农村生活污水具有污水来源多、水质波动较大、水量日夜变化较大、冬季水量小但是污染质量浓度高，夏季水量大但是污染质量浓度低、管网收集难度大等特点。我国农村地区人口、地形、气候环境、经济条件差异较大，不同农村地区处理需求也有所不同。当前农村生活污水处理设施很难在满足不同地区不同需求的条件下做到能耗低、建设运行费用低。

生物膜工艺具有抗冲击负荷能力强、运行管理简单、处理效果好等优点，较适用农村生活污水处理。人工湿地系统具有建设成本较低、维护简便、效率高和美观等特点。人工湿地工艺通过物理、化学和生物的协同作用，能够高效处理污水，在我国已得到广泛应用。相较于目前已有的生物膜组合工艺处理农村生活污水，如金秋等使用脉冲双层生物滤池与人工湿地组合处理农村生活污水，稳定运行期间对各污染物都有显著去除效果；如苏功平等使用复合生物滤池组合人工湿地处理农村生活污水，去除污染物效果良好，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准。本研究开发的模块化生物滤池是一种可自由拼装，可灵活增加或减少多孔箱体的模块化生物滤池。具有以下优点：1)整套工艺可以现场安装，施工简便，拆卸容易；2)可根据不同的处理规模和处理要求灵活增加或减少箱体数量；3)自然溅水通风供氧，无需曝气；4)整套装置运行只需一台水泵，能耗及运行费用低。

因此，本研究采用“生物+生态”处理技术，在模块化生物滤池出水后衔接潜流人工湿地对污水深度净化，实现生物和生态处理技术优势互补。对实际运行的污水处理装置进行研究，探究了装置回流比及装置布水时间对污染物去除效果的影响，并在最佳工况下长期运行监测组合工艺出水各污染物指标，考察其污染物去除效果，以期为农村生活污水治理提供一种可行的方法。

1、实验装置与研究方法

1.1 实验装置及工艺流程

实验装置搭建于江苏省常州市某公司厂区内，设计处理量5t·d−1。实验装置如图1所示。

脱氮池位于模块化生物滤池前段，水力停留时间HRT为14h，总容积为3m3，采用3个容积为1m3的小脱氮池串联而成，小脱氮池材质为聚丙烯。仓内填充悬浮球填料用以富集微生物，填料球直径为80mm。

模块化生物滤池主体如图1所示，整体尺寸1.5m×1.5m×1.75m。采用63个标准化多孔箱体叠层拼装构成(3个×3个×7个)，每个多孔箱体尺寸0.5m×0.5m×0.25m，采用聚丙烯。为保证过水通畅、供氧充足以及布水均匀，将多孔箱体的底部和四周打若干10mm小孔。多孔箱体内使用粒径10~15mm的陶粒作为滤料。在滤池顶部配有穿孔布水管，将污水从脱氮池均匀的分布在滤池上部，并且布水管上加配时间控制开关对布水时间进行调控。

潜流人工湿地规格长×宽×深=6.0m×2.0m×1.0m，水力停留时间为24h，水力负荷0.42m3·(m2·d)−1。湿地内从上往下依次填充砾石、珍珠岩、陶粒等填料，并增设导流折板，保证水流在湿地内往复流动，增加与植物根系及填料的接触时间，选取脱除氮素和有机物能力强的花叶芦竹(Arundodonaxvar.versicolor)和可以越冬并且根系发达、耐污染物能力强的鸢尾科马蔺(IrislacteaPall.)、鸢尾(IristectorumMaxim.)等植物种在湿地表面，整体实验流程如图2所示。

1.2 测定项目与方法

1)水体物质测定。

对滤池进出水水质进行化学需氧量(COD)、氨氮(NH4+-N)、总氮(TN)、总磷(TP)等指标的测定，其测定方法根据国家标准方法进行测试(表1)，溶解氧(DO)用便携式溶解氧测定仪测定。

