同步硝化反硝化（SND）具有脱氮效果好、容积负荷高、节省空间、运行成本低、pH稳定等优点，受到了广泛的关注。关于如何提高同步硝化反硝化水平和脱氮效率的实验研究从未停止，一方面大量实验研究通过优化SBR或SBBR反应器实验运行参数，如曝气时间、溶解氧、碳氮比、填料类型及其填占比等等^〔1-5〕；一方面则是对反应器结构的改进创新，比如SBBR就是在SBR基础上的改进。

本实验使用添加隔板的改进型SBBR反应器和SBBR反应器进行对照实验，通过观察反应器内填料挂膜情况，测定进出水COD、氨氮、硝酸氮及亚硝酸氮的浓度，并联系同步硝化反硝化率（R_SND）进行综合评价，确定改进型SBBR进行同步硝化反硝化进程及其废水去除效果的优势。最后，再通过高通量测序结果来探究两组反应器中微生物群落的多样性，从而分析两组反应器处理效果不同的原因。

SBBR反应器和改进型SBBR反应器均为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材质的长方体反应容器，尺寸为500 mm×400 mm×400 mm，每批处理废水进水量为40 L。由自动控制电气箱调节控制曝气时间、沉淀时间；自动控制进（排）水阀；搅拌装置转速可通过控速调节器改变，曝气量大小通过空气泵送阀门开启-转子流量计控制；反应器内填料占比18%，接种污泥占比10%。图 1是改进型SBBR反应器结构，其与SBBR反应器规格参数一致，区别在于内部一定水平高度上设置了隔板。隔板因其穿孔结构使反应器内水流具有流动性，能更好地实现含氧梯度环境及好（厌）氧菌群的富集，从而能够有效达到SND水平。

原水为人工配制的模拟城市污水，主要成分为NH₄Cl、KH₂PO₄、葡萄糖，微量元素由CuSO₄·5H₂O、MnCl₂·4H₂O、ZnSO₄·7H₂O、CoCl₂·6H₂O提供，同时投加NaHCO₃为原水调节pH。原水水质：COD为1 500 mg/L，NH₄⁺-N为140 mg/L，TP为13~17 mg/L，pH为7.4~7.6。

两组反应器中所选用的接种污泥均为江西省某生活污水处理厂生化处理区A/O反应器回流污泥。根据微生物生长动力学理论，将所取回流污泥置于反应器内闷曝32~48 h使其污泥处于饥饿状态而具有较高活性，闷曝结束后以逐步升高碳源的形式添加同样组成成分及配比的模拟实验废水，使其最终COD达到模拟实验废水的COD，继而采用模拟实验废水驯化。两组反应器曝气量均为0.4 m³/h，曝气搅拌时间为10 h，进水5 min，静置45 min，排水30 min，以A组代表SBBR，B组代表改进型SBBR。

COD，重铬酸钾-硫酸消解法；NH₄⁺-N，纳氏试剂分光光度法；NO₂^--N，N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法；NO₃^--N，紫外分光光度法；pH，S-25pH计。

微生物群落多样性分析采用Illumina MiSeq高通量测序的方法，将样品送至上海美吉生物医药科技有限公司进行操作。

同步硝化反硝化率（R_SND）是反应器中去除了的NH₄⁺-N中最终转化为N₂形式的含量在去除的NH₄⁺-N含量中的占比，见式（1）。

(1)

式中：[NH₄⁺-N]_去除——进出水中NH₄⁺-N质量浓度差，mg/L；

[NO_x^--N]_出水——出水中NO_x^--N质量浓度，mg/L。

通常情况下，当R_SND指标在50%以上时，基本上可以确定反应器已完成同步硝化反硝化驯化过程。

经过近30个周期在模拟实验废水的驯化培养后，SBBR反应器和改进型SBBR反应器的同步硝化反硝化启动已有成效，其趋势也趋于稳定。而判断同步硝化反硝化启动成效的依据来自于：（1）在驯化过程中，A组和B组反应器内填料从第10周期起二者表面已初步形成生物膜，但此时还未成熟稳定。随着反应驯化的培养，两组反应器内生物膜继续生长附着，到第23周期起A组生物膜黏着紧密；而此时B组不仅具有挂膜黏着的填料，同时其反应器内隔板上下两层也开始显现出生物膜。在接下来的几个驯化周期里，无论是反应器的运行状态，还是填料的挂膜效果都更加趋于稳定。最终通过对填料生物膜挂膜状态判断，确定两组反应器在第30个周期同步硝化反硝化启动已基本完成。

