在城市污水厂一级处理中，初沉池设置在格栅、沉砂池之后，是生物反应池的预处理设施，用于去除污水中大部分悬浮物（SS）和部分有机物（BOD），以减轻生物处理设备的负荷，提高污水净化效果，减少滤池堵塞^〔1〕。然而，在传统活性污泥法中，无论是反硝化还是聚磷菌释磷都要求有足够的碳源。在我国，由于城市生活污水碳氮比低，生物脱氮除磷工艺碳源不足，工程中常采用取消初沉池的设计方案来提高进入生化反应池中的有机碳源^〔2〕。另外，污水源在产生污水的同时也产生了大量的细菌，这些细菌在排水管网中经历适应、淘汰与增殖过程，最终进入污水厂。取消初沉池后，外界可最大限度地向活性污泥法系统接种具有适应原水环境和具旺盛繁殖力的原核微生物，可进一步提高系统的净化能力和运行稳定性^〔3〕。目前针对取消初沉池的研究主要集中在取消初沉池对污水厂运行效果及后续处理效果带来的影响上^{〔1, 3〕}，而关于取消初沉池对活性污泥微生物菌群结构的影响研究较少。活性污泥法通过功能微生物完成有机物降解、脱氮除磷等过程，因此微生物的菌群结构和数量分布在很大程度上决定或影响着污水处理厂去除水中污染物的能力及效果^〔4〕。笔者以有无初沉池的两组AAO工艺反应器为实验装置，研究了初沉池对AAO工艺处理城市生活污水效能以及活性污泥微生物结构的影响。

两组AAO工艺流程如图1所示。

无初沉池的AAO反应器为有机玻璃制成的长方体，利用隔板分隔为厌氧池、缺氧池和好氧池，厌氧池、缺氧池和好氧池的有效容积分别为2.0、2.0、6.0 L，采用机械搅拌装置，且好氧池采用微孔曝气器充氧。二沉池为竖流式沉淀池，有效容积3.0 L。污泥回流比100%，混合液回流比300%，污泥龄15 d，厌氧池、缺氧池和好氧池HRT分别是4.8、4.8、14.4 h。整个实验过程中，通过温控仪设置水温为18 ℃，厌氧池和缺氧池DO分别在0.10、0.20 mg/L以下，好氧池DO为2.0 mg/L。设置初沉池的AAO反应器除在厌氧池前端设置2 L的初沉池，且其HRT为1 h外，其余装置和运行参数均与未设置初沉池的AAO反应器相同。

进水取自山西省晋中市某城市污水处理厂沉砂池出水。两组反应器的厌氧段、缺氧段和好氧段种泥分别取自该污水处理厂的厌氧段、缺氧段和好氧段。接种后取消初沉池的AAO反应器厌氧段、缺氧段和好氧段的MLSS分别为2.9、2.8、3.0 g/L；MLVSS分别为1.9、2.2、2.3 g/L。设置初沉池的AAO反应器厌氧段、缺氧段和好氧段的MLSS分别为2.8、2.6、2.9 g/L；MLVSS分别为2.0、1.9、2.1 g/L。

COD、NH₄⁺-N、NO₂^--N、NO₃^--N、MLSS和MLVSS采用标准方法测定；pH采用pHS-3C型精密酸度计测定；DO采用WTW溶解氧测定仪测定。

将设有初沉池工艺中的厌氧池、缺氧池和好氧池的污泥样品分别标记为P-厌、P-缺和P-好，取消初沉池工艺中的厌氧池、缺氧池和好氧池的污泥样品分别标记为NP-厌、NP-缺和NP-好。采集的新鲜污泥样本置于冰袋中保鲜。利用OMEGADNA提取试剂盒提取活性污泥样品的总DNA，具体提取步骤参照OMEGA试剂盒E. Z. N. ATM Mag-Bind SoilDNA Kit的使用说明书。使用1.0%的琼脂糖凝胶电泳和凝胶成像系统（美国UVP）检测DNA完整性。

第一轮扩增利用Qubit2.0 DNA检测试剂盒对基因组DNA精确定量，以确定PCR反应应加入的DNA量。PCR所用的引物融合了Miseq测序平台的V3-V4通用引物341F引物（CCCTACACGACGCTC-TTCCGATCTG（barcode）CCTACGGGNGGCWGCAG）和805R引物（GACTGGAGTTCCTTGGCACCCGAGA-ATTCCAGACTACHVGGGTATCTAATCC）。将按照试剂盒说明书配制好的PCR体系采用嵌套PCR进行扩增，DNA扩增样品利用Illumina MiSeq 3000测序仪进行测序。

