我國農村人口規模龐大，經濟發展水平偏低，當前農村居民產生的大量生活污水仍以直排為主。與城市相比，農村生活污水在水質和水量上存在明顯差異，受經濟條件、生活習慣、地域氣候及地理環境等因素的影響，農村生活污水水質和水量具有較大的波動性。鑒于農村生活污水的特點及其處理設施運維管理水平低等現實情況，使用傳統的活性污泥法工藝容易出現“水土不服”、污水處理設施“曬太陽”等問題，因此需要開發適合農村分散式污水處理的工藝技術與設備。
生物膜法具有抗沖擊能力強、產泥量少和運維簡單等優點，目前已有一些采用生物膜工藝處理農村生活污水的設施，但在運行中仍存在一些問題，如生物接觸氧化工藝容易出現曝氣、布水不均和填料堵塞等問題；生物濾池需要定期反沖洗，運行管理較為復雜；生物轉盤投資費用高、運行維護難度大。聚酯纖維是目前運用較多的一類生物膜填料材質，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。選用聚酯纖維作為模塊填料，將模塊設計為三維固定化生物簾的形式，可使模塊具有豐富的環流通道，避免發生堵塞，同時模塊化、裝配式的形式可實現快捷安裝、建設周期短。據此，筆者開發了以聚酯纖維為填料的三維固定化生物膜反應器，基于中試考察了填料填充率、缺氧區混合方式及水力停留時間（HRT）對該工藝處理農村生活污水效能的影響，并從微生物學角度分析了反應器的脫氮機理，以期為處理分散型農村生活污水提供技術參考。
1、材料與方法
1.1 試驗用水和接種污泥
試驗采用深圳某水質凈化廠的格柵出水模擬農村生活污水，試驗期間反應器進水COD、NH4+-N、TN、SS分別為96.08~492.90、16.70~46.10、20.13~49.19、40~352mg/L，設計出水水質執行廣東省地方標準《農村生活污水處理排放標準》（DB44/2208—2019）的一級A標準。接種污泥取自該水質凈化廠的脫水污泥（含水率為79.6%）。向反應器中加入脫水污泥，連續悶曝48h后通水運行。
1.2 試驗裝置和運行方式
試驗裝置的設計處理量為6m3/d。工藝流程如圖1所示，在缺氧區安裝一個模塊、在好氧區安裝兩個模塊。使用直流水泵將進水桶的污水抽入缺氧區，之后從頂部隔板翻越后進入好氧區底部，好氧區出水口設置在反應器末端，好氧區硝化液經回流管回流至缺氧區前端進行反硝化。反應器采用純膜法運行，在反應器前后端設置排泥口定期排泥，不設置二沉池。
1.3 試驗運行條件優化
試驗考察了填料填充率、缺氧區混合方式、HRT等參數對三維固定化生物膜反應器處理效果的影響。反應器共運行6個月，分為6個階段，各階段的運行條件見表1。在階段Ⅰ和Ⅱ，分別采用57.2和78.8m2/m3的填料填充率，探究其對污染物去除效果的影響；在階段Ⅱ和Ⅲ，在缺氧區分別使用攪拌器與穿孔管曝氣混合，研究不同混合方式對缺氧區DO濃度以及污染物去除效果的影響；在階段Ⅲ和Ⅳ，對比持續曝氣和開10min停10min的循環運行混合方式對污染物的去除效果；在階段Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ，調整總HRT分別為12、9、10.5h，探究在保證出水水質達標的情況下反應器的最大處理量。運行期間，硝化液回流比均設置為200%。
1.4 檢測項目與方法
1.4.1 常規指標測定
定期取進出水水樣測定COD、NH4+-N、NO3--N、TN、SS等指標，并定期檢測DO濃度和填料掛膜生物量。其中，COD采用標準重鉻酸鉀法測定，NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測定，TN采用堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定，NO3--N采用紫外分光光度法測定，SS采用重量法測定。在缺氧區與好氧區的不同位置，多次取50mm×50mm的填料，使用超聲波清洗器提取填料上的污泥，采用重量法測定單位面積填料上的生物量，以此換算得到反應器內的生物量。DO采用便攜式溶解氧儀檢測。
1.4.2 微生物學分析
在階段Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ，分別從缺氧池和好氧池內隨機取50mm×50mm的填料，使用超聲波清洗器提取填料上的生物膜。缺氧區樣本分別命名為A1、A2、A3，好氧區樣本分別命名為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內送到實驗室的-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藥科技有限公司進行測序分析。
2、結果與討論
2.1 三維固定化生物膜反應器的處理效能
2.1.1 不同填充率對污染物去除效果的影響
在階段Ⅰ和Ⅱ，好氧區的填料填充率從57.2m2/m3提高到78.8m2/m3，好氧區對應的生物量從2885mg/L提升到3895mg/L。反應器對COD、TN、NH4+-N等污染物的去除效果如圖2所示。在階段Ⅰ和Ⅱ，進水COD濃度波動較大，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%，反應器呈現出較強的抗沖擊能力。
