摘要：在乡村振兴建设和提高农民生活水平的背景下，如何有效地处理好农村生活污水已是当务之急。设计的自动高效 生物膜反应器启动时，采污水处理厂污水流，进水达到以下条件：COD 为 339.2 mg/L ± 93.2 mg/L、NH-N 为 46.3 mg/L ± 12.1 mg/L、TSS 为 123.1 mg/L ± 30.9 mg/L。在启动自清洗高效生物膜反应器的 10 天，同步上升的 COD 和  的去除率趋势明显，并最后去除率达 80%、90% 以上。表明该系统能较好地适应于水质波动较大的污水，系统污水处理达 到农村水质处理二级标准。

　　关键词：生物膜反应器；微生物；MBBR和 BAF 组合

　　0 引言

　　本项目根据我国农村生活污水治理的实际情 况和特点，将曝气式生物滤池与生物膜反应器之优 势相融合，设计生物处理与过滤合一的自清洗高效 生物膜反应器，对正常操作状态下，在有机物负载情 况下，反应器的启动及其效果、好氧区与过滤区的作 用、自清洗前后生物膜特性和污物去除特性进行了研 究。本项目将为新型自清洗高效生物膜反应器的设 计及其在我国农村生活污水治理中的实际应用提供 一定参考。

　　1 自清洗反应器的设计

　　本项目拟将 MBBR 与 BAF 联用，生物膜基体以 大孔隙颗粒状悬浮填料实施，利用 BAF 的充填模式， 将传统的 BAF 充填比例从 40%～65% 提升到 90% 以 上，从而构筑出具有自主知识产权的新型的自洁、高效、 集成化生物膜反应器。反应器呈圆柱状，高 0.42 m，内  径 0.281 m，容积 15 L，好氧功能区和过滤功能区用 一块高 0.25 m 的有机玻璃隔板分开，在隔离层的底面和反应釜的底面之间，留出 0.04 m 的距离，为过水 及自清洗填料流化留出一定的空间。在隔板的上方， 留出充足空间，以供在自清洗时的填料流化使用。该 工艺在常规工况下，填充量为 90%，以堆积型和悬浮 型为主，因隔膜的阻挡，将其分为上下两部分。废水经 上游进入好氧区曝气后，过滤区接收自隔膜下方进入 的堆积型填料，从下游排出堆积型大孔隙的填充型填 料。在不同的水质条件下，系统的 HRT 可随水质的变 化而变化。针对高填充率的填料易发生阻塞而导致的 系统性能下降等问题，本项目拟采用每日 1 h 的自洁 周期，即在冲洗初期，将原有废水连续灌入，并将其 提升到反应器上部溢流口处。这时，当填充率降低到 60% 时，增加好氧区通气量，通过水流冲洗及通气，将 填料从好氧区上部流向过滤区。继续通过水流冲洗，将 过滤区中的填料从隔板下部回流到好氧区，从而实现 两个功能区之间的填料循环流动。并利用水流的剪切， 将被冲洗后的残渣及其他杂物从流出水中排放出去。 在循环的自净作用完成后，通水口开启，水平面降低到 原来的水平，将剩余的污水排放出去，使填充物恢复到原来的悬空和聚集状态，从而达到正常的工作方式。

　　利用 BAF 具有的高填充率、自带过滤和周期性 冲刷等特性，在提升 MBBR 单元容量的同时，在循环 自洗阶段增加曝气量，降低 MBBR 因维持高曝气量 而带来的能量损耗。从 BAF 的角度出发，利用 MBBR  中的颗粒空隙大等优点，大大提高了 BAF 中的微生 物生存空间，并采用了该滤池的自洁式循环流化技 术，很好改进了滤池内之反冲洗效果。该反应器将两 种污水处理技术结合起来，生成了小型分散式装置的 一体化，并在农村生活污水的处理中得到很好的运用， 使有机物去除、脱氮及悬浮固体的效果得到了较好的 保证。

　　2 项目分析和检测方法

　　2.1 常规水质检测之法

　　在本系统运转期间，每日对两个区域的入水中和 出水中的样品进行日常监测，监测结果根据《水和废 水检测分析方法》 (第4版) 中规定的监测结果为准， 监测和分析方法如表 1 所示。