两组AAO工艺对水中污染物的去除性能如图2所示。

两组AAO工艺系统进水水质相同。在系统90 d的稳定运行期间，两系统进水COD、BOD₅分别为300~500、150~300 mg/L，出水COD、BOD₅分别为10~50、0~20 mg/L，符合城市污水一级A排放标准（GB 18918—2002），两系统对COD、BOD₅的去除率均大于85%。可见，两系统对COD和BOD₅均具有良好的去除能力，且去除效果稳定，是否取消初沉池对系统去除有机污染物没有影响。

两系统进水NH₄⁺-N为40~60 mg/L，出水NH₄⁺-N均低于5 mg/L，NH₄⁺-N去除率均大于90%，两系统对NH₄⁺-N具有良好的去除能力，且去除效果稳定。两系统对TN的去除能力不同，取消初沉池的系统出水TN低于14 mg/L，而设置初沉池的系统出水TN在15~21 mg/L之间，表明初沉池的设置对系统的脱氮性能影响较大。

两系统进水TP为3~6.5 mg/L，出水TP均低于0.5 mg/L。在系统进水TP波动较大的情况下，两系统出水TP和TP去除率均十分稳定，表明初沉池对TP的去除影响较小，且初沉池对系统对进水TP波动的抗冲击能力没有影响。

经测定，两系统进水pH为7.6~8.0，出水pH均为7.3~7.8，出水pH略低于进水pH，是否设置初沉池对系统出水pH不会造成显著影响。

初沉池进出水碳源结构组成如表1所示。

由表1可知，初沉池可以去除约30%的COD，出水COD_SS/COD、VSS/SS的平均值分别约为0.33、0.59，如果取消初沉池，可为生物处理单元提供更多颗粒性有机悬浮物，增加系统的COD负荷，提高碳氮比。

通过污泥样品的一系列统计学分析指数可以估计环境群落的物种丰度和多样性。Shannon指数用于表征群落的多样性，Shannon值越大，说明群落多样性越高。如表2所示，设置初沉池的AAO工艺各处理单元的Shannon指数均高于取消初沉池的AAO工艺。初沉池可以截留大量颗粒性无机物和有机物，使得进入生物处理单元的污染物以易降解的溶解性污染物为主，利于微生物群落的多样性，多样性高的微生物群落结构能有效缓冲水质的浮动对污水处理系统的冲击。

Chao1和ACE在生态学中常用来估计物种总数，反映样品的丰度。如表2所示，取消初沉池的AAO工艺的活性污泥除厌氧段以外，缺氧和好氧段物种丰度均高于设置初沉池的AAO工艺活性污泥物种丰度。取消初沉池后，更多碳源进入生物处理单元，利于与反硝化和有机物降解相关微生物的生长与繁殖。

通过比较有无初沉池的A-A-O 3个构筑物中的微生物群落结构，分析取消初沉池对城市污水处理厂AAO工艺活性污泥微生物群落结构的影响。从门分类学水平分析，各个样品群落中占优势的均为变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、疣微菌门（Verrucomicrobia）、厚壁菌门（Firmicutes）和绿弯菌门（Chloroflexi）微生物，且在门水平上有无初沉池的构筑物中活性污泥样品群落结构较为相似。

从纲分类学水平分析，β-变形菌纲（Betapro-teobacteria），γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）、ε-变形菌纲（Epsilonproteobacteria）、δ-变形菌纲（Deltaproteobacteria）、Flavobacteriia、α-变形菌纲（Alphaproteobacteria）在6个样品中均为优势菌纲。变形菌纲的微生物能利用不同电子供体和受体进行新陈代谢，因此其代谢过程是多种多样的。β-变形菌纲（Betaproteobacteria）为第一大优势菌纲，其大多为兼具呼吸/发酵代谢方式的兼性异养菌，以有机物为碳源，是污水处理系统中污染物降解的主要参与者^〔5〕，也是污水处理厂脱氮的重要菌群^〔6〕。从门和纲水平上，有无初沉池的构筑物中活性污泥样品群落结构均相似。