为了探究模块化生物滤池-潜流式人工湿地组合工艺的运行最佳工况，使组合工艺出水满足国家标准《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(GB/T51347-2019)一级A标准。因此，在模块化生物滤池不同回流比、不同布水时间下分别进行10d的实验，经过10d运行，污染物去除率发生明显变化，每2d检测1次进出水COD、NH4+-N、TN、TP。

2)微生物学分析方法。

从距滤池顶部50、100、150cm处分别取出陶粒滤料，将陶粒上附着的生物膜刮下送样检测。使用1%的琼脂糖凝胶电泳检测DNA的提取质量，使用NanoDrop2000测定DNA质量浓度和纯度；使用338F(5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3’)和806R(5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’)对16SrRNA基因V3~V4可变区进行PCR扩增，利用Illumina公司的MiseqPE300/NovaSeqPE250平台进行测序。本研究中的微生物群落多样性检测包括样品的DNA提取以及PCR扩增等过程均由上海美吉生物医药科技有限公司完成。

1.3 实验水质

实验原水取自厂内宿舍区生活污水，宿舍区常住人口约15户，因工人作息工作时间不规律，导致水质波动变化较大，且存在低碳氮比的问题。实验期间的进水水质如下，DO、PH、COD、NH4+-N、TN、TP质量浓度分别为0~2.31、6.83~7.92、37.55~401.14、17.16~95.48、22.57~104.83、1.15~5.39mg·L−1。

2、结果与讨论

2.1 模块化生物滤池对有机物的去除效果

不同回流比下COD的去除情况如图3所示。当回流比由100%增加到300%时，COD去除率不断增加，由36.12%增加到76.31%；而当回流比继续增加到400%时，模块化生物滤池对于有机物的去除效果并没有持续提升，平均去除率反而降低到68.19%。模块化生物滤池对于有机物具有较为优异的去除效果，这可能是由于填料表面及内部生长着大量异养微生物，对有机物的降解发挥着至关重要的作用。当回流比由100%增大到300%时，COD的去除率不断增加，回流比的增大增加了污水在系统内的接触反应概率，提高了附着在填料上生物膜对有机物的利用率；同时，在滤池之前的厌氧脱氮池中，反硝化细菌以回流液中的硝酸盐和亚硝酸盐为电子受体，利用水中的有机物作为碳源，进行反硝化作用，回流比不断增大使得反硝化细菌可用的碳源量也增大，从而COD的去除率不断增加。当回流比由300%增大到400%时，生物滤池的水力负荷不断增大，污水的停留时间随着水力负荷增大而缩短，并且回流比过高，进入滤池的污水质量浓度被稀释过多，不利于生物膜中微生物生长，导致COD的去除率降低。此外，生物膜表面的剪切力会随水力负荷增大而增大，滤料上的微生物无法适应高水力负荷环境，导致生物膜脱落过多，不利于有机物的去除。

不同布水时间条件下COD的去除结果如图4所示。在回流比为300%、布水时间与布水间歇的比值为1:4的情况下，当布水时间由0.5min延长到2min时，COD去除率逐渐升高并趋于平稳，平均出水值由52.50mg·L−1降低到30.11mg·L−1；回流比固定，滤池水力负荷恒定，随着布水时间和布水间歇时间的延长，单位时间内进入滤池的水量减少，滤料上生物膜受到水流冲刷作用减弱，微生物更容易附着生长；同时由于模块化生物滤池主体由多孔箱体堆叠组装而成，层与层之间有良好的通风布水效果，布水间歇的延长也有助于滤池内部的空气流通。如图5所示，滤池出水溶解氧浓度随着布水间歇的延长不断提高。这可能会使异养菌在更充足的溶解氧下降解有机物反应更加高效，COD的去除效果得到提升。

因此，当回流比为300%，布水时间与布水间歇比在2min:8min和3min:12min时，模块化生物滤池对COD有较好的去除效果。COD的平均值均符合《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》一级A排放限值要求(≤60mg·L−1)。

