作者：崔朋、章诗璐、李书婷、叶志杰、陈红芳、夏娜、程珊
来源：《工业水处理》网络首发（官网更新时间：2026-10-19），DOI：10.19965/j.cnki.iwt.2026-0543
关键词：硫自养反硝化滤池;城镇污水处理厂;提标改造;污水深度脱氮;高排放标准
摘要：针对硫自养反硝化（SAD）滤池工程实践中存在的设计参数缺乏和运行管理经验不足等问题，在国内某污水厂搭建了72 m3/d的SAD滤池中试装置，分析了滤速、空床接触时间（EBCT）、进水氮负荷、水温、溶解氧（DO）和滤层高度等工艺参数对总氮（TN）去除效果的影响，结合硫自养功能滤料性状指标检测，系统评估了SAD滤池工艺的处理效能。最后，通过已有工程案例分析，总结提出SAD滤池设计及运行调控建议。结果表明：在水温23~32 ℃条件下，当滤速为2.5~7.5 m/h，EBCT为22~65 min时，SAD滤池的TN去除率最高达到了92.5%，容积负荷最高达到了0.82 kg NO3--N/（m3·d），TN削减量平均在10 mg/L以上，常温环境下脱氮表现好。同时，该工艺对低温和高DO等环境敏感度较高，在滤池的设计与运行管理方面可采取滤料选型、工艺调配、合理参数取值、前端溶氧控制和外源电子供体补给等多种技术措施消除或减轻外部不利条件的影响，维持工艺高效稳定运行。
工程参考：深度脱氮（TN提标）工艺包设计参数，适用于总氮提标改造项目选型。
全文（转载自《工业水处理》官网开放获取内容）：
氮超标是加速水体富营养化的诱因之一，控制水体中氮元素含量可以起到改善和修复城市水体的目的。为了降低居民生产生活氮素排放对水环境的影响，国内多省、市、地区陆续颁布了更为严格的城镇污水排放地方标准或流域标准，推动水生态持续向好发展。然而，由于我国城市污水有机碳源普遍不足且成分复杂的水质特征，TN再提标使得传统深度脱氮工艺碳源耗量大、药剂成本高和温室气体排放增加等问题突显。新一轮提标改造背景下，污水处理厂实现减污降碳降本增效面临巨大的挑战。
硫自养反硝化指化能自养菌在无氧或缺氧条件下，以CO2、HCO3-、CO32-等无机碳为碳源合成细胞，以还原态硫作为硝酸盐氮还原电子供体的生物反硝化过程。因其具有无需投加有机碳源、运行费用省和低碳排等优点，适用于低碳氮比污水的深度处理。近年来，随着硫自养复合功能滤料的研发和生物滤池工艺的适配完成，SAD滤池技术受到广泛关注，实现了从实验室到工程项目的落地转化。然而，目前SAD滤池设计、运行仍沿用传统异养反硝化滤池的方法体系，关键参数选取未考虑技术差异，缺乏理论依据和数据支撑。同时，对已有工程案例及其运行经验分析总结不足，以及对新型功能滤料的稳定性存在质疑，限制了SAD滤池的工程化设计和大规模应用。
依托位于国内某污水处理厂的中试基地，开展了长期的现场试验研究。从工艺设计和工程应用角度出发，系统评估了SAD滤池在不同运行工况下的表现，探索影响滤池脱氮效能的关键设计参数。结合对已有工程案例的归纳分析，总结提出了滤池设计及运行调控建议，以期为我国城镇污水处理厂采用SAD滤池工艺提标改造提供技术参考。
1 材料与方法
中试系统采用污水处理厂二级出水作为进水，试验期间进水水质如下：NH3-N为0.5~1.1 mg/L，TN为11.2~18.1 mg/L，BOD5为0~3 mg/L，TP为0.45~0.92 mg/L，水温为12.8~33.0 ℃，DO为3~7 mg/L，pH为6.7~7.5。
