我國農(nóng)村人口規(guī)模龐大，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平偏低，當(dāng)前農(nóng)村居民產(chǎn)生的大量生活污水仍以直排為主。與城市相比，農(nóng)村生活污水在水質(zhì)和水量上存在明顯差異，受經(jīng)濟(jì)條件、生活習(xí)慣、地域氣候及地理環(huán)境等因素的影響，農(nóng)村生活污水水質(zhì)和水量具有較大的波動(dòng)性。鑒于農(nóng)村生活污水的特點(diǎn)及其處理設(shè)施運(yùn)維管理水平低等現(xiàn)實(shí)情況，使用傳統(tǒng)的活性污泥法工藝容易出現(xiàn)“水土不服”、污水處理設(shè)施“曬太陽”等問題，因此需要開發(fā)適合農(nóng)村分散式污水處理的工藝技術(shù)與設(shè)備。

生物膜法具有抗沖擊能力強(qiáng)、產(chǎn)泥量少和運(yùn)維簡單等優(yōu)點(diǎn)，目前已有一些采用生物膜工藝處理農(nóng)村生活污水的設(shè)施，但在運(yùn)行中仍存在一些問題，如生物接觸氧化工藝容易出現(xiàn)曝氣、布水不均和填料堵塞等問題；生物濾池需要定期反沖洗，運(yùn)行管理較為復(fù)雜；生物轉(zhuǎn)盤投資費(fèi)用高、運(yùn)行維護(hù)難度大。聚酯纖維是目前運(yùn)用較多的一類生物膜填料材質(zhì)，具有不容易被微生物降解、孔隙分布均勻、掛膜效果好等特點(diǎn)。選用聚酯纖維作為模塊填料，將模塊設(shè)計(jì)為三維固定化生物簾的形式，可使模塊具有豐富的環(huán)流通道，避免發(fā)生堵塞，同時(shí)模塊化、裝配式的形式可實(shí)現(xiàn)快捷安裝、建設(shè)周期短。據(jù)此，筆者開發(fā)了以聚酯纖維為填料的三維固定化生物膜反應(yīng)器，基于中試考察了填料填充率、缺氧區(qū)混合方式及水力停留時(shí)間（HRT）對(duì)該工藝處理農(nóng)村生活污水效能的影響，并從微生物學(xué)角度分析了反應(yīng)器的脫氮機(jī)理，以期為處理分散型農(nóng)村生活污水提供技術(shù)參考。

1、材料與方法

1.1 試驗(yàn)用水和接種污泥

試驗(yàn)采用深圳某水質(zhì)凈化廠的格柵出水模擬農(nóng)村生活污水，試驗(yàn)期間反應(yīng)器進(jìn)水COD、NH4+-N、TN、SS分別為96.08~492.90、16.70~46.10、20.13~49.19、40~352mg/L，設(shè)計(jì)出水水質(zhì)執(zhí)行廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)村生活污水處理排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB44/2208—2019）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。接種污泥取自該水質(zhì)凈化廠的脫水污泥（含水率為79.6%）。向反應(yīng)器中加入脫水污泥，連續(xù)悶曝48h后通水運(yùn)行。

1.2 試驗(yàn)裝置和運(yùn)行方式

試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)處理量為6m3/d。工藝流程如圖1所示，在缺氧區(qū)安裝一個(gè)模塊、在好氧區(qū)安裝兩個(gè)模塊。使用直流水泵將進(jìn)水桶的污水抽入缺氧區(qū)，之后從頂部隔板翻越后進(jìn)入好氧區(qū)底部，好氧區(qū)出水口設(shè)置在反應(yīng)器末端，好氧區(qū)硝化液經(jīng)回流管回流至缺氧區(qū)前端進(jìn)行反硝化。反應(yīng)器采用純膜法運(yùn)行，在反應(yīng)器前后端設(shè)置排泥口定期排泥，不設(shè)置二沉池。

