近年來，城市污水呈現(xiàn)有機(jī)物濃度不斷降低，TN和TP濃度不斷升高，碳氮比較低（C/N<8），即典型的低碳源污水特征。此外，農(nóng)村生活污水的碳氮比更低（3.0~5.0）。如何對這些低碳氮比污水實(shí)現(xiàn)低耗高效脫氮是一個亟待解決的技術(shù)難題。

低溶解氧污泥微膨脹節(jié)能理論與方法自彭永臻教授首次提出以來便受到研究者們的持續(xù)關(guān)注，該方法控制污水處理系統(tǒng)在低溶解氧條件下運(yùn)行，所需DO濃度僅為0.8mg/L左右，曝氣能耗大大減少，有效降低了污水處理成本。在該方法中，系統(tǒng)中過度增殖的絲狀菌對低濃度底物適應(yīng)能力強(qiáng)、易形成網(wǎng)狀污泥絮體結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)低溶解氧絲狀菌微膨脹與短程硝化的耦合，進(jìn)而達(dá)到深層次凈化污水的目的。我國南方城市污水碳氮比普遍較低（C/N<4.0），在處理過程中需要投加大量碳源進(jìn)行脫氮。為此，筆者擬利用微膨脹活性污泥對低濃度底物適應(yīng)能力強(qiáng)的特性以及序批式反應(yīng)器（SBR）運(yùn)維能耗低的優(yōu)勢，構(gòu)建“雙節(jié)能”處理體系，以低碳氮比污水為處理對象，考察微膨脹活性污泥-SBR體系對其處理效能，揭示體系中微生物群落的組成及演替規(guī)律，分析典型周期內(nèi)各污染物的去除特性，以期實(shí)現(xiàn)對微膨脹活性污泥-SBR體系處理潛能的挖掘及運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化，為微膨脹活性污泥法的實(shí)際應(yīng)用提供理論支撐。

1、材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行方式

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，采用自制的SBR反應(yīng)器，有效容積為14L，反應(yīng)器底部設(shè)有盤式曝氣頭，通過曝氣泵供氣，利用氣體流量計(jì)控制曝氣量。實(shí)驗(yàn)裝置通過兩臺蠕動泵控制進(jìn)水和出水，每次進(jìn)水和排水的體積為7L，排水比為1/2，每運(yùn)行3個周期進(jìn)行一次排泥，個別階段根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整排泥頻率，排泥量也根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整�？刂品磻�(yīng)器內(nèi)的DO濃度在0.5~0.8mg/L之間，pH為7.0~8.0。運(yùn)行周期為8h，包括進(jìn)水15min、曝氣360min、沉淀30min、排水15min、閑置60min。

1.2 實(shí)驗(yàn)進(jìn)水和接種污泥

實(shí)驗(yàn)進(jìn)水采用人工模擬生活污水，以葡萄糖為碳源（不同降碳階段COD濃度分別為300、150、50mg/L）、磷酸二氫鉀為磷源（PO43--P濃度為3.5mg/L）、氯化銨為氮源（NH4+-N濃度為50mg/L），采用碳酸氫鈉調(diào)節(jié)進(jìn)水pH，并投加1mL/L營養(yǎng)元素溶液，同時控制反應(yīng)器溫度在25℃左右。

接種污泥取自�？谑邪咨抽T污水處理廠二沉池的回流污泥，先用模擬污水悶曝7d左右，待污泥SVI值穩(wěn)定在107mL/g左右，用于實(shí)驗(yàn)。

1.3 檢測項(xiàng)目和方法

COD、NH4+-N、TN等常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)和MLSS、SV、SVI等污泥指標(biāo)均采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法測定，DO濃度采用便攜式溶解氧儀測定，pH采用pH計(jì)測定。

高通量測序：從反應(yīng)器中取污泥樣品寄送到上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司，經(jīng)過DNA提取、PCR擴(kuò)增、PCR產(chǎn)物鑒定等程序后，在MajorbioISanger高通量測序云平臺上構(gòu)建DNA文庫，利用Illumina進(jìn)行測序，引物采用338F（5′-ACTCCTACGGGAGGCAGAG-3′）和806R（5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′）。

