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厭氧-缺氧-好氧(anaerobic-anoxic-oxic，AAO)工藝作為傳統(tǒng)活性污泥法的典型工藝，因其工藝成熟、流程簡單、運行靈活、水力停留時間短、建造和運行成本低等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于我國城鎮(zhèn)污水處理體系中。然而，我國北方地區(qū)溫度差異大，寒冷季節(jié)長，生化處理過程受影響較大，小規(guī)模污水處理難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。低溫使硝化和反硝化菌屬活性降低，導(dǎo)致系統(tǒng)脫氮效能惡化，為系統(tǒng)穩(wěn)定運行帶來極大挑戰(zhàn)。因此，提高AAO系統(tǒng)的脫氮性能，以保證冬季低溫條件下污水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運行效果，是目前研究重點與難點。

已有研究結(jié)果表明，溫度對AAO系統(tǒng)的脫氮效能有很大影響。RANDALL等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度由20℃降至10℃時，相應(yīng)的污泥齡需要從2.7d延長至5d才可保證AAO系統(tǒng)的硝化效果。梁嘉斌等利用Sumo軟件對冬季某污水廠運行情況進(jìn)行動態(tài)模擬和優(yōu)化，結(jié)果表明：硝化液回流比從50%提升到400%時，系統(tǒng)脫氮效果有所增加而COD去除率變化不大，將硝化液回流比優(yōu)化為300%、DO為1.95g·m?3(每立方米污水中的氧氣質(zhì)量)后TN明顯降低；雒海潮等對分流式測流-AAO系統(tǒng)在12~15℃下污染物去除性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)改良AAO系統(tǒng)對COD、(NH4+-N)和TN的去除率分別為88.56%、83.12%和71.60%，且可實現(xiàn)良好的污泥減量效果；WANG等發(fā)現(xiàn)將AAO與曝氣生物濾池(biologicalaeratedfilter，BAF)耦合可有效增強(qiáng)系統(tǒng)低溫條件下的脫氮除磷效果；金羽對AAO系統(tǒng)的研究表明，在11℃下，系統(tǒng)出水TP、COD仍能滿足一級A標(biāo)準(zhǔn)，而14℃時AAO系統(tǒng)就對NH4+-N和TN的去除效果明顯下降，難以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

在不增設(shè)工藝單元的低溫條件下，常規(guī)AAO系統(tǒng)難以滿足排放要求，因此應(yīng)探究低溫條件下AAO系統(tǒng)微生物特性，并通過工況調(diào)整等非工程措施來提高脫氮性能，尤其是提升NH4+-N和TN的去除效果。為保證低溫條件下系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，多采用對構(gòu)筑物保溫、降低污泥負(fù)荷、延長水力停留時間(HRT)或結(jié)合物化方法等措施來提高脫氮效能。但上述方法不僅難以實現(xiàn)穩(wěn)定的出水效果，還極大地增加污水處理設(shè)施的基建和維護(hù)運行費用，因此，對AAO工藝的改良應(yīng)在充分發(fā)揮AAO工藝本身功能的基礎(chǔ)上有針對性地進(jìn)行。硝化液回流比和污泥回流比是AAO工藝最典型的2個內(nèi)部參數(shù)。相較于增加工藝單元或采用保溫措施、降低污泥負(fù)荷等工程措施，內(nèi)部參數(shù)的調(diào)整不會大幅增加基建和運行費用，但會直接影響系統(tǒng)硝化性能和污泥濃度，進(jìn)而影響各指標(biāo)處理效果。

基于此，本研究以小試規(guī)模的AAO污水處理系統(tǒng)為研究對象，通過調(diào)整硝化液回流比、污泥回流比和碳源等條件，獲取低溫條件下AAO系統(tǒng)最佳運行工況，并結(jié)合胞外聚合物(EPS)和微生物群落結(jié)構(gòu)，探究低溫條件下AAO系統(tǒng)的脫氮機(jī)理、微生物群落與脫氮除碳之間的關(guān)系，以期為低溫狀況下污水處理效能的提升提供參考。