中试建设了两组参数相同的滤池，试验过程中采用并联运行模式，两组滤池互为对照组。试验滤池采用上向流形式，规格Φ×H =0.5×5.5 m。从下至上分别为配水配气区、滤板滤头、鹅卵石承托层、滤料层、出水层、超高层，其中硫自养滤料的填充高度为2.7 m，装置见图1。单组滤池设计进水量为36 m3/d，对应滤速为7.5 m/h，EBCT为22 min。配备气水反冲洗系统，每周反冲洗1~2次。气冲强度为12 L/（m2·s），水冲强度为6 L/（m2·s）。中试用滤料为熔融-湿法成型工艺制备的商用硫基复合功能滤料，粒径范围为2~8 mm。
SAD滤池采用连续进水自然挂膜法培菌，先通过低进水负荷培养微生物，然后逐渐提升到设计负荷稳定运行，当滤池脱氮容积负荷连续5天大于0.3 kg/（m 3·d）（以NO3--N计，下同）时，判定滤池启动成功，培菌阶段历时24天。运行稳定一段时间后，开始SAD滤池脱氮参数研究试验。第Ⅰ阶段，通过改变进水流量控制EBCT和滤速等参数，考察SAD滤池关键设计参数与脱氮性能的关系，同时探索滤池的极限脱氮负荷。第Ⅱ阶段，按照设计运行参数，进行长期稳定运行试验，探索水温变化与补充外源电子供体对滤池脱氮效果的影响。第Ⅲ阶段，分析高进水DO影响下，不同滤速及滤床高度下出水TN的变化。试验阶段，中试装置于室外连续运行200余天，日常取样检测并记录运行数据。
2 结果与讨论
滤速和EBCT是反硝化滤池工艺的关键设计参数，合理取值既能保证出水水质，节省运行费用，又能减少占地及基建成本的投入。水温在23~32 ℃条件下，中试测试了SAD滤池在不同滤速下（约2.5、4、5、7.5、10、15 m/h）的脱氮效果，对应EBCT分别约为65、40、32、22、16、11 min，结果见图2。
由结果可知，随着滤速的提升，SAD滤池出水TN浓度呈现逐步上升的趋势。当以低滤速（2.5、4 m/h）运行时，出水TN浓度小于3 mg/L，均值在2 mg/L以下，同时TN去除率均值分别达到了92.5%和86.1%，表现出较好的脱氮效果和稳定性。当切换到中滤速（5、7.5 m/h）运行后，滤池出水TN浓度呈现上升和波动的趋势，TN削减量可以达到10 mg/L以上，但去除率下滑到80.2%和64.4%。随着滤速提升到较高水平（10、15 m/h），滤池出水TN浓度显著升高且较不稳定。尤其是由10 m/h进一步提升到15 m/h后，SAD滤池的TN去除率降低到约32.5%。分析原因是，一方面由于自养反硝化是功能滤料-污水-生物膜3者之间的界面反应，而滤料中单质硫的溶解速率有限，滤速提高导致接触时间缩短，污水中的硝酸盐氮较难充分反应。另一方面，高进水滤速对滤料表面的微生物膜有较强的冲刷作用，而自养微生物具有增长速率慢、代谢周期长的特点，长期高速运行易干扰微生物的正常生长繁殖，影响滤池脱氮效果。因此，在市政污水深度脱氮应用场景下，建议SAD滤池工作滤速不高于10 m/h。
容积负荷是反映生物滤池脱氮能力的重要指标，其参数的确定对SAD滤池的设计和运行有着重要意义。水温为23~32 ℃，进水TN浓度为12~18 mg/L条件下，中试测试了不同EBCT对SAD滤池容积负荷的影响。为排除不完全反硝化现象对结果的干扰，中试通过进出、水TN指标差值进行负荷计算，结果见图3。
由结果可知，当采用长EBCT（65 min）运行时，滤池容积负荷与进水氮负荷基本持平，平均脱氮率达到了92.5%。但此时脱氮负荷较低，仅为（0.31±0.04）kg/（m3∙d）。在此基础上，逐步提升进水流量，缩短EBCT，以提高进水氮负荷。当EBCT为16~22 min时，脱氮负荷最高，均值达到了0.71 kg/（m3∙d），最大值为0.82 kg/（m3∙d）。此时，对应的进水氮负荷为1.07~1.32 kg/（m3∙d）。随着进一步增大处理水量至设计水量的2倍，当滤池的进水氮负荷提升到（1.74±0.12） kg/（m3∙d）时，脱氮负荷由升转降，平均值降低至0.56 kg/（m3∙d），脱氮率下降了31.9%，同时在出水中检出了亚硝酸盐。任争鸣等研究也发现，当SAD填充柱EBCT低于10.8 min后，反应器的脱氮负荷和去除率大幅下降。这表明高进水氮负荷和较低的接触反应时间会抑制SAD滤池的处理能力，导致脱氮效果变差。因此，后续试验中反应器EBCT按照设计参数22 min运行。
