用于分散式污水处理的生物滴滤池中负荷波动引起的内源性污染物的延时曝气控制

《Journal of Cleaner Production》：Extended oxygenation control of endogenous contaminants induced by load fluctuations in bio-trickling filters treating decentralized sewage

　　

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  内源性污染物限制了BTF中分散式污水处理的效率。
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  由负荷波动引起的脱落生物量构成了内源性污染物。
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  延长曝气使生物膜能够拦截并转化脱落的生物量。
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  通过延长曝气介导调控胞外聚合物及表面官能团，促进生物量的拦截。
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  活性氧代谢和群体感应信号通路的改变对生物量的转化起到关键调控作用。

引言

中国宜居和谐乡村建设的推进促使人们对农村污水处理的关注度显著提升（Zhan等，2024）。我国农村污水年排放量约为345亿立方米（住房和城乡建设部，2023）。近年来，农村污水处理率大幅提高，从约28%上升至55%。城市周边农村聚居区通过接入市政污水管网及污水处理厂，实现了较高的污水收集和处理率（Li W.等，2026；Zhang等，2025）。然而，远离城市的偏远农村分散聚居区仍面临严峻挑战，估计约有155亿立方米的农村污水仍未得到有效处理。在这些地区，由于建设污水管网和处理设施的可行性有限，加之流量呈周期性波动，导致农村污水收集和处理严重不足（Xie等，2024）。因此，实施就地处理工艺对于扩大偏远农村分散聚居区的污水处理覆盖率至关重要（Fu等，2025）。

生物膜法因其出色的耐流量波动能力，被推荐作为分散式农村污水处理的适用就地处理工艺（Zhang等，2023）。生物滴滤器（BTF）是一种基于生物膜的污水处理工艺，利用填料作为微生物生长的载体（He等，2025）。目前应用中，陶粒、沸石和砾石是最常用的填料。通过100%–200%的出水回流比，这些系统创造了高流速条件并维持较高的污染物负荷率（Xia等，2023）。BTF系统已被广泛应用于单户规模（服务1–5人；处理量为0.2–0.5 m³/d）或多户规模（服务5–50人；处理量为0.5–5 m³/d）的分散式农村污水处理（Li等，2023）。然而，在小型BTF（总容积1–10 m³）中，周期性流量波动的效应会被放大，导致一种白天运行、夜间停滞的间歇运行模式。这种运行模式使微生物暴露于昼夜交替的底物匮乏和冲击负荷之下（Xie等，2024）。该现象直接导致了分散式农村污水处理设施中处理效率普遍受限和出水水质波动的现象（Wen等，2025）。因此，研究流量中断和冲击负荷下生物膜系统的动态变化是提升BTF处理农村污水性能的关键途径。

面对间歇流量，微生物通常会调节胞外聚合物（EPS）和内源储备物质的利用，以补充饥饿细胞的能量和营养底物（Pereira等，2023）。EPS的大量消耗通常伴随微生物丰度和代谢活性的降低，最终可能导致生物膜结构松散（Li Z.等，2026）。在水力剪切作用下，结构松散的生物膜——其中含有大量代谢产物和细胞裂解产物——容易发生脱落并向下游迁移（Desmond等，2018）。已有研究表明，在负荷波动期间，随水流输送的生物量通常会被下游滤床拦截，其中所含营养物质可作为微生物生长和代谢的额外底物（Chi等，2026）。然而，由于低底物浓度和结构不稳定，下游生物膜拦截迁移生物量的能力受到削弱，可能导致生物量穿透滤床（Nie等，2026）。由负荷波动引起的内源性污染物的组成和形成过程尚需进一步研究。

生物膜的拦截性能取决于EPS的丰度和结合亲和力（Li J.等，2026）。先前的研究表明，添加生物炭和调控溶解氧（DO）浓度等策略可增强EPS分泌并提高生物膜的吸附能力（Zhou等，2025；Zhu等，2026）。优化曝气条件，包括延长曝气（EO）和重新布置曝气方式，已被广泛采用以提升全规模生物处理效果，其原理在于增强微生物呼吸速率和内源生物量转化（Brotto等，2025；Di Costanzo等，2025）。在持续饥饿和高强度曝气条件下，延长曝气可能引发微生物中活性氧（ROS）的积累。ROS是微生物呼吸过程中产生的高度活性含氧分子，在代谢调控过程中发挥关键作用，包括群体感应、生物膜发育和细胞裂解等（Huang等，2025）。合理调控ROS代谢可能有助于下游滤层中寡营养条件下的微生物存活。然而，在分散式农村污水处理的背景下，DO条件触发微生物内源呼吸和ROS代谢的机制，以及这些过程对生物膜稳定性的后续影响尚不明确。

本研究旨在基于内源呼吸和ROS代谢机制，控制负荷波动条件下BTF中的内源性污染物，从而提升分散式农村污水处理系统的运行稳定性和处理效率。通过监测典型运行周期中不同滤层中的物质转化和生物膜形态，表征内源性污染物的产生和积累情况。相应地，采用三维激发-发射矩阵荧光光谱（3D-EEM）和X射线光电子能谱（XPS）分析EPS的特性，从而阐明EPS在生物膜形成、脱落和拦截动态过程中的作用。此外，利用宏基因组方法分析了底物匮乏和负荷冲击对微生物群落的影响。我们重点关注物质转运、群体感应和ROS代谢通路，探索延长曝气条件下相关的代谢调控和内源产物转化过程。本研究成果为增强负荷波动条件下分散式污水处理系统的处理效率和稳定性提供了理论框架和现有技术补充。

各章节摘要

延长曝气BTF系统的构型与运行参数

本研究采用三层BTF系统进行分散式农村污水的生物处理，其结构构型如图1(a)所示。前两层为BTF区，其构型参照前期研究设定（Chi等，2026）。污水在BTF区的停留时间（HRT）约为4.0–6.0 h。第三层为延长曝气（EO）区，前端设有一层高度为200 mm的机械通风供氧区。该

分散式农村污水处理能力的提升

对比了BTF系统和BTF-EO系统的处理效率。如图2和S1所示，BTF系统出水COD、TN和TP浓度分别为39.9±4.2 mg/L、9.6±2.2 mg/L和0.4±0.1 mg/L，对应的去除率分别为87.2±1.5%、68.9±2.5%和93.4±1.8%。BTF系统出水中NH₄⁺-N、NO₂^?-N和NO₃^?-N浓度分别为0.5±0.1 mg/L、0.3±0.1 mg/L和10.0±1.1 mg/L（图2(c)和S1）。这些

结论

本研究提出了一种延长曝气策略，以在负荷波动影响下提升BTF工艺的处理能力和稳定性。该提升是通过调控由负荷波动引起的内源性污染物的拦截和微生物转化实现的。引入延长曝气层后，有机污染物和氮污染物的去除率分别提高至92.7%和82.1%。源自BTF层的脱落生物量构成了

CRediT作者贡献声明

Chi Yulei：写作–审阅与编辑、写作–初稿、经费获取、概念构思。Na Dandan：调查、形式化分析、数据整理。Ren Wuang：资源、项目管理、方法论。Jin Pengkang：监督指导、资源、概念构思。Shi Xuan：验证、软件、项目管理、经费获取。Zhang Jialun：可视化、软件。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究受国家自然科学基金资助（批准号：52400057，52370101）。

Chi Yulei|Na Dandan|Ren Wuang|Jin Pengkang|Shi Xuan|Zhang Jialun