1、材料與方法

1.1 實驗水質(zhì)及接種污泥

接種污泥取自西安市第四污水處理廠回流污泥，取樣日期為2月6日。取樣時水廠水溫13.5℃，1、2月份水廠水溫波動小，均低于14℃。實驗采用人工配水模擬農(nóng)村生活污水，所用試劑包括：葡萄糖，乙酸鈉，氯化銨，磷酸二氫鉀及微量元素溶液，微量元素添加量為1mL·L?1，其成分如表1所示。運行期間水質(zhì)參數(shù)如下：COD為226~289mg·L?1，平均值為249mg·L?1；NH4+-N為18~24mg·L?1，平均值為21mg·L?1；TN為24~30mg·L?1，平均值為27mg·L?1；TP平均值為2.47mg·L?1；pH為6.9~7.6，平均值7.2。

1.2 分析方法

常規(guī)指標(biāo)(NH4+-N)、、、TN和COD分別采用納氏試劑分光光度法、N-(1-萘基)-乙二胺光度法、紫外分光光度法、過硫酸鉀氧化法、和快速消解法測定。pH和溶解氧采用便攜式溶氧儀(HachHQ40d)測定；溫度采用溫度計測定。

EPS采用熱離心方式進(jìn)行提取，分別采用苯酚-濃硫酸法和Lowry法對多糖和蛋白進(jìn)行測定。采用16SrRNAAmplicon高通量測序技術(shù)對低溫條件下AAO系統(tǒng)中微生物進(jìn)行群落結(jié)構(gòu)分析。采用MiSeqPE300測序模式，選擇細(xì)菌16SrRNAV3~V4區(qū)引物338F和806R(引物序列5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3'和5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3')對樣品進(jìn)行測試，再研究所得樣本的群落結(jié)構(gòu)，通過上海美吉生物醫(yī)藥技術(shù)公司(上海)的美吉生物技術(shù)云平臺對樣本中優(yōu)質(zhì)DNA序列進(jìn)行了篩查，并對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行了解析。

1.3 實驗裝置及運行方式

本研究所采用裝置為日處理量30L·d?1的AAO系統(tǒng)(圖1)。反應(yīng)器AAO主反應(yīng)區(qū)總有效容積20L，其中厭氧池2L，缺氧池2.5L，好氧池15.5L。系統(tǒng)總HRT約為16h。在啟動期后，主反應(yīng)區(qū)內(nèi)MLVSS、MLSS分別維持在(1500±50)mg·L?1和(2230±50)mg·L?1，好氧區(qū)DO控制在1.5~2mg·L?1。二沉池設(shè)計為豎流式沉淀池，有效容積為4L。厭氧池、缺氧池和好氧池設(shè)有電動攪拌機(jī)。好氧池底部設(shè)置曝氣頭連續(xù)曝氣，反應(yīng)器進(jìn)水、內(nèi)回流及污泥回流均采用蠕動泵控制。實驗通過制冷機(jī)(低溫恒溫槽DC-2010)循環(huán)冷卻水的方式控溫。制冷機(jī)內(nèi)冷卻水接入反應(yīng)器外部循環(huán)冷卻水槽，保證反應(yīng)器內(nèi)水溫穩(wěn)定在(12±0.5)℃。

本實驗系統(tǒng)接種污泥后在(12±0.5)℃條件下進(jìn)行培養(yǎng)和馴化，連續(xù)運行168d。系統(tǒng)啟動成功后分為3個階段進(jìn)行(表2)，每個階段分別改變系統(tǒng)的硝化液回流比、碳源、污泥回流比，探究其對生活污水處理效果的影響。每階段所得最優(yōu)控制條件作為下階段初始固定參數(shù)，不斷優(yōu)化得到低溫條件下AAO系統(tǒng)最優(yōu)控制策略。

2、結(jié)果與討論

2.1 低溫條件下AAO系統(tǒng)啟動期運行效果

通過人工配置連續(xù)進(jìn)水的方式啟動系統(tǒng)，啟動期內(nèi)確定硝化液回流比為200%、污泥回流比為50%。由圖2可見，隨反應(yīng)區(qū)內(nèi)污泥濃度升高，系統(tǒng)對COD和NH4+-N去除效果緩慢上升。25d后主反應(yīng)區(qū)內(nèi)MLVSS上升至1500mg·L?1，出水TN和COD分別小于20mg·L?1和50mg·L?1，表明反應(yīng)器啟動完成，之后開始逐步探究不同工況優(yōu)化對AAO系統(tǒng)穩(wěn)定運行的影響。