国内南北温差较大，同一污水处理厂四季水温亦存在明显差异。因此，研究水温变化对SAD滤池工艺的影响以及应对策略，具有较强的工程应用价值。中试统计了8月到次年2月份EBCT为22 min时SAD滤池的运行数据。同时，在低温条件下，对1#和2#滤池开展了投加硫代硫酸钠（Na₂S₂O3）作为外源电子供体的对照试验，结果如图4所示。
由图4（a）和图4（b）可知，随着温度的降低，中试SAD滤池的TN去除率及容积负荷呈现逐渐降低的趋势。当水温在30~35 ℃之间时，反应器脱氮效果较好，TN平均去除率为86.5%，容积负荷为（0.69±0.15） kg/（m3∙d）。当水温降低到20~25 ℃后，TN平均去除率为49.6%，容积负荷为（0.46±0.12） kg/（m3∙d）。当水温小于15 ℃以后，TN去除率均值降低到19.9%，对应容积负荷仅为（0.19±0.05） kg/（m3∙d）。由此可见，温度变化对SAD滤池工艺脱氮参数指标以及脱氮效果具有较大的影响。原因可能是大部分硫自养菌属于嗜中温菌，最适生长温度在25~35 ℃。由于适应温度区间较窄，低温抑制了自养反硝化细菌的反硝化速率，导致脱氮效果变差。
水温13~18 ℃条件下，中试将1#、2#滤池同步并联运行，开展对比试验，考察低温环境下外源电子供体投加对SAD滤池的影响，结果见图4（c）。第1~12天不投加药剂，当进水TN在16~24 mg/L范围内波动时，1#、2#滤池出水TN浓度的变化趋势相同，均值分别为15.75和15.93 mg/L，表明两组参数相同的滤池具有较好的一致性。第13~24天，开始在2#滤池进水中持续投加Na₂S₂O3，浓度维持在35 mg/L上下。加药后，2#滤池出水TN浓度较1#滤池有了明显的下降，其中TN去除量平均提升了3.25 mg/L，去除率提高了17.33%，出水TN稳定在15 mg/L以下。结果表明，Na2S2O3作为易溶于水的硫系外源电子供体，可有效强化低温环境下硫自养反硝化系统的脱氮效果。
为了进一步探索滤床高度对SAD滤池工艺脱氮效果的影响，中试在进、出水箱和滤池承托层以上75、135、195、255 cm处设置了6个取样点，研究不同滤速条件下，TN和DO沿滤层高度的变化，结果见图5。
由于滤速提升和取水过程中存在的跌水现象，进水DO在6 mg/L上下。中试滤池的滤料填充高度为270 cm，从沿滤床高度分段取样数据的变化发现，整个滤床可以划分为脱氧层、兼性层和脱氮层3部分。以进水滤速为7.5 m/h为例，75 cm滤层高度出水DO快速降低到0.5 mg/L以下，同时出水TN仅略微下降，因此0~75 cm段滤料层主要起到脱除DO的作用。75~135 cm滤层高度兼顾脱氧及脱氮效果，TN和DO同步削减。而135~270 cm段滤层出水DO趋近于零，出水TN大幅下降。但随着进水滤速的提升，同一滤层高度取样点的出水DO和TN浓度也随之升高。当滤速提升到15 m/h后，135 cm滤层高度出水DO仍保持在0.65 mg/L，同时出水TN下降缓慢。这表明，高进水DO和高滤速会导致SAD滤池脱氧层高度增加，用于高效脱氮的兼性层和脱氮层容积下降，进而影响SAD工艺系统脱氮效率。因此建议SAD滤池工艺进水DO应不高于3 mg/L，滤料层设计高度应不低于1.80 m，同时应与进水滤速相匹配，保障脱氮效果。
