《Process Safety and Environmental Protection》：Microbiome response to winter temperature in three-stage fixed-bed biofilm reactor treating decentralized wastewater
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低温环境下反冲洗调控对AOF-FBBR脱氮效能及微生物群落的影响。
栾雅楠|杨家琦|郭中华|刘浩|张峰|张华为|刘长青|尹月
青岛理工大学环境与市政工程学院，中国青岛266033
摘要
本研究建立了一种厌氧-好氧-过滤固定床生物膜反应器（AOF-FBBR），用于在低温条件下高效去除实际分散式废水中的氮。在稳定运行期间，AOF-FBBR表现出良好的污染物去除性能，化学需氧量（COD）和总无机氮（TIN）的去除效率分别达到了84.0%和88.9%。然而，在冬季，当温度降至10℃以下时，由于微生物活性受限，反应器的反硝化效果不佳。但是，当回流比从100%提高到200%，反冲洗频率从每20天一次增加到每10天一次时，冬季稳定运行期间的TIN去除效率恢复到了82.4%。实验结果证实，由于温度过低导致的过量生物量被反冲洗有效清除，从而使负责氮去除的细菌得到充分暴露，并增强了与硝化和反硝化相关的基因表达。AOF-FBBR内部微生物群落的响应促使反应器中不同反硝化菌的更替和富集，从而在冬季实现了意想不到的更高氮去除性能。这种带有反冲洗调节功能的FBBR系统从根本上改变了微生物环境，为冬季温度下的TIN去除提供了理想的微生物群落。这些结果展示了在实际条件下分散式废水处理的良好性能，并揭示了FBBR中微生物群落对不同反冲洗条件的响应机制。
引言
除了大规模废水处理和集中式污水处理厂外，分散式生物废水处理系统长期以来一直存在长期运行期间维护不足以及冬季温度迅速下降的问题（Ma等人，2023年）。分散式废水主要来源于小型工厂和偏远农村地区。这类废水处理设施大多由当地社区或小型工厂自行建造和管理（Rahimi等人，2020年）。在实际应用中，专业维护和低温对生物系统的影响是主要问题。随着废水处理设备的发展和现代化，自动化控制技术可以弥补分散式系统的非专业维护问题（Sonthiphand等人，2022年）。虽然自动化控制解决了维护问题，但季节性低温导致的系统故障和高重启成本已成为限制分散式系统可持续运行的关键瓶颈。当环境温度迅速下降时，某些系统中的水温可能低至5℃，甚至完全冻结。在这种情况下，系统内的微生物群落面临巨大挑战，因为微生物活性会随温度降低而减弱。在冬季缺乏专业维护的情况下，负责氮去除的功能性微生物群落会受损，导致系统内的反硝化过程失效（Young等人，2017年；Qiang等人，2020年）。然而，很少有研究提出并探讨了适用于低温条件的低维护生物系统或可行的运行策略。因此，低温问题一直被认为是分散式废水生物处理可持续性的主要限制因素。
陈等人研究了季节性温度变化对颗粒活性炭（GAC）协同厌氧膜生物反应器的影响；他们的结果表明，低温会导致化学需氧量（COD）去除率和甲烷产量降低，而活性炭介导的直接种间电子转移（DIET）有助于增强微生物活性（Chen等人，2021年）。同样，有研究报道，在低碳氮比（C/N）和低温条件下，添加GAC后反硝化性能显著提高，反硝化效率提高了约20%（Yang等人，2025年）。在另一项研究中，向厌氧氨氧化生物反应器中引入特定内酯类物质，以提高低温条件下的反硝化效率，结果氮去除相关基因的表达水平提高，出水氮浓度降低（Liu等人，2021年）。与GAC类似，内酯类的连续添加给农村或小型工厂用户带来了操作上的复杂性。这些研究主要关注如何提供额外的碳源或关键化学物质来增强微生物活性，从而改善系统在冬季的性能。然而，很少有研究通过调节微生物群落和活性来提升系统的原始性能。
总体而言，现有研究要么依赖外部化学物质或材料，要么未能从根本上解决低温条件下的微生物失活问题。因此，仍存在一个关键缺口：一种无需外部添加剂且维护要求低的分散式处理技术。也就是说，为了确保系统的可持续运行，应设计出具有适应低温条件的可调功能。在之前的研究中，固定床生物膜反应器（FBBR）因其紧凑的设计和低维护要求而被用于分散式废水处理。然而，像所有在低温下运行的生物反应器一样，该系统也面临低温带来的挑战。固定载体容易过度生长，形成过多的生物膜，导致反应器堵塞（Xu等人，2025年）。在FBBR运行过程中，反冲洗被证明是减少过量生物膜并重新激活系统的有效方法（Li等人，2012年；Wang等人，2016年），但很少有研究对反冲洗对微生物群落和活性的影响进行机制研究。因此，本研究设计并运行了一种简化的厌氧-好氧-过滤固定床生物膜反应器（AOF-FBBR），使用实际农村废水评估其在低温条件下的性能。同时，为了更好地揭示反冲洗对微生物群落的影响，详细研究了AOF-FBBR反应器从秋季到冬季在不同反冲洗频率下的微生物活性和群落变化。基于这些数据，本研究为低温条件下的分散式废水处理提供了实际解决方案，为生物膜反应器中的微生物群落调节提供了技术指导和理论依据。
系统设置与运行
AOF系统的设置与运行
AOF系统由3个独立的水箱组成，分别具有厌氧（A罐）、好氧（O罐）和过滤（F罐）功能。如图1所示，所有水箱的尺寸相同：直径20厘米，高度45厘米，工作体积为5升，填充了HDPE生物载体（直径25毫米，比表面积=500–700 m2/g），填充率为90%，作为生物膜反应器（FBRR）使用。O罐的出水以一定比例回流到A罐中。
宽温度范围内的污染物去除
研究了AOF-FBBR系统从秋季到冬季的实际农村废水处理性能和稳定性（图2）。在整个运行期间，无论温度如何变化，系统的COD去除性能均保持稳定。第一阶段（18.5±2.41℃）和第二阶段（8.87±1.09℃）的COD去除效率分别为82.6±6.9%和82.7±4.3%（图2a）。在两个阶段的稳定运行期间，去除效率分别为84.0%和83.9%。
结论
本研究提出了一种新型的三阶段固定床生物膜反应器AOF-FBBR，用于处理分散式废水，并对其在冬季实际废水处理中的性能进行了研究。主要结论如下：
- AOF-FBBR在室温下的TIN去除效率达到88.9%；在低温（8.87±1.09℃）下效率降至57.9%，调整回流比（200%）和增加反冲洗频率后恢复至75.3%
作者贡献声明
刘长青：撰写、审稿与编辑、数据可视化、项目监督、资源管理。张华为：撰写、审稿与编辑、数据可视化、项目监督。尹月：撰写、审稿与编辑、实验设计、概念构思。杨家琦：方法学设计、数据分析、数据管理。栾雅楠：初稿撰写、实验设计、数据分析、概念构思。刘浩：软件开发、概念构思。郭中华：数据可视化、方法学设计
致谢
本研究得到了山东省博士后创新计划（SDCX-ZG-202503092）、CPSF博士后奖学金计划（GZC20250854）、青岛市博士后奖学金项目（QDBSH20250102130）以及国家重点研发计划（2020YFD1100303）的支持。