2、結(jié)果與討論

2.1 微膨脹活性污泥法的啟動

保持SBR反應(yīng)器的污泥負(fù)荷為0.15kgCOD/（kgMLSS·d）不變，控制DO濃度在0.5~0.8mg/L，運(yùn)行4個周期。在低DO協(xié)同低污泥負(fù)荷作用下，污泥的SVI、SV值逐漸升高。系統(tǒng)運(yùn)行第12天，SVI值增至193mL/g，第18天達(dá)到最高值262mL/g。繼續(xù)運(yùn)行12d，SVI基本穩(wěn)定在220mL/g左右，污泥沉降性能良好，成功實(shí)現(xiàn)微膨脹活性污泥狀態(tài)。使用普通光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡在高倍數(shù)下觀察活性污泥的形貌結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖2和圖3所示。從圖2可以看出，活性污泥絮體骨架的絲狀菌從絮體內(nèi)部伸出，菌絲之間相互纏繞形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并附有少許菌膠團(tuán)，絲狀菌的數(shù)量占據(jù)優(yōu)勢地位。圖3（a）顯示，菌膠團(tuán)表面較為粗糙，有較多的菌絲纏繞生長；圖3（b）顯示，菌絲球上有絲狀菌纏繞包裹污泥顆粒；圖3（c）和（d）顯示，菌膠團(tuán)內(nèi)部存在部分球狀細(xì)菌和桿狀細(xì)菌黏附在菌絲上，但總體而言絲狀菌數(shù)量仍占據(jù)優(yōu)勢。

2.2 污泥的SV、SVI和MLSS指標(biāo)變化

降碳階段微膨脹活性污泥的MLSS、SV、SVI指標(biāo)變化情況如圖4所示。隨著C/N值的降低，MLSS變化不大，基本穩(wěn)定在1900mg/L左右，而SV和SVI值呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。當(dāng)C/N值為3時，污泥負(fù)荷為0.075kgCOD/（kgMLSS∙d），該值處于Chao等研究發(fā)現(xiàn)的絲狀菌大量繁殖的污泥負(fù)荷范圍。這表明在C/N值從6降至3的過程中，菌膠團(tuán)中的微生物對碳源存在競爭，絲狀菌由于比表面積較大、適應(yīng)低濃度底物的能力較強(qiáng)，在與菌膠團(tuán)中其他微生物的競爭中占據(jù)優(yōu)勢，大量繁殖，進(jìn)而導(dǎo)致污泥絮體間的壓縮減弱，污泥的沉降性能變差，因此SV和SVI值出現(xiàn)升高的趨勢。當(dāng)C/N值繼續(xù)降至1時，碳源濃度過低，微生物的生境發(fā)生改變，MLSS有所升高，此時可能出現(xiàn)細(xì)菌內(nèi)源呼吸的情況，導(dǎo)致污泥活性變差，SV和SVI值降低，污泥沉降性能得到提高。

2.3 不同C/N條件下系統(tǒng)對污染物的去除效果

2.3.1 對COD的去除效果

不同C/N條件下，微膨脹活性污泥系統(tǒng)對COD的去除效果如圖5所示。當(dāng)進(jìn)水C/N分別為6、3、1時，系統(tǒng)對COD的平均去除率分別為94.6%、89.1%和86.5%，出水COD平均濃度均在20mg/L以下，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）的一級A標(biāo)準(zhǔn)。對出水COD濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，在顯著性水平α=0.05條件下，C/N=6和C/N=3兩組數(shù)據(jù)無顯著差異，C/N=3和C/N=1兩組數(shù)據(jù)差異顯著，C/N=6和C/N=1兩組數(shù)據(jù)差異極顯著。從圖5可以看出，當(dāng)進(jìn)水C/N降至1時，系統(tǒng)對COD的去除效果相比另外兩個階段下降明顯，但出水COD濃度仍能保持在10mg/L以下。在污泥負(fù)荷較低時，絲狀菌比菌膠團(tuán)中的其他微生物具有更高的比增長速率，而微生物的比增長速率越大，底物的比降解速率就越大，因此絲狀菌相對于菌膠團(tuán)中的其他微生物對底物具有更高的比降解速率，這在一定程度上保證了微膨脹活性污泥對COD的去除效果。