SAD滤池的SO42-、pH、TDS、SS等指标变化见图6（a）-图6（d）。试验期间，中试进水SO42-浓度为46.4~69.6 mg/L（均值为56.2 mg/L），出水SO42-浓度为58.3~188.1 mg/L（均值110.6 mg/L）。中试进水pH为6.67~8.46，出水pH为6.52~8.36。中试进水TDS浓度为218~339 mg/L（均值为292 mg/L），出水TDS浓度233~371 mg/L（均值为307 mg/L）。中试进水SS为6~35 mg/L，出水SS在2~5 mg/L。
由结果可知，SAD滤池出水pH较进水有所降低，仍满足市政污水厂的排放限值要求。SAD滤池出水SO42-浓度升高，且与TN削减量呈正相关。根据测算，每去除1 mg的TN平均产生7.42 mg的SO42-，实测出水SO42-浓度与理论计算值接近。辅助投加Na2S2O3后，SAD滤池出水SO42-进一步上升。针对市政污水厂深度处理低于15 mg/L的脱氮量，出水SO42-浓度满足《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）中250 mg/L的限值要求。
硫自养功能滤料作为SAD滤池的核心，具有反硝化电子供体源、微生物载体和过滤的多重作用，其物理化学性质参数影响滤池处理效果。同时，由于功能滤料反应性和消耗性的特征，长期反洗冲刷状态下滤料的稳定性至关重要。采用水处理用滤料检测方法以及SEM、XRF等技术对使用一年后的滤料进行了表征分析，结果如下。
由图7-8可知，中试用硫自养滤料为浅绿色椭球形固体颗粒。从形貌上来看，反应一年后滤料整体保持完整，未出现明显的套散或破碎情况。滤料表面褶皱增多，可能是反应消耗导致。从粒径筛分曲线来看，滤料采用非均质粒径级配形式，粒径范围为2~8 mm，反应前3~6 mm粒径占比为68.3%，反应一年后滤料粒径有所降低，3~6 mm粒径占比达到了75.2%。同时，SAD滤池滤层高度下降了约50 cm，整体消耗了约18.5%。由表1可知，反应后的滤料，除了比表面积略低于陶粒滤料以外，其余指标满足我国现行陶粒滤料行业标准《水处理用人工陶粒滤料CJ/T 299-2008》要求。其中，粒径、密度和空隙率指标与陶粒滤料接近，过滤及反冲洗效果好。破碎率与磨损率之和为0.44%，表现出较高的机械强度和耐久性。元素组成分析结果发现，使用一年后的滤料中仍含有大量的S元素（91.6%）及少量的Fe元素（2.9%），并存在少量的Al（0.7%）、Ca（0.1%）及其他金属，可持续激发自养反硝化反应。以上分析结果显示，中试所采用的熔融-湿法成型工艺制备的新型硫基功能滤料稳定性较好，可作为水处理用滤池滤料长期使用。
对已报道的市政污水SAD滤池工程应用案例进行统计分析，结果见表2。目前的应用场景涵盖了中大型生活污水处理厂和工业园区污水处理厂提标改造项目等，部分项目将原有滤池进行改造及更换硫自养滤料，其余为新建项目，处理规模从0.5×104到1.0×105 m3/d不等。滤池填料采用以硫磺为主要原料复合而成的硫自养滤料，粒径大部分在1~6 mm和3~5 mm，滤料填充高度普遍在1.8~3 m。SAD滤池的设计运行滤速在3~6 m/h，考虑到水力变化系数以及反洗、检修等问题，对应峰值滤速和峰值强制滤速一般不高于10 m/h。对于不同的设计进、出水TN标准，EBCT值选取有所差异。处理对象为污水处理厂二级出水，当设计出水TN要求低于10 mg/L时，EBCT一般在20 min上下。设计出水TN要求低于5 mg/L或更低时，EBCT一般在40 min以上。对于脱氮负荷取值，考虑到温度变化的影响和设计冗余，取值范围多在0.2~0.5 kg/（m3∙d）之间，相比中试研究结果偏低。此外，根据在运行的SAD滤池工程项目反馈发现，反冲洗周期一般为3~7 d或更长时间，反洗频次低于同类型的异养反硝化滤池。
