引言
水污染是全球超过80%的疾病和50%儿童死亡的主要原因（Lin et al., 2022），这与生活污水的不充分处理和卫生条件差有关。世界上约80%的废水未经充分处理即直接排放到环境中（UN-Water/UNESCO, 2017）。污水处理与联合国2015年提出的17个可持续发展目标（SDGs）中的11个目标相关（Obaideen et al., 2022; Nancharaiah and Lens, 2026）。SDG 6.3的目标是到2030年将未经处理的废水排放量减少50%，并大幅增加经过处理的废水的再利用。这需要在全球范围内增加污水处理设施，以改善卫生条件、保护人类和环境的福祉，并满足用水需求。废水来源于家庭、农业和工业活动，具有巨大的水力负荷和多样的污染物，如化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、活性氮（氨氮、硝酸盐）、磷酸盐、悬浮固体、色度、臭味、浊度以及洗涤剂、增塑剂、溶剂、抗生素、药物和个人护理用品等新污染物（Rezaei Adaryani and Keen, 2022; Obaideen et al., 2022）。复杂的废水通常需经过涉及物理、化学和生物方法的不同处理单元，才能排放到环境中或安全再利用。处理工艺分为一级、二级和三级处理（Nancharaiah et al., 2019）。二级处理是整个处理链中的关键环节，通过微生物群落以活性污泥絮体、生物膜或颗粒污泥的形式实现（Nancharaiah et al., 2019; Trego et al., 2021）。
好氧颗粒污泥（AGS）工艺作为一种优越的生物处理方案，相比活性污泥工艺（ASP）、集成式固定膜活性污泥（IFAS）工艺、移动床生物膜反应器（MBBR）和膜生物反应器（MBR），具有更低的占地面积和能耗（Bengtsson et al., 2019; Nancharaiah et al., 2019）。与传统活性污泥工艺相比，在相似的脱氮除磷效果下，其占地面积和能耗分别降低了25–75%和20–50%（Bengtsson et al., 2019; Pronk et al., 2025）。AGS代表的是无需基质（载体材料）即可形成的颗粒状生物膜（或颗粒），其内部含有不同的氧化还原条件，有利于去除废水中氧化态和还原态污染物所需的多种微生物群落的共存（Sarvajith and Nancharaiah, 2024; Wu et al., 2025）。AGS优越的沉降特性使其能够保持高达8至15 g/L的生物量，远高于传统活性污泥工艺所达到的水平（Nancharaiah and Kiran Kumar Reddy, 2018）。由于不同氧化还原条件和多种微生物群落的共存，AGS最适合在同一个处理池内同时去除有机物、氨氮和磷（Nancharaiah and Sarvajith, 2019）。除了高效的脱氮除磷能力外，AGS还展示了出色的代谢潜力，可用于生物处理难以降解的污染物，如三丁基磷酸酯（Nancharaiah et al., 2015）、2,4-二硝基甲苯（Reddy et al., 2018）、腈类化合物（Kiran Kumar Reddy et al., 2025; Anuroop and Nancharaiah 2026）、抗生素（Nivedhita et al., 2022）以及有毒金属（类金属）含氧阴离子，如Se(IV/VI)、Te(IV)和Cr(VI)（Nancharaiah and Sarvajith, 2022; Sarvajith and Nancharaiah, 2022）。
AGS工艺主要通过序批式反应器（SBR）技术实施。尽管AGS技术正在全球范围内推广应用（Libralato et al., 2012; Dababat et al., 2023），但由于需要机电设备且成本较高，它不适合在半城市和农村地区，尤其是在发展中国家使用。因此，迫切需要开发一种经济实惠的污水处理解决方案，以增加污水处理基础设施并减轻水体污染。这些方法可以包括分散式或就地处理技术、处理水的新再利用方式、资源回收以及为增加处理系统采用而提供补贴。低成本和基于自然的分散式污水处理系统（DEWTS）旨在在处理地点或附近缺乏下水道网络的地方进行处理、再利用或处置处理后的废水（Libralato et al., 2012; De Gisi et al., 2018）。人工湿地（CWs）在长江城市农村地区展示了对生活污水中化学需氧量和氨氮的良好去除效果（Sheng et al., 2020）。然而，建议将CWs与厌氧/缺氧/好氧（AAO）或厌氧/好氧（AO）工艺结合使用，以进一步改善生活污水中的营养物去除（Sheng et al., 2020）。
生物滤池系统结合了生物处理和过滤来去除废水中的污染物。这些系统也被称为生物滤器或生物滞留系统，传统上作为低成本方法用于处理地下水、雨水、灰水、部分处理过的废水和生活污水（Fowdar et al., 2017）。通常，生物滤池填充有砂、砾石、无烟煤、颗粒活性炭或其他填料等过滤介质，微生物在其中定殖并形成生物膜（Emslie et al., 2022）。通过将进水通过生物滤池，生物膜去除有机物、营养物（氮和磷）和悬浮固体（Hu et al., 2018; Mittal et al., 2026）。在填料床配置中，流量和床高等水力参数已被证明对接触时间和穿透行为有显著影响（Awan et al., 2026）。
最近，一种AGS反应器与下游生物过滤（BF）单元结合，用于精制常规曝气AGS-序批式反应器（AGS-SBR）的出水。该设计在不需为BF单元额外曝气的情况下，改善了出水水质和总氮去除效果。然而，该AGS-BF构型仍为顺序运行的两级系统，且未在生物滤器中证实生物除磷（De Sousa Rollemberg et al., 2022）。类似地，在我们先前的研究中，GAC被直接添加到以序批模式运行的AGS反应器中，并配有曝气（Sarvajith and Nancharaiah, 2024）。与这些先前的构型不同，本研究提出了一种混合颗粒污泥生物滤池（hgBF）系统，在该系统中AGS和GAC被混合填充在一个连续供料的单根柱中，不使用任何机械曝气。该设计消除了先前AGS-BF和AGS+GAC构型中独立的生物滤器单元和曝气需求。研究假设结合颗粒污泥和生物滤池的混合构型可以显著提高废水的生物处理效果。对hgBF系统进行了为期100天的测试，处理合成灰水、合成污水和真实城市污水，以检验在单个无曝气床中将颗粒污泥和GAC结合能否实现持续的营养物去除效果。
M. Sarvajith|Y.V. Nancharaiah
