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

用于農村污水處理的新型集成自回流旋轉生物接觸器

來源：Journal of Cleaner Production, Volume 217, 2019, Pages 324-334

《清潔生產雜志》，第217卷，2019年，第324-334頁

 

摘要：

這篇論文針對中國農村污水污染問題，開發了一種新型集成自回流旋轉生物接觸器（NISRRBC）技術。通過正交試驗確定了最佳操作參數（轉速5 r/min、水力停留時間8 h、盤片淹沒直徑40%、回流比200%），并在實驗室和中試規模驗證其性能。結果表明，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%），減少了污泥產量，且生物膜形成良好的微環境和功能菌群分層。中試出水達到城鎮污水處理廠污染物排放標準（GB 18918-2002）B級標準，證明NISRRBC因污泥產量低、集成設計和操作簡單，是農村污水處理的優先選擇。

 

研究目的：

本研究旨在開發一種經濟、高效、穩定的NISRRBC技術用于農村污水處理，通過優化操作參數（如回流比），分析回流對污染物去除效率、污泥產量、生物膜微環境及微生物群落的影響，并驗證其中試應用效果，為中國農村污水治理提供技術支持。

 

研究思路：

研究首先通過正交試驗（L9(3^4)設計）確定NISRRBC的最佳操作參數（轉速、HRT、淹沒直徑和回流比），以總氮去除率為指標。隨后，在實驗室規模比較0%回流（對照組）和200%回流（實驗組）下的污水處理效率、污泥產量、生物膜微環境（如溶解氧和氧化還原電位分布）和微生物群落特性（通過DGGE和測序分析）。最后，進行中試規模驗證，評估實際應用效果。

 

測量的數據及研究意義：

1 污染物去除率數據（COD、SS、NH4-N、TN），來自Fig.3。研究意義：200%回流下，COD、SS、NH4-N和TN去除率分別達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%，為解決農村污水低碳氮比問題提供方案。

 

2 污泥產量數據，來自Fig.4。研究意義：200%回流時污泥產量減少33.03%（平均5.07 g MLSS/d），污泥排放頻率從每12小時降至每20天一次，降低了運營成本和處理負擔，適合缺乏專業人員的農村地區。

 

3 溶解氧（DO）和氧化還原電位（ORP）分布數據，來自Fig.5（使用丹麥Unisense微電極測量）。研究意義：DO濃度從生物膜表層（7-8 mg/L）向內層遞減至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，揭示生物膜內好氧（0-200μm）、缺氧（200-1000μm）和厭氧（＞1000μm）分層，回流增強了微環境梯度，促進硝化和反硝化協同作用。

 

4 微生物群落分布數據，來自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）空間分層優化，支持高效污染物降解。

 

5 中試性能數據，來自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89.21%、88.92%、93.06%和76%，出水符合排放標準，且污泥排放次數少（一年僅12次），驗證技術可行性和穩定性。

 

 

結論：

1 NISRRBC在最佳參數（轉速5 r/min、HRT 8 h、淹沒直徑40%、回流比200%）下運行良好，200%回流顯著提高TN去除率至74.21%，并減少污泥產量。

2 回流通過增加生物膜生物量和硝酸鹽濃度，優化微環境分層（好氧-缺氧-厭氧），促進微生物功能協同，提升處理效率。

3 中試結果表明NISRRBC出水穩定達標，操作簡單，污泥產量低，適合農村污水處理推廣。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：

本研究使用丹麥Unisense微電極（型號PA2000，尖端直徑10μm）在線測量生物膜內的溶解氧（DO）和氧化還原電位（ORP）。研究意義在于：這些高精度測量數據實時揭示了生物膜內部的微環境分層動態。如圖5所示，DO和ORP從表層到深層呈現梯度變化，明確劃分出好氧、缺氧和厭氧區域。這種分層結構解釋了回流如何通過增強氧和底物擴散，促進硝化菌（好氧區）和反硝化菌（缺氧區）的協同作用，從而顯著提升脫氮效率。此外，ORP數據（從正値到負値）進一步驗證了厭氧條件的存在，支持了TN去除的機制。Unisense電極的數據為優化NISRRBC操作提供了關鍵依據，證實回流策略能有效調控生物膜微環境，實現高效低耗的農村污水處理。