水体富营养化已经成为全球面临的重大水环境问题，其产生的主要原因是人类活动导致的氮、磷等营养元素在水体中的积累。由于磷是水体藻类生长的限制因子，因此，控制磷的排放比控制氮的排放更具有实际意义。目前，强化生物除磷（EBPR）技术因具有高效、相对廉价和可持续发展的特点而备受关注^〔1〕。自EBPR技术应用于污水处理以来，有关聚磷菌（PAOs）微生物学的研究即成为热点。M. R. A. Wanger等^〔2〕的研究表明，在EBPR系统中Betapro- teobacteria（β变形菌纲）占主导地位；M. Wanger等^〔3〕在EBPR系统中检测到高丰度的Rhodocyclus（红环菌属）；Yunhong Kong等^〔4-5〕在丹麦、葡萄牙、日本和澳大利亚污水处理厂的EBPR系统中均监测到以高丰度存在的放线菌门的PAOs——Tetrasphaera（四球虫属）；E. Y. Fernando等^〔6〕在丹麦部分污水处理厂中发现，Tetrasphaera对磷的去除与CandidatusAccumulibacter phosphatis（简称Accumulibacter）有着旗鼓相当的贡献。利用EBPR系统通过富集培养的PAOs厌氧释磷、好氧吸磷的特性，使水中磷浓度在好氧段急剧降低，最终通过排放富磷污泥实现除磷^〔7〕。Accumulibacter在厌氧条件下通过吸收挥发性脂肪酸（VFAs）作为碳源，而生活污水中近30%的COD是由蛋白质和氨基酸组成的^〔8〕。近年来越来越多的研究发现，Tetrasphaera是一种可以直接利用葡萄糖及氨基酸进行发酵的PAOs^〔9〕。

本研究以酪蛋白水解物（简称Cas aa）为碳源，采用SBR反应器在厌氧/好氧交替运行下研究了PAOs的富集培养情况，以及温度和厌氧时间对EBPR系统除磷性能的影响，并考察了系统中的菌群结构及其变化，以期为强化生物除磷工艺的稳定运行提供参考。

实验装置如图 1所示。本实验采用总容积为15 L，有效容积为12 L的SBR作为反应装置。反应器主体为双层圆柱体有机玻璃，下部进水，中部出水，上部有溢流口。辅以恒温槽、搅拌器、电磁阀、蠕动泵等装置。

本研究污泥来自天津市某污水处理厂二沉池，污泥整体呈絮状褐色。反应器中初始MLSS为4 000 mg/L左右，正式启动反应器前闷曝48 h，使污泥充分恢复活性。

实验采用人工合成废水，以酪蛋白水解物（Cas aa）作为碳源。人工合成废水具体成分：COD（Cas aa）150~300 mg/L，N（NH₄Cl）15 mg/L，MgSO₄·7H₂O 118mg/L，CaCl₂·2H₂O 56 mg/L，N-烯丙基硫脲（简称ATU）14 mg/L，P（K₂HPO₄，KH₂PO₄）15~20 mg/L，NaHCO₃ 167 mg/L，微量元素溶液0.5 mL。其中，1 L微量元素溶液中含有1.5 g FeCl₃·6H₂O，0.15 g H₃BO₃，0.03 g CuSO₄·5H₂O，0.18 g KI，0.12 g MnCl₂·4H₂O，0.06 g Na₂MoO₄·2H₂O，0.12 g ZnSO₄·7H₂O，0.15 g CoCl₂· 6 H₂O，10 g EDTA^〔10〕。

EBPR系统以Cas aa为碳源，采用厌氧/好氧交替方式连续运行181 d，每天运行4个周期，1个周期为6 h。实验分为3个阶段：第1阶段（1~90 d），进水5 min，厌氧阶段90 min（搅拌），好氧阶段150 min，沉淀100 min，排水10 min，静置5 min。第2阶段（91~140 d），进水5 min，厌氧阶段120 min（搅拌），好氧阶段150 min，沉淀70 min，排水10 min，静置5 min。第1阶段和第2阶段通过恒温槽将温度控制在（20±1）℃。第3阶段（141~181 d），周期运行方式同第2阶段，但是通过恒温槽将温度控制在（15±1）℃。本系统3个阶段均通过鼓入空气获得好氧条件，DO控制在7.0~7.5 mg/L。利用人工排泥将MLSS控制在4 000~4 500 mg/L，HRT和SRT分别为12 h和20 d。通过在人工合成废水中投加NaHCO₃将pH控制在7.4。

