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隨著我國各地不斷提出“準Ⅳ類水”排放標準，對城鎮污水處理廠的出水水質提出了更高的要求，同時在“碳達峰、碳中和”目標下，降低污水處理的能耗、藥耗，減少碳排放是污水處理行業升級改造的迫切需求。目前，我國大部分污水處理廠提標改造依賴于延長處理流程，增加三級處理，或者增大碳源和化學除磷藥劑的投加量。提標改造工程大多面臨無新建用地的問題，所以利用生化池原池進行改造、深度挖潛生化工藝處理效能成為提標改造的重點和難點。越來越多的研究致力于通過泥膜耦合工藝強化生物處理，活性污泥耦合生物膜不僅能增加污泥濃度，還能形成“雙泥齡”，克服脫氮除磷矛盾，進一步強化生物脫氮除磷效率。常見的強化生物技術包括移動床生物膜反應器（MBBR）、高濃度復合粉末載體生物流化床（HPB）、以芽孢桿菌為優勢菌的生物反應器工藝（BBR）、生物固定膜工藝（HBF）等。筆者采用BBR、HPB、MBBR三種泥膜耦合工藝對生物處理段進行強化，并通過處理實際污水的中試研究各泥膜耦合工藝對出水水質、運行穩定性的影響，分析各工藝的作用原理，旨在為污水處理廠提標改造工藝選擇提供參考。

1、材料與方法

1.1 污水廠概況

中試在杭州某污水處理廠開展，該廠設計處理規模為60×104m3/d，采用AAO+反硝化深床濾池工藝，出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）一級A標準。中試進水采用廠區某組生化池進水，并將中試出水與該組生化池對應的二沉池出水進行對比。

1.2 中試裝置

BBR、HPB和MBBR工藝的中試流程如圖1所示。BBR工藝在AAO厭氧段設置生物轉盤（未掛膜），接種廠區生化池的活性污泥掛膜培養9d，其間采用芽孢桿菌接種，初始投加芽孢桿菌粉末0.76kg/m3，進水量為2~4m3/d，投加營養液1.25mL/m3；然后以4m3/d的進水量穩定運行30d；之后開始與廠區以及另外兩種工藝中試系統進行同步對比，其間投加營養液0.06mL/m3。

HPB工藝在生化池投加復合粉末載體，并在二沉池剩余污泥排放管路上增加載體回收裝置，接種廠區生化池的活性污泥培養7d，復合粉末載體初始投加量約為5.5g/L，然后開始與廠區以及另外兩種工藝中試系統進行同步對比，連續運行期間復合粉末載體投加量為10mg/L。

MBBR工藝在生化池好氧段投加懸浮生物膜填料（已掛膜），填料比表面積約為800m2/m3，好氧段填充率約為30%，接種廠區活性污泥后培養12d，然后開始與廠區以及另外兩種工藝中試系統進行同步對比。3個中試系統進行同步對比之前，出水水質均達到COD<30mg/L、氨氮<1mg/L、TN<12mg/L、TP<0.5mg/L。

1.3 進水水質與運行參數

中試進水采用污水廠生化池進水，試驗期間的水質見表1，進水COD/TN均值為5.53、COD/TP均值為51.18、B/C值為0.3~0.5；為了量化水質波動程度，計算各指標的變異系數（標準差與算術平均值的比值），結果均低于0.25，表明進水水質較穩定。

試驗出水水質的目標為地表準Ⅳ類標準，即COD≤30mg/L、NH3-N≤1.5mg/L、TN≤12mg/L、TP≤0.3mg/L，各工藝的中試裝置生化段設計運行參數與廠區基本保持一致，具體見表2。對于除磷藥劑，中試裝置未投加，廠區在二沉池進水處投加。

1.4 檢測項目與方法

COD、NH3-N、TN、TP、MLSS、MLVSS等指標均采用國家標準方法進行檢測；DO、pH和水溫均采用便攜式儀表進行檢測；活性污泥的硝化速率和反硝化速率采用批次試驗進行測定；另外，采用高通量測序技術對活性污泥的16SrRNA基因進行擴增和測序分析。

