New Integrated Self-Refluxing Rotating Biological Contactor for rural sewage treatment

用于農(nóng)村污水處理的新型集成自回流旋轉(zhuǎn)生物接觸器

來(lái)源：Journal of Cleaner Production, Volume 217, 2019, Pages 324-334

《清潔生產(chǎn)雜志》，第217卷，2019年，第324-334頁(yè)

 

摘要：

這篇論文針對(duì)中國(guó)農(nóng)村污水污染問(wèn)題，開發(fā)了一種新型集成自回流旋轉(zhuǎn)生物接觸器（NISRRBC）技術(shù)。通過(guò)正交試驗(yàn)確定了最佳操作參數(shù)（轉(zhuǎn)速5 r/min、水力停留時(shí)間8 h、盤片淹沒(méi)直徑40%、回流比200%），并在實(shí)驗(yàn)室和中試規(guī)模驗(yàn)證其性能。結(jié)果表明，與0%回流相比，200%回流提高了污染物去除率（COD、SS、NH4-N和TN分別增加5.25%、5.49%、5.67%和32.63%），減少了污泥產(chǎn)量，且生物膜形成良好的微環(huán)境和功能菌群分層。中試出水達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 18918-2002）B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，證明NISRRBC因污泥產(chǎn)量低、集成設(shè)計(jì)和操作簡(jiǎn)單，是農(nóng)村污水處理的優(yōu)先選擇。

 

研究目的：

本研究旨在開發(fā)一種經(jīng)濟(jì)、高效、穩(wěn)定的NISRRBC技術(shù)用于農(nóng)村污水處理，通過(guò)優(yōu)化操作參數(shù)（如回流比），分析回流對(duì)污染物去除效率、污泥產(chǎn)量、生物膜微環(huán)境及微生物群落的影響，并驗(yàn)證其中試應(yīng)用效果，為中國(guó)農(nóng)村污水治理提供技術(shù)支持。

 

研究思路：

研究首先通過(guò)正交試驗(yàn)（L9(3^4)設(shè)計(jì)）確定NISRRBC的最佳操作參數(shù)（轉(zhuǎn)速、HRT、淹沒(méi)直徑和回流比），以總氮去除率為指標(biāo)。隨后，在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模比較0%回流（對(duì)照組）和200%回流（實(shí)驗(yàn)組）下的污水處理效率、污泥產(chǎn)量、生物膜微環(huán)境（如溶解氧和氧化還原電位分布）和微生物群落特性（通過(guò)DGGE和測(cè)序分析）。最后，進(jìn)行中試規(guī)模驗(yàn)證，評(píng)估實(shí)際應(yīng)用效果。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義：

1 污染物去除率數(shù)據(jù)（COD、SS、NH4-N、TN），來(lái)自Fig.3。研究意義：200%回流下，COD、SS、NH4-N和TN去除率分別達(dá)93.30%、93.55%、97.28%和74.21%，出水濃度分別為15.34、5.32、1.70和12.73 mg/L，表明回流顯著提升脫氮效率，尤其TN去除率提高32.63%，為解決農(nóng)村污水低碳氮比問(wèn)題提供方案。

 

2 污泥產(chǎn)量數(shù)據(jù)，來(lái)自Fig.4。研究意義：200%回流時(shí)污泥產(chǎn)量減少33.03%（平均5.07 g MLSS/d），污泥排放頻率從每12小時(shí)降至每20天一次，降低了運(yùn)營(yíng)成本和處理負(fù)擔(dān)，適合缺乏專業(yè)人員的農(nóng)村地區(qū)。

 

3 溶解氧（DO）和氧化還原電位（ORP）分布數(shù)據(jù)，來(lái)自Fig.5（使用丹麥Unisense微電極測(cè)量）。研究意義：DO濃度從生物膜表層（7-8 mg/L）向內(nèi)層遞減至200μm處＞2 mg/L、500μm處1-2 mg/L、1000μm處＜0.2 mg/L；ORP從表層＞200 mV降至深層＜0 mV，揭示生物膜內(nèi)好氧（0-200μm）、缺氧（200-1000μm）和厭氧（＞1000μm）分層，回流增強(qiáng)了微環(huán)境梯度，促進(jìn)硝化和反硝化協(xié)同作用。

 

4 微生物群落分布數(shù)據(jù)，來(lái)自Fig.6。研究意義：外層生物膜以γ-變形菌、疣微菌和厚壁菌為主，多樣性高；內(nèi)層以厭氧菌為主，多樣性低。回流使功能菌群（如硝化菌和反硝化菌）空間分層優(yōu)化，支持高效污染物降解。

 

5 中試性能數(shù)據(jù)，來(lái)自Fig.7和Fig.8。研究意義：中試NISRRBC的COD、SS、NH4-N和TN去除率分別達(dá)89.21%、88.92%、93.06%和76%，出水符合排放標(biāo)準(zhǔn)，且污泥排放次數(shù)少（一年僅12次），驗(yàn)證技術(shù)可行性和穩(wěn)定性。

 

 

結(jié)論：

1 NISRRBC在最佳參數(shù)（轉(zhuǎn)速5 r/min、HRT 8 h、淹沒(méi)直徑40%、回流比200%）下運(yùn)行良好，200%回流顯著提高TN去除率至74.21%，并減少污泥產(chǎn)量。

2 回流通過(guò)增加生物膜生物量和硝酸鹽濃度，優(yōu)化微環(huán)境分層（好氧-缺氧-厭氧），促進(jìn)微生物功能協(xié)同，提升處理效率。

3 中試結(jié)果表明NISRRBC出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，操作簡(jiǎn)單，污泥產(chǎn)量低，適合農(nóng)村污水處理推廣。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義：

本研究使用丹麥Unisense微電極（型號(hào)PA2000，尖端直徑10μm）在線測(cè)量生物膜內(nèi)的溶解氧（DO）和氧化還原電位（ORP）。研究意義在于：這些高精度測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)揭示了生物膜內(nèi)部的微環(huán)境分層動(dòng)態(tài)。如圖5所示，DO和ORP從表層到深層呈現(xiàn)梯度變化，明確劃分出好氧、缺氧和厭氧區(qū)域。這種分層結(jié)構(gòu)解釋了回流如何通過(guò)增強(qiáng)氧和底物擴(kuò)散，促進(jìn)硝化菌（好氧區(qū)）和反硝化菌（缺氧區(qū)）的協(xié)同作用，從而顯著提升脫氮效率。此外，ORP數(shù)據(jù)（從正値到負(fù)値）進(jìn)一步驗(yàn)證了厭氧條件的存在，支持了TN去除的機(jī)制。Unisense電極的數(shù)據(jù)為優(yōu)化NISRRBC操作提供了關(guān)鍵依據(jù)，證實(shí)回流策略能有效調(diào)控生物膜微環(huán)境，實(shí)現(xiàn)高效低耗的農(nóng)村污水處理。