2.2 模块化生物滤池对NH4+-N的去除效果

如图6所示，NH4+-N去除率随着回流比的增加先升高后下降，当回流比为300%时，NH4+-N的去除率达到最大，为69%。其平均出水质量浓度为17.05mg·L−1。在好氧生物滤池内硝化作用是氨氮减少的主要原因，硝化细菌是严格好氧菌，世代周期长，增长速度慢，并且在水中与碳化异养菌竞争DO和生存空间。当回流比由100%提升到300%时，滤池进水C/N比逐渐降低，有机物负荷不断减小，附着在滤料生物膜上的硝化菌种逐渐成为优势菌种，使得硝化作用逐渐增强，这与微生物群落分析所得的具有硝化功能微生物的富集这一结果一致。当回流比由300%增加到400%时，虽然较高的回流比会带来相对较高的溶解氧浓度，有利于促进硝化反应(图7)。但与此相对的是，滤池的水力负荷不断提高，并且污水在滤池内的停留时间逐渐减少，可能会导致污水与生物膜接触时间不足，硝化作用减弱。因此，综合考虑，回流比为300%时可以取得最大的NH4+-N去除率。

在回流比为300%、布水时间与布水间歇比为1∶4的情况下，NH4+-N在不同布水时间下的去除效果如图8所示。NH4+-N的去除主要是依靠滤池填料上的生物膜中的硝化细菌和亚硝化细菌去除。当布水时间在0.5min时，氨氮的出水平均质量浓度为17.81mg·L−1，去除率仅有62.67%。滤池内单位时间内的污染物负荷较大，有机物负荷亦然，此时生物膜上的异养细菌将会增殖从而抑制硝化细菌的增殖；并且类似于不同的布水时间对COD去除的影响，过短的布水间歇会使滤池内部的充氧效果减弱，直接抑制了硝化作用。当布水时间在2和3min时，氨氮的出水平均质量浓度可以达到3.56mg·L−1，去除率高达92%。此时滤池进水的污染物负荷较低，有利于硝化细菌的增殖；并且如上文所述，较长的布水间歇可能有助于滤池内充分充氧。较高质量浓度的溶解氧有利于硝化细菌和其他微生物对水中的污染物进行利用降解。有研究表明，生物滤池中充分的溶解氧和良好的复氧效果有利于降解有机物和氨氮。当回流比300%，布水时间在2min和3min时，模块化生物滤池对氨氮有较好的去除效果。出水氨氮的平均质量浓度均符合《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》一级A排放限值要求(≤8mg·L−1)。

2.3 模块化生物滤池对TN的去除效果

在农村生活污水中，氨氮在总氮中的含量较高，根据上述对于NH4+-N去除效果的研究，模块化生物滤池可对污水中的氨氮实现高效去除，但是在生物滤池的好氧环境中，反硝化作用较弱，所以总氮的去除主要依靠生物滤池前置的厌氧脱氮池。

在模块化生物滤池回流比分别为100%、200%、300%、400%的条件下，装置对于TN的去除如图9所示。回流比由100%增大到400%时，TN去除率呈现先增后降的趋势，最高可达60.67%，此时的TN平均出水质量浓度为22.95mg·L−1。当回流比为100%时，回流至脱氮池的硝化液较少，导致脱氮池中反硝化作用缺少电子受体，反硝化作用不明显；同时较少的回流液对进水氨氮的稀释效果较弱，有较高质量浓度的氨氮存在，因此，TN去除率较低。随着回流比增大至300%，根据上述研究结果，氨氮的去除率得到了一定的提升；并且回流到脱氮池中的硝化液增多，脱氮池中的反硝化细菌在缺氧条件下能够将更多的NO3−和NO2−被还原成氮气或一氧化二氮，部分微生物也可以通过同化作用将NO3−和NO2−合成细胞物质，脱氮池部分的反硝化效果增强，因此，硝化效果和反硝化效果的增强使系统对TN的去除性能有所提升。如图8所示，随着回流比进一步增大至400%，回流硝化液把较高质量浓度的溶解氧带入脱氮池。高质量浓度溶解氧回流水与缺氧污水混合后，破坏了脱氮池中的缺氧环境，抑制了反硝化反应的进行，TN的平均去除率下降。故回流比为300%时，模块化生物滤池系统的硝化能力和反硝化能力最佳，对TN有最佳去除效果。