從階段Ⅰ到階段Ⅱ，NH4+-N平均去除率從48.85%提升到56.30%，這表明提升反應器內的填料填充率、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器處理農村生活污水，發現膜卷間隙為5mm時比10mm時的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。朱海東在試驗中發現，當填料填充率提升到一定值時，COD去除率會出現下降趨勢，過高的填充率會削減水流傳質，進而影響污染物的去除。在本試驗中，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，繼續增加填料，發現填料之間會重疊，造成堵塞而影響水流傳質，將不利于水體中污染物的去除。因此本研究后續試驗固定填充率為78.8m2/m3。
2.1.2 不同混合方式對污染物去除效果的影響
在階段Ⅲ，缺氧區采用穿孔管連續曝氣混合代替推流器攪拌，缺氧區DO濃度從0.13~0.49mg/L提升至0.21~0.61mg/L，此時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%，由此認為曝氣混合方式帶來了更均勻的混合和更好的傳質效果，同時缺氧區發生了同步硝化反硝化反應，使得脫氮效果提升，這表明穿孔管曝氣作為缺氧區混合方式在實際應用中是有效的。
連續曝氣會造成缺氧區DO濃度持續升高，可能影響反硝化效果，因此后續試驗采用間歇曝氣。階段Ⅲ（連續曝氣）和階段Ⅳ（氣泵開10min停10min循環運行）各污染物的去除效果見圖3。兩階段對COD的去除率在72.80%~93.47%之間，當面臨大水量沖擊時，出水COD始終穩定在60mg/L以下，出水SS穩定在20mg/L以下，SS去除率為90.00%~96.51%，說明反應器對SS的截留效果較好，調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穩定在15mg/L以下，TN平均去除率達到70.84%，脫氮效果得到提升。將缺氧區混合方式改為間歇曝氣后，對COD和SS的去除效果影響不大，但有效降低了缺氧區DO濃度，保障了出水NH4+-N和TN濃度滿足多數地方農村生活污水一級排放標準，也削弱了氣體對生物膜的剪切力，有利于生物膜形成好氧/缺氧微環境，對同步硝化反硝化產生積極影響。
2.1.3 不同HRT對污染物去除效果的影響
反應器在不同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可穩定在15mg/L以下。同時，HRT的變化影響了COD的去除效果，當HRT為9、10.5和12h時，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。試驗結果表明，當HRT為9h時，雖然提升了處理量，但進水COD和氨氮負荷超過了反應器的處理能力，導致出水水質不能穩定達標。為了保證反應器長效穩定運行，將HRT調整為10.5和12h時，出水COD和TN濃度可滿足當前地方農村生活污水一級排放標準。對于總磷的去除，反應器并未設置厭氧區且以純膜法運行，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器能有效去除污水中的有機污染物，并具備一定的抗沖擊負荷能力，可以較好地應用于有脫碳除氮需求的項目中。黃偉平等采用以改性聚氨酯填料為載體的MBBR對城市污水進行深度脫氮處理，TN去除負荷為0.068kg/（m3·d）；程賢良等利用負載MnO2的改性聚氨酯棉作為生物濾池的載體，對生活污水進行強化脫氮處理，最佳的TN去除負荷為0.059kg/（m3·d）；丁仁偉通過曝氣強化人工濕地處理污水廠尾水，TN去除負荷為0.013kg/（m3·d）；韓文杰等采用多級多段純膜MBBR處理生活污水，TN去除負荷為（0.16±0.05）kg/（m3·d）。對比不同工藝處理生活污水的TN去除負荷，三維固定化生物膜反應器相比生物濾池和人工濕地具有明顯的脫氮優勢，與MBBR具有相近的脫氮效果。
2.2 微生物群落結構變化
2.2.1 Alpha多樣性
在明確填充率的階段Ⅱ、改變缺氧混合方式的階段Ⅲ和穩定運行的階段Ⅳ，分別采集缺氧區和好氧區的生物膜樣本，并命名為A1、A2、A3和O1、O2、O3。利用高通量測序對填料上生物膜的微生物群落豐富度和多樣性進行分析，結果見表2。其中，Sobs指數值越高表示生物量越高，Chao1和Ace指數值越高表示群落豐富度越高，Shannon指數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，說明了測序結果的有效性。在缺氧區，從A1到A2，Chao1和Ace值下降，A2樣本的Simpson指數是A1的近2倍，并且Shannon和Sobs指數亦下降，說明階段Ⅲ更改缺氧區為曝氣混合后，DO濃度的上升對缺氧區內生物量和豐富度產生了不利影響；從A2到A3，Chao1、Ace、Sobs和Shannon指數都有上升，表明在調整為間歇曝氣后，DO濃度的下降有利于生物膜內形成穩定的微生物群落，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，從O1到O2，Chao1、Ace和Shannon指數上升，而Simpson指數明顯下降，說明在曝氣條件下異養菌大量繁殖，保證了COD的去除效果，提升了好氧區的生物多樣性，但也造成硝化功能菌群優勢地位不明顯；而從O2到O3，Chao1、Ace指數均有下降，Shannon指數亦下降，Simpson指數略有上升，說明在長期運行后，生物膜上的微生物在不斷進行生長和脫落，生物膜的結構相對穩定，生物多樣性降低。
