《Journal of Water Process Engineering》：Pilot study on advanced denitrification and ecological reuse of wastewater treatment plant effluent through modified polyurethane fillers
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高效污水处理集成系统在景观回用中的应用研究，采用活性炭改性聚氨酯悬浮载体流化床耦合多介质过滤技术，在2.5小时水力停留时间、7.5-31.5℃温度及6:1碳氮比条件下，实现总氮70.2%、硝态氮61.0%、氨氮36.2%、总磷60.4%的高效去除，同步有效降解7类抗生素污染物89%-100%，并显著降低出水色度。
牛梦月|黄卫平|袁佳月|涂一舟|唐贤春|刘明刚|陈宏斌
中国上海同济大学水污染控制与绿色资源回收国家重点实验室，200092
摘要
用于景观或生态再利用的先进废水处理技术需要高效去除氮元素以及新兴污染物（ECs）。为了解决传统反硝化生物滤池（DNBFs）高碳需求和频繁反冲洗的问题，本研究开发了一种集成系统，该系统结合了活性炭改性的聚氨酯悬浮载体流化床和多媒体过滤技术。在反硝化区运行时，水力停留时间为2.5小时，温度范围为7.5–31.5°C，碳氮比（C/N）优化为6:1，系统表现出稳定的性能。总氮的平均去除率为70.2%，硝酸盐为61.0%，氨为36.2%，总磷为60.4%，相应的反硝化速率为34.6 g/(m3·d)。该工艺还实现了7种抗生素类新兴污染物的89–100%去除，并有效降低了出水颜色。因此，这项技术为生产高质量再生水提供了一种可靠且高效的替代方案。
引言
城市废水的再利用是缓解水资源供需不平衡的关键策略[1]、[2]、[3]。通过高级净化处理，使市政污水达到再生水标准，可以安全地再利用，从而保护淡水资源并促进可持续经济发展[4]、[5]。中国东部沿海地区受到水富营养化的严重影响，导致对污水处理厂（WWTPs）的排放标准越来越严格。例如，浙江省的“城市污水处理厂主要污染物排放标准”规定新建设施的总氮（TN）限值为10 mg/L，在某些敏感区域甚至有更严格的限制。然而，目前污水处理厂出水中总氮浓度仍显著超过V类地表水标准（TN ≤ 2.0 mg/L）[6]，这极大地限制了其用于景观或生态补水的作用。
工程系统中的氮转化和去除主要依赖于增强氮循环的关键微生物过程[7]。传统的生物反硝化分为两个步骤：首先是在好氧条件下将氨（NH??-N）氧化为硝酸盐氮（NO??-N）；随后是在缺氧条件下利用有机碳将硝酸盐还原为氮气（N?）。在二次处理后的出水中，硝酸盐通常是主要的氮形式[8]，提高反硝化效率是关键，使用如聚氨酯海绵等先进生物膜载体可以显著提升这一过程[9]。特别是在低温等变化环境下，这一过程的效率和稳定性至关重要[7]、[10]。
反硝化生物滤池（DNBF）利用附着在过滤介质上的反硝化微生物通过缺氧生物过程去除氮[11]、[12]。常见的过滤介质包括石英砂、陶瓷颗粒和火山岩。DNBF是深度反硝化的主流工艺[13]，具有占地面积小和总氮去除效率高的优点[14]。然而，在实际应用中存在一些操作挑战，例如对外部碳源的需求较高（冬季碳氮比（C/N）有时超过10:1），介质容易堵塞和流动短路，以及需要频繁反冲洗，这大大增加了运营和维护成本[11]、[15]、[16]。
移动床生物膜反应器（MBBR）利用通过曝气或混合保持运动的悬浮生物填料。填料表面形成生物膜对于实现有效的硝化和反硝化至关重要[17]、[18]。该技术具有抗反冲洗、能耗低和负荷能力强的优点[19]、[20]、[21]。选择合适的载体介质对系统性能至关重要。当前研究优先考虑使用多孔亲水性材料（如聚氨酯海绵）而非传统的聚乙烯。其高孔隙率（>90%）、大表面积和可调节性能有利于形成密集的生物膜。通过添加活性炭等改良措施，可以进一步提高其吸附能力和微生物栖息地的适应性[22]。虽然传统的MBBR系统已用于市政废水反硝化研究[23]、[24]、[25]，但其在高级氮去除方面的大规模应用尚未广泛推广。
在之前的工作中，我们的团队使用活性炭改性的聚氨酯海绵填料和传统的MBBR工艺对污水处理厂出水进行了初步的实验室规模试验[26]，取得了优异的总氮和硝酸盐氮去除率。本研究旨在评估一种集成系统，该系统结合了改性聚氨酯海绵填充的流化床和多媒体过滤技术（包含1.6米活性炭层、0.5米石英砂层和0.3米支撑层），用于实际污水处理厂出水的深度处理。具体目标包括：（1）评估该系统在季节性温度变化（7.5–31.5°C）下的长期去除性能，包括总氮（TN）、硝酸盐氮（NO??-N）、氨氮（NH??-N）、总磷（TP）、色度和抗生素污染物。（2）研究关键操作变量（碳氮比和水温）对高级反硝化效率的影响。（3）分析相关微生物群落结构，以阐明支持工艺稳定性的生物学机制。本研究全面评估了这种集成工艺在生产符合严格生态再利用标准出水方面的可行性。
试点工厂的实验水质和填料
试点测试在浙江省的一家污水处理厂进行，以该厂的出水作为进水来源，进水特性见表1。该污水处理厂采用先进的处理流程，包括水解酸化、厌氧-缺氧-好氧（AAO）工艺、膜生物反应器（MBR）和消毒。目前该厂处理来自混合城市和工业流域的平均流量约为170,000 m3/d的废水。该污水处理厂的出水符合浙江省的标准
常见指标的去除效率
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R2柱对总氮（TN）和硝酸盐氮（NO??-N）的去除效率
硝酸盐氮占该污水处理厂出水中总氮的70.0%。进水中总氮浓度为6.6 mg/L，硝酸盐氮为4.7 mg/L。剩余的1.9 mg/L总氮中，0.5 mg/L为铵氮，1.4 mg/L为有机氮。如表2和图3(a)所示，在试点测试中，R1柱的总氮平均去除率为70.2%（高于之前的60.4%）
结论
这项试点研究表明，结合改性聚氨酯悬浮载体和多媒体过滤的集成系统对污水处理厂出水的深度处理非常有效。该系统在2.5小时的水力停留时间和7.5–31.5°C的温度范围内连续稳定运行了三个季节，主要结论如下：
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该系统实现了污染物的高效协同去除。反硝化单元平均去除70.2%的总氮和61.0%的硝酸盐氮（NO??-N）
CRediT作者贡献声明
牛梦月：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，数据管理，概念构思。黄卫平：方法学，正式分析，数据管理，概念构思。袁佳月：监督。涂一舟：监督。唐贤春：监督。刘明刚：监督。陈宏斌：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念构思。
致谢
本研究得到了四川能源发展集团有限公司的财务支持。
