青銅峽市第一污水處理廠是主要負責青銅峽市城區生活污水處理的任務，處理水量3萬噸/天，該污水處理廠已運行約20年。由于部分水處理設備老化嚴重、自控程度低，當前運行狀況已不能滿足環保需求，因此2022年開始對該污水廠進行改造。工程內容分技術提升工藝、改造和新建三部分，其中技術提升工藝：將原本的“氧化溝”工藝改造為“MBBR”工藝，并增加“反硝化深床濾池”深度處理工藝；改造部分：粗格柵及提升泵房、細格柵及曝氣沉砂池、氧化溝、終沉池、污泥脫水間、加氯間、加藥間和送水泵房；新建部分包括：污水提升泵池、鼓風機房、污泥泵池、反硝化深床濾池車間及巴氏計量渠，沃爾德斯主要負責新建部分的反硝化深床濾池設備整體方案的實施。
青銅峽市第一污水處理廠鳥瞰圖
在此基礎上，沃爾德斯聯合合肥工業大學陳天虎教授課題組成功研發出“氮曲·自養反硝化濾池”技術，并在青銅峽市第一污水處理廠完成了一個千噸級處理規模的中試驗證。
中試介紹
1、設計簡介
設備為一體化集裝箱，設計最大流量1000 m3/d，濾速：4.6 m/h，平均停留時間：24 min，設計硝酸鹽氮負荷約：0.6 kg/(m3·d)。該設備共設有三格填料區，濾池尺寸為1m（L）×3m（B）×3m（H），下部為濾磚及承托板，高度為0.32 m。此外，反洗水強度25m3/（m2·h），反洗氣強度45 m3/（m2·h）。
中試設備圖
2、調試運行
濾池內設備調試主要有反沖洗鼓風機、水泵、閥門、儀表和加藥泵等。調試前檢查儀表、設備的電源接線、接地等正確后首次啟動采用點動方式，再次檢查設備運轉方向準確性、設備無碰及后正常啟動。
中試自養反硝化平臺運行實況圖
首先，進行污泥接種，共3天。接種污泥含水量為97%，按1000 g/m3濃度接種，48h內日停止進水，浸泡污泥兩天，期間換水一次，每天曝氣混勻5min，使污泥分布更均勻。
其次，低負荷運行，共7天。啟動濾池運行，采用逐步提高進水量的方式連續運行，培養微生物膜。期間進水量由單格2.75m3/h，逐步提高到11m3/h。期間反沖洗周期設置為1周/次，或運行中濾池堵塞導致高液位時反洗。反沖洗參數設置為反沖洗氣強度為60m3/m2?h，反沖洗水強度為15m3/m2?h；反洗時間為氣洗5min，氣水聯合清洗5min，水洗5min。當監測到濾池脫除超過1.2kg/m2的硝酸鹽界限時，開始驅氮。開始監測進出水硝酸鹽氮濃度，進出水pH、DO、溫度等參數。
再次，提高負荷運行，共15天。單格濾池進水流量提高至11m3/h后穩定連續運行，期間反沖洗周期設置為2天/次，反沖洗強度不變，反沖洗時間為氣洗5min，氣水聯合清洗10min，水洗5min。驅氮頻率為4-8h/次，一次反水洗2min。因水廠處于改造過程中，來水水質懸浮物高，濾池因截留大量懸浮物而容易造成阻塞導致濾池高頻反沖洗。因此沖洗周期短，對濾池穩定運行的影響較大，同時在一定程度上也影響了微生物掛膜速度，同時過量反沖洗也容易將生物膜摩擦掉隨廢水排走，對水質處理效果有一定影響。監測進出水硝酸鹽氮濃度，進出水pH、DO、ORP、進出水TN、進出水TN、進出水TP、進出水COD、進出水亞硝酸鹽氮、溫度等參數。期間因進水水質差導致停水，無法進行水質監測，運行日期略過。
最后，提高進水量至最大流量，單格14m3/h，連續運行，共10天。期間反沖洗周期設置為24-48h/次，反洗時間和強度不變，驅氮頻率2-4h/次，一次反水洗2min。探索最短停留時間的去除效果。監測進出水硝酸鹽氮濃度、進出水pH、DO、ORP、進出水TN、進出水TP、進出水COD、進出水亞硝酸鹽氮、溫度等參數。
3、數據分析
氮曲·自養反硝化濾池進出水硝酸鹽氮圖
本次中試主要監測數據為進出水硝酸鹽氮，實驗天數從啟動期開始計時。如上圖所示，為進出水硝態氮監測數據。硝酸鹽氮在第5天有明顯去除現象，之后保持平穩，這意味著該設備具有啟動時間快的優點。