1.3 試驗(yàn)運(yùn)行條件優(yōu)化

試驗(yàn)考察了填料填充率、缺氧區(qū)混合方式、HRT等參數(shù)對(duì)三維固定化生物膜反應(yīng)器處理效果的影響。反應(yīng)器共運(yùn)行6個(gè)月，分為6個(gè)階段，各階段的運(yùn)行條件見表1。在階段Ⅰ和Ⅱ，分別采用57.2和78.8m2/m3的填料填充率，探究其對(duì)污染物去除效果的影響；在階段Ⅱ和Ⅲ，在缺氧區(qū)分別使用攪拌器與穿孔管曝氣混合，研究不同混合方式對(duì)缺氧區(qū)DO濃度以及污染物去除效果的影響；在階段Ⅲ和Ⅳ，對(duì)比持續(xù)曝氣和開10min停10min的循環(huán)運(yùn)行混合方式對(duì)污染物的去除效果；在階段Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ，調(diào)整總HRT分別為12、9、10.5h，探究在保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的情況下反應(yīng)器的最大處理量。運(yùn)行期間，硝化液回流比均設(shè)置為200%。

1.4 檢測(cè)項(xiàng)目與方法

1.4.1 常規(guī)指標(biāo)測(cè)定

定期取進(jìn)出水水樣測(cè)定COD、NH4+-N、NO3--N、TN、SS等指標(biāo)，并定期檢測(cè)DO濃度和填料掛膜生物量。其中，COD采用標(biāo)準(zhǔn)重鉻酸鉀法測(cè)定，NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測(cè)定，TN采用堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測(cè)定，NO3--N采用紫外分光光度法測(cè)定，SS采用重量法測(cè)定。在缺氧區(qū)與好氧區(qū)的不同位置，多次取50mm×50mm的填料，使用超聲波清洗器提取填料上的污泥，采用重量法測(cè)定單位面積填料上的生物量，以此換算得到反應(yīng)器內(nèi)的生物量。DO采用便攜式溶解氧儀檢測(cè)。

1.4.2 微生物學(xué)分析

在階段Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ，分別從缺氧池和好氧池內(nèi)隨機(jī)取50mm×50mm的填料，使用超聲波清洗器提取填料上的生物膜。缺氧區(qū)樣本分別命名為A1、A2、A3，好氧區(qū)樣本分別命名為O1、O2、O3。將生物膜樣本置于體積比為1∶1的無水乙醇中，在1h內(nèi)送到實(shí)驗(yàn)室的-80℃超低溫冰箱中保存。按照FastDNATMSpinKitforSoil試劑盒中說明書步驟提取生物膜中微生物的DNA，提取樣品送至上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司進(jìn)行測(cè)序分析。

2、結(jié)果與討論

2.1 三維固定化生物膜反應(yīng)器的處理效能

2.1.1 不同填充率對(duì)污染物去除效果的影響

在階段Ⅰ和Ⅱ，好氧區(qū)的填料填充率從57.2m2/m3提高到78.8m2/m3，好氧區(qū)對(duì)應(yīng)的生物量從2885mg/L提升到3895mg/L。反應(yīng)器對(duì)COD、TN、NH4+-N等污染物的去除效果如圖2所示。在階段Ⅰ和Ⅱ，進(jìn)水COD濃度波動(dòng)較大，但出水COD濃度整體保持在較低水平，出水COD平均濃度分別為45.09和48.78mg/L，COD平均去除率分別為81.6%和79.6%，SS平均去除率分別為90.46%和88.70%，反應(yīng)器呈現(xiàn)出較強(qiáng)的抗沖擊能力。

