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农村污水处理三维固定化生物膜反应器
来源：广州超禹膜分离技术有限公司
发布时间：2025-11-13 16:44
我国农村人口规模庞大，经济发展水平偏低，当前农村居民产生的大量生活污水仍以直排为主。与城市相比，农村生活污水在水质和水量上存在明显差异，受经济条件、生活习惯、地域气候及地理环境等因素的影响，农村生活污水水质和水量具有较大的波动性。鉴于农村生活污水的特点及其处理设施运维管理水平低等现实情况，使用传统的活性污泥法工艺容易出现“水土不服”、污水处理设施“晒太阳”等问题，因此需要开发适合农村分散式污水处理的工艺技术与设备。
生物膜法具有抗冲击能力强、产泥量少和运维简单等优点，目前已有一些采用生物膜工艺处理农村生活污水的设施，但在运行中仍存在一些问题，如生物接触氧化工艺容易出现曝气、布水不均和填料堵塞等问题；生物滤池需要定期反冲洗，运行管理较为复杂；生物转盘投资费用高、运行维护难度大。聚酯纤维是目前运用较多的一类生物膜填料材质，具有不容易被微生物降解、孔隙分布均匀、挂膜效果好等特点。选用聚酯纤维作为模块填料，将模块设计为三维固定化生物帘的形式，可使模块具有丰富的环流通道，避免发生堵塞，同时模块化、装配式的形式可实现快捷安装、建设周期短。据此，笔者开发了以聚酯纤维为填料的三维固定化生物膜反应器，基于中试考察了填料填充率、缺氧区混合方式及水力停留时间（HRT）对该工艺处理农村生活污水效能的影响，并从微生物学角度分析了反应器的脱氮机理，以期为处理分散型农村生活污水提供技术参考。
一、材料与方法：
① 试验用水和接种污泥：试验采用深圳某水质净化厂的格栅出水模拟农村生活污水，试验期间反应器进水COD、NH4+-N、TN、SS分别为96.08~492.90、16.70~46.10、20.13~49.19、40~352mg/L，设计出水水质执行广东省地方标准《农村生活污水处理排放标准》（DB44/2208—2019）的一级A标准。接种污泥取自该水质净化厂的脱水污泥（含水率为79.6%）。向反应器中加入脱水污泥，连续闷曝48h后通水运行。
② 试验装置和运行方式：试验装置的设计处理量为6m3/d。工艺流程如图1所示，在缺氧区安装一个模块、在好氧区安装两个模块。使用直流水泵将进水桶的污水抽入缺氧区，之后从顶部隔板翻越后进入好氧区底部，好氧区出水口设置在反应器末端，好氧区硝化液经回流管回流至缺氧区前端进行反硝化。反应器采用纯膜法运行，在反应器前后端设置排泥口定期排泥，不设置二沉池。
③ 试验运行条件优化：试验考察了填料填充率、缺氧区混合方式、HRT等参数对三维固定化生物膜反应器处理效果的影响。反应器共运行6个月，分为6个阶段，各阶段的运行条件见表1。在阶段Ⅰ和Ⅱ，分别采用57.2和78.8m2/m3的填料填充率，探究其对污染物去除效果的影响；在阶段Ⅱ和Ⅲ，在缺氧区分别使用搅拌器与穿孔管曝气混合，研究不同混合方式对缺氧区DO浓度以及污染物去除效果的影响；在阶段Ⅲ和Ⅳ，对比持续曝气和开10min停10min的循环运行混合方式对污染物的去除效果；在阶段Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ，调整总HRT分别为12、9、10.5h，探究在保证出水水质达标的情况下反应器的最大处理量。运行期间，硝化液回流比均设置为200%。
④ 常规指标测定：定期取进出水水样测定COD、NH4+-N、NO3--N、TN、SS等指标，并定期检测DO浓度和填料挂膜生物量。其中，COD采用标准重铬酸钾法测定，NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法测定，TN采用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定，NO3--N采用紫外分光光度法测定，SS采用重量法测定。在缺氧区与好氧区的不同位置，多次取50mm×50mm的填料，使用超声波清洗器提取填料上的污泥，采用重量法测定单位面积填料上的生物量，以此换算得到反应器内的生物量。DO采用便携式溶解氧仪检测。