通过高通量测序（图3）从属水平上的分类进一步了解取消初沉池对微生物群落结构的影响。

研究表明，动胶菌属（Zoogloea）对污泥絮体的聚集非常重要。在活性污泥絮凝体中丝状菌形成网架结构，Zoogloea细菌附在其上形成一个共生关系的微生物生态体系。当Zoogloea细菌与丝状细菌保持一个适当的比例平衡生长时，所形成的污泥絮体较大且密实，易于沉淀；当丝状菌的生长超过Zoogloea细菌时，便会出现污泥膨胀。Zoogloea同时也是异养反硝化菌属^〔7〕。Zoogloea属细菌在P-厌、NP-厌、P-缺、NP-缺、P-好和NP-好中分布比例分别为1.7%、1.8%、1.7%、2.4%、0.6%和6.7%。其在两系统的厌氧段和缺氧段比例非常接近，但是在取消初沉池的好氧段污泥样品中分布比例却远高于设置初沉池的好氧段污泥样品，说明初沉池对菌胶团细菌在厌氧段和缺氧段中的分布没有影响，但是对好氧段有影响。Albidiferax是一种异养兼性厌氧型细菌，可以NO₃^--N作为电子受体进行反硝化。Albidiferax在P-厌、NP-厌、P-缺、NP-缺、P-好和NP-好中分布比例分别为4.3%、5.3%、4.0%、7.3%、5.9%和5.1%，其在取消初沉池的缺氧段污泥样品中比例高于设置初沉池的缺氧段污泥样品，其他段比例相似。Terrimonas^〔8〕是具好氧反硝化能力的菌属，在P-厌、NP-厌、P-缺、NP-缺、P-好和NP-好中分布比例分别为1.8%、2.0%、2.7%、5.6%、5.0%和4.3%，与Albidiferax的分布比例规律相同，其在取消初沉池的缺氧段污泥样品中比例高于设置初沉池的缺氧段污泥样品。Thauera菌是广泛存在于各种类型废水处理中并具有多种芳香族污染物降解能力的重要功能类群，且已知的Thauera属细菌都是反硝化菌。Thauera属细菌在P-厌、NP-厌、P-缺、NP-缺、P-好和NP-好中分布比例分别为1.64%、0、1.31%、1.46%、1.45%和3%。具有氨氧化和反硝化除磷能力的Dechloromonas^〔9〕在NP-缺中分布比例为1.2%，而在其他污泥样品中分布比例为0。具有反硝化除磷能力的Dokdonella^〔10〕在P-厌、NP-厌、P-缺、NP-缺、P-好和NP-好中分布比例分别为1.82%、0.2%、1.59%、0.17%、1.62%和0.16%，其在设置初沉池的污泥样品中比例均高于取消初沉池的污泥样品。异养反硝化的Sulfuritalea在P-厌、NP-厌、P-缺、NP-缺、P-好和NP-好中分布比例分别为7.95%、1.96%、7.38%、1.95%、6.6%和1.75%，其在设置初沉池的污泥样品中比例均高于取消初沉池的污泥样品^〔11〕。

Longilinea主要功能是分解蛋白质、代谢碳水化合物生成有机酸、乙酸氧化、硫酸盐还原，其在P-厌、NP-厌、P-缺、NP-缺、P-好和NP-好中分布比例分别为2.2%、2.5%、2.7%、1.6%、2.4%和1.5%，在样品中分布均匀且有无初沉池对于其分布没有明显的影响。丙酸弧菌（Propionivibrio）是脂肪分解菌，可将甘油三酯水解为甘油和脂肪酸，并将甘油转化为丙酸和琥珀酸。丙酸弧菌（Propionivibrio）在P-厌、NP-厌、P-缺、NP-缺、P-好和NP-好中分布比例分别为3.7%、5.6%、4.4%、2.6%、1.4%和0，有无初沉池对于其分布没有明显的影响。

上述高通量研究结果显示，取消初沉池会对微生物群落中反硝化相关功能菌属产生较大影响。Terrimonas、Thauera、Dechloromonas、Sulfuritalea和Do-kdonella等多数反硝化相关功能菌属在取消初沉池的污泥样品中的比例高于设置初沉池的污泥样品，说明因取消初沉池引起的碳氮比和碳源组分变化对反硝化相关菌群产生影响。取消初沉池后，大量颗粒性无机物和有机物进入生物处理单元，颗粒性污染物为反硝化菌提供了污染物浓度梯度和溶解氧浓度梯度，为缺氧反硝化和好氧反硝化相关功能菌属提供了微环境。少数菌属如Dokdonella和Sulfuritalea在设置初沉池的污泥样品中比例高于取消初沉池的样品中比例，可能这些菌属更易在低碳氮比的环境中生存。

取消初沉池可使进入二级生物处理单元的反硝化碳源组分的结构发生变化，碳氮比增加，对AAO工艺系统去除水中COD、BOD₅、NH₄⁺-N和TP的能力以及出水pH无显著影响，但是可提高对TN的去除能力。

高通量结果分析表明，从门和纲水平上，有无初沉池的A-A-O构筑物中微生物群落结构均相似，变形菌门和拟杆菌门是污水处理系统中的优势菌门，β-变形菌纲是第一大优势菌纲。从属分类水平上，有无初沉池可影响进入生物处理单元的碳源浓度和组分结构，并对反硝化相关菌属的种类和比例产生显著影响。