近年來，我國不斷加強生態文明建設，但氮磷超量排放造成的水體富營養化問題仍然是當前環境治理重要關注點之一。傳統污水處理廠仍面臨高效脫氮除磷和二者同步達標排放等難題。一般的生物脫氮除磷工藝存在脫氮與除磷競爭有限碳源、污泥產量大等問題，致使脫氮除磷效果不佳。因此，在不過多增加剩余污泥產量、不大量添加外碳源前提下，實現低碳氮比城鎮污水的高效脫氮除磷是水處理領域值得研究的問題。
AOA工藝是一種創新的污泥雙回流技術，在厭氧區將進水COD轉化為污泥內碳源并儲存在微生物細胞內，在好氧區通過硝化反應產生NO3--N，繼而在缺氧區利用這些內碳源和NO3--N進行反硝化和反硝化除磷，從而達到同步脫氮除磷、減少外加碳源投量的目的。目前，AOA系統受到廣泛關注，王秋穎等人通過在厭氧-缺氧-微曝氣SBR反應器中調控C/N成功啟動了短程反硝化-反硝化除磷（PD-DPR）系統。古凌艷等人在低溫下啟動了AOA系統，并且發現不需外加碳源就可取得令人滿意的脫氮除磷效果。曲紅等人研究了不同C/P條件下AOA-SBR工藝的脫氮除磷特性。但有關連續流AOA系統處理城市污水，實現穩定亞硝態氮積累并和厭氧氨氧化工藝耦合用于深度脫氮的研究鮮見報道，且AOA系統的優化調控與碳氮磷去除轉化性能仍有待于進一步的深入研究。
因此，通過調控進水COD濃度、進水流量和曝氣量等，考察了連續流AOA系統的啟動與氮磷去除特性。另外，通過分析微生物群落結構，探討了系統的脫氮除磷機理，以期為該AOA系統自養脫氮耦合Aanmmox工藝進行污水深度脫氮提供數據支撐和理論依據。
1、材料與方法
1.1 實驗裝置與運行工況
連續流AOA裝置由三個圓柱形反應器組成（見圖1），材質為有機玻璃，內徑為140mm，壁高為388mm，總容積為6L，有效容積為5.5L。實驗在室溫下進行，厭氧、好氧和缺氧反應器中均設有電動攪拌器，并設置了污泥回流和由厭氧到缺氧的混合液超越，回流比和超越均為進水流量的1/2，共運行70d。在此期間每天排泥0~50mL，使污泥齡（SRT）控制在37d，以確保MLSS維持在（3000±50）mg/L。
在連續流AOA的啟動和運行過程中，根據進水基質濃度和運行條件將實驗分為三個階段，具體運行參數見表1。
1.2 實驗用水和接種污泥
裝置進水采用人工配水，CH3COONa、NH4Cl、MgSO4·7H2O、MgCl2·6H2O、CaCl2·2H2O、KH2PO4和KCl投量分別為200~300、190.8、45、80、21、21.72和144mg/L，微量元素Ⅰ和Ⅱ投量均為1mL/L。
接種污泥取自青島市某污水處理廠具有一定硝化反硝化性能的二沉池剩余污泥，接種后厭氧、好氧和缺氧反應器內MLSS分別為3886、3775、3769mg/L，SVI分別為123、116、107mL/g。
1.3 分析項目及方法
所有樣品經0.45μm的濾紙過濾后，檢測NH4+-N、NO2--N、NO3--N和PO43--P濃度，其中COD采用聯華5B-3A快速分析儀測定，其他指標采用國家標準方法進行測定。污泥沉降比（SV30）、污泥體積指數（SVI）和MLSS采用美國APHA標準方法測定。pH采用pH計測定，DO采用溶氧儀測定。
1.4 高通量測序分析方法
通過高通量測序分析接種污泥和連續流AOA系統運行至第66天的污泥樣品的微生物群落結構。采用E.Z.N.A.®SoilDNAKit（OmegaBiotek，Norcross，GA，美國）提取微生物群落總DNA，采用NanoDrop2000紫外-可見分光光度計測定DNA濃度和純度。另外，采用338F/806R引物擴增細菌16SrRNA基因V3-V4區，擴增子純化依托上海美吉云生物平臺PE300進行處理，并在Majorbio云平臺上對原始16SrRNA基因測序進行分析。