⑤ 微生物学分析：在阶段Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ，分别从缺氧池和好氧池内随机取50mm×50mm的填料，使用超声波清洗器提取填料上的生物膜。缺氧区样本分别命名为A1、A2、A3，好氧区样本分别命名为O1、O2、O3。将生物膜样本置于体积比为1∶1的无水乙醇中，在1h内送到实验室的-80℃超低温冰箱中保存。按照FastDNATMSpinKitforSoil试剂盒中说明书步骤提取生物膜中微生物的DNA，提取样品送至上海美吉生物医药科技有限公司进行测序分析。
二、结果与讨论：
① 不同填充率对污染物去除效果的影响：在阶段Ⅰ和Ⅱ，好氧区的填料填充率从57.2m2/m3提高到78.8m2/m3，好氧区对应的生物量从2885mg/L提升到3895mg/L。反应器对COD、TN、NH4+-N等污染物的去除效果。在阶段Ⅰ和Ⅱ，进水COD浓度波动较大，但出水COD浓度整体保持在较低水平，出水COD平均浓度分别为45.09和48.78mg/L，COD平均去除率分别为81.6%和79.6%，SS平均去除率分别为90.46%和88.70%，反应器呈现出较强的抗冲击能力。从阶段Ⅰ到阶段Ⅱ，NH4+-N平均去除率从48.85%提升到56.30%，这表明提升反应器内的填料填充率、增加生物量有利于NH4+-N的去除。刘勇采用固定床薄膜生物反应器处理农村生活污水，发现膜卷间隙为5mm时比10mm时的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%，说明在一定范围内缩小膜卷间隙、提高填充率有利于污染物的去除。朱海东在试验中发现，当填料填充率提升到一定值时，COD去除率会出现下降趋势，过高的填充率会削减水流传质，进而影响污染物的去除。在本试验中，阶段Ⅰ到阶段Ⅱ的填料间隙由6mm缩小至3.6mm，已处于较窄水平，继续增加填料，发现填料之间会重叠，造成堵塞而影响水流传质，将不利于水体中污染物的去除。因此本研究后续试验固定填充率为78.8m2/m3。
② 不同混合方式对污染物去除效果的影响：在阶段Ⅲ，缺氧区采用穿孔管连续曝气混合代替推流器搅拌，缺氧区DO浓度从0.13~0.49mg/L提升至0.21~0.61mg/L，此时COD和SS去除率依然都保持在80%以上，而NH4+-N和TN平均去除率分别从56.30%和52.19%提升至90.51%和69.18%，由此认为曝气混合方式带来了更均匀的混合和更好的传质效果，同时缺氧区发生了同步硝化反硝化反应，使得脱氮效果提升，这表明穿孔管曝气作为缺氧区混合方式在实际应用中是有效的。
连续曝气会造成缺氧区DO浓度持续升高，可能影响反硝化效果，因此后续试验采用间歇曝气。阶段Ⅲ（连续曝气）和阶段Ⅳ（气泵开10min停10min循环运行）各污染物的去除效果见图3。两阶段对COD的去除率在72.80%~93.47%之间，当面临大水量冲击时，出水COD始终稳定在60mg/L以下，出水SS稳定在20mg/L以下，SS去除率为90.00%~96.51%，说明反应器对SS的截留效果较好，调整曝气频率并未影响其抗冲击能力。从阶段Ⅲ到阶段Ⅳ，缺氧区DO浓度从0.45mg/L降至0.29mg/L，NH4+-N平均去除率从90.51%升至93.95%，出水TN稳定在15mg/L以下，TN平均去除率达到70.84%，脱氮效果得到提升。将缺氧区混合方式改为间歇曝气后，对COD和SS的去除效果影响不大，但有效降低了缺氧区DO浓度，保障了出水NH4+-N和TN浓度满足多数地方农村生活污水一级排放标准，也削弱了气体对生物膜的剪切力，有利于生物膜形成好氧/缺氧微环境，对同步硝化反硝化产生积极影响。