　　2.2 生物膜之特性分析法

　　利用倒置荧光显微镜 (Olympus，IX71) 来对在悬 浮填料表面上的生物膜厚度进行测定。将悬浮填料从反 应器中捞出后，用去离子水冲洗。然后，切割为 1 mm 厚的片状，置放在 10 倍倒置荧光显微镜下观测。参数 设定好后，可以进行多个视角的选择，对其厚度进行 测量，然后拍摄。在本实验装置中，以每单位体积的悬 浮体上的生物膜质量为测量标准，并通过称重方法来 测量，具体做法是：将一定量的填充物用 DI 水反复冲 洗三遍，冲洗干净填充物表面的污垢；然后用抹布沾上 DI 水，用刷子将填充物上的生物薄膜从填充物上刮下 来；再用一定量的滤纸将其过滤，然后放到 105  ℃的 烤炉里烘至恒重，冷却后称量；最后将烘至恒重的滤 纸去掉，就是生物薄膜的质量。

　　2.3 测定生物量方法

　　以每体积悬浮填充料上的生物膜的质量，也就 是 MLSS(混合液沉淀液) 为本反应器中的生物量，并 通过称重方法进行测量。具体做法是：将一定量的填 充物用去离子水反复冲洗三遍，冲洗干净填充物表面 的污垢，然后用棉花棒和去离子水用刮刀将填充物上 的生物膜刮下来，再用一定量的滤纸将其过滤，放在 105  ℃的烤炉中烘干至恒重，冷却后将其放到干燥器 皿中，烘至恒重，将其与滤纸进行对比，得到的结果就 是生物膜的重量。

　　2.4 反应器运行时好氧和过滤区作用

　　采用 Nexcope，NIB910FL(倒置荧光显微镜) 技 术测定生物膜表面的厚度情况，并对生物膜进行形 态分析。通过对好氧区与过滤区进行放大 10～50 倍 的显微观察，可以看到在好氧区生物膜较过滤区要厚 实，颗粒更大，聚集更多，这是因为在好氧区 DO 和基 质条件较好，使得硝化细菌与异养细菌快速繁殖，从 而使其形成更厚的生物膜。过滤区是一种低氧环境， 可获得的有机质相对于好氧区而言很低，所以过滤区 的生物膜也要薄于好氧区。此外，还表明在载体中，角部 和脊部的膜层厚度显著厚于载体内表面的膜层，这说明 载体中的膜层具有更好的耐腐蚀性能。通过对两个功 能区中生物量和生物层厚度的观测，可以看出：好氧 区中生物层的平均厚度为 263.65 μm ±91.47 μm，高 于过滤区 (186.68 μm ±57.68 μm)1.40 倍。这一结果 的出现将确保好氧区的生化性能稳定，并增强其对外 界因子的适应性，从而增强其对外界因子的响应。过 滤区中，除原有在缺氧条件下生长的填充剂外，好氧 区中的填充剂也通过自洁过程流化进入过滤区，这些 填充剂具有好氧区中的一些生化作用。在好氧区中， 有机物没有完全被处理的情况下，可以对有机物进行 二次降解，但其可利用的养分较少，溶解氧浓度偏低， 导致了生物膜的生长速度较慢，且比不上好氧区，生 物量和生物膜厚度少于好氧区。

　　3 反应器启动及其运行性能

　　3.1 反应器启动及其效果

　　在启动反应器时，操作使用的是污水处理厂原有 的实际污水流，最初的污水循环为低负荷，3 h 为空床 水力停留时间，系统稳定后就可逐渐增加进水负荷。 进水达到以下条件：COD 为 339.2 mg/L±93.2 mg/L；NH-N 为 46.3 mg/L ± 12.1 mg/L；TSS 为 123.1 mg/L±30.9 mg/L。在启动自清洗高效生物膜反应器的第 10 d， 同步上升的 COD 和  的去除率趋势明显，并最 后将 80% 和 90% 以上的去除率保持，这表明该系统 能较好地适应于水质波动较大的污水。

