摘要
摘要
氮素污染物是引发水体富营养化、水体黑臭、海洋赤潮等问题的重要诱
因。深度削减氮素污染物的排放量是保障水生态安全的重要途径。“水十条”
的颁布实施，将总氮纳入流域、区域污染物排放总量控制约束性指标体系，
由此开启了我国污水处理总氮强制性执行一级A排放标准、甚至更严格标准
的新阶段。硫自养反硝化技术相较于异养反硝化技术具有无需额外投加碳源、
低成本、污泥产量少等优势，是一种颇具发展前景的污水深度脱氮技术。其
中硫自养反硝化固定床构型简单、操作方便，是一种研究最为广泛的硫自养
反硝化工艺。然而固定床工艺存在氮气积累、填料板结、生物膜过厚等问题，
导致其脱氮效能难以长期高效维持。本研究创新性地将螺旋杆件引入固定床
体系，开发出了一种硫自养反硝化移动床新型工艺，证实了螺旋杆件驱动单
质硫填料微流化能够有效促进床层氮气排出并控制填料表面附着生物膜维
持适宜厚度，揭示了二者作用对于工艺实现长期高效脱氮的关键机制，进一
步通过中试研究验证了新型工艺的高效脱氮性能。
硫自养反硝化移动床新型反应器可以有效解决氮气积累和生物膜过厚
造成的床层堵塞问题，并具有较为稳定高效的脱氮性能。通过对比移动床和
固定床工艺以及工艺模式的切换运行（移动床→固定床，固定床→移动床），
均证实移动床工艺较固定床具有更好的脱氮性能，表现为总氮去除负荷提升
2.06倍（0.986±0.043kgN/（m3·d）vs0.322±0.036kgN/（m3·d）），反硝化的
中间产物（亚硝酸盐和一氧化二氮）积累量相较固定床均降低一个数量级。
进一步研究表明，移动床可有效促进氮气排出和过量生物膜脱落，床层氮气
积累量和生物膜厚度分别仅为固定床的1/4和1/3。针对移动床的螺旋杆转速
开展了优化研究，表明转速控制在20-25r/min可获得最佳脱氮性能且不导
致单质硫填料的磨损。
硫自养反硝化移动床新型反应器具备更为良好的水动力学特性和生物
膜特性。通过对比移动床和固定床的RTD曲线，证实了移动床反应器较固定
床具有更好的水动力学特性，表现为污水在移动床床层内的实际停留时间延
长了0.63倍（8.34minvs5.22min）。针对反应器中填料表面生物膜特性开
展了探究，结果表明移动床填料表面生物膜中的活细菌占比相较固定床更高
（89.47±6.01%vs59.59±4.72%）。进一步探究发现两种反应器中的微生物群
落结构存在显著差异，固定床反应器中的微生物多样性和相对丰度均高于移
-I-
摘要
动床反应器。移动床反应器中的优势菌属为Sulfurimonas和Thiobacillus等
常见的硫自养型微生物，这是移动床反应器能够具备高效脱氮性能的关键。
通过定量化计算分析得到污水实际停留时间的延长对移动床脱氮性能的增
效占比为43.69%，更为良好的生物膜特性及其他因素对移动床脱氮性能的增
效占比为56.31%。
硫自养反硝化移动床新型工艺可以应用于现场实际污水处理，具有良好
的工程应用前景。构建硫自养反硝化移动床中试反应器直接处理污水处理厂
二级生化出水（13.5m3/d），结果表明在长期运行条件下，移动床中试反应器
的平均硝氮去除负荷为0.5733±0.0554kgNO3--N/（m3·d），固定床中试反应
器在不进行反冲洗时的硝氮去除负荷为0.2983±0.0218kgNO3--N/（m3·d），
在反冲洗条件下的硝氮去除负荷为0.3781±0.0226kgNO3--N/（m3·d），中试
规模的移动床较固定床具备更好的实际污水处理能力。同时对中试工艺的水
动力学特性和微生物群落进行了探究，结果表明移动床中试反应器具有更长
的污水实际停留时间和更均匀的微生物群落分布情况。分析基于中试反应器
实际所需能耗的经济计算结果，移动床运行成本相较固定床的增量为0.0107
元/吨水，