采用分批进料策略提升后池塘移动床生物膜反应器处理系统在冬季的硝化作用

《Bioresource Technology Reports》：Enhancing winter nitrification in post-lagoon moving bed biofilm reactors treatment using the split-feed strategy

硝化效率提升及微生物群落响应研究，采用两阶段MBBR分式进料策略应对冬季低温，两年试验显示 Train 2 冬季氨氮去除率达90%以上，显著优于对照组 Train 1（58.3%）。生物膜中 Nitrosomonadaceae 和 Nitrospiraceae 等硝化菌丰度提升，尤其在 R2-2 反应器中表现突出。

　　本研究聚焦于一种用于废水处理的生物膜反应器（MBBR）系统——后沼泽（post-lagoon）MBBR系统在季节性温度和总氨氮（TAN）变化条件下的运行表现。通过两年的实验，研究人员特别关注了在冬季条件下，采用分段进水（split-feed）操作策略对氨氧化效率的影响。实验结果表明，分段进水策略在冬季显著提升了系统的氨氧化能力，尤其是在第一年的表现更为突出。在第二年，尽管分段进水策略在初期仍优于对照组，但随着冬季前氨氮浓度的增加，对照组的氨氧化能力也有所提升，最终两组的处理效果趋于一致。

### 研究背景与意义

在废水处理领域，生物硝化系统的效率通常受到温度变化的显著影响。温度不仅影响微生物的活性，还可能改变整个系统的运行稳定性。尤其是在加拿大等寒冷地区，由于地理位置和气候条件，污水处理设施往往依赖于自然条件下的沼泽系统（lagoon system）。这类系统在冬季面临较大的挑战，因为水温下降可能导致氨氧化效率降低，从而影响出水质量。如果处理后的水体中氨氮浓度超标，可能会引发一系列环境问题，如水体溶解氧不足、对水生生物的毒性影响等。

为了解决这一问题，许多研究开始探索在低温条件下提升生物硝化效率的方法。其中，生物膜反应器因其对温度变化的适应能力而受到关注。相比传统的悬浮生长系统（如活性污泥系统），生物膜反应器中的微生物附着在载体表面，能够更好地应对低温环境。此外，生物膜反应器的结构设计提供了更大的生物量生长空间，特别是对生长缓慢的氨氧化菌（nitrifiers）具有显著优势。因此，生物膜反应器被认为是传统污水处理设施的一种理想改造方案。

在实际应用中，生物膜反应器表现出在低温条件下（如5°C甚至1°C）仍能维持较高的氨氧化效率。一些研究已经表明，即使在寒冷季节，MBBR系统也能实现接近96%的氨氮去除率。然而，现有研究主要集中在单一的运行条件和影响因素上，如氮负荷率、溶解氧浓度以及冷休克（cold shock）等。针对冬季低温条件下提升MBBR系统运行效率的策略研究仍然较为有限。

### 分段进水策略的作用

为了解决上述问题，本研究提出了一种分段进水策略，旨在优化MBBR系统的运行效率。该策略的核心思想是将部分进水直接引入第二阶段的反应器，从而在氨氮浓度较低的季节（如秋季）提高基质的可用性。通过这种方式，可以促进氨氧化菌在第二阶段反应器中的生长和积累，为冬季低温条件下的氨氧化提供更充足的微生物支持。

实验结果表明，采用分段进水策略的Train 2在冬季表现出显著优于对照组Train 1的氨氧化能力。在第一年，Train 2的氨氮去除率达到了90%以上，而Train 1的去除率仅为58.3%。在第二年，虽然Train 2的初期表现依然优于Train 1，但随着冬季前氨氮浓度的增加，Train 1的氨氧化能力也有所提升，最终两组的处理效果趋于一致。这一现象表明，分段进水策略在提升冬季氨氧化效率方面具有显著作用，但其效果可能受到进水条件的影响。