规模/
（万m3·d-1）
滤料
粒径/（mm）
滤层
高度
/（m）
滤速
/（m·h-1）
EBCT
/（min）
脱氮负荷
/（kg NO3--N·m-3·d-1）
进、出水
TN浓度/
（mg·L-1）
参考
文献
注： / 表示数据来源于内部交流工程案例资料。
根据试验研究和工程调研发现，在市政污水和工业园区废水处理方面，影响SAD滤池工艺高效、稳定运行的因素主要有脱氮效率定向调控、冬季低温期和高进水DO等。SAD滤池工艺在实际运行中遇温度升高、水量变化或水质波动时，会出现过度脱氮导致滤料损耗的情况。这是因为SAD滤池的脱氮功能主要依托硫自养滤料实现，由于滤料的填充体积一定，较难根据外部变化定向调控脱氮负荷。目前，在工艺设计上有案例采用SAD滤池和异养反硝化滤池分格共建、并联运行的策略，通过水量调配和运行切换，实现两者优势互补。和异养反硝化滤池相同，SAD滤池脱氮性能在低温环境下受到抑制。滤池前期设计时，脱氮负荷取值应充分考量污水厂历史水温数据，同时通过设置硫代硫酸钠或乙酸钠投药装置辅助提升反应速率。此外，在滤池反冲洗操作中，应注意控制气水反冲的强度和时间，避免因滤料流失造成的无效损耗。在滤池运行维护过程中，应注意在冬季低温期之前及时补充滤料，维持脱氮效果。研究和实践表明，高进水DO和高滤速叠加会导致滤池脱氮效率显著下降。在污水厂设计、运行过程中可采取水头损失精准测算、液位控制和跌水区域加盖密闭等多种措施，减少系统跌水复氧的带来的不利影响，提升滤池的脱氮效能。同时，在工艺段衔接方面，应尽量避免将SAD滤池置于臭氧或气浮工艺之后。
3 结论
1）通过滤速梯度试验研究发现，中试SAD滤池的TN去除率在低滤速工况（2.5 m/h）下达到了92.5%，出水TN均值低于2 mg/L，实现了极限脱氮。滤池容积负荷在中滤速工况（5 m/h和7.5 m/h）下达到了峰值，约0.71~0.82 kg/（m3∙d），此时TN平均削减量在10 mg/L以上，在常温环境下表现出较强的脱氮潜力。同时，归纳总结应用案例可知，用于生活污水深度处理时，SAD滤池滤料填充高度普遍在1.8~3 m，设计运行滤速在3~6 m/h，EBCT在20~45 min，设计容积负荷在0.2~0.5 kg/（m3∙d）之间。以上研究结果可为SAD滤池工艺的工程应用提供参考。
2）研究及调研发现，SAD滤池工艺的环境敏感度高，脱氮效果易受外界水温、水量及DO等因素变化影响。在滤池的设计与运行过程中，可以结合滤料选型、工艺调配、合理参数取值、前端溶氧控制和外源电子供体补给等多种技术措施，消除或减轻不利环境的影响，维持工艺系统稳定运行。
3）SEM、XRF和及滤料指标检测结果显示，使用一年后的硫自养功能滤料粒径有所降低，但性状指标稳定，滤料中有效成分含量（含硫量）在90%以上，可作为水处理用滤料长期使用。
4）SAD滤池适用于TN排放标准较高或深度处理单元脱氮量较大的污水处理厂提标改造和新建项目，可以节省碳源药剂费用，降低污水处理厂脱氮成本，放大技术的经济效益。
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