2.3.2 “三氮”濃度的變化

在不同C/N條件下，微膨脹活性污泥系統(tǒng)中NH4+-N、NO2--N、NO3--N濃度的變化見圖6�？梢钥闯�，各C/N條件下的出水NH4+-N平均濃度均低于0.57mg/L，去除率均高達(dá)99%以上，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）的一級A標(biāo)準(zhǔn)。對出水NH4+-N濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，在顯著性水平α=0.05下，3組數(shù)據(jù)并未表現(xiàn)出顯著差異，這說明降低進(jìn)水C/N并未對NH4+-N去除效果產(chǎn)生明顯影響。但是，在進(jìn)水C/N降低過程中，出水NO3--N和NO2--N濃度逐漸上升。單因素方差分析顯示，對于出水NO3--N，C/N=6和C/N=3兩組數(shù)據(jù)無顯著差異，但C/N=3和C/N=1兩組數(shù)據(jù)表現(xiàn)出顯著差異，而C/N=6和C/N=1兩組數(shù)據(jù)差異更顯著；對于出水NO2--N，C/N=6和C/N=3兩組數(shù)據(jù)無顯著差異，C/N=3和C/N=1兩組數(shù)據(jù)也無顯著差異，但C/N=6和C/N=1兩組數(shù)據(jù)表現(xiàn)出顯著差異。圖6也顯示，在C/N=3時，系統(tǒng)出水NO3--N、NO2--N濃度均呈現(xiàn)出上升趨勢，但與C/N=6時的差異并不明顯；而當(dāng)C/N降至1時，系統(tǒng)出水NO3--N、NO2--N濃度明顯升高。這可能是因?yàn)樘荚礈p少導(dǎo)致反硝化過程因缺乏電子供體而受到抑制，無法正常進(jìn)行脫氮過程，從而造成系統(tǒng)中NOx--N的積累。因此，在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)根據(jù)進(jìn)水C/N的變化及時調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，特別是在碳源缺乏的情況下，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧┤缭黾犹荚赐读�、調(diào)整曝氣量等來提高系統(tǒng)的處理效率。

2.3.3 對TN和TP的去除效果

不同C/N條件下，微膨脹活性污泥系統(tǒng)對TN和TP的去除效果如圖7所示。在碳源較充足（C/N=6）的情況下，系統(tǒng)的脫氮除磷效果相對較好，對TN和TP的平均去除率分別可達(dá)到65%和50%左右。盡管系統(tǒng)在低溶解氧狀態(tài)，理論上不利于聚磷菌進(jìn)行好氧吸磷，但陳瀅等在低氧狀態(tài)下運(yùn)行SBR反應(yīng)器時發(fā)現(xiàn)，即使曝氣量極低（DO約為0.1mg/L），氧氣仍可以滲透進(jìn)入污泥絮體內(nèi)部，聚磷菌仍然可以發(fā)生過量吸磷現(xiàn)象。當(dāng)C/N降至3時，系統(tǒng)對TN和TP的平均去除率分別為56%和42%；當(dāng)C/N繼續(xù)降至1時，系統(tǒng)對TN和TP的平均去除率分別下降至45%和34%。對出水TN和TP濃度進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果顯示，在顯著性水平α=0.05下，C/N=6和C/N=3兩組數(shù)據(jù)無顯著差異，而C/N=3和C/N=1兩組數(shù)據(jù)差異顯著，C/N=6和C/N=1兩組數(shù)據(jù)差異極為顯著。

通過上述分析可知，當(dāng)C/N降至3時，系統(tǒng)對TN和TP的去除效果開始變差，但與C/N=6時的去除效果差距并不大；然而當(dāng)C/N降至1時，系統(tǒng)對TN和TP的去除效果與C/N=6時出現(xiàn)了極為顯著的差距。這可能是因?yàn)榉聪趸�過程需要有機(jī)物作為電子供體，當(dāng)碳源缺乏時，反硝化過程受到抑制，導(dǎo)致脫氮過程受阻；同時，聚磷菌在釋磷階段需要吸收有機(jī)物合成PHB，而碳源減少導(dǎo)致水中的有機(jī)物不足，這使得聚磷菌對物質(zhì)能源的利用率降低，從而使除磷過程受到抑制；另外，降低C/N后微膨脹活性污泥的增殖速率減慢，排泥頻率由每天1次下降至每3d排1次，這也導(dǎo)致了排出的含磷污泥量減少，進(jìn)而影響了除磷效果。

