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近年來，城市污水呈現有機物濃度不斷降低，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現低耗高效脫氮是一個亟待解決的技術難題。

低溶解氧污泥微膨脹節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關注，該方法控制污水處理系統在低溶解氧條件下運行，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，系統中過度增殖的絲狀菌對低濃度底物適應能力強、易形成網狀污泥絮體結構，可以實現低溶解氧絲狀菌微膨脹與短程硝化的耦合，進而達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能力強的特性以及序批式反應器（SBR）運維能耗低的優勢，構建“雙節能”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律，分析典型周期內各污染物的去除特性，以期實現對微膨脹活性污泥-SBR體系處理潛能的挖掘及運行參數的優化，為微膨脹活性污泥法的實際應用提供理論支撐。

1、材料和方法

1.1 實驗裝置及運行方式

實驗裝置如圖1所示，采用自制的SBR反應器，有效容積為14L，反應器底部設有盤式曝氣頭，通過曝氣泵供氣，利用氣體流量計控制曝氣量。實驗裝置通過兩臺蠕動泵控制進水和出水，每次進水和排水的體積為7L，排水比為1/2，每運行3個周期進行一次排泥，個別階段根據實際情況調整排泥頻率，排泥量也根據實際情況進行調整。控制反應器內的DO濃度在0.5~0.8mg/L之間，pH為7.0~8.0。運行周期為8h，包括進水15min、曝氣360min、沉淀30min、排水15min、閑置60min。

1.2 實驗進水和接種污泥

實驗進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），采用碳酸氫鈉調節進水pH，并投加1mL/L營養元素溶液，同時控制反應器溫度在25℃左右。

接種污泥取自海口市白沙門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值穩定在107mL/g左右，用于實驗。

1.3 檢測項目和方法

COD、NH4+-N、TN等常規水質指標和MLSS、SV、SVI等污泥指標均采用國家標準方法測定，DO濃度采用便攜式溶解氧儀測定，pH采用pH計測定。

高通量測序：從反應器中取污泥樣品寄送到上海美吉生物醫藥科技有限公司，經過DNA提取、PCR擴增、PCR產物鑒定等程序后，在MajorbioISanger高通量測序云平臺上構建DNA文庫，利用Illumina進行測序，引物采用338F（5′-ACTCCTACGGGAGGCAGAG-3′）和806R（5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′）。

2、結果與討論

2.1 微膨脹活性污泥法的啟動

保持SBR反應器的污泥負荷為0.15kgCOD/（kgMLSS·d）不變，控制DO濃度在0.5~0.8mg/L，運行4個周期。在低DO協同低污泥負荷作用下，污泥的SVI、SV值逐漸升高。系統運行第12天，SVI值增至193mL/g，第18天達到最高值262mL/g。繼續運行12d，SVI基本穩定在220mL/g左右，污泥沉降性能良好，成功實現微膨脹活性污泥狀態。使用普通光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡在高倍數下觀察活性污泥的形貌結構，結果如圖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部伸出，菌絲之間相互纏繞形成網狀結構，并附有少許菌膠團，絲狀菌的數量占據優勢地位。圖3（a）顯示，菌膠團表面較為粗糙，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，菌膠團內部存在部分球狀細菌和桿狀細菌黏附在菌絲上，但總體而言絲狀菌數量仍占據優勢。

2.2 污泥的SV、SVI和MLSS指標變化

降碳階段微膨脹活性污泥的MLSS、SV、SVI指標變化情況如圖4所示。隨著C/N值的降低，MLSS變化不大，基本穩定在1900mg/L左右，而SV和SVI值呈現出先升高后降低的趨勢。當C/N值為3時，污泥負荷為0.075kgCOD/（kgMLSS?d），該值處于Chao等研究發現的絲狀菌大量繁殖的污泥負荷范圍。這表明在C/N值從6降至3的過程中，菌膠團中的微生物對碳源存在競爭，絲狀菌由于比表面積較大、適應低濃度底物的能力較強，在與菌膠團中其他微生物的競爭中占據優勢，大量繁殖，進而導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值出現升高的趨勢。當C/N值繼續降至1時，碳源濃度過低，微生物的生境發生改變，MLSS有所升高，此時可能出現細菌內源呼吸的情況，導致污泥活性變差，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對COD的去除效果如圖5所示。當進水C/N分別為6、3、1時，系統對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《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）的一級A標準。對出水COD濃度數據進行單因素方差分析，在顯著性水平α=0.05條件下，C/N=6和C/N=3兩組數據無顯著差異，C/N=3和C/N=1兩組數據差異顯著，C/N=6和C/N=1兩組數據差異極顯著。從圖5可以看出，當進水C/N降至1時，系統對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。在污泥負荷較低時，絲狀菌比菌膠團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中NH4+-N、NO2--N、NO3--N濃度的變化見圖6。可以看出，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99%以上，滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）的一級A標準。對出水NH4+-N濃度數據進行單因素方差分析，在顯著性水平α=0.05下，3組數據并未表現出顯著差異，這說明降低進水C/N并未對NH4+-N去除效果產生明顯影響。但是，在進水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=3兩組數據無顯著差異，但C/N=3和C/N=1兩組數據表現出顯著差異，而C/N=6和C/N=1兩組數據差異更顯著；對于出水NO2--N，C/N=6和C/N=3兩組數據無顯著差異，C/N=3和C/N=1兩組數據也無顯著差異，但C/N=6和C/N=1兩組數據表現出顯著差異。圖6也顯示，在C/N=3時，系統出水NO3--N、NO2--N濃度均呈現出上升趨勢，但與C/N=6時的差異并不明顯；而當C/N降至1時，系統出水NO3--N、NO2--N濃度明顯升高。這可能是因為碳源減少導致反硝化過程因缺乏電子供體而受到抑制，無法正常進行脫氮過程，從而造成系統中NOx--N的積累。因此，在實際運行中應根據進水C/N的變化及時調整系統運行參數，特別是在碳源缺乏的情況下，應采取適當的措施如增加碳源投量、調整曝氣量等來提高系統的處理效率。