③ 不同HRT对污染物去除效果的影响：反应器在不同HRT条件下去除污染物的效果如图4所示。在阶段Ⅳ（HRT=12h），NH4+-N和TN平均去除率分别为92.81%和69.39%，TN去除负荷为（0.15±0.04）kg/（m3·d）；COD和SS的平均去除率分别为82.47%和88.78%。在阶段Ⅴ，将HRT缩短至9h，NH4+-N和TN平均去除率分别为91.85%和63.55%，但出现了出水TN浓度超过15mg/L的情况。在阶段Ⅵ，延长HRT至10.5h，NH4+-N和TN平均去除率分别为95.01%和62.76%，出水TN可稳定在15mg/L以下。同时，HRT的变化影响了COD的去除效果，当HRT为9、10.5和12h时，出水COD平均浓度分别为51.01、42.86和38.99mg/L，出水SS平均浓度分别为20.74、11.34和11.85mg/L。试验结果表明，当HRT为9h时，虽然提升了处理量，但进水COD和氨氮负荷超过了反应器的处理能力，导致出水水质不能稳定达标。为了保证反应器长效稳定运行，将HRT调整为10.5和12h时，出水COD和TN浓度可满足当前地方农村生活污水一级排放标准。对于总磷的去除，反应器并未设置厌氧区且以纯膜法运行，剩余污泥量少，目前只能去除部分非溶解性磷。但三维固定化生物膜反应器能有效去除污水中的有机污染物，并具备一定的抗冲击负荷能力，可以较好地应用于有脱碳除氮需求的项目中。黄伟平等采用以改性聚氨酯填料为载体的MBBR对城市污水进行深度脱氮处理，TN去除负荷为0.068kg/（m3·d）；程贤良等利用负载MnO2的改性聚氨酯棉作为生物滤池的载体，对生活污水进行强化脱氮处理，最佳的TN去除负荷为0.059kg/（m3·d）；丁仁伟通过曝气强化人工湿地处理污水厂尾水，TN去除负荷为0.013kg/（m3·d）；韩文杰等采用多级多段纯膜MBBR处理生活污水，TN去除负荷为（0.16±0.05）kg/（m3·d）。对比不同工艺处理生活污水的TN去除负荷，三维固定化生物膜反应器相比生物滤池和人工湿地具有明显的脱氮优势，与MBBR具有相近的脱氮效果。
④ Alpha多样性：在明确填充率的阶段Ⅱ、改变缺氧混合方式的阶段Ⅲ和稳定运行的阶段Ⅳ，分别采集缺氧区和好氧区的生物膜样本，并命名为A1、A2、A3和O1、O2、O3。利用高通量测序对填料上生物膜的微生物群落丰富度和多样性进行分析，结果见表2。其中，Sobs指数值越高表示生物量越高，Chao1和Ace指数值越高表示群落丰富度越高，Shannon指数值越高表示微生物多样性越高，Simpson值越高表示微生物多样性越低。由表2可知，所有样本的Coverage均在99.5%以上，说明了测序结果的有效性。在缺氧区，从A1到A2，Chao1和Ace值下降，A2样本的Simpson指数是A1的近2倍，并且Shannon和Sobs指数亦下降，说明阶段Ⅲ更改缺氧区为曝气混合后，DO浓度的上升对缺氧区内生物量和丰富度产生了不利影响；从A2到A3，Chao1、Ace、Sobs和Shannon指数都有上升，表明在调整为间歇曝气后，DO浓度的下降有利于生物膜内形成稳定的微生物群落，微生物的丰富度提升，TN去除率增加，说明DO是影响反硝化效果的主要因素。在好氧区，从O1到O2，Chao1、Ace和Shannon指数上升，而Simpson指数明显下降，说明在曝气条件下异养菌大量繁殖，保证了COD的去除效果，提升了好氧区的生物多样性，但也造成硝化功能菌群优势地位不明显；而从O2到O3，Chao1、Ace指数均有下降，Shannon指数亦下降，Simpson指数略有上升，说明在长期运行后，生物膜上的微生物在不断进行生长和脱落，生物膜的结构相对稳定，生物多样性降低。
⑤ 门水平上的微生物群落结构变化：缺氧区和好氧区中微生物群落结构在门水平上的变化。可以看出，在不同运行阶段，缺氧区和好氧区生物膜样本中的功能微生物种类丰富度存在差异，但优势微生物种类具有相似性。在门水平上，微生物以变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidota）、硝化螺旋菌门（Nitrospirota）、酸杆菌门（Acidobacteriota）、绿弯菌门（Chloroflexi）为主。其中变形菌门是由亚硝化单胞菌属组成的门，能在好氧条件下稳定去除氨氮和降解有机物及营养物，也被认为是活性污泥和生物膜中与氮、磷污染物去除密切相关的优势微生物，如丛毛单胞菌科（Comamonadaceae）、红环菌科（Rhodocyclaceae）、嗜氢菌（Hydrogenophilaceae）。