2.2 低溫條件下AAO系統(tǒng)工況優(yōu)化

1)不同硝化液回流比對污染物去除性能影響。

有研究表明，生物脫氮系統(tǒng)硝化液回流比一般控制在100%~300%。本研究控制AAO反應(yīng)器在污泥回流比為50%的條件下，以葡萄糖為碳源對系統(tǒng)中活性污泥進(jìn)行培養(yǎng)，探究硝化液回流比對低溫運行的AAO反應(yīng)器脫氮除磷效能影響。每個工況條件下運行24d，污染物去除效果如圖3所示。

當(dāng)進(jìn)水平均(NH4+-N)為21.80mg·L?1時，AAO系統(tǒng)在內(nèi)回流比為100%、200%和300%的工況下出水平均(NH4+-N)分別為8.84、9.46和8.85mg·L?1，平均去除率分別為60.73%、57.28%和56.51%。結(jié)果表明：3種硝化液回流比工況下出水(NH4+-N)在《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)的一級B標(biāo)準(zhǔn)之上。當(dāng)用葡萄糖作為碳源時，以常規(guī)AAO系統(tǒng)作為單一處理單元凈化污水時，改變硝化液回流比對NH4+-N去除效果影響不大。

進(jìn)水平均TN為26.90mg·L?1時，AAO系統(tǒng)在內(nèi)回流比為100%、200%、和300%的工況下出水平均TN分別為16.64、16.34和14.29mg·L?1，平均去除率分別為36.08%、41.35%和46.53%。3種工況結(jié)果表明：硝化液回流比為100%、200%時，出水TN可滿足一級B標(biāo)準(zhǔn)；盡管300%的硝化液回流比工況對TN的去除效果優(yōu)于前2種，但不能穩(wěn)定達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。增高的硝化液回流比為缺氧區(qū)提供充足的硝酸鹽底物進(jìn)行反硝化作用，本系統(tǒng)中300%硝化液回流比時出水TN最低；而過高的硝化液回流比導(dǎo)致缺氧區(qū)水力停留時間變短，且破壞缺氧環(huán)境，不利于穩(wěn)定的反硝化過程進(jìn)行。

當(dāng)進(jìn)水平均COD為249.7mg·L?1時，AAO系統(tǒng)在內(nèi)回流比為100%、200%、和300%的工況下，出水平均COD分別為24.69、12.42和17.71mg·L?1，平均去除率分別為90.22%、95.11%和92.75%。結(jié)果表明：低溫條件下以葡萄糖作為碳源COD易被AAO系統(tǒng)去除，凈化后3種工況COD均可滿足(GB18918-2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)，但硝化液回流比由100%提高到200%時，出水COD更低，去除效果更穩(wěn)定。

2)碳源種類對污染物去除性能影響。

實驗結(jié)果表明，低溫條件下以葡萄糖作為單一碳源導(dǎo)致系統(tǒng)脫氮性能不佳。污水生物脫氮過程中，有機(jī)碳源是十分重要的因素，且在實際應(yīng)用中，生活污水成分復(fù)雜，并非由一種碳源組成，脂肪酸、碳水化合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別占約10%、25%~50%。胡小宇等發(fā)現(xiàn)，復(fù)合碳源(葡萄糖∶乙酸鈉=1.5∶1)更利于系統(tǒng)脫氮效能提升。因此，確定在污泥回流比為50%、硝化液回流比為100%的工況下，進(jìn)一步探究碳源在低溫條件下對AAO系統(tǒng)脫氮效能的影響，其結(jié)果如圖4所示。

在更換復(fù)合碳源后，出水(NH4+-N)、TN下降趨勢明顯。出水平均(NH4+-N)由8.84mg·L?1降至4.35mg·L?1，去除率由60.73%升至79.85%，且系統(tǒng)穩(wěn)定后基本實現(xiàn)對NH4+-N的完全去除。出水平均TN由16.16mg·L?1降至12.60mg·L?1，去除率由35.98%升至51.32%，可穩(wěn)定達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。相對于單一碳源，復(fù)合碳源對AAO系統(tǒng)脫氮效能顯著提升。