A、B两组反应器对进水COD为1 500 mg/L左右，碳氮比为10.71的模拟实验废水进行同步硝化反硝化启动实验。A、B两组反应器启动阶段进出水COD变化情况及COD去除效果如图 2所示。通过观察可以发现：A、B两组反应器在启动第28周以后，两者COD去除率都能达到93%以上，且B组COD去除率变化起伏更小，去除效果更为稳定；这说明在历经30周左右的驯化启动实验后，两组反应器内微生物皆具有较高活性，对COD有着较好的去除效果，且改进型SBBR反应器稳定性更强。

A、B两组反应器进水氨氮质量浓度均为140 mg/L左右，因而在启动反应过程中，以NH₄⁺-N去除这一实验计算参数作为反应器氨氮去除效果的指标；并且NO_x^--N变量与NH₄⁺-N去除这一参数关联；由计算公式不难发现R_SND与NH₄⁺-N去除及NO_x^--N出水的浓度大小有着直接联系，两组反应器NH₄⁺-N去除的浓度变化幅度较小，而NO_x^--N出水的浓度整体呈下降趋势，因而出现R_SND指标整体呈上升趋势，由启动初期不到20%的比率最终达至80%以上，如图 3所示。

由图 3可以看出，A组在启动期间，NH₄⁺-N去除始终保持在100 mg/L以上的水平；NO₃^--N从第2周期时的70.182 mg/L降到第30周期时的5.361 mg/L，整体呈下降趋势；同时NO₂^--N在前20个周期内维持在25 mg/L左右且始终低于NO₃^--N，而在之后的启动周期里其质量浓度保持在15 mg/L并且略高于NO₃^--N；R_SND在第26周期起维持在80%左右。这一现象说明，整个过程中氨化阶段运行良好稳定，前期参与硝化反应的AOB和NOB菌群占主导，致使NO₃^--N较高，随着实验的进行反硝化阶段开始运行成熟，最终能在同一空间水平里与硝化阶段同时平衡稳定推进，从而使NO_x^--N处于较低水平。

B组在启动期间NH₄⁺-N去除、NO_x^--N变化趋势在整体上与A组基本一致。不同之处，如图 3所示，B组NO₂^--N的平均水平明显低于A组，且NO₃^--N下降幅度高于A组；R_SND在第26周期起可达到90%左右，这说明：（1）启动前期，在硝化阶段占优且反硝化反应不充分的条件下，B组中参与反硝化的菌群的生长适应性优于A组，故而NO_x^--N降幅相对较大；（2）随着启动进行，由于隔板的设定使反应器的氧浓度分区，B组中与参与硝化的AOB菌群与NOB相比，反硝化菌在改进型SBBR反应器中竞争优势相对明显，故而反硝化更为高效以致NO₂^--N的平均水平低于A组。这一结果进一步说明了通过30个左右周期驯化启动阶段，无论是A组还是B组都能很好地进行同步硝化反硝化，但B组进行同步硝化反硝化效果比A组更好，这表明添置隔板后的改进型SBBR反应器运行效果更佳。

尽管两组反应器的R_SND指标在启动过程中逐渐增大，但氨氮去除率并未呈现出与之对应的映射关系增加或减少，而是整体数值保持在90%左右水平上起伏波动。这一结果一方面说明通过R_SND指标只能体现出反应器启动过程中同步硝化反硝化程度，而不能通过它作为脱氮效果的唯一根据。另一方面则说明评判反应器通过同步硝化反硝化能够高效地进行脱氮处理的启动完成依据，既要依靠R_SND指标进行判断指导，还要凭借氨氮去除率进行综合评价，结果见表 1和图 4。