2、結果與討論
2.1 系統的NH4+-N去除特性
連續流AOA系統啟動運行過程中，反應器進出水NH4+-N濃度變化如圖2所示。
系統進水NH4+-N濃度為42.94~45.32mg/L。在階段1，系統對NH4+-N的去除量在第4天達到最高（18.74mg/L），去除率為45.01%，說明系統具有一定的硝化性能。在厭氧反應器中其濃度幾乎未發生變化，系統對NH4+-N的去除主要發生在好氧反應器，且氨氮氧化產物主要為硝態氮，極少部分為亞硝態氮。NH4+-N的平均去除率僅為23.04%。
在階段2，將進水COD濃度由300mg/L降到200mg/L，厭氧反應器中的氨氮濃度依然沒有發生變化，好氧區的NH4+-N平均消耗濃度由第一階段的12.31mg/L提高至14.11mg/L，硝化效果仍然不理想，氨氮去除率甚至在第38天降到20.76%。分析原因可能是在好氧條件下優先發生了有機物分解和好氧吸磷作用，而進水流量過大，導致HRT不足，硝化反應進行得不夠充分，故去除效果不佳。
在階段3，進水流量由2L/h降至1.5L/h，曝氣流量由1L/min降為0.8L/min，系統出水NH4+-N平均濃度由階段2的25.82mg/L減少至14.01mg/L，最高去除率可達88.94%。好氧反應器濃度逐漸降為零，亞硝態氮基本也為零，說明系統發生了全程硝化反應且硝化效果良好。
2.2 系統的PO43--P去除特性
連續流AOA系統啟動運行過程中，反應器進水PO43--P濃度維持在5.00mg/L左右，出水PO43--P濃度及其去除率的變化如圖3所示。在階段1，系統整體的PO43--P去除效果較差，厭氧、好氧、缺氧反應器和系統出水的PO43--P平均濃度分別為6.34、0.33、6.45和5.23mg/L。厭氧反應器出水PO43--P濃度與進水PO43--P濃度相比有所提高，說明連續流AOA系統在前期就具有微弱的釋磷能力。好氧反應器出水PO43--P所剩無幾，說明系統存在一定的吸磷能力。厭氧釋磷和好氧吸磷量分別僅為1.28mg/L和6.02mg/L。缺氧反應器中的PO43--P來源于好氧反應器出水和厭氧超越的混合液，但是其濃度和缺氧反應器基本保持一致，這表明，在此階段缺氧段對PO43--P沒有去除能力。
在階段2，系統進水COD濃度由300mg/L降低至200mg/L，可以發現，在進水PO43--P濃度約為5.09mg/L的情況下，厭氧段PO43--P濃度逐漸升高（最高為16.25mg/L），最后穩定維持在12.20mg/L，好氧段的PO43--P濃度約為2.57mg/L。相比較階段1，系統的除磷性能增強，釋磷和吸磷量都有所提高。此時，缺氧段和出水PO43--P濃度分別為4.25和3.07mg/L，與缺氧理論值（5.78mg/L）相比有所減少，剖析原因可能是系統發生了反硝化除磷反應，降低了PO43--P濃度，只不過反硝化除磷效果一般，使得去除率僅為39.47%。
在階段3，進水流量由2L/h降為1.5L/h，曝氣量由原來的1L/min降為0.8L/min。厭氧段PO43--P濃度顯著增加，最高可達39.37mg/L，可見通過減少進水流量，使污泥在厭氧段的停留時間增加，有利于聚磷菌充分釋磷。系統除磷效果有了明顯提升，釋磷量和吸磷量分別約為23.49和20.70mg/L，說明該階段的運行條件有利于增強聚磷菌除磷特性。此外，缺氧段的PO43--P濃度約為6.62mg/L，與其理論值（15.20mg/L）相比減少較多。說明在此區域發生了反硝化除磷反應，且相比階段2而言，除磷效果有所增強，但是沒有達到完全反硝化除磷的狀態，使得出水PO43--P濃度仍有5.67mg/L。