從電子供體角度分析，雖然碳源不同其代謝途徑會存在差異，但最后都?xì)w集于三羧酸循環(huán)。葡萄糖作為碳源提供電子時，需先經(jīng)過糖酵解途徑轉(zhuǎn)化為丙酮酸，再轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A進(jìn)入三羧酸循環(huán)而乙酸鈉作為碳源則可直接被微生物利用。從微生物種群的角度來看，脫氮功能菌種類的不同導(dǎo)致其所能利用的有機(jī)碳源也存在差異，AAO系統(tǒng)中所接種污泥為混培物，可能含有多種與反硝化有關(guān)的細(xì)菌。分析認(rèn)為，由單一碳源優(yōu)化為復(fù)合碳源后脫氮效果的顯著提升是由于碳源種類的豐富及其代謝過程中的各種中間代謝產(chǎn)物可被不同的脫氮功能菌利用，從而提高脫氮的效率。在碳源優(yōu)化后，AAO系統(tǒng)出水由不達(dá)標(biāo)到基本滿足一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，這表明碳源的種類和代謝途徑對生活污水中氮素的去除有較大影響。

3)不同污泥回流比對污染物去除性能影響。

有研究表明，污泥回流比一般控制在50%~100%比較適宜以復(fù)合碳源(葡萄糖∶乙酸鈉=1.5∶1)對AAO反應(yīng)器中活性污泥進(jìn)行培養(yǎng)，系統(tǒng)穩(wěn)定后探究50%、75%和100%這3種污泥回流比對污染物去除效率的影響，污染物去除效果如圖5所示。

進(jìn)水平均(NH4+-N)為21.00mg·L?1時，AAO系統(tǒng)在污泥回流比為50%、75%和100%的工況下出水平均(NH4+-N)分別為4.31、0.03和1.56mg·L?1，平均去除率分別為79.92%、99.87%和92.59%。結(jié)果表明：系統(tǒng)在3種工況下均有較高的NH4+-N去除負(fù)荷。75%污泥回流比系統(tǒng)運行期間對NH4+-N去除效果穩(wěn)定，NH4+-N幾乎全部被降解。

進(jìn)水平均TN為26.70mg·L?1時，AAO系統(tǒng)在污泥回流比為50%、75%和100%的工況下出水平均TN分別為12.60、7.93和10.85mg·L?1，平均去除率分別為51.32%、69.97%和60.62%。結(jié)果表明：在添加復(fù)合碳源條件下，AAO系統(tǒng)75%污泥回流比的工況可實現(xiàn)對TN穩(wěn)定、高效的去除，凈化后穩(wěn)定滿足一級A標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)污泥回流比為50%、100%時，出水TN波動較大，效果不穩(wěn)定。

隨污泥回流比的增大，出水(NH4+-N)、TN呈現(xiàn)先降低再增高的趨勢，75%污泥回流比工況下脫氮效果最好。污泥回流比的提高使二沉池回流污泥量增加，一方面提高了系統(tǒng)內(nèi)污泥質(zhì)量濃度；另一方面延長了系統(tǒng)污泥齡，有利于硝化細(xì)菌等世代時間較長的微生物的繁殖，有利于強(qiáng)化硝化作用、提高對NH4+-N的降解效果。

進(jìn)水平均COD為247.82mg·L?1時，AAO系統(tǒng)在污泥回流比為50%、75%和100%的工況下出水平均COD分別為27.47、30.98和42.32mg·L?1，平均去除率分別為89.07%、87.26%和82.75%。3種污泥回流比工況出水COD均可滿足一級B標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)污泥回流比為75%時，AAO系統(tǒng)對COD有穩(wěn)定的去除效果，可穩(wěn)定滿足一級A標(biāo)準(zhǔn)。50%工況出水COD較另2種有更大波動，100%污泥回流比工況出水COD穩(wěn)定，12次檢測中僅2次出水COD略高于一級A標(biāo)準(zhǔn)。

綜合各指標(biāo)處理效果，對比考察3種不同污泥回流比工況下AAO系統(tǒng)污水處理效果，結(jié)果表明低溫條件下75%污泥回流比工況的AAO系統(tǒng)對NH4+-N、TN和COD凈化效果良好，且能保持系統(tǒng)穩(wěn)定運行。金羽研究發(fā)現(xiàn)，低溫狀況下AAO系統(tǒng)最優(yōu)的污泥回流比為75%，與本研究一致。