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到65%和50%左右。盡管系統在低溶解氧狀態，理論上不利于聚磷菌進行好氧吸磷，但陳瀅等在低氧狀態下運行SBR反應器時發現，即使曝氣量極低（DO約為0.1mg/L），氧氣仍可以滲透進入污泥絮體內部，聚磷菌仍然可以發生過量吸磷現象。當C/N降至3時，系統對TN和TP的平均去除率分別為56%和42%；當C/N繼續降至1時，系統對TN和TP的平均去除率分別下降至45%和34%。對出水TN和TP濃度進行單因素方差分析，結果顯示，在顯著性水平α=0.05下，C/N=6和C/N=3兩組數據無顯著差異，而C/N=3和C/N=1兩組數據差異顯著，C/N=6和C/N=1兩組數據差異極為顯著。

通過上述分析可知，當C/N降至3時，系統對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C/N降至1時，系統對TN和TP的去除效果與C/N=6時出現了極為顯著的差距。這可能是因為反硝化過程需要有機物作為電子供體，當碳源缺乏時，反硝化過程受到抑制，導致脫氮過程受阻；同時，聚磷菌在釋磷階段需要吸收有機物合成PHB，而碳源減少導致水中的有機物不足，這使得聚磷菌對物質能源的利用率降低，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，這也導致了排出的含磷污泥量減少，進而影響了除磷效果。

2.4 典型周期內各污染物的去除特性

2.4.1 氮濃度的變化

典型周期內氮濃度的變化如圖8所示。由圖8（a）可知，NH4+-N濃度隨著運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的去除率分別達到90.47%（C/N=6）、89.34%（C/N=3）、87.04%（C/N=1）。至該運行周期末，NH4+-N基本消耗完全，去除率均達到99%以上，表明各C/N條件下系統的硝化反應進行得比較完全。

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先升高后降低的趨勢，且當C/N=6時這種趨勢最為明顯。圖8（c）顯示，當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C/N=6時，TN去除率在第4小時可以達到61%。這表明在前4h碳源較為充足的情況下，系統中存在同步硝化反硝化過程，反硝化菌利用有機物快速進行脫氮過程。4h后TN濃度下降緩慢，這可能是因為此時系統中剩余的有機物較少，導致反硝化過程受阻，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，并基本趨于穩定。總體而言，各系統對COD的去除率均較高，說明低C/N條件下系統中的微生物展現出了較好的適應性。

圖9（b）顯示，在不同C/N條件下，系統對TP的去除速率都呈現先快后慢的趨勢。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，系統中的聚磷菌發生了好氧吸磷過程，然而，隨著時間的推移，可利用的碳源逐漸減少，導致了后期的TP去除速率減緩，后續可以通過排出富含磷的微膨脹活性污泥來實現磷的進一步去除。

2.5 不同C/N條件下微生物群落結構的變化

2.5.1 門水平微生物群落結構

不同C/N條件下微膨脹活性污泥系統中門水平微生物群落結構的變化如圖10所示。可以看出，3種C/N條件下，微生物菌門的豐度水平存在一定差異，但優勢微生物菌門基本保持一致。優勢菌門主要包括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在污水處理系統中通常由兼性或專性厭氧菌組成，它們可以利用有機物進行反硝化作用，在3種C/N條件下反應器中Proteobacteria的相對豐度均保持在30%以上，這表明盡管系統在低碳源條件下運行，但反硝化過程仍然可以順利進行。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降低時發生了群落演替，Acidobacteriota成為主要的反硝化細菌，其在特定環境下可能更具競爭優勢。此外，Nitrospirota中存在亞硝酸鹽氧化菌和氨氧化菌，能夠適應持續的低DO環境，保障了反應器中硝化過程的順利進行。

2.5.2 屬水平微生物群落結構

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

3、結論

①當進水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C/N繼續降至1時，TN和TP去除率均顯著降低，污泥SV和SVI值明顯下降，污泥無機化現象嚴重。典型周期內（8h）污染物的去除特性研究表明，在前4h，系統對有機物、氮和磷的去除速率較快，4h后系統降解有機物的速率以及脫氮除磷速率均減慢甚至停滯。

②隨著進水C/N的降低，系統內的微生物群落結構發生了較明顯的變化，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%；系統中優勢菌屬Thiothrix的相對豐度先升后降，在C/N=3時達到最大值32%。