### 实验设计与方法

为了评估分段进水策略对MBBR系统运行性能的影响，研究人员在加拿大曼尼托巴省的Lorette污水处理沼泽设施中建立了两个MBBR试验组。每个试验组由两个串联的MBBR反应器组成，使用了Bioportz 900–09载体（Nexom公司生产），其比表面积为810 m2/m3，填充比为36%。实验过程中，空气流量被维持在4.8±0.3 m3/h，以确保足够的溶解氧供给和充分的混合。

研究时间跨度为两年，涵盖了从秋季到春季的季节性温度变化。在秋季，进水中的总氨氮浓度较低，通常维持在1.4±0.4 mg N/L左右，随后逐渐上升至5.0 mg N/L以上。在冬季，水温显著下降，导致氨氧化效率降低。研究人员通过监测各反应器的氨氮去除率和出水质量，评估了分段进水策略在不同季节条件下的表现。

### 微生物群落分析

除了评估运行性能，研究人员还对MBBR系统中的生物膜微生物群落进行了分析。结果表明，在不同季节，微生物群落结构发生了显著变化。其中，硝化单胞菌科（Nitrosomonadaceae）和硝螺旋菌科（Nitrospiraceae）是主要的氨氧化菌。这些微生物在秋季和冬季的分布和丰度受到进水条件的影响，分段进水策略在秋季促进了这些氨氧化菌在第二阶段反应器中的生长，而在冬季则有助于维持其较高的丰度。

在第二阶段反应器中，分段进水策略的实施使得氨氧化菌的数量和活性在秋季和冬季均保持较高水平。这种微生物的积累和活性维持，是Train 2在冬季表现出更好氨氧化性能的关键因素。相比之下，对照组Train 1的微生物活性在冬季明显下降，导致其氨氮去除率较低。

### 实验结果与分析

实验结果显示，分段进水策略在提升MBBR系统冬季氨氧化性能方面具有显著优势。在第一年，Train 2的氨氮去除率达到了90%以上，而Train 1的去除率仅为58.3%。在第二年，尽管Train 1的氨氧化能力有所提升，但Train 2在冬季末仍能保持较高的去除率，达到90%以上。这表明，分段进水策略不仅在第一年表现出色，而且在第二年也能够维持良好的运行效果。

此外，研究人员还发现，在冬季初期，由于硝化亚硝菌（NOB）适应操作变化存在滞后，导致硝酸盐积累。然而，这种短期的硝酸盐积累并不影响系统的整体运行性能，因为随着微生物群落的调整，硝酸盐的去除能力逐渐恢复。这一现象说明，MBBR系统具有较强的自我调节能力，能够在短时间内适应环境变化。

### 运行优化与实际应用

本研究的实验结果不仅有助于理解MBBR系统在不同季节条件下的运行机制，还为实际应用提供了重要的参考。分段进水策略的实施能够有效提升冬季氨氧化效率，同时支持系统在全年范围内的稳定运行。这种策略在基础设施改造中具有显著优势，因为它不需要复杂的设备或高昂的改造成本，而是通过优化进水分布来提高处理效率。

此外，分段进水策略在不同季节条件下的表现也表明，其应用效果可能受到进水条件的影响。例如，在秋季，当氨氮浓度较低时，分段进水策略能够显著提升微生物的生长和活性，而在冬季，当水温下降时，该策略能够维持较高的微生物丰度，从而支持系统的稳定运行。因此，分段进水策略不仅适用于低温条件下的MBBR系统，还能够在不同季节和不同进水条件下灵活应用。

### 未来研究方向

尽管本研究已经证明了分段进水策略在提升MBBR系统冬季氨氧化效率方面的有效性，但仍有进一步研究的空间。例如，可以探索不同分段进水比例对系统运行性能的影响，或者研究分段进水策略与其他优化措施（如间歇曝气、生物载体改进等）的协同作用。此外，还可以进一步分析微生物群落结构的变化，以确定哪些微生物在分段进水策略下表现出更强的适应能力和活性。

总之，本研究为MBBR系统在低温条件下的运行优化提供了重要的理论依据和实践指导。通过分段进水策略，可以有效提升冬季氨氧化效率，同时支持系统在全年范围内的稳定运行。这一策略不仅适用于加拿大等寒冷地区的污水处理设施，还可能为其他类似环境下的MBBR系统提供借鉴。