從階段Ⅰ到階段Ⅱ，NH4+-N平均去除率從48.85%提升到56.30%，這表明提升反應(yīng)器內(nèi)的填料填充率、增加生物量有利于NH4+-N的去除。劉勇采用固定床薄膜生物反應(yīng)器處理農(nóng)村生活污水，發(fā)現(xiàn)膜卷間隙為5mm時(shí)比10mm時(shí)的COD去除率提升6.7%、NH4+-N去除率提升5.92%、TN去除率提升6.88%，說明在一定范圍內(nèi)縮小膜卷間隙、提高填充率有利于污染物的去除。朱海東在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)填料填充率提升到一定值時(shí)，COD去除率會(huì)出現(xiàn)下降趨勢(shì)，過高的填充率會(huì)削減水流傳質(zhì)，進(jìn)而影響污染物的去除。在本試驗(yàn)中，階段Ⅰ到階段Ⅱ的填料間隙由6mm縮小至3.6mm，已處于較窄水平，繼續(xù)增加填料，發(fā)現(xiàn)填料之間會(huì)重疊，造成堵塞而影響水流傳質(zhì)，將不利于水體中污染物的去除。因此本研究后續(xù)試驗(yàn)固定填充率為78.8m2/m3。

2.1.2 不同混合方式對(duì)污染物去除效果的影響

在階段Ⅲ，缺氧區(qū)采用穿孔管連續(xù)曝氣混合代替推流器攪拌，缺氧區(qū)DO濃度從0.13~0.49mg/L提升至0.21~0.61mg/L，此時(shí)COD和SS去除率依然都保持在80%以上，而NH4+-N和TN平均去除率分別從56.30%和52.19%提升至90.51%和69.18%，由此認(rèn)為曝氣混合方式帶來了更均勻的混合和更好的傳質(zhì)效果，同時(shí)缺氧區(qū)發(fā)生了同步硝化反硝化反應(yīng)，使得脫氮效果提升，這表明穿孔管曝氣作為缺氧區(qū)混合方式在實(shí)際應(yīng)用中是有效的。

連續(xù)曝氣會(huì)造成缺氧區(qū)DO濃度持續(xù)升高，可能影響反硝化效果，因此后續(xù)試驗(yàn)采用間歇曝氣。階段Ⅲ（連續(xù)曝氣）和階段Ⅳ（氣泵開10min停10min循環(huán)運(yùn)行）各污染物的去除效果見圖3。兩階段對(duì)COD的去除率在72.80%~93.47%之間，當(dāng)面臨大水量沖擊時(shí)，出水COD始終穩(wěn)定在60mg/L以下，出水SS穩(wěn)定在20mg/L以下，SS去除率為90.00%~96.51%，說明反應(yīng)器對(duì)SS的截留效果較好，調(diào)整曝氣頻率并未影響其抗沖擊能力。從階段Ⅲ到階段Ⅳ，缺氧區(qū)DO濃度從0.45mg/L降至0.29mg/L，NH4+-N平均去除率從90.51%升至93.95%，出水TN穩(wěn)定在15mg/L以下，TN平均去除率達(dá)到70.84%，脫氮效果得到提升。將缺氧區(qū)混合方式改為間歇曝氣后，對(duì)COD和SS的去除效果影響不大，但有效降低了缺氧區(qū)DO濃度，保障了出水NH4+-N和TN濃度滿足多數(shù)地方農(nóng)村生活污水一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，也削弱了氣體對(duì)生物膜的剪切力，有利于生物膜形成好氧/缺氧微環(huán)境，對(duì)同步硝化反硝化產(chǎn)生積極影響。