2.3 低溫條件下脫氮效能分析

低溫會使微生物活性和底物利用率下降，從而導(dǎo)致污水處理性能下降。本研究中低溫條件下AAO污水處理系統(tǒng)經(jīng)工況優(yōu)化調(diào)整后達(dá)到穩(wěn)定、高效的脫氮效能，且表現(xiàn)出獨特的脫氮特點。為深入探究本研究中低溫條件下的脫氮規(guī)律和效果，現(xiàn)對AAO系統(tǒng)中3個運行階段的氮素轉(zhuǎn)移狀況進(jìn)行探討。圖6為本系統(tǒng)中低溫條件下氮素轉(zhuǎn)移情況。

硝化液回流比的調(diào)整(階段Ⅰ)對系統(tǒng)脫氮未產(chǎn)生顯著影響，3種硝化液回流比出水亞硝氮小于0.5mg·L?1，未出現(xiàn)亞硝態(tài)氮積累的現(xiàn)象；出水硝氮質(zhì)量濃度隨污泥回流比的減小呈先升高后下降的趨勢，200%硝化液回流比工況下平均出水硝氮質(zhì)量濃度最高，為3.09mg·L?1。對碳源進(jìn)行優(yōu)化后(階段Ⅱ)，系統(tǒng)脫氮性能快速上升，出水(NH4+-N)逐漸降至0，出水亞硝氮質(zhì)量濃度開始增高，階段Ⅱ后期出水亞硝氮質(zhì)量濃度達(dá)到1.90mg·L?1，亞硝氮積累率達(dá)到51%，開始出現(xiàn)亞硝氮積累的現(xiàn)象。階段Ⅲ對污泥回流比進(jìn)行調(diào)整后，系統(tǒng)仍維持了極高的NH4+-N去除率，尤其在75%污泥回流比條件下，亞硝氮質(zhì)量濃度最高達(dá)到2.21mg·L?1，亞硝氮積累率升高到64.1%。

階段Ⅱ后，NH4+-N降解速率顯著提高，亞硝氮濃度和亞硝氮積累率逐漸升高，而COD去除效果下降。分析認(rèn)為，碳源優(yōu)化后系統(tǒng)內(nèi)部短程硝化反硝化作用逐步增強(qiáng)，短程硝化反硝化與傳統(tǒng)硝化反硝化相比，亞硝酸鹽作為電子受氫體直接參與反硝化作用，可節(jié)省反硝化碳源約40%，從而導(dǎo)致系統(tǒng)出水COD升高。眾多研究表明，在低溫條件下短程硝化進(jìn)程會遭到破壞，但本研究中AAO系統(tǒng)在12℃時連續(xù)運行168d，氨氧化細(xì)菌仍表現(xiàn)出較高活性，可在高效降解NH4+-N同時積累亞硝酸鹽。JONES認(rèn)為，若將30℃環(huán)境中的氨氧化細(xì)菌直接轉(zhuǎn)移到5℃下，會導(dǎo)致其失活，但若逐步降低溫度使其逐步適應(yīng)，氨氧化細(xì)菌可根據(jù)溫度變化，逐漸將細(xì)胞膜中的長鏈飽和脂肪酸部分調(diào)整為短鏈不飽和脂肪酸。雖然這樣需要一定時間來進(jìn)行培養(yǎng)馴化，但可使其在低溫下不易“凍結(jié)”。本研究結(jié)果與文獻(xiàn)的結(jié)論相吻合，長時間的馴化使得12℃條件下也可進(jìn)行一定程度的短程硝化反硝化。

2.4 不同工況條件對EPS影響

EPS是一種存在于微生物聚集體細(xì)胞外的復(fù)雜高分子混合物，其成分涵蓋蛋白質(zhì)(PN)、多糖(PS)、腐殖質(zhì)、核酸、脂質(zhì)及糖醛酸多種有機(jī)大分子。這些成分間的比例主要取決于提取方法及污泥來源。其中，PN和PS最多，兩者占EPS總量的70%~80%。本研究分析了低溫AAO系統(tǒng)不同工況下EPS、SEPS、LB-EPS和TB-EPS中PS和PN質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律，結(jié)果如圖7所示。