　　3.2 自清洗前后之生物膜特性

　　在实际应用中，由于 90% 以上的填充量使得反 应器不能像 MBBR 那样迅速地进行生物膜的更新， 使反应器内迅速积累大量的微生物，导致了反应器的 堵塞。当生物膜的厚度增大时，吸附在载体上的菌体 对侵蚀的耐受性增强。在该工艺中，填料在流化床中 流动，空气中的撞击和流体的剪切作用将颗粒上的微 生物和悬浮颗粒清除，只剩下耐撞击的生物膜。这样 当进行系统的自洁时，可以有效地解决填料的阻塞问 题，并将许多的生物膜和被拦截的悬浮物迅速除去， 防止因被覆盖或被拦截的悬浮物太多而引起的底质 传递效率下降，进而引起硝化性能下降的问题。

　　3.3 自清洗前后污物去除特性

　　为探讨自清洗过程对系统除去污染物性能的影 响，科研人员在不同阶段进行了 7 次自清洗前后系统 沿程试验，考虑到该系统的生化功能以降解有机物和 硝化作用为主，故沿程试验是在填料流化状态下 (填 充率为 60%) 连续曝气 3 h 的状况下，对自清洗前后 微生物比 SCOD 降解速率和比硝化速率的变化进行 分析。目前，大部分的分析都使用了人工合成废水来 进行实验，虽然在合成废水中，NH4+-N 和有机物等主 要污染物的含量，与真实的污水相比可能没有太大的 区别。然而，由于忽略了微量元素、有机物组成及水质 干扰等对系统产生的影响，对试验结果的可靠性造成 了很大的影响，所以试验时对各运行阶段的实际进水 污水进行了直接使用。

　　在自清洗前后，系统比 SCOD 降解速率和比硝 化速率的变化，可通过配对 t 检验，进行关联性分析。 分析后发现，平均比 SCOD 降解速率由自清洗前的 5.6 gSCOD/(m2 ·d)±2.76 gSCOD/(m2 ·d) 上升，为自清 洗后的 6.99 gSCOD/(m2 ·d)±2.64 gSCOD/(m2 ·d)，平均比硝化速率由自清洗前的 0.79  gNH-N/(m2 ·d)±0.26 gNH-N/(m2 ·d) 上升到了清洁后的 1.01(2 ·d) ~0.29(2 ·d)。利用配对 t 检验可以得出，比 SCOD 降解速率为 0,055、0.041(p<0.05)，从而确认了在自清 洗后，比 SCOD 降解速率和比硝化速率都有明显的 提高。过度生长的生物膜在自清洗过程中被洗出反 应器，有效解决料堵塞问题。同时也洗脱了一些已经 衰亡之生物膜，从充足的空间方面为新生生物膜的 生长提供了条件，生物膜的更新换代能够更好地实 现，促使载体表面的传递效率及营养物质的利用率得 到了显著提高，从而使反应速率得到了提高，进一步 证明了需要维持系统高效处理能力，自清洗过程不能省略。

　　好氧区对 COD 的脱除贡献分别为 59.93% ± 11.22% 对NH-N 的脱除贡献分别为 66.87% ± 12.89%， 对 TIN 和 TSS 的脱除贡献分别为 31.11% ± 16.21%， 对 TSS 和 TSS 的脱除贡献分别为 63.89% ± 15.88%， 它们是整个体系的主反应区，对体系中的大多数有机 质降解和硝化和反硝化过程起到了主导作用。过滤区是 副反应区，除对三类固体废物进行截流和隔离外，还对 其进行了强化生化处理，以确保出水质量达到标准。

　　相对于过滤区，好氧区的珍稀物种类更多，生物 多样性也更高。在好氧区中，变形菌、厚壁菌在过滤区 相对丰富；在过滤区中，绿弯菌门、放线菌门在其中的 含量相对丰富。同时在好氧区中，变形菌门的数量则 随气温的下降而明显增多。

　　4 结语

　　自清洁型 BF 在常规工况下存在着高填充率和不 能流动等问题，无法有效更新 BF。而通过系统的循环自 清洁，能够使 BF 周期更新，从而保持系统的高效率和 高稳定性，促使污染物去除能力维持在稳定的水平。

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