在回流比固定为300%、布水时间与布水间歇比固定为1:4的情况下，TN在不同布水时间条件下的去除效果如图10所示。布水时间从0.5min增大到3min时，TN去除率呈现先增后降的趋势，最高可达72%，此时的TN平均出水质量浓度为13.29mg·L−1。当布水时间与布水间歇比在0.5min:2min时，如前文所述，氨氮的降解效率低，从而导致总氮的去除效率也不理想。当布水时间逐渐延长，滤池内部充氧效果不断增强，氨氮的降解效率不断提高，总氮的去除率也随之提升。但当间歇时间过长，布水时间由2min延长到3min时，由于生物滤池闲置时间过久，并在一直溅水通风的情况下，使生物滴滤池内部溶解氧质量浓度过高，回流水中含有较高质量浓度的溶解氧，而高质量浓度的溶解氧会对脱氮池中反硝化效果有一定的抑制作用。所以当布水时间与布水间歇比在2min:8min时，模块化生物滤池对TN有最佳去除效果。

综上所述，当回流比300%，布水时间与布水间歇比在2min:8min时，模块化生物滤池对TN有最佳去除效果。TN的平均出水质量浓度均符合《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》一级A排放限值要求(≤20mg·L−1)。2.4组合工艺对于污染物的去除效果

由图11(a)所示，组合工艺中COD的去除主要发生在模块化生物滤池中。在1个月的监测期间内平均水温22.3℃，平均进水COD值为156.08mg·L−1，模块化生物滤池平均出水COD值为37.07mg·L−1，去除率高达76.24%。同时人工湿地也对滤池出水进行深度净化，COD去除率可达38.54%，出水COD值22.78mg·L−1。

在模块化生物滤池中，NH4+-N的去除效果也十分显著。实验期间内NH4+-N平均进水质量浓度为38.61mg·L−1，生物滤池平均出水NH4+-N质量浓度为2.54mg·L−1，去除率高达93.42%。符合《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》一级A排放限值要求(≤8mg·L−1)。

组合工艺对于TN的去除如图11(b)所示。实验期间内TN平均进水质量浓度为41.99mg·L−1，模块化生物滤池平均出水TN质量浓度为14.71mg·L−1，去除率64.97%；人工湿地平均出水TN质量浓度为4.48mg·L−1，去除率69.54%；组合工艺整体TN去除率为89.33%，TN的出水质量浓度均满足《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》一级A排放限值要求(≤20mg·L−1)。潜流人工湿地主要通过植物根系及其附近区域交替形成的好氧、厌氧和缺氧区，完成对NH4+-N的硝化以及NO3−和NO2−的反硝化作用进行脱氮，以及植物根茎也可以对污水中的氮元素进行一定的吸收，从而完成对TN的深度去除。

在组合工艺中，TP主要依靠潜流人工湿地去除。人工湿地对磷的去除主要通过基质填料吸附和拦截，还有一定的植物吸收以及微生物降解完成。如图11(c)所示，实验期间内TP平均进水质量浓度为3.94mg·L−1，模块化生物滤池出水TP质量浓度为3.52mg·L−1，去除率仅为9.74%。而潜流人工湿地TP出水平均质量浓度为0.28mg·L−1，去除率高达92.04%，符合《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》一级A排放限值要求(≤1mg·L−1)。

2.5 微生物群落结构分析

1)微生物群落多样性分析。

对模块化生物滤池不同高度的生物滤料进行取样分析，距滤池顶部50、100、150cm的样本记为D50、D100、D150。采集的3个样品进行高通量测序，经过质量分析和序列筛选后获得有效序列，对其进行去杂优化，维恩图、序列信息及多样性指数如图12和表2所示。用维恩图可以比较直观的表现3个生物滤池样品的OTU数目组成相似性及重叠情况。2个样本之间共有的OTU指数越大，说明样本之间的微生物组成的相似度越大。如图12所示，样本D50(D表示距滤池顶部的距离)的OTU为1749，样本D100的OTU为1686，样本D150的OTU为1796，距滤池顶部不同高度下的生物膜样本共有的OTU指数大于各自特有的OTU指数，这说明滤池内部整体微生物群落组成大致相同。