3種硝化液回流比工況下EPS總量保持穩(wěn)定，TB層均為EPS的主要構(gòu)成，LB-EPS隨硝化液回流比的增加呈上升趨勢。同時，PN是EPS組成中貢獻(xiàn)最大的成分，細(xì)胞表面TB層豐富的PN可減輕微生物所受低溫等不利條件的影響。當(dāng)硝化液回流比為200%時，EPS總量達(dá)到最高，為132.7mg·g?1。EPS對污泥回流比調(diào)控的響應(yīng)相較于硝化液回流比更明顯，EPS總量及PS、PN質(zhì)量分?jǐn)?shù)與污泥回流比呈顯著的負(fù)相關(guān)。隨污泥回流比的增大，EPS總量顯著減少，總EPS由164.0mg·g?1降至81.7mg·g?1，PS由56.7mg·g?1降至25.8mg·g?1，PN由164.0mg·g?1降至81.7mg·g?1。PS質(zhì)量分?jǐn)?shù)同樣隨污泥回流比增大而減小，3種污泥回流比工況下PS/PN分別為34.6%、33.3%和31.5%。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因主要有以下幾點。一方面，二沉池中的剩余污泥缺乏營養(yǎng)物質(zhì)補(bǔ)充，微生物為滿足生命活動而將表面的EPS作為碳源和能源而分解，導(dǎo)致二沉池中的微生物EPS總量降低。污泥回流比的增大使二沉池中更多的貧EPS微生物聚集體重新進(jìn)入AAO系統(tǒng)主反應(yīng)區(qū)，從而拉低系統(tǒng)中微生物的EPS量。另一方面，游離亞硝酸會導(dǎo)致TB-EPS中PS和PN質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)一定程度的降低，隨著系統(tǒng)中亞硝氮質(zhì)量濃度的升高，可能會破壞EPS中有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)，刺激EPS中PS和PN的降解，從而導(dǎo)致EPS總量的減少。另外，污泥回流比的增大導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部水利條件改變，高回流比帶來的較高的水利剪切可能是EPS總量減少的另一原因。

EPS表面含有較多羧基、磷酸基等帶負(fù)電荷的官能團(tuán)，因而整體帶負(fù)電性。有研究表明，EPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時，微生物聚集體表面負(fù)電荷增加從而導(dǎo)致細(xì)胞間靜電斥力增加，最終導(dǎo)致微生物沉降性能惡化。EPS中多糖與蛋白的比值(PS/PN)能夠維持微生物群落的穩(wěn)定，并影響污泥表面的親疏水性。PS/PN越低，表示污泥的相對疏水性越高，污泥表面的吉布斯自由能下降，污泥之間的親和力增加。污泥回流比增加后所引起的EPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)和PS/PN的降低，有利于改善低溫條件下污泥的沉降和脫水性能,進(jìn)而保障系統(tǒng)內(nèi)較高的污泥質(zhì)量濃度。從傳質(zhì)的角度來看，EPS作為微生物的外部屏障圍繞在細(xì)胞周圍，必然會影響營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞和微生物代謝產(chǎn)物的排出。有研究表明，EPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的微生物聚集體滲透性較差，75%污泥回流比條件下的EPS總量可能在EPS的吸附效果和傳質(zhì)特性間達(dá)到平衡，使得系統(tǒng)獲得更穩(wěn)定的脫氮效果。

2.5 低溫條件下微生物種群結(jié)構(gòu)特征

12℃條件下AAO污水處理系統(tǒng)門水平和屬水平上的微生物種群及其相對豐度如圖8所示。同大多數(shù)污水處理過程相同，Proteobacteria(變形菌門)占據(jù)主要地位，平均相對豐度75.69%；Bacteroideta(擬桿菌門)也占有相對較高的豐度，平均豐度16.84%，二者總豐度超過90%。Proteobacteria是進(jìn)行脫氮除磷和降解有機(jī)物的最主要菌門，其大量存在可以保證活性污泥法系統(tǒng)的正常運行，在污水處理處理中占有主要地位。可見，低溫條件對AAO系統(tǒng)優(yōu)勢菌門相對豐度影響較大，Proteobacteria在微生物群落結(jié)構(gòu)中的優(yōu)勢程度被進(jìn)一步放大。污水處理過程其他常見優(yōu)勢菌門，如Actinobacteria(放線菌門，4.29%)，F(xiàn)irmicutes(厚壁菌門，1.45%)Nitrospirae(硝化螺旋菌門，0.61%)Chloroflexi(綠彎菌門，0.32%)，Acidobacteria(酸桿菌門，0.28%)也在系統(tǒng)中檢出，但相對豐度較其他常溫下活性污泥法明顯偏低。

