2021年3月27日，我院环境工程系张永明教授团队在国际期刊Environmental Research (2020年影响因子/JCR分区：5.715/Q1)上在线发表了题为“Characteristics of denitrification in a vertical baffled bioreactor”(垂直折流式生物反应器的反硝化特性)的论文。文章详细介绍了该团队研发的具有原创性的新型生物反应器进行反硝化的特性，并实验验证了该反应器可以在COD/N比为3~4时实现高效的反硝化。
目前国内大多数城市污水处理厂尾水排放都按照国家城镇污水处理厂污染物排放一级A标准(GB18918-2002)执行。在该项标准中，最难实现的指标是总氮浓度。按照一级A的标准，排放尾水中总氮浓度应该低于15 mgN/L。通常城镇污水经过处理后，都是直接排放到地表水环境中。而在某些环境敏感地区，要求排放尾水的总氮浓度低于10 mgN/L，甚至5 mgN/L。即使这么高的要求，也难以实现直接与地表水接轨的目的。按照地表水的标准即使是V类水，其总氮浓度也是低于2 mgN/L。对于大多数城镇污水处理系统来讲，尾水中的总氮浓度几乎都是硝酸盐氮，降低总氮浓度在某种程度上来说就是通过反硝化工艺去除水中的硝酸盐。因此，若想实现排放尾水浓度低于2 mgN/L的目标，就目前普遍采用的城镇污水处理反硝化工艺来讲是十分困难的。
张永明教授团队经过十多年的研究，开发出了一种具有完全自主知识产权的筛板塔式生物反应器(亦称为垂直折流式生物反应器，简称VBBR)，并于2017年获批国家专利(ZL 2015 1 0510978.7)，见图1。
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图1 筛板塔式生物反应器授权专利及原理示意图
该反应器可以在较低的COD/N比条件下，将初始浓度为50 mgN/L的硝酸盐降低至1 mgN/L以下(如图2所示)，并且该反应器操作和运行维护十分简便。
图2 筛板塔式生物反应器在不同COD/N比条件下硝酸盐的去除速率
课题组针对这一全新的反应器进行了深入的理论研究，探讨了反应器内不同部位的反硝化特性，研究发现反应器内不同部位生物膜具有不同的反硝化效率，结果发现上部的生物膜具有较高的反硝化速率，如图3所示。进一步的研究发现，这是因为反应器不同部位具有不同的微生物种群分布，且上部生物膜中反硝化菌的生物活性优于下部生物膜中的反硝化菌。对上部和下部生物膜进行染色后，在荧光显微镜下可以观察到下部生物膜中死细胞的数量多于上部生物膜，如图4所示。同时，上部具有反硝化功能菌种的丰度高于下部(如图5所示)。这一分布与上、下部生物膜的反硝化速率是一致的。此外，该反应器之所以可以在低COD/N条件下实现总氮的去除，是因为反应器的特殊结构，可以最大限度地降低溶解氧的侵入。再加上内循环强化了传质，使得反硝化效率非常高。
图3 上下部生物膜的反硝化效果
(a) (b)
图4 反应器上部和下部生物膜活细胞与死细胞的比较。其中(a)为上部生物膜；(b)为下部生物膜，绿色为活细胞，红色为死细胞
图5. 反应器上部和下部微生物群落分布.
本论文得到上海市地方高校能力建设项目(16070503000)和环境模拟与污染控制国家重点联合实验室(清华大学)开放基金(16K10ESPCT)的资助。我院2020级博士研究生谭冲同学和2017级硕士研究生曾秋宇同学为共同第一作者，我院张永明教授和阎宁副教授为共同通讯作者，合作者包括美国工程院院士Bruce E. Rittmann教授等。（供稿：环境工程系，院办）
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0013935121003406