Alpha多样性是分析单独每个样本中的物种多样性，主要包括了微生物丰富度和群落多样性。Ace和Chao1指数可反应群落分布丰富度，其值越大群落丰富度越高。如表2可知，从滤池顶端向下，Ace和Chao1指数逐渐减小。在距离滤池顶端50cm处，Ace、Chao1分别为2056.50和2031.94，高于100cm处的2029.34和1993.73，而在150cm处这2个指数最低，分别为2018.49和1967.52。Shannon和Simpson指数可反应微生物群落多样性，从滤池顶部向下，Shannon指数和Simpson指数从50cm处的4.23和0.04变化到100cm处的3.23和0.11，在150cm处为3.13和0.09。这些指数的变化都表明从滤池顶部沿程向下，微生物的丰富度和群落多样性都逐渐降低，但是变化幅度并不大。这可能是由于滤池顶部进水时，各种污染物质量浓度都偏高，各类微生物可以利用污水中不同的有机营养物质进行生长繁殖。随着污染物在滤池当中不断被降解，滤池中下层的微生物生长繁殖所依赖的有机营养物质质量浓度降低，所以微生物生长受到了一定的抑制，从而微生物的丰富度和群落多样性都逐渐降低。

2)门水平上微生物群落组成分析。

模块化生物滤池沿程距离滤池顶部不同高度下在门水平上的组成和丰度如图13所示。在距滤池顶部150、100、50cm处滤料上的优势门分别是变形菌门(Proteobacteria)(35.38%、51.90%和41.96%)、厚壁菌门(Firmicutes)(24.81%、16.01%和13.08%)、拟杆菌门(Bacteroidota)(7.84%、6.18%和5.53%)、绿弯菌门(Chloroflexi)(9.07%、6.08%和16.97%)。

沿程不同高度微生物群落中的的优势门都是变形菌门，这与大多数生物滤池处理农村生活污水当中的群落分析结果一致，也与上述对于模块化生物滤池处理氨氮的分析效果一致。变形菌门中有很多固氮的细菌，在降解有机物的同时对氨氮有一定程度的去除，所以其分布和污水中氨氮质量浓度有关。硝化细菌部分属于拟杆菌门，在滤池中主要负责氨氮的去除。除了变形菌门之外，占比最多的门是厚壁菌门，厚壁菌门在系统中的功能主要是将有机物降解为甲酸、乳酸、丁酸等，并且也参与一定的硝化作用。以上3种菌门在分布上均呈现上层较少，中下层较多的情况，说明在有机物和氨氮质量浓度较高的滤池上部，硝化细菌增殖受到抑制，因此，具备硝化能力的细菌菌门在滤池上部分布较少，随着水中有机物沿程被降解，在滤池中下部硝化细菌处于优势，各类具有氨氧化能力和硝化能力的菌门在滤池中多分布于中下部，所以大部分氨氮在滤池的中下部被氧化去除。硝化细菌部分也属于绿弯菌门，但绿弯菌门分布呈现中上部分多，中下部分少的趋势。这可能是由于在模块化生物滤池中，池体下部充氧效果强于上部，高质量浓度的溶解氧可能会抑制绿弯菌门当中的部分厌氧细菌的生长。尽管如此，在滤池中绿弯菌门整体占比相对较高，而绿弯菌门细菌的反硝化作用较强，也可以在一定程度上表明模块化生物滤池的硝化作用强。