2、結果與討論

2.1 出水水質分析

各工藝中試裝置穩定運行后，與廠區同步運行約1個月，試驗期間進水溫度為（18.7±0.9）℃，出水水質情況見表3。

2.1.1 出水COD濃度

由表3可知，3種工藝中試出水和廠區二沉池出水的COD濃度平均值在15~18mg/L之間，最大值均低于30mg/L，表明3種工藝中試出水與廠區二沉池出水的COD濃度基本一致，出水COD濃度變異系數依次為0.23、0.32、0.32、0.47，出水COD均較為穩定，由于進水主要為生活污水，進水中的不可降解有機物含量較少，經過生物處理后出水COD濃度較低。

2.1.2 出水總磷濃度

3種工藝中試裝置在不投加除磷藥劑的情況下出水總磷平均濃度和廠區二沉池出水相差不大，廠區在二沉池之前投加化學除磷藥劑。3種工藝中試裝置在不投加除磷藥劑的情況下出水總磷濃度較低，一方面可能與微生物組成有關，另一方面，HPB工藝和MBBR工藝出水總磷濃度低與污泥齡控制較短有關。

從微生物組成來看，侯繼燕等人分析了BBR工藝除磷的技術特點，由于BBR工藝富集了革蘭氏陽性菌，該菌在生長過程中會吸收大量的磷，使得除磷效果提升，革蘭氏陽性菌的細胞壁含有大量的磷壁酸，而革蘭氏陰性菌中不含磷壁酸，因此革蘭氏陽性菌的含磷量比革蘭氏陰性菌高很多，厚壁菌門和變形菌門就是兩類典型的革蘭氏陽性菌。柴曉利等人研究發現，通過復合粉末載體的投加及排泥過程中載體和附著微生物的回收循環，實現了“雙泥齡”，克服了脫氮菌和除磷菌的污泥齡矛盾，有利于生物除磷。趙一寧等人研究發現，MBBR懸浮填料在生化池互相碰撞，生物膜不斷脫落、更新，使內部缺氧區、厭氧區成為表層好氧區，滿足聚磷菌厭氧釋磷、好氧吸磷的條件。在本研究中，微生物菌群檢測結果顯示，3個中試裝置污泥在門水平上厚壁菌門的相對豐度明顯增加，在屬水平上聚磷菌的相對豐度明顯增加。

2.1.3 出水氨氮濃度

由表3可知，3個中試及廠區出水氨氮平均值均低于1mg/L，MBBR中試與廠區出水氨氮平均濃度略高于BBR中試和HPB中試，且前兩者的出水氨氮濃度變異系數（1.26、1.36）也高于后兩者（0.54、0.70），主要由于MBBR中試和廠區處理規模較大，運行過程中DO控制穩定性比BBR中試和HPB中試要差，根據表2可知，BBR、HPB、MBBR中試及廠區生化池DO濃度的變異系數分別為0.08、0.06、0.40和0.38。氨氮的去除效果主要與進水堿度、pH、溫度、污泥有機負荷、DO、微生物菌群等因素有關。趙一寧等人研究發現，當DO為1.5mg/L時，MBBR工藝對氨氮的平均去除率為76.12%，當DO升至3mg/L時，氨氮的平均去除率提高至94.85%，表明DO對氨氮去除的影響較大。

測定得到BBR、HPB、MBBR中試和廠區活性污泥的比硝化速率分別為2.40、1.40、1.33和2.44mg/（gMLVSS·h），考慮到各生化池污泥濃度有一定差別，采用表2中的平均污泥濃度，計算得到各中試及廠區活性污泥單位容積氨氮降解速率分別為6.24、7.42、6.25和7.81mg/（L·h），由于檢測過程中只測定了懸浮污泥，BBR和MBBR中試未包括生物膜上的生物量。鄭敏等人研究發現，MBBR工藝的比硝化速率為2.76mg/（gMLVSS·h），與不投加填料的活性污泥相比提高了25.5%，表明填料的投加對氨氮的去除具有強化效果。但由于運行期間水質和水量較穩定，泥膜耦合工藝中試與廠區相比未體現出明顯優勢。

水溫對氨氮的去除效果影響較大，鄭敏等人研究發現，當水溫從5℃升至35℃時，比氨氮氧化速率增大了1.93倍，當水溫低于10℃時，硝化反應活性大大降低。試驗期間進水溫度為（18.7±0.9）℃，水溫較為適宜，對于在最不利水溫條件下3種泥膜耦合工藝的性能還需進一步研究，但隨著大多數污水廠采用加蓋除臭或地埋式建設形式，污水廠冬季最低水溫有所提高，以開展試驗的污水廠為例，冬季12月和1月平均水溫約為15℃，全年低于15℃的天數僅15d。