2.2.2 門水平上的微生物群落結構變化
缺氧區和好氧區中微生物群落結構在門水平上的變化如圖5所示。可以看出，在不同運行階段，缺氧區和好氧區生物膜樣本中的功能微生物種類豐富度存在差異，但優勢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，能在好氧條件下穩定去除氨氮和降解有機物及營養物，也被認為是活性污泥和生物膜中與氮、磷污染物去除密切相關的優勢微生物，如叢毛單胞菌科（Comamonadaceae）、紅環菌科（Rhodocyclaceae）、嗜氫菌科（Hydrogenophilaceae）。變形菌門的相對豐度由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，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的變化一致，DO濃度的升高，有利于變形菌門成為優勢菌門，缺氧區調整為間歇曝氣后，DO濃度下降，變形菌門的相對豐度亦出現下降。擬桿菌門是一種發酵細菌，在厭氧條件下對顆粒有機物和蛋白質具有去除作用，在缺氧區，擬桿菌門的相對豐度由A1的14.91%逐漸升至A3的22.15%，保障了對COD的穩定去除，試驗數據亦表明改變填料填充率和缺氧區混合方式并沒有對COD的去除產生較大影響；在好氧區，擬桿菌門的相對豐度由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，但隨著反應器的運行，生物膜上的一些微生物出現脫落現象。對比O1和O3樣本，好氧區的硝化反應特征微生物，例如硝化螺旋菌門的相對豐度由6.06%升至10.01%，顯著高于缺氧區的相對豐度（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，王永磊等構建的A2O復合填料生物膜工藝運行75d后，硝化螺旋菌門在好氧區域的相對豐度為5.86%，表明本工藝在硝化菌群的富集培養方面具有優勢。
2.2.3 屬水平上的微生物群落結構變化
缺氧區和好氧區中微生物群落結構在屬水平上的變化如圖6所示。在好氧區，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中的相對豐度分別為10.00%和0.77%，有研究表明，Nitrospira能夠將NH4+-N直接氧化為NO3--N，對硝化過程影響顯著，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的進程。在缺氧區，具有反硝化作用的Rhodocyclaceae和vadinHA17的相對豐度，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豐度從25.92%提升到31.28%，保證了反應器對TN的去除效果。在A2中，脫氯單胞菌屬（Dechloromonas）和陶厄氏菌屬（Thauera）的相對豐度分別可達到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境下產生同步硝化反硝化反應，同時兩者也是分泌胞外聚合物（EPS）的典型菌屬，有助于系統形成穩定的生物膜，可以使掛膜均勻、保證傳質效果，在水質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、結論
①三維固定化生物膜反應器在缺氧區和好氧區均安裝三維固定式生物簾結構的模塊，以純膜法運行，當填料填充率從57.2m2/m3增至78.8m2/m3時，氨氮容積負荷提高0.02kg/（m3·d）；將缺氧區的攪拌器混合改為穿孔管曝氣混合時，TN去除率從52.19%提升到70.84%；再縮短HRT為10.5h時，NH4+-N和TN平均去除率分別為95.01%、62.76%，相應的出水指標可以滿足當前地方農村污水一級排放標準。
②在HRT為12h、回流比為200%的條件下，三維固定化生物膜反應器對模擬農村生活污水中COD、NH4+-N、TN、SS的平均去除率分別可達到82.47%、92.81%、69.39%、88.78%，出水SS濃度穩定在20mg/L以下，TN去除負荷為（0.15±0.04）kg/（m3·d），反應器抗沖擊性能強、處理效果穩定。
③微生物多樣性和群落結構分析結果表明，隨著反應器的運行，好氧區硝化與缺氧區反硝化相關功能微生物的相對豐度均有明顯提升，好氧區中Nitrospira和Ellin6067的相對豐度從6.92%提升至10.77%，缺氧區中Rhodocyclaceae和vadinHA17等反硝化菌的相對豐度從25.92%提升至31.28%，這些功能微生物共同促進了反應器的生物除碳脫氮效果。（來源：桂林理工大學廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室，清研環境科技股份有限公司，桂林理工大學廣西巖溶地區水污染控制與用水安全保障協同創新中心）