2.1.3 不同HRT對(duì)污染物去除效果的影響

反應(yīng)器在不同HRT條件下去除污染物的效果如圖4所示。在階段Ⅳ（HRT=12h），NH4+-N和TN平均去除率分別為92.81%和69.39%，TN去除負(fù)荷為（0.15±0.04）kg/（m3·d）；COD和SS的平均去除率分別為82.47%和88.78%。在階段Ⅴ，將HRT縮短至9h，NH4+-N和TN平均去除率分別為91.85%和63.55%，但出現(xiàn)了出水TN濃度超過15mg/L的情況。在階段Ⅵ，延長HRT至10.5h，NH4+-N和TN平均去除率分別為95.01%和62.76%，出水TN可穩(wěn)定在15mg/L以下。同時(shí)，HRT的變化影響了COD的去除效果，當(dāng)HRT為9、10.5和12h時(shí)，出水COD平均濃度分別為51.01、42.86和38.99mg/L，出水SS平均濃度分別為20.74、11.34和11.85mg/L。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)HRT為9h時(shí)，雖然提升了處理量，但進(jìn)水COD和氨氮負(fù)荷超過了反應(yīng)器的處理能力，導(dǎo)致出水水質(zhì)不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。為了保證反應(yīng)器長效穩(wěn)定運(yùn)行，將HRT調(diào)整為10.5和12h時(shí)，出水COD和TN濃度可滿足當(dāng)前地方農(nóng)村生活污水一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于總磷的去除，反應(yīng)器并未設(shè)置厭氧區(qū)且以純膜法運(yùn)行，剩余污泥量少，目前只能去除部分非溶解性磷。但三維固定化生物膜反應(yīng)器能有效去除污水中的有機(jī)污染物，并具備一定的抗沖擊負(fù)荷能力，可以較好地應(yīng)用于有脫碳除氮需求的項(xiàng)目中。黃偉平等采用以改性聚氨酯填料為載體的MBBR對(duì)城市污水進(jìn)行深度脫氮處理，TN去除負(fù)荷為0.068kg/（m3·d）；程賢良等利用負(fù)載MnO2的改性聚氨酯棉作為生物濾池的載體，對(duì)生活污水進(jìn)行強(qiáng)化脫氮處理，最佳的TN去除負(fù)荷為0.059kg/（m3·d）；丁仁偉通過曝氣強(qiáng)化人工濕地處理污水廠尾水，TN去除負(fù)荷為0.013kg/（m3·d）；韓文杰等采用多級(jí)多段純膜MBBR處理生活污水，TN去除負(fù)荷為（0.16±0.05）kg/（m3·d）。對(duì)比不同工藝處理生活污水的TN去除負(fù)荷，三維固定化生物膜反應(yīng)器相比生物濾池和人工濕地具有明顯的脫氮優(yōu)勢(shì)，與MBBR具有相近的脫氮效果。

2.2 微生物群落結(jié)構(gòu)變化

2.2.1 Alpha多樣性

在明確填充率的階段Ⅱ、改變?nèi)毖趸旌戏绞降碾A段Ⅲ和穩(wěn)定運(yùn)行的階段Ⅳ，分別采集缺氧區(qū)和好氧區(qū)的生物膜樣本，并命名為A1、A2、A3和O1、O2、O3。利用高通量測(cè)序?qū)μ盍仙仙�物膜的微生物群落豐富度和多樣性進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。其中，Sobs指數(shù)值越高表示生物量越高，Chao1和Ace指數(shù)值越高表示群落豐富度越高，Shannon指數(shù)值越高表示微生物多樣性越高，Simpson值越高表示微生物多樣性越低。由表2可知，所有樣本的Coverage均在99.5%以上，說明了測(cè)序結(jié)果的有效性。在缺氧區(qū)，從A1到A2，Chao1和Ace值下降，A2樣本的Simpson指數(shù)是A1的近2倍，并且Shannon和Sobs指數(shù)亦下降，說明階段Ⅲ更改缺氧區(qū)為曝氣混合后，DO濃度的上升對(duì)缺氧區(qū)內(nèi)生物量和豐富度產(chǎn)生了不利影響；從A2到A3，Chao1、Ace、Sobs和Shannon指數(shù)都有上升，表明在調(diào)整為間歇曝氣后，DO濃度的下降有利于生物膜內(nèi)形成穩(wěn)定的微生物群落，微生物的豐富度提升，TN去除率增加，說明DO是影響反硝化效果的主要因素。在好氧區(qū)，從O1到O2，Chao1、Ace和Shannon指數(shù)上升，而Simpson指數(shù)明顯下降，說明在曝氣條件下異養(yǎng)菌大量繁殖，保證了COD的去除效果，提升了好氧區(qū)的生物多樣性，但也造成硝化功能菌群優(yōu)勢(shì)地位不明顯；而從O2到O3，Chao1、Ace指數(shù)均有下降，Shannon指數(shù)亦下降，Simpson指數(shù)略有上升，說明在長期運(yùn)行后，生物膜上的微生物在不斷進(jìn)行生長和脫落，生物膜的結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，生物多樣性降低。