磷酸盐（PO₄^3-）采用钼锑抗分光光度法测定；COD采用15 min快速消解法测定；pH、DO采用Multi 3430多参数水质分析仪（德国WTW）进行测定。采用16S rRNA基因测序的方法进行菌群的鉴定。

不同运行参数下EBPR系统PO₄^3-浓度及COD随时间的变化如图 2所示。

实验结果表明，各阶段稳定运行后除磷负荷均在0.006~0.008 kgPO₄^3-/（kgMLSS·d）。系统运行的1~46 d进水PO₄^3-质量浓度为20 mg/L左右，反应器启动运行1个周期后PO₄^3-去除率为62.39%，运行至第8天PO₄^3-去除率达到最低，为7.01%，后又逐渐升高。由于运行初期系统运行的不稳定导致除磷率并不趋于稳定，且总体除磷效果较差，出水磷浓度较高。第47天将进水PO₄^3-质量浓度调整为15 mg/L左右，随着运行时间的增加，第1阶段的系统除磷率趋于稳定，但出水水质并未改善，PO₄^3-去除率均低于40%。运行至第91天，增加厌氧时间，进水PO₄^3-质量浓度为15 mg/L左右，随着运行时间的增加，第2阶段系统稳定后PO₄^3-的平均去除率为31.84%，出水水质依旧未提高。第141天将温度调至15 ℃，进水PO₄^3-质量浓度依旧为15 mg/L左右。运行至151~153 d时曝气泵管破裂，溶解氧迅速降低，系统恶化。故障修复后，闷曝24 h。155~161 d除磷性能有短暂性明显提高，PO₄^3-最高去除率为92.29%，后又降低最后趋于稳定。第3阶段系统稳定后PO₄^3-的平均去除率为73.68%，比第1、2阶段有明显提升。实验结果表明，厌氧条件的改变对除磷效果影响不明显，而在此基础上将温度降至15 ℃除磷效果较好。由图 2（b）可知，3个阶段的COD去除率均较为稳定，COD平均去除率分别为84.63%、86.98%、88.49%，说明运行条件的改变并未影响细菌对碳源吸收的稳定性。

R. Marques等^〔11〕在以Cas aa为碳源富集培养PAOs时，发现存在氨基酸的消耗，且有大量好氧磷的吸收。本实验选取3个阶段中反应器运行相对稳定的第69天（第1阶段）、第124天（第2阶段）、第181天（第3阶段）中的第3个周期作为典型周期，考察了系统PO₄^3-浓度及COD随时间的变化，结果见图 3。

由图 3可知，3个典型周期的进水PO₄^3-质量浓度分别为14.09、14.31、14.92 mg/L，厌氧末PO₄^3-质量浓度分别为20.21、32.37、19.46 mg/L，PO₄^3-去除率分别为28.32%、30.20%、72.91%，厌氧末释磷量分别是进水PO₄^3-质量浓度的1.43倍、2.11倍、1.30倍。此外，由图 3还可以看出，第3阶段的吸磷效果比第1、2阶段要显著，因此磷去除率相对要高。另外，第1阶段的COD在好氧进行30 min时消耗明显，这是将厌氧时间调至120 min（第2阶段）的主要原因。本实验结果表明，单一调整厌氧时间只增加了磷释放量，好氧磷的吸收不够充分，除磷效果不佳；增加厌氧时间且将温度调至15 ℃则更利于磷的吸收，除磷效果显著。

目前，PAOs的释磷/吸磷原理是被普遍接受的EBPR理论，实验结果表明，本研究符合这一理论。然而近年来有研究表明，EPS参与了生物除磷过程^〔12〕。由此可知，本研究中的除磷效果不仅与菌群结构有关，而且EPS可能对系统的除磷有贡献。

不同运行参数下活性污泥沉降性能随时间的变化如图 4所示。

由图 4可以看出，EBPR系统运行至第30天时，SVI＞160 mL/g，此时DO＜6.0 mg/L，导致丝状菌大量繁殖，引起污泥膨胀，系统迅速恶化。加大曝气量后，系统缓慢恢复。G. E. Zengin等^〔13〕的研究表明，随着运行时间的增加，EBPR系统中会滋生出大量丝状细菌，导致厌氧阶段无法充分释磷，好氧阶段吸磷量减少，最终导致系统崩溃。本研究中，其余时间未发现丝状菌导致的污泥膨胀且碳源充足，但是每个阶段的运行初期，系统运行依旧比较脆弱，可能与Cas aa作为唯一碳源导致系统抗冲击负荷能力差有关。