3)属水平上微生物群落组成分析。

在距滤池顶部150、100、50cm处滤料上的优势属水平微生物分布情况如图14所示。在150cm处，不动杆菌(Acinetobacter)的相对丰度相比于50cm和100cm处分别提高了18.85%和11.56%，不动杆菌作为典型的异养硝化菌属，可以在较高溶解氧的条件下有效降低水中的COD、TN、氨氮。在100cm处的优势菌属为黄杆菌属(Flavobacterium)、食酸菌属(Acidovorax)、假单胞菌属(Pseudomonas)和动胶杆菌属(Zoogloea)。黄杆菌属在距离滤池顶端100cm处的相对丰度分别是50cm和150cm处的2.75倍和5.11倍，黄杆菌属是活性污泥工艺中的优势菌属，可以参与水处理反应器当中的脱氮过程，完成对氨氮的硝化反应，且该菌属与其他菌属有一定的互补能力，保证系统的稳定性。假单胞菌属在距离滤池顶端100cm处的相对丰度分别比50cm和150cm处高18.01%和16.03%。假单胞菌属是异养硝化-好氧反硝化菌属，有研究表明，其不仅能够实现对氨氮的硝化，也能还原NO2−为N2。食酸菌属在100cm处的相对丰度分别是50cm和150cm处的3.10倍和3.00倍，食酸菌属作为氨氧化菌属，可以同时进行硝化和反硝化，也可以产生胞外聚合物EPS。生物膜中EPS有利于细胞膜的稳定，利于微生物不同环境下生存，可以促进微生物聚集以及吸附一定颗粒态物质，有利于富集周围菌种降解污染物，并且动胶杆菌属、黄杆菌属也可以产生一定的EPS。各类硝化菌以及一些可以产生EPS的菌属集中于模块化生物滤池中下部，进一步说明在模块化生物滤池中下部硝化菌属更加集中，完成对大部分氨氮、COD的去除。

采用冗余性分析对属水平上微生物相对丰度受水质指标的影响进行了分析。细菌中选取了上文分析过的5种优势菌属；水质参数包括COD和氨氮含量。结果见图15。4种菌属(Acinetobacter、Pseudomonas、Zoogloea和Flavobacterium)与水中COD和氨氮含量呈显著负相关，也进一步说明这4种菌属可以在消耗有机物的情况下对水中氨氮进行降解。并且由图15中可以看出，5种菌属相对丰度均在100cm和150cm处较高。这也说明在模块化生物滤池中下部硝化细菌为优势菌属，主要在滤池下半部分完成对氨氮和COD的降解。

总的来说，在模块化生物滤池当中变形菌门物种丰度明显高于其他菌门，如上文所述，变形菌门在降解有机物的同时大量去除水中的氨氮。属水平上的诸多优势菌属如黄杆菌属在缺氧条件下可以进行无氧呼吸，除氮的同时吸收有机物；如不动杆菌属可以在好氧情况下有效降低水中的有机物和氨氮等。这些微生物群落分析表明模块化生物滤池当中存在较为完整的硝化−反硝化脱氮微生物体系，且富集于生物滤池中下部。这些优势微生物的存在，使得滤池中生物膜结构稳固，并具有良好的抗冲击负荷能力。

3、结论

1)模块化生物滤池采用自然通风供氧的生物过滤技术，无需曝气，全部动力设备只有一台水泵，主体采用可拼装嵌入箱体叠加而成，运行成本低。整套工艺可以现场安装，施工简便，拆卸容易，适合农村地区使用。并且可根据不同的处理规模和处理要求自由增加或减少箱体数量，满足不同地区的处理需求。

2)模块化生物滤池在回流比300%、布水2min、布水间歇8min时取得最佳处理效果。

3)模块化生物滤池-潜流人工湿地组合系统对COD、NH4+-N、TN、TP的平均去除率分别为85.4%、95.16%、89.33%、92.63%，平均出水COD、NH4+-N、TN、TP的质量浓度为22.78、1.87、4.48、0.28mg·L−1，均达到《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB32/3462-2020)一级A标准。

4)从滤池顶部沿程向下，微生物群落多样性逐渐降低，Proteobacteria、Firmicutes菌门主要分布在滤池中下部分，属水平上微生物群落分析和冗余性分析进一步证实模块化生物滤池中下部硝化细菌更加集中，完成对大部分氨氮、COD的去除。