2.3 系統的COD去除特性
在連續流AOA系統啟動運行過程中，反應器進出水COD濃度及其去除率的變化見圖4。
在階段1，系統進水COD平均濃度為242.88mg/L，出水COD濃度在144.91mg/L左右，去除效果較差（去除率最低為29.32%）。厭氧、好氧和缺氧出水COD平均濃度分別為194.94、140.90、146.08mg/L。可見，COD的去除主要發生在厭氧和好氧段，兩者對COD的去除量分別約為15.28和54.04mg/L。在厭氧段，COD濃度降低可能是厭氧菌的分解作用，也可能是因為異養反硝化菌（DOHOs）進行外源反硝化。在好氧段COD濃度降低的原因是好氧微生物的分解作用。COD去除效果差的原因可能是在運行初期進水COD濃度過高，超出了系統的有機物去除負荷。
在階段2，基于以上分析原因，降低了進水COD濃度，觀察到出水COD濃度由81.30mg/L逐漸降低到37.60mg/L，去除率由54.22%逐漸提高至76.65%。其中厭氧段對COD的平均去除量僅為16.91mg/L，而好氧段的平均去除量卻達到了58.15mg/L。因為在該階段發生了釋磷現象，推測COD在厭氧段的去除可能與聚磷菌（PAOs）和聚糖菌（GAOs）進行厭氧釋磷并將外碳源轉化為內碳源有關，但是對COD起主要去除作用的仍然是好氧分解。在該階段降低COD濃度達到了提高去除率的目的，COD在厭氧階段大部分被PAOs和GAOs轉化成內碳源，為后續缺氧段的內源短程反硝化提供了條件。
在階段3，考慮到厭氧段的COD去除率低下可能與HRT不足有關，因此降低了進水流量。隨著系統運行時間的增加，厭氧段對COD的降解量快速增加，并在第66天達到85.27mg/L的最高值，在后續運行時間內能夠穩定維持在此范圍，最高去除率也提升到了81.00%。好氧階段對COD的平均去除量僅有17.12mg/L，COD的主要去除區間已經由好氧段轉換到厭氧段。基于此階段良好的釋磷表現，可以判斷系統內的外碳源一部分被轉化為了內碳源。缺氧段的COD平均濃度為59.38mg/L，與平均理論值（62.34mg/L）接近，這表明COD在前兩個階段去除得很徹底，在該段沒有發生外源反硝化反應。
2.4 系統的TIN去除特性
在連續流AOA系統啟動運行過程中，反應器進出水TIN濃度的變化如圖5所示。在整個運行期間，進水TIN平均濃度維持在47.50mg/L左右，出水TIN平均濃度維持在30.52mg/L，TIN平均去除率為35.75%，最高去除率可達60.93%。在厭氧段TIN濃度降低一是因為進水的稀釋作用，同時回流到厭氧區的硝態氮會被還原成氮氣從系統逸出，從而出現TIN濃度降低的現象。
在好氧段TIN濃度幾乎未發生變化，但是各階段的組成大不相同。階段1是NH4+-N占比大，NO2--N和NO3--N濃度較低，硝化效果不明顯。而在階段2和階段3則是NO3--N占比大，NH4+-N和NO2--N濃度較低，說明在此階段發生了全程硝化，且硝化效果較好。
缺氧段的TIN濃度和成分與出水類似，在階段1，TIN中NH4+-N占比最高，幾乎接近100%，來源為好氧出水和厭氧超越混合液。在階段2，由于系統硝化效果有所提升，好氧段NH4+-N有一部分被氧化為NO2--N和NO3--N，進而推流至缺氧段的NO2--N和NO3--N也隨之增多，但NH4+-N濃度仍是最高。在階段3，TIN平均濃度為31.03mg/L，但是與前兩個階段不同，此時缺氧區已具備一定的內源反硝化能力，來自好氧段的NO3--N在某種程度上有所減少，NH4+-N和NO3--N平均濃度分別為12.12和10.27mg/L，基本持平。