第1、2阶段活性污泥的MLSS在4 000 mg/L左右，SVI为100~140 mL/g，污泥龄为20 d。第3阶段MLSS逐渐升高，最高值为5 990 mg/L，后通过加大排泥量将MLSS控制在4 000 mg/L左右，且SVI稳定在60~80 mL/g。实验结果表明，仅增加厌氧时间，污泥增长速率较慢，MLSS增殖速率为500 mg/（L·d）；在此基础上将温度调至15 ℃，污泥增长速率加快，MLSS增殖速率为700 mg/（L·d），且污泥的沉降性能较好。

采用16S rRNA高通量测序平台对EBPR系统中微生物多样性进行分析。选取反应器不同阶段〔原污泥、第82天（第1阶段）、第126天（第2阶段）、第181天（第3阶段）〕运行稳定后的活性污泥进行了属水平上优势菌属的对比。结果表明，原污泥中的优势菌属有Terrimonas（4.07%）、Parvularcula（3.50%）、Dokdonella（3.33%）和Ottowia（2.52%）；第82天（第1阶段）污泥中的优势菌属有Saccharibacteria_genera_incertae_sedis（8.48%）、Thauera（5.10%）、Aridibacter（4.24%）和Dokdonella（3.65%）；第126天（第2阶段）污泥中的优势菌属有Saccharibacteria_genera_incertae_sedis（19.16%）、Niabella（16.62%）、Aeromonas（4.83%）和Flavobacterium（4.73%）；第181天（第3阶段）污泥中的优势菌属有Saccharibacteria_genera_incertae_sedis（23.24%）、Flavobacterium（9.99 %）、Sediminibacterium（6.61%）和Thiobacillus（3.92%）。Saccharibacteria_genera_incertae_sedis是属于Candidatus Saccharibacteria门的菌属。马思佳等^〔14〕的研究表明，以葡萄糖和乙酸钠为单一碳源时，其优势菌门为放线菌门和变形菌门，而当含有蛋白胨时，能够促进Candidatus Saccharibacteria门的积累。本研究表明，在以Cas aa为碳源时，增加厌氧时间和降低温度，可提高Saccharibacteria_genera_incertae_sedis的相对丰度。

在不同阶段污泥中检测出了9种具有除磷功能的菌属，其相对丰度对比见图 5。

9种具有除磷功能的菌属分别为Aeromonas（气单胞菌属）、Tetrasphaera（四球虫属）、Dechloromonas（脱氯单胞菌属）、Pseudomonas（假单胞菌属）、Acinetobacter（不动杆菌属）、Rhodocyclus（红环菌属）、Microlunatus（小月菌属）、Enterococcus（肠球菌属）和Corynebacterium（棒杆菌属）。由图 5可以看出，原污泥中Aeromonas的相对丰度为0，第126天（第2阶段）时污泥中Aeromonas的相对丰度最高，为4.83%，第181天（第3阶段）时污泥中Aeromonas的相对丰度降低（0.58%）。污泥中的Tetrasphaera在第82天（第1阶段）的相对丰度最高，为3.22%，第126天（第2阶段）时其相对丰度（0.06%）降低明显，到第181天（第3阶段）时其相对丰度（0.39%）虽然有所上升，但是增殖缓慢。Dechloromonas在原污泥中的相对丰度最高（1.25%），在第82天（第1阶段）、第126天（第2阶段）、第181天（第3阶段）污泥中Dechloromonas的相对丰度分别为0.06%、0.04%、0.50%。

研究结果表明，在反应器运行期间，通过增加厌氧时间可以提高Aeromonas的相对丰度；通过增加厌氧时间和降低温度可以使Tetrasphaera和Dechloromonas的相对丰度增加，进而提高了EBPR系统的除磷性能。

（1）对于酪蛋白水解物碳源EBPR系统，常温（20 ℃）下，仅增加厌氧时间除磷性能变化不明显；而在此基础上将温度调至15 ℃，除磷性能明显提高（PO₄^3-去除率均在65%以上）。

（2）对于酪蛋白水解物碳源EBPR系统，常温（20 ℃）下，仅增加厌氧时间污泥增长速率较慢，MLSS增殖速率为500 mg/（L·d）；而在此基础上将温度调至15 ℃，污泥增长迅速，MLSS增殖速率为700 mg/（L·d），且沉降性能提高。

（3）本系统内，可以通过增加厌氧时间提高Aeromonas的相对丰度，以及通过增加厌氧时间和降低温度增加Tetrasphaera和Dechloromonas相对丰度的方式提高EBPR系统的除磷性能。