2.2.2 門水平上的微生物群落結(jié)構(gòu)變化

缺氧區(qū)和好氧區(qū)中微生物群落結(jié)構(gòu)在門水平上的變化如圖5所示。可以看出，在不同運(yùn)行階段，缺氧區(qū)和好氧區(qū)生物膜樣本中的功能微生物種類豐富度存在差異，但優(yōu)勢(shì)微生物種類具有相似性。在門水平上，微生物以變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidota）、硝化螺旋菌門（Nitrospirota）、酸桿菌門（Acidobacteriota）、綠彎菌門（Chloroflexi）為主。其中變形菌門是由亞硝化單胞菌屬組成的門，能在好氧條件下穩(wěn)定去除氨氮和降解有機(jī)物及營養(yǎng)物，也被認(rèn)為是活性污泥和生物膜中與氮、磷污染物去除密切相關(guān)的優(yōu)勢(shì)微生物，如叢毛單胞菌科（Comamonadaceae）、紅環(huán)菌科（Rhodocyclaceae）、嗜氫菌科（Hydrogenophilaceae）。變形菌門的相對(duì)豐度由A1中的37.89%升至A2中的46.07%，然后又回落至A3中的33.16%，而在好氧區(qū)，由O1中的29.33%升至O2中的38.14%和O3中的35.88%，這與多樣性分析中各參數(shù)的變化一致，DO濃度的升高，有利于變形菌門成為優(yōu)勢(shì)菌門，缺氧區(qū)調(diào)整為間歇曝氣后，DO濃度下降，變形菌門的相對(duì)豐度亦出現(xiàn)下降。擬桿菌門是一種發(fā)酵細(xì)菌，在厭氧條件下對(duì)顆粒有機(jī)物和蛋白質(zhì)具有去除作用，在缺氧區(qū)，擬桿菌門的相對(duì)豐度由A1的14.91%逐漸升至A3的22.15%，保障了對(duì)COD的穩(wěn)定去除，試驗(yàn)數(shù)據(jù)亦表明改變填料填充率和缺氧區(qū)混合方式并沒有對(duì)COD的去除產(chǎn)生較大影響；在好氧區(qū)，擬桿菌門的相對(duì)豐度由O1的10.95%升至O2的17.70%，再降至O3的13.76%，說明生物膜在生長，但隨著反應(yīng)器的運(yùn)行，生物膜上的一些微生物出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。對(duì)比O1和O3樣本，好氧區(qū)的硝化反應(yīng)特征微生物，例如硝化螺旋菌門的相對(duì)豐度由6.06%升至10.01%，顯著高于缺氧區(qū)的相對(duì)豐度（由A1的3.02%下降至A3的0.86%），具有長污泥齡的硝化菌在不斷富集，王永磊等構(gòu)建的A2O復(fù)合填料生物膜工藝運(yùn)行75d后，硝化螺旋菌門在好氧區(qū)域的相對(duì)豐度為5.86%，表明本工藝在硝化菌群的富集培養(yǎng)方面具有優(yōu)勢(shì)。