2.4 典型周期內(nèi)各污染物的去除特性

2.4.1 氮濃度的變化

典型周期內(nèi)氮濃度的變化如圖8所示。由圖8（a）可知，NH4+-N濃度隨著運(yùn)行時間的增加不斷降低，且在前4h下降速率較快，到第4小時，NH4+-N的去除率分別達(dá)到90.47%（C/N=6）、89.34%（C/N=3）、87.04%（C/N=1）。至該運(yùn)行周期末，NH4+-N基本消耗完全，去除率均達(dá)到99%以上，表明各C/N條件下系統(tǒng)的硝化反應(yīng)進(jìn)行得比較完全。

如圖8（b）所示，各C/N條件下NO2--N濃度均隨著時間的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，且當(dāng)C/N=6時這種趨勢最為明顯。圖8（c）顯示，當(dāng)C/N為6和3時，NO3--N濃度在第1小時上升后便呈下降趨勢，然后分別在第4和第3小時又開始緩慢上升，表明在這兩種C/N條件下，系統(tǒng)中存在同步硝化反硝化過程，而且反硝化速率相對較高。然而，當(dāng)C/N=1時NO3--N濃度基本呈上升趨勢，這表明在低C/N條件下系統(tǒng)中的反硝化過程受到了抑制。圖8（d）顯示，在前4hTN濃度下降較快，尤其當(dāng)C/N=6時，TN去除率在第4小時可以達(dá)到61%。這表明在前4h碳源較為充足的情況下，系統(tǒng)中存在同步硝化反硝化過程，反硝化菌利用有機(jī)物快速進(jìn)行脫氮過程。4h后TN濃度下降緩慢，這可能是因?yàn)榇藭r系統(tǒng)中剩余的有機(jī)物較少，導(dǎo)致反硝化過程受阻，脫氮速率減慢甚至停滯。

2.4.2 COD、TP的去除特性

典型周期內(nèi)COD和TP濃度的變化見圖9。從圖9（a）可以看出，不同C/N條件下系統(tǒng)對COD的去除曲線變化趨勢大體相同。在前4h，COD濃度迅速下降，考慮系統(tǒng)中的微生物在前期碳源充足的情況下，其豐度及活性更高，對有機(jī)物的吸附和降解效率較高；4h后，COD濃度下降速率變得緩慢，并基本趨于穩(wěn)定。總體而言，各系統(tǒng)對COD的去除率均較高，說明低C/N條件下系統(tǒng)中的微生物展現(xiàn)出了較好的適應(yīng)性。

圖9（b）顯示，在不同C/N條件下，系統(tǒng)對TP的去除速率都呈現(xiàn)先快后慢的趨勢。在前4h，TP去除速率較快，4h后TP去除速率減慢甚至停滯，這表明在曝氣階段的前4h，系統(tǒng)中的聚磷菌發(fā)生了好氧吸磷過程，然而，隨著時間的推移，可利用的碳源逐漸減少，導(dǎo)致了后期的TP去除速率減緩，后續(xù)可以通過排出富含磷的微膨脹活性污泥來實(shí)現(xiàn)磷的進(jìn)一步去除。

2.5 不同C/N條件下微生物群落結(jié)構(gòu)的變化

2.5.1 門水平微生物群落結(jié)構(gòu)