2.1.4 出水總氮濃度

由表3可知，BBR、HPB和MBBR中試系統出水總氮平均濃度均低于廠區二沉池出水，分別降低了57%、46%和39%，且出水總氮的變異系數（依次為0.28、0.30、0.40）與廠區的（0.29）相差不大，表明3種泥膜耦合工藝均有利于總氮的去除。另外測得，3個中試裝置污泥的反硝化速率均高于廠區污泥，BBR、HPB、MBBR和廠區污泥的比反硝化速率分別為5.49、3.95、3.97和3.20mg/（gMLVSS·h），采用表2中的平均污泥濃度計算各中試及廠區污泥的單位容積硝酸鹽氮降解速率，結果分別為14.27、20.94、18.66、10.24mg/（L·h），3個中試裝置的活性污泥單位容積硝酸鹽氮降解速率均高于廠區，且BBR和MBBR中試未包括生物膜上的生物量。這主要是由于3個中試裝置均采用泥膜耦合工藝，通過投加填料優化了微生物群落結構，在填料表面附著了生物膜，隨著生物膜由外到內溶解氧的逐漸減少，構建了局部缺氧微環境，促進了同步硝化反硝化反應，也有利于碳源的合理分配與利用，從而提升了總氮的去除效果。

2.2 微生物菌群分析

各中試裝置穩定運行一段時間后，對生化池活性污泥進行16SrRNA擴增測序分析，污泥的多樣性指數、OTUs和測序深度統計結果如表4所示。可以看出，污泥樣品總體測序深度較好，Coverage值均在0.99以上。從Shannon指數和Chao1指數來看，廠區生化池活性污泥的微生物群落多樣性高于3個中試裝置。

4個污泥樣品中微生物菌群在門水平上的相對豐度見圖2。廠區活性污泥樣品中占比較高的菌門有變形菌門（Proteobacteria，31%）、硝化螺旋菌門（Nitrospirae，13%）、擬桿菌門（Bacteroidetes，10%）、綠彎菌門（Chloroflexi，16%）等，3個中試污泥樣品中占比最高的菌門為變形菌門（Proteobacteria）和厚壁菌門（Firmicutes），兩個菌門的總占比超過了70%。變形菌門是城鎮污水處理廠活性污泥系統和廢水生物處理系統中的主要菌群，具有降解有機物和脫氮除磷的功能；厚壁菌門主要為厭氧菌，同時也是革蘭氏陽性菌。

4個污泥樣品中主要功能菌在屬水平上的相對豐度變化如圖3所示。硝化螺旋菌屬（Nitrospira）是一種典型的硝化細菌，可將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽，該菌在各中試及廠區污泥中的占比均較高。Candidatus_Accumulibacter和Tetrasphaera為常見的聚磷菌，與廠區活性污泥相比，BBR、HPB和MBBR中試系統污泥中聚磷菌的相對豐度均有所提高，從1.28%分別提高到了2.00%、1.63%和3.04%。Dechloromonas、Enterobacter、EscherichiaShigella、Clostridium、Lactobacillus均為兼性厭氧菌，能進行水解酸化、發生反硝化反應，與廠區活性污泥相比，BBR、HPB和MBBR中試污泥中厭氧菌的相對豐度從6.04%分別提高至45.20%、37.49%和24.70%，反硝化菌的相對豐度提高明顯，這與泥膜耦合工藝原理相一致。

3、結論

①3種泥膜耦合工藝中試裝置運行穩定后，出水COD、氨氮、總氮、總磷平均濃度分別低于20、1、5和0.4mg/L。

②3種泥膜耦合工藝均結合了活性污泥與生物膜的優勢，對總氮和總磷的去除效果有較大提高，出水總磷濃度在不投加藥劑情況下與廠區投加藥劑條件下相差不大，出水總氮平均濃度相比廠區二沉池出水降低了39%~57%。

③3種泥膜耦合工藝中的微生物菌群多樣性低于廠區，優化了微生物群落結構，在門水平上富集的微生物菌群主要為變形菌門（Proteobacteria）和厚壁菌門（Firmicutes），在屬水平上聚磷菌的平均相對豐度比廠區活性污泥提高0.94%，兼性厭氧菌平均相對豐度比廠區活性污泥提高29.76%。