多级微压内循环泥膜耦合工艺处理市政污水的效能分析与微生物降解途径研究

本研究针对传统污水生物处理工艺能耗高、需硝化液回流等问题，创新性地采用多级微压内循环活性污泥-生物膜耦合系统处理模拟市政污水。通过溶解氧(DO)调控构建好氧-缺氧-好氧环境，实现了COD(92.0%)、NH4+-N(93.0%)、TN(70.0%)和TP(80.9%)的高效去除，揭示了异养硝化-好氧反硝化(HN-AD)与厌氧氨氧化(Anammox)等多途径协同脱氮机制，为污水厂提质增效提供了新思路。

　　

随着城市化进程加速，市政污水处理已成为高能耗行业。传统生物处理工艺为提升污染物去除效果往往需要增加曝气能耗和硝化液回流，导致运行成本居高不下。活性污泥与生物膜组合工艺虽能提高处理效能，但填料悬浮需额外曝气动力，且硝化液回流能耗占比达5%。更棘手的是，这些能耗在现有技术中难以完全消除。如何在保证处理效果的同时降低能耗，成为污水处理领域亟待突破的瓶颈。

吉林某研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表的研究，创新性地将多级微压旋流反应器(MPSR)与活性污泥-生物膜耦合系统结合。该团队利用单侧曝气形成的局部动力场满足填料悬浮需求，通过溶解氧分级控制构建多氧环境，实现了无需硝化液回流的高效污水处理。关键技术包括：采用有效容积60L的三级有机玻璃反应器，配置海绵填料和鲍尔环填料；运用DO探头实时监测氧环境；通过高通量测序分析微生物群落；采用功能基因预测技术解析代谢途径。

反应器结构与填料组成
研究设计的三级反应器各段体积比为1:1:1，利用单侧曝气形成溶解氧梯度。这种结构不仅延长气泡运动路径提高氧利用率，更使反应器内同时存在好氧、缺氧和厌氧微环境，为同步硝化反硝化(SND)创造条件。

泥膜耦合系统的生物量分布
稳定运行期间，活性污泥生物量(2700-3400 mg/L)显著高于生物膜(450-950 mg/L)。二级缺氧区出现明显的污染物释放现象，这为后续好氧区强化脱氮除磷提供了基质条件，成为系统高效运行的关键特征。

污染物去除效能
该系统对COD、NH₄⁺-N、TN和TP的去除率分别达92.0%、93.0%、70.0%和80.9%。特别值得注意的是，在未设置硝化液回流的条件下，通过多氧环境下的SND过程实现了高效脱氮，这直接降低了系统能耗。

微生物群落特征
活性污泥中富集了Tetrasphaera、Saccharimonadales和Flavobacterium等功能菌属，功能基因分析显示其以异养硝化-好氧反硝化(HN-AD)为主要脱氮途径。而海绵生物膜和鲍尔环生物膜分别以Kouleothrix、Pseudomonas和Acinetobacter为优势菌，前者通过厌氧氨氧化(Anammox)途径，后者主要依赖SND途径完成脱氮，形成功能互补的微生物群落结构。

结论与意义
该研究开创性地将多级微压反应器与泥膜耦合工艺结合，通过三大创新突破传统局限：一是利用单侧曝气动力学特性实现填料自悬浮，省去额外曝气能耗；二是构建多氧微环境激活SND和HN-AD等多重脱氮途径，免除硝化液回流；三是形成活性污泥与生物膜的功能协同效应。这些发现不仅揭示了微生物代谢途径与污染物去除的关联机制，更提供了污水处理厂节能改造的新范式。国家自然科学基金联合基金(U24A20186)和吉林省科技发展计划项目(20240602109RC)的支持成果，为城镇污水处理的"双碳"目标实现提供了切实可行的技术路径。