变形菌门的相对丰度由A1中的37.89%升至A2中的46.07%，然后又回落至A3中的33.16%，而在好氧区，由O1中的29.33%升至O2中的38.14%和O3中的35.88%，这与多样性分析中各参数的变化一致，DO浓度的升高，有利于变形菌门成为优势菌门，缺氧区调整为间歇曝气后，DO浓度下降，变形菌门的相对丰度亦出现下降。拟杆菌门是一种发酵细菌，在厌氧条件下对颗粒有机物和蛋白质具有去除作用，在缺氧区，拟杆菌门的相对丰度由A1的14.91%逐渐升至A3的22.15%，保障了对COD的稳定去除，试验数据亦表明改变填料填充率和缺氧区混合方式并没有对COD的去除产生较大影响；在好氧区，拟杆菌门的相对丰度由O1的10.95%升至O2的17.70%，再降至O3的13.76%，说明生物膜在生长，但随着反应器的运行，生物膜上的一些微生物出现脱落现象。对比O1和O3样本，好氧区的硝化反应特征微生物，例如硝化螺旋菌门的相对丰度由6.06%升至10.01%，显著高于缺氧区的相对丰度（由A1的3.02%下降至A3的0.86%），具有长污泥龄的硝化菌在不断富集，王永磊等构建的A2O复合填料生物膜工艺运行75d后，硝化螺旋菌门在好氧区域的相对丰度为5.86%，表明本工艺在硝化菌群的富集培养方面具有优势。
⑥ 属水平上的微生物群落结构变化：缺氧区和好氧区中微生物群落结构在属水平上的变化如图6所示。在好氧区，生物膜中具有硝化作用的微生物主要为硝化螺旋菌属（Nitrospira）和Ellin6067，二者在O3中的相对丰度分别为10.00%和0.77%，有研究表明，Nitrospira能够将NH4+-N直接氧化为NO3--N，对硝化过程影响显著，而且Ellin6067是氨氧化菌（AOB）、Nitrospira是亚硝酸盐氧化菌（NOB），二者可以加快硝化反应的进程。在缺氧区，具有反硝化作用的Rhodocyclaceae和vadinHA17的相对丰度，分别从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总相对丰度从25.92%提升到31.28%，保证了反应器对TN的去除效果。在A2中，脱氯单胞菌属（Dechloromonas）和陶厄氏菌属（Thauera）的相对丰度分别可达到6.07%和3.90%，是A1中的4.7和15.4倍，Zhen等通过分子生物学分析表明，Dechloromonas和Thauera的共存可保证缺氧阶段氮和磷的高效去除，也可在较高溶解氧环境下产生同步硝化反硝化反应，同时两者也是分泌胞外聚合物（EPS）的典型菌属，有助于系统形成稳定的生物膜，可以使挂膜均匀、保证传质效果，在水质变化大的生活污水冲击下依然能保持良好的脱氮效果，这也是阶段Ⅲ比阶段Ⅱ的DO浓度高，但其TN去除率仍比阶段Ⅱ高的原因之一。
三、结论：
① 三维固定化生物膜反应器在缺氧区和好氧区均安装三维固定式生物帘结构的模块，以纯膜法运行，当填料填充率从57.2m2/m3增至78.8m2/m3时，氨氮容积负荷提高0.02kg/（m3·d）；将缺氧区的搅拌器混合改为穿孔管曝气混合时，TN去除率从52.19%提升到70.84%；再缩短HRT为10.5h时，NH4+-N和TN平均去除率分别为95.01%、62.76%，相应的出水指标可以满足当前地方农村污水一级排放标准。
② 在HRT为12h、回流比为200%的条件下，三维固定化生物膜反应器对模拟农村生活污水中COD、NH4+-N、TN、SS的平均去除率分别可达到82.47%、92.81%、69.39%、88.78%，出水SS浓度稳定在20mg/L以下，TN去除负荷为（0.15±0.04）kg/（m3·d），反应器抗冲击性能强、处理效果稳定。
③ 微生物多样性和群落结构分析结果表明，随着反应器的运行，好氧区硝化与缺氧区反硝化相关功能微生物的相对丰度均有明显提升，好氧区中Nitrospira和Ellin6067的相对丰度从6.92%提升至10.77%，缺氧区中Rhodocyclaceae和vadinHA17等反硝化菌的相对丰度从25.92%提升至31.28%，这些功能微生物共同促进了反应器的生物除碳脱氮效果。
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