2.2.3 屬水平上的微生物群落結(jié)構(gòu)變化

缺氧區(qū)和好氧區(qū)中微生物群落結(jié)構(gòu)在屬水平上的變化如圖6所示。在好氧區(qū)，生物膜中具有硝化作用的微生物主要為硝化螺旋菌屬（Nitrospira）和Ellin6067，二者在O3中的相對(duì)豐度分別為10.00%和0.77%，有研究表明，Nitrospira能夠?qū)?/span>NH4+-N直接氧化為NO3--N，對(duì)硝化過程影響顯著，而且Ellin6067是氨氧化菌（AOB）、Nitrospira是亞硝酸鹽氧化菌（NOB），二者可以加快硝化反應(yīng)的進(jìn)程。在缺氧區(qū)，具有反硝化作用的Rhodocyclaceae和vadinHA17的相對(duì)豐度，分別從A1的3.47%和0.05%提升到A3的10.15%和4.42%，反硝化功能微生物的總相對(duì)豐度從25.92%提升到31.28%，保證了反應(yīng)器對(duì)TN的去除效果。在A2中，脫氯單胞菌屬（Dechloromonas）和陶厄氏菌屬（Thauera）的相對(duì)豐度分別可達(dá)到6.07%和3.90%，是A1中的4.7和15.4倍，Zhen等通過分子生物學(xué)分析表明，Dechloromonas和Thauera的共存可保證缺氧階段氮和磷的高效去除，也可在較高溶解氧環(huán)境下產(chǎn)生同步硝化反硝化反應(yīng)，同時(shí)兩者也是分泌胞外聚合物（EPS）的典型菌屬，有助于系統(tǒng)形成穩(wěn)定的生物膜，可以使掛膜均勻、保證傳質(zhì)效果，在水質(zhì)變化大的生活污水沖擊下依然能保持良好的脫氮效果，這也是階段Ⅲ比階段Ⅱ的DO濃度高，但其TN去除率仍比階段Ⅱ高的原因之一。

3、結(jié)論

①三維固定化生物膜反應(yīng)器在缺氧區(qū)和好氧區(qū)均安裝三維固定式生物簾結(jié)構(gòu)的模塊，以純膜法運(yùn)行，當(dāng)填料填充率從57.2m2/m3增至78.8m2/m3時(shí)，氨氮容積負(fù)荷提高0.02kg/（m3·d）；將缺氧區(qū)的攪拌器混合改為穿孔管曝氣混合時(shí)，TN去除率從52.19%提升到70.84%；再縮短HRT為10.5h時(shí)，NH4+-N和TN平均去除率分別為95.01%、62.76%，相應(yīng)的出水指標(biāo)可以滿足當(dāng)前地方農(nóng)村污水一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

②在HRT為12h、回流比為200%的條件下，三維固定化生物膜反應(yīng)器對(duì)模擬農(nóng)村生活污水中COD、NH4+-N、TN、SS的平均去除率分別可達(dá)到82.47%、92.81%、69.39%、88.78%，出水SS濃度穩(wěn)定在20mg/L以下，TN去除負(fù)荷為（0.15±0.04）kg/（m3·d），反應(yīng)器抗沖擊性能強(qiáng)、處理效果穩(wěn)定。

③微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，隨著反應(yīng)器的運(yùn)行，好氧區(qū)硝化與缺氧區(qū)反硝化相關(guān)功能微生物的相對(duì)豐度均有明顯提升，好氧區(qū)中Nitrospira和Ellin6067的相對(duì)豐度從6.92%提升至10.77%，缺氧區(qū)中Rhodocyclaceae和vadinHA17等反硝化菌的相對(duì)豐度從25.92%提升至31.28%，這些功能微生物共同促進(jìn)了反應(yīng)器的生物除碳脫氮效果。（來源：桂林理工大學(xué)廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，清研環(huán)境科技股份有限公司，桂林理工大學(xué)廣西巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心）