2.5 典型周期水質指標變化特性
為進一步分析連續流AOA系統運行過程中NO2--N積累特性和TIN去除機制，對階段1第27天、階段2第42天和階段3第70天三個典型周期內各基質濃度進行分析，結果見圖6。
在第27天，厭氧段PO43--P濃度呈現微弱的升高趨勢，NO3--N濃度降低了3.40mg/L，COD去除量約為54mg/L，說明有反硝化和微弱的釋磷現象發生。在好氧段NH4+-N濃度降低8.07mg/L，PO43--P濃度降低5.92mg/L，NO3--N濃度增加5.00mg/L，NO2--N濃度基本無變化，這表明系統內有硝化反應和好氧吸磷發生，但硝化效果不好，推測可能是進水COD濃度過高（進入好氧段的COD理論值仍有146.80mg/L），這可能導致異養微生物與硝化菌爭奪溶解氧和營養物質，影響硝化效果。而且系統內無NO2--N積累，沒有形成短程硝化，需要對運行條件做出調整。在缺氧段NO3--N濃度有所降低，說明系統存在反硝化過程，使得系統后置缺氧段具有內源脫氮性能。
與第27天相比，在第42天，厭氧段PO43--P濃度顯著增加（增幅為7.77mg/L），說明此時厭氧段已經有較為良好的釋磷現象。但NO3--N濃度僅降低了2.12mg/L，COD去除量為13.00mg/L，COD去除率較低，猜測可能與較短的HRT有關，微生物無法充分降解有機物。在好氧段COD、NH4+-N和PO43--P濃度分別降低79.80、13.28、9.72mg/L，而NO3--N和NO2--N濃度分別增加10.00、2.72mg/L。這表明改變條件之后有利于好氧吸磷的發生，發生了短程硝化但是表現不明顯。在缺氧段NO2--N、PO43--P和COD濃度基本沒有發生變化，而NO3--N濃度降低了7.56mg/L，幾乎全部被去除。說明系統發生了全程反硝化而不是短程反硝化，幾乎未發生反硝化除磷現象。
與第42天相比，在第70天，厭氧段的PO43--P濃度急速增加，增加量為26.14mg/L，NO3--N濃度降低了9.38mg/L，COD去除量約為72.23mg/L，這表明在厭氧段不僅有DOHOs進行外源反硝化的情況出現，同時PAOs和GAOs也進行厭氧釋磷并實現了外碳源到內碳源的轉化，以確保后面缺氧段反硝化除磷的順利進行。在好氧段NH4+-N和PO43--P濃度分別降低了32.72、22.89mg/L，NO3--N濃度增加33.53mg/L，NO2--N濃度和COD濃度變化不大。這表明降低進水流量以后，系統發生了完全硝化反應，好氧吸磷量也明顯升高，意味著系統初步啟動成功。在缺氧段NO3--N濃度降低了12.94mg/L，NO2--N濃度增加了8.37mg/L，PO43--P濃度降低了8.47mg/L，說明系統發生了反硝化除磷和短程反硝化，NO2--N積累率可達66.80%。出水NH4+-N、PO43--P、NO2--N、NO3--N和COD濃度分別為11.24、7.27、8.55、9.25和42.2mg/L。與第27天相比，通過改變運行條件，系統出現了良好的厭氧釋磷和好氧吸磷現象，在好氧段已有穩定的完全硝化性能，在缺氧段出現了反硝化除磷和短程反硝化現象，但后續研究中仍需對反應條件進行調控和探索，以期實現更加穩定高效的短程反硝化性能。
2.6 系統的功能微生物群落結構特性
