期间反冲洗周期设置为1周/次，或运行中滤池堵塞导致高液位时反洗。反冲洗参数设置为反冲洗气强度为60m3/m2▪h，反冲洗水强度为15m3/m2▪h；反洗时间为气洗5min，气水联合清洗5min，水洗5min。当监测到滤池脱除超过1.2kg/m2的硝酸盐界限时，开始驱氮。开始监测进出水硝酸盐氮浓度，进出水pH、DO、温度等参数。
再次，提高负荷运行，共15天。单格滤池进水流量提高至11m3/h后稳定连续运行，期间反冲洗周期设置为2天/次，反冲洗强度不变，反冲洗时间为气洗5min，气水联合清洗10min，水洗5min。驱氮频率为4-8h/次，一次反水洗2min。因水厂处于改造过程中，来水水质悬浮物高，滤池因截留大量悬浮物而容易造成阻塞导致滤池高频反冲洗。因此冲洗周期短，对滤池稳定运行的影响较大，同时在一定程度上也影响了微生物挂膜速度，同时过量反冲洗也容易将生物膜摩擦掉随废水排走，对水质处理效果有一定影响。监测进出水硝酸盐氮浓度，进出水pH、DO、ORP、进出水TN、进出水TN、进出水TP、进出水COD、进出水亚硝酸盐氮、温度等参数。期间因进水水质差导致停水，无法进行水质监测，运行日期略过。
最后，提高进水量至最大流量，单格14m3/h，连续运行，共10天。期间反冲洗周期设置为24-48h/次，反洗时间和强度不变，驱氮频率2-4h/次，一次反水洗2min。探索最短停留时间的去除效果。监测进出水硝酸盐氮浓度、进出水pH、DO、ORP、进出水TN、进出水TP、进出水COD、进出水亚硝酸盐氮、温度等参数。
3、数据分析
氮曲·自养反硝化滤池进出水硝酸盐氮图
本次中试主要监测数据为进出水硝酸盐氮，实验天数从启动期开始计时。如上图所示，为进出水硝态氮监测数据。硝酸盐氮在第5天有明显去除现象，之后保持平稳，这意味着该设备具有启动时间快的优点。
进水硝酸盐氮浓度范围0.6-21 mg/L，硝酸盐氮平均去除个数为11.6 mg/L，其平均去除率分别为76%，平均硝酸盐氮负荷分别为0.892 kg/(m3·d)，最大硝酸盐氮负荷为1.275 kg/(m3·d)。在去除总氮方面，出水总氮均稳定在15 mg/L以下，且平均去除量为11.12 mg/L。
4、中试小结
（1）从中试过程的数据看出，设计能力为41.6 m3/h的中试设备，在满负荷的条件下，停留时间20min左右，调试期为30天，最佳出水可稳定在：COD≤45mg/L，TN≤15mg/L，平均出水总氮浓度为7.05mg/L，平均TN去除量为11.12mg/L。通过中试试验获得的运行数据判定自养滤料完全适用于反硝化深床滤池池型模式。
（2）平均硝酸盐氮最大去除个数11.6mg/L，最大去除率为76%，出水硝酸盐氮稳定在7mg/L以下。硝酸盐氮负荷范围为0.30kg/（m3▪d）~0.70kg/（m3▪d）。进水硝酸盐氮浓度越高，去除效果越好。
（3）反应器运行到1个月后，经表征分析滤池内各滤料表面均附着了微生物，并且微生物多样性群落中Thiobacillus，Sulfurimonas、Sulfuricurvum占据主要优势，以上菌属都具有硫自养反硝化功能，证明滤池内优势菌种确为硫自养型微生物。因此能够在不投加碳源的情况下，发挥自养反硝化脱氮效能。
5、其他附图
滤池经过投加污泥驯化后进行微生物培养，运行1个月后，采集三格滤池内生物滤料样品，送至中科百测进行SEM测试。从SEM图中可以发现滤料表面附着大量有效颗粒物质成分，可以看出2号滤料相比于1号和3号滤料表面孔隙率较高，3号滤料表面相对平滑。
SEM扫描电镜图
同时在放大后发现表面附着生长的细菌，形态主要是单个的短状杆菌。主要功能菌属Thiobacilhus（硫杆菌属）的菌种通常在0.5×1.0~4.0um大小，成单生、成对或断链形态，由此说明滤料中有效成分能够作为硫自养反硝化菌种电子供体，供其生长繁殖，从而具有能够实现对水质中硝酸盐氮的去除作用。
本项目微生物多样性群落Circos图，分析发现反应器运行到1个月后滤池内的微生物多样性群落中Thiobacillus，Sulfurimonas、Sulfuricurvum占据主要优势，以上菌属都具有硫自养反硝化功能，证明滤池内优势菌种确为硫自养型微生物。
微生物多样性群落Circos图
同时在1号中发现Desulfocapsa脱硫菌属，相对丰度为1%，2号中发现Desulfurivibrio脱硫弧菌属相对丰度为5%，和Desulfocapsa脱硫菌属相对丰度为2%，二者属于硫酸盐还原菌，可以利用有机物将硫酸盐进行还原，因系统中产生硫酸盐产物因此富集，说明2号硫酸盐产生量多，由此说明硝酸盐氮的去除效果相对好。
1号、2号、3号滤池内均富集了Ferritrophicum菌属，相对丰度分别为1%，2%，1%。因各滤料内有效成分都添加了硫铁矿，掺入会富集Ferritrophicum，这类微生物既可以利用单质硫又可以利用亚铁离子作为电子供体进行反硝化作用。
微生物种群属分布图
6、经济效益分析
通过参数计算，青铜峡1#、2#池平均处理水量1.5万吨/天，每组池容约脱除△TN为6mg/L，日总脱氮量90kg，吨水运行成本约0.1142元；
若采用异养反硝化深床滤池，当△TN为6mg/L时，吨水运行成本约0.2554元（按25%乙酸钠溶液计，1400元/吨，投加比例按7.6: 1计）；
Q=15000m3/d、△TN=6mg/L时，自养滤池年运行费用62.55万元；
Q=15000m3/d、△TN=6mg/L时，异养反硝化深床滤池年运行费用139.81万元；
每年节省运维费用77.26万元，即年节省直接运维成本55.26%；2年左右收回前期所有投入成本，即从第二年末开始盈利，前5年累计盈利200万元以上。