缺氧區(qū)、厭氧區(qū)和好氧區(qū)之間在屬水平上微生物種群和豐度差異性不大，異養(yǎng)硝化好氧反硝化菌屬Pseudomonas(假單胞菌屬，23.35%)和反硝化菌屬Flavobacterium(黃桿菌屬，15.63%)為主要優(yōu)勢菌屬。Pseudomonas可通過好氧反硝化作用和解磷作用去除氮磷等污染物，低溫條件可能促進(jìn)Pseudomonas的富集，徐鳳英發(fā)現(xiàn)SBBR系統(tǒng)中溫度由24℃降低至10℃時，Pseudomonas的豐度由0.07%升至1.05%，馬切切的研究也表明Pseudomonas與溫度的Spearman相關(guān)性系數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。分析認(rèn)為，相對于一般的硝化細(xì)菌，本研究中相對豐度最高的優(yōu)勢菌屬Pseudomonas異養(yǎng)硝化的特性使其能對碳源改變做出更大的響應(yīng)，對系統(tǒng)脫氮做出更大的貢獻(xiàn)。異養(yǎng)硝化好氧反硝化能夠在好氧池一個處理單元中實現(xiàn)氮素的去除，這可能是本研究中系統(tǒng)在優(yōu)化運行后能對氮素達(dá)到穩(wěn)定去除效果的一個原因。Zoogloea(動膠菌屬)是活性污泥法中一種常見的兼性菌，能對污水中的有機(jī)污染物有效的去除，平均豐度為2.4%。其他脫氮功能屬有反硝化聚磷功能菌屬Dechloromonas(脫氯單胞菌，3.59%)，Acidovorax(食酸菌屬，1.29%)，硝化菌屬Nitrospira(硝化螺菌屬，0.61%)，反硝化菌屬Rhodocyclaceae(0.89%)、Comamonadaceae(從毛單胞菌，0.64%)。Acidovorax具有氫自養(yǎng)反硝化脫氮功能，也可降解污水中難降解的有機(jī)物。值得注意的是，Nitrospira作為典型的亞硝酸鹽氧化菌(NOB)，在本系統(tǒng)中僅占0.61%，遠(yuǎn)低于生活污水處理過程中的平均豐度，說明該系統(tǒng)中NOB功能菌群被抑制，脫氮過程以短程硝化為主，與2.3節(jié)中亞硝氮積累現(xiàn)象相吻合。

3、結(jié)論

1)在12℃條件下，通過運行工況優(yōu)化，在采用復(fù)合碳源、200%的硝化液回流比、75%的污泥回流比時，系統(tǒng)出水COD、NH4+-N、TN的平均值分別為30.98、0.03、7.93mg·L?1，去除率分別為87.26%、99.87%、69.97%。該條件下系統(tǒng)處理效果最佳，且出水遠(yuǎn)優(yōu)于一級A標(biāo)準(zhǔn)。

2)在低溫條件下，采用復(fù)合碳源時，NH4+-N去除效率與NO2?-N積累率顯著增高，表明系統(tǒng)中短程硝化過程成為占據(jù)主導(dǎo)地位。

3)系統(tǒng)中活性污泥的EPS受硝化液回流比的影響不大；而與污泥回流比呈負(fù)相關(guān)趨勢，PS/PN逐漸減小。

4)系統(tǒng)中Pseudomonas(假單胞菌屬)和Flavobacterium(黃桿菌屬)總相對豐度可達(dá)40%，異養(yǎng)硝化-好氧反硝化成為主要脫氮過程，低溫抑制NOB作用，使得短程硝化耦合異養(yǎng)硝化-好氧反硝過程出現(xiàn)，有效提升系統(tǒng)的脫氮性能。