由表 1和图 4可知，A组反应器在第20个周期以后，R_SND指标能够稳定在50%以上，在第24周期起能达至80%左右，氨氮去除率则能达到85%以上；B组反应器在第14周期以后，R_SND指标能够稳定在50%以上，在第24周期起能达至90%左右，氨氮去除率则能达到89%以上。这一结果表明，A、B组反应器在历经30个周期左右的运行反应，同步硝化反硝化脱氮启动已基本稳定完成；且B组反应器的R_SND指标和氨氮去除率均高于A组。通过R_SND指标和氨氮去除率的综合评价，则进一步确定改进型SBBR反应器进行同步硝化反硝化运行效果更佳。

A、B两组反应器启动成功后，分别对反应器中活性污泥取样进行微生物多样性的测定，结果见表 2。

由表 2可知，A组与B组的Coverage值均在99%之上。B组ACE指数和Chao指数大于A组，说明B组的物种的丰富度高于A组；A组Shannon指数大于B组且A组Simpson指数远小于B组，说明A组的生物群落多样性高于B组，且物种构成更杂乱，物种间相差数量较大^〔6〕。综上可知，由于同步硝化反硝化是在多种菌相互协同作用下进行的，B组的改进型SBBR反应器中每种微生物数量更多且构成更加均衡，从而导致B组反应器的去除效果好于A组。

图 5是门水平上群落结构分析。

如图 5所示，微生物在门水平上，优势菌群为：变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、浮霉菌门（Planctomycetes）、厚壁菌门（Firmicutes）、绿弯菌门（Chloroflexi）、放线菌门（Actinobacteria）。变形菌门（Proteobacteria）在脱氮处理中起着主要的作用，大部分氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌和反硝化细菌属于变形菌门^〔7〕。拟杆菌门（Bacteroidetes）可以在有机环境中生长，可代谢碳水化合物^〔8〕，本实验中在COD的去除上起着主要作用。绿弯菌门（Chloro- flexi）多为兼性厌氧菌，也具有分解糖类的能力，对COD也具有一定作用^〔9〕。浮霉菌门（Planctomycetes）具有一定的除氮作用，其中就包括厌氧氨氧化菌。对除氮效果有着促进作用^〔10〕。

A、B两组反应器中微生物群落在属水平上的组成和差异如图 6所示。

同步硝化反硝化是在氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌和反硝化细菌的共同作用下进行的。反应器内优势菌种中亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）、亚硝化球菌属（Nitrosococcus）为氨氧化菌，硝化杆菌属（Nitrobacter）、硝化刺菌属（Nitrospina）、硝化螺旋菌属（Nitrospira）为亚硝酸盐氧化菌，假单胞菌属（Pseudomonas）、根瘤菌属（Rhizobium）、生丝微菌属（Hyphomicrobium）、芽孢杆菌属（Bacillus）为好氧反硝化细菌，好氧反硝化细菌可以使硝化作用和反硝化作用同时进行，加速了硝化-反硝化的进程^〔11〕。A组中氨氧化菌数量远多于亚硝酸盐氧化菌和反硝化菌，而B组中氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌和反硝化细菌组成比例更加均衡，此外B组中包括厌氧绳菌（Anaerolinea）在内的厌氧菌也有显著增多。此结果与Alpha多样性分析中B组的丰富度高于A组的结果一致，同时与造成NH₄⁺-N、NO_x^--N变量关系的原因一致，由此可验证在SBBR反应器中设置水平穿孔隔板，可以实现更好的含氧梯度环境，从而实现多种类型菌群的富集，达到提高同步硝化反硝化水平的目的。

（1）两组反应器在近30个周期运行后，同步硝化反硝化启动完成，A、B两组均可达到较高水平同步硝化反硝化程度，且R_SND指标均为80%以上，此外，B组R_SND数值整体上高于A组水平。在废水处理效果方面，两者COD去除率均能达到93%以上，氨氮去除率分别可达到85%和89%左右；通过对比发现添加隔板后的改进型SBBR反应器去除效果更为稳定、高效。

（2）通过高通量测序，对A、B两组反应器内微生物群落结构进行分析，B组微生物的丰富度明显高于A组，并且相较于A组相关功能性菌群在数量配置上更加均衡。

在SBBR反应器中增添水平隔板后，使同一空间下的环境多样化，为多种微生物提供适宜条件，使物种的丰富度极大提高，数量比例更加均衡，使在多菌种协同作用下的同步硝化反硝化反应效果更好，此为添加隔板后的改进型SBBR反应器进行同步硝化反硝化运行效果更佳的根本原因。