對啟動階段初期及運行至第66天的污泥（AS-1和AS-66）的微生物群落進行高通量測序分析，共獲得60129和37287個序列標簽，并進一步分配給798和689個OTUs，其微生物多樣性指標見表2。Ace和Chao指數代表微生物群落豐富度，在運行過程中兩個指標值呈下降趨勢，表明微生物群落的豐富度在降低，這可能是回流不通暢所致。此外，Simpson指數升高而Shannon指數下降，也證明系統的多樣性在降低。
AS-1和AS-66樣品在微生物門、屬水平上的差異如圖7所示。兩個樣品的前三個優勢門均為變形菌門（Proteobacteria，24.24%和28.15%）、放線菌門（Actinobacteriota，20.65%和29.71%）和厚壁菌門（Firmicutes，24.04%和12.09%）。其中，變形菌門和放線菌門相對豐度顯著增加，分別與Candidatus_Competibacter、Hyphomicrobium和Tetrasphaera、Candidatus_Microthrix菌屬豐度變化密切相關。厚壁菌門（Firmicutes）豐度顯著減少，與Trichococcus菌屬的豐度減少有關。
在AS-1樣品中相對豐度大于4%的菌屬主要包括Trichococcus（16.33%）、norank_f_norank_o_Saccharimonadales（5.35%）、unclassified_f_Roseiflexaceae（4.38%）和Candidatus_Microthrix（4.04%）。經過65d的運行之后，在AS-66樣品中占主導地位的屬發生了變化。其中，水解發酵菌Trichococcus的相對豐度（7.95%）下降，而聚磷菌（PAOs）Candidatus_Microthrix的相對豐度（15.36%）上升。此外，反硝化菌屬norank_f_norank_o_Saccharimonadales的相對豐度（5.43%）趨于平穩狀態，Terrimonas相對豐度（1.83%）有所增加。相對豐度大于5%的屬新增Tetrasphaera（3.18%→5.41%）和Hyphomicrobium（2.51%→5.28%），這兩者都是聚磷菌，說明PAOs得到快速富集。此外，聚糖菌（GAOs）Candidatus_Competibacter相對豐度從0.96%增加至1.20%。PAOs和GAOs的富集為AOA工藝厭氧內碳源儲存、好氧吸磷及缺氧內源短程反硝化和除磷提供了有力保障。
3、結論
①調控進水COD濃度、進水流量和曝氣量，有利于強化連續流AOA系統的硝化特性和磷去除性能。
②采用連續流AOA系統處理模擬城市污水時，厭氧區實現外碳源向內碳源的轉化，并將一部分NH4+-N超越至缺氧區；好氧區完成完全硝化；缺氧區能夠利用NO3--N實現短程反硝化和除磷，NO2--N積累率可達66.80%。
③連續流AOA系統對氨氮和COD的去除率分別由23.04%、29.32%提高至88.94%、81.00%，厭氧釋磷和好氧吸磷量分別由1.28和6.02mg/L提高至23.49和20.70mg/L。
④高通量測序結果表明，系統運行70d以后，聚糖菌（Candidatus_Competibacter）和聚磷菌（Candidatus_Microthrix、Hyphomicrobium、Tetrasphaera）的豐度顯著增加，促使系統呈現出穩定的厭氧釋磷、好氧吸磷、缺氧內源短程反硝化和除磷效能。（來源：青島雙元水務有限公司，青島大學環境與地理科學學院，青島水務集團環境能源有限公司）