進水硝酸鹽氮濃度范圍0.6-21 mg/L，硝酸鹽氮平均去除個數為11.6 mg/L，其平均去除率分別為76%，平均硝酸鹽氮負荷分別為0.892 kg/(m3·d)，最大硝酸鹽氮負荷為1.275 kg/(m3·d)。在去除總氮方面，出水總氮均穩定在15 mg/L以下，且平均去除量為11.12 mg/L。
4、中試小結
（1）從中試過程的數據看出，設計能力為41.6 m3/h的中試設備，在滿負荷的條件下，停留時間20min左右，調試期為30天，最佳出水可穩定在：COD≤45mg/L，TN≤15mg/L，平均出水總氮濃度為7.05mg/L，平均TN去除量為11.12mg/L。通過中試試驗獲得的運行數據判定自養濾料完全適用于反硝化深床濾池池型模式。
（2）平均硝酸鹽氮最大去除個數11.6mg/L，最大去除率為76%，出水硝酸鹽氮穩定在7mg/L以下。硝酸鹽氮負荷范圍為0.30kg/（m3?d）~0.70kg/（m3?d）。進水硝酸鹽氮濃度越高，去除效果越好。
（3）反應器運行到1個月后，經表征分析濾池內各濾料表面均附著了微生物，并且微生物多樣性群落中Thiobacillus，Sulfurimonas、Sulfuricurvum占據主要優勢，以上菌屬都具有硫自養反硝化功能，證明濾池內優勢菌種確為硫自養型微生物。因此能夠在不投加碳源的情況下，發揮自養反硝化脫氮效能。
5、其他附圖
濾池經過投加污泥馴化后進行微生物培養，運行1個月后，采集三格濾池內生物濾料樣品，送至中科百測進行SEM測試。從SEM圖中可以發現濾料表面附著大量有效顆粒物質成分，可以看出2號濾料相比于1號和3號濾料表面孔隙率較高，3號濾料表面相對平滑。
SEM掃描電鏡圖
同時在放大后發現表面附著生長的細菌，形態主要是單個的短狀桿菌。主要功能菌屬Thiobacilhus（硫桿菌屬）的菌種通常在0.5×1.0~4.0um大小，成單生、成對或斷鏈形態，由此說明濾料中有效成分能夠作為硫自養反硝化菌種電子供體，供其生長繁殖，從而具有能夠實現對水質中硝酸鹽氮的去除作用。
本項目微生物多樣性群落Circos圖，分析發現反應器運行到1個月后濾池內的微生物多樣性群落中Thiobacillus，Sulfurimonas、Sulfuricurvum占據主要優勢，以上菌屬都具有硫自養反硝化功能，證明濾池內優勢菌種確為硫自養型微生物。
微生物多樣性群落Circos圖
同時在1號中發現Desulfocapsa脫硫菌屬，相對豐度為1%，2號中發現Desulfurivibrio脫硫弧菌屬相對豐度為5%，和Desulfocapsa脫硫菌屬相對豐度為2%，二者屬于硫酸鹽還原菌，可以利用有機物將硫酸鹽進行還原，因系統中產生硫酸鹽產物因此富集，說明2號硫酸鹽產生量多，由此說明硝酸鹽氮的去除效果相對好。
1號、2號、3號濾池內均富集了Ferritrophicum菌屬，相對豐度分別為1%，2%，1%。因各濾料內有效成分都添加了硫鐵礦，摻入會富集Ferritrophicum，這類微生物既可以利用單質硫又可以利用亞鐵離子作為電子供體進行反硝化作用。
微生物種群屬分布圖
6、經濟效益分析
通過參數計算，青銅峽1#、2#池平均處理水量1.5萬噸/天，每組池容約脫除△TN為6mg/L，日總脫氮量90kg，噸水運行成本約0.1142元；
若采用異養反硝化深床濾池，當△TN為6mg/L時，噸水運行成本約0.2554元（按25%乙酸鈉溶液計，1400元/噸，投加比例按7.6: 1計）；
Q=15000m3/d、△TN=6mg/L時，自養濾池年運行費用62.55萬元；
Q=15000m3/d、△TN=6mg/L時，異養反硝化深床濾池年運行費用139.81萬元；
每年節省運維費用77.26萬元，即年節省直接運維成本55.26%；2年左右收回前期所有投入成本，即從第二年末開始盈利，前5年累計盈利200萬元以上。