不同C/N條件下微膨脹活性污泥系統(tǒng)中門水平微生物群落結(jié)構(gòu)的變化如圖10所示�？梢钥闯觯�3種C/N條件下，微生物菌門的豐度水平存在一定差異，但優(yōu)勢微生物菌門基本保持一致。優(yōu)勢菌門主要包括Proteobacteria（變形菌門）、Bacteroidota（擬桿菌門）、Actinobacteriota（放線菌門）、Acidobacteriota（酸桿菌門）、Chloroflexi（綠彎菌門）和Nitrospirota（硝化菌門）。值得注意的是，Proteobacteria在污水處理系統(tǒng)中通常由兼性或?qū)Ｐ詤捬蹙�組成，它們可以利用有機(jī)物進(jìn)行反硝化作用，在3種C/N條件下反應(yīng)器中Proteobacteria的相對豐度均保持在30%以上，這表明盡管系統(tǒng)在低碳源條件下運(yùn)行，但反硝化過程仍然可以順利進(jìn)行。同時，Bacteroidota、Actinobacteriota和Acidobacteriota等也參與反硝化過程，具有脫氮功能。在本研究中，隨著C/N的降低，Proteobacteria、Bacteroidota和Actinobacteriota的相對豐度均呈現(xiàn)降低趨勢，分別從44%、19%、13%下降至35%、17%、4%；與此同時，Acidobacteriota的相對豐度卻從8%升高至20%。這表明在C/N降低時發(fā)生了群落演替，Acidobacteriota成為主要的反硝化細(xì)菌，其在特定環(huán)境下可能更具競爭優(yōu)勢。此外，Nitrospirota中存在亞硝酸鹽氧化菌和氨氧化菌，能夠適應(yīng)持續(xù)的低DO環(huán)境，保障了反應(yīng)器中硝化過程的順利進(jìn)行。

2.5.2 屬水平微生物群落結(jié)構(gòu)

圖11為不同C/N條件下微膨脹活性污泥系統(tǒng)中屬水平上的微生物群落結(jié)構(gòu)�？梢钥闯觯瑑�(yōu)勢菌屬包括Thiothrix（發(fā)硫菌屬）、Nakamurella、SM1A02、Aridibacter、Nitrospira（亞硝化螺菌屬）等。其中，Thiothrix屬于絲狀菌，其獨(dú)特的生長模式可能導(dǎo)致污泥發(fā)生絲狀膨脹，因此在微膨脹活性污泥系統(tǒng)中，該菌屬得以大量生長繁殖，其相對豐度高達(dá)32%。隨著C/N的降低，Thiothrix的相對豐度呈現(xiàn)出先升后降的趨勢，并在C/N=3時達(dá)到最高值，這表明在一定范圍內(nèi)降低C/N有利于Thiothrix的生長，進(jìn)而有利于維持微膨脹活性污泥結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。另外，Nakamurella也被歸類為絲狀放線菌。根據(jù)已有的研究，這類菌屬能夠有效代謝葡萄糖，并有助于維持反應(yīng)器中微生物群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。在C/N降低過程中，兩種絲狀菌的總相對豐度均可以達(dá)到30%以上，這表明無論在哪個階段，系統(tǒng)中的優(yōu)勢菌屬都是絲狀菌，降低C/N后活性污泥依然可以保持微膨脹狀態(tài)。此外，Aridibacter被鑒定為反硝化細(xì)菌，而Nitrospira則屬于硝化細(xì)菌。這兩類菌屬在污水處理過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，是脫氮的核心功能菌，它們的存在確保了反應(yīng)器中硝化和反硝化過程的順利進(jìn)行。

3、結(jié)論

①當(dāng)進(jìn)水C/N從6下降至3時，微膨脹活性污泥-SBR體系對污水的處理效果無明顯變化；但是當(dāng)C/N繼續(xù)降至1時，TN和TP去除率均顯著降低，污泥SV和SVI值明顯下降，污泥無機(jī)化現(xiàn)象嚴(yán)重。典型周期內(nèi)（8h）污染物的去除特性研究表明，在前4h，系統(tǒng)對有機(jī)物、氮和磷的去除速率較快，4h后系統(tǒng)降解有機(jī)物的速率以及脫氮除磷速率均減慢甚至停滯。

②隨著進(jìn)水C/N的降低，系統(tǒng)內(nèi)的微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了較明顯的變化，主要脫氮功能菌門Proteobacteria的相對豐度由44%下降至35%，而Acidobacteriota的相對豐度由8%升至20%；系統(tǒng)中優(yōu)勢菌屬Thiothrix的相對豐度先升后降，在C/N=3時達(dá)到最大值32%。（來源：海南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院）