滴滤池系统优化：生物精炼框架下市政污水处理组合工艺的效能比较与资源回收路径创新

针对传统滴滤池(TF)系统在高负荷条件下处理效能不足的问题，德国斯图加特大学团队创新性地将初级沉淀池(PST)、微筛(MS)和离子交换(IE)技术进行组合，通过两年中试研究验证了PST+MS+IE+TF系统在低温(8-12°C)条件下仍能实现SCOD去除率70%、NH4 + -N去除率80%和有机微污染物(MPs)去除率40%，为生物精炼厂水资源循环利用提供了节能高效的解决方案。

　　

在全球水资源短缺和碳中和目标的双重压力下，传统市政污水处理系统正面临前所未有的挑战。作为应用超过百年的生物处理技术，滴滤池(Trickling Filter, TF)因其结构简单、能耗低等优势，仍然是许多污水处理厂的核心工艺单元。然而，随着排放标准的日益严格和资源回收需求的提升，传统TF系统在高有机负荷(OLR)和氮负荷(NLR)条件下的处理效能不足、对微污染物(MPs)去除有限等问题逐渐凸显。更棘手的是，作为未来重要发展方向的水资源循环利用，要求处理系统在低温等不利条件下仍能保持稳定运行。这些现实挑战促使研究人员探索TF系统与其他工艺的创新组合。

德国斯图加特大学水与废水研究中心的Behnam Askari Lasaki团队在《Water Resources and Industry》发表的研究中，开创性地将TF与初级沉淀池(Primary Settling Tank, PST)、微筛(Microscreen, MS)和离子交换(Ion Exchange, IE)技术进行系统集成。研究团队在10,000人口当量(PE)的Büsnau污水处理厂建立了中试系统，通过精心设计的三种运行场景(S1-S3)，在模拟最不利温度条件(8-12°C)下进行了为期两年的间歇监测。研究采用德国标准(DIN)方法监测化学需氧量(COD)、NH₄
⁺
-N等常规指标，并创新性地采用254nm波长吸附系数(SAK₂₅₄
)表征有机微污染物去除效果。通过垂直剖面分析、多参数在线监测等手段，系统评估了不同组合工艺在碳氮同步去除、微污染物降解等方面的性能差异。

在氮转化剖面研究中，TF系统展现出典型的生物硝化特征。沿滤池深度方向，NH₄
⁺
-N浓度从26.8 mg/L降至0.29 mg/L，而NO₃
^-
-N从8.8 mg/L升至27 mg/L，配合pH值梯度变化(从7.5降至6.8)，证实了生物膜的活跃代谢。特别值得注意的是，在深度1.5m处即完成主要硝化过程，且未出现亚硝酸盐(NO₂
^-
-N)积累，表明氨氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)的协同作用良好。

碳去除效能研究揭示了工艺组合的协同效应。在三种负荷场景下，S1(PST+TF)、S2(PST+MS+TF)和S3(PST+MS+IE+TF)分别实现30%、50%和70%的可溶性COD(SCOD)去除率。其中S3系统在OLR=1.5 kg TCOD m^-3
d^-1
、NLR=0.5 g NH₄
⁺
-N m^-2
d^-1
的低负荷条件下表现最优，证实前段MS和IE单元对减轻TF负荷的关键作用。这与Habte Lemji等报道的TF最佳运行负荷(1.5 kg COD m³
d^-1
)高度吻合。

氮去除性能呈现明显的负荷依赖性。高负荷场景(S1：NLR=2.4 g NH₄
⁺
-N m^-2
d^-1
)仅实现20%的NH₄
⁺
-N去除，而中(S2：NLR=1.4)低(S3：NLR=0.5)负荷场景分别提升至60%和80%。特别有价值的是，该研究首次证实IE单元对氮的选择性去除可显著提升后续TF的硝化效率，这与传统认知中PST+TF组合的优势形成鲜明对比。

在有机微污染物去除方面，SAK₂₅₄
监测显示去除效率随负荷降低而递增(S1:20%→S3:40%)。研究团队指出，低负荷条件下微生物对易降解MPs(如药物活性成分)的代谢更充分，而疏水性持久性MPs仍需深度处理。这一发现为Mai等关于TF对咖啡因等物质去除机制的论述提供了新的实验证据。

针对TF运行中的堵塞风险，研究提出了基于氧化还原电位(ORP)和溶解氧(DO)的智能调控策略：当TF出水DO<2 mg/L且ORP<50 mV时启动冲洗(Spülkraft)；当DO>2.6 mg/L但ORP异常时启用回流。这种基于过程参数的精准控制方法，较传统时间控制模式可提升处理效能15%以上。

这项研究的创新价值主要体现在三个方面：首先，首次系统评估了MS和IE与TF的协同效应，拓展了组合工艺的应用边界；其次，在生物精炼框架下验证了水资源-能源-资源回收的闭环模式可行性；最后，提出的ORP-DO联动控制策略为TF智能化运行提供了新思路。正如作者指出，将TF从传统生物反应器转变为多功能处理单元，不仅可满足日益严格的排放要求，更能为污水处理厂向资源工厂转型提供技术支撑。特别是在低温条件下仍保持优异性能的特点，使其在气候寒冷地区的应用前景广阔。

未来研究可进一步探索：不同填料介质对MPs的吸附-生物降解耦合机制；IE再生液中有价物质的回收路径；以及组合工艺在全尺度污水处理厂中的能效平衡。这些方向的突破将推动TF系统在循环经济中发挥更大作用。