传统活性污泥法是城镇污水处理过程中普遍采用的工艺，对有机物和氮磷等营养物质均有着较好的处理效果，但同时也存在剩余污泥产量高的问题^〔1〕。污泥处理处置费用约占污水处理厂总费用的20%~50%，剩余污泥的处理与处置已成为污水处理厂的难题^〔2〕。同时由于我国城镇生活污水的低碳氮比特性，传统活性污泥法存在脱氮能力不足的问题^〔3〕。某些城市水体要求达到的水环境质量标准越来越高，污水处理厂排放标准也更加严格。污水处理厂达标排放的关键是氮素的去除，如何提高脱氮工艺的技术水平和效率仍是当前研究的重点。

依托填料构建的生物膜法是能有效实现同步硝化反硝化（SND）和原位污泥减量的污水处理工艺，其中复合填料具有挂膜快、微生物量大的特点^〔4-5〕。目前生物膜法研究多集中在对污染物的去除方面，然而填料的物理性质对生物膜形成的影响，以及生物群落结构对强化脱氮的机制尚不明确，生物膜法实现污泥减量和生物脱氮的微观原理也需进一步深入研究。

本研究采用A²O复合填料生物膜工艺，即在传统A²O工艺中填充多孔流离球聚丙烯（PFP）复合填料，通过分析COD、NH₃-N、TN去除率，剩余污泥表观产率（Yobs，以MLSS/COD计，下同）等指标评价A²O生物膜工艺的污泥减量与脱氮效果，从填料流速分离作用、生物群落结构等方面分析了其污泥减量和生物脱氮的原理。

A²O生物膜反应装置流程如图 1所示。

在A²O工艺中填充PFP复合填料构建成A²O生物膜工艺，PFP复合填料在厌氧区、缺氧区以及好氧区的填充率均为60%，装置通过加热棒控制温度。厌氧区和缺氧区使用搅拌器不断搅拌以维持厌氧和缺氧状态；好氧区使用充氧泵通过曝气沙盘进行供氧，回流污泥分两点加入，减少加入到厌氧段的回流污泥量，从而减少硝酸盐和溶解氧，其余的污泥回流到缺氧段以保证氮的需要。A²O生物膜工艺装置总有效容积135 L，尺寸60 cm×45 cm×50 cm（超高10 cm），平均分成9个小立方体格。进水流量12 L/h，总HRT为11.25 h，厌氧池、缺氧池、好氧池的容积比为1∶1∶2.5；MLSS控制在4 000 mg/L，好氧池DO 4~5 mg/L，缺氧池在小型潜水泵搅拌作用下DO维持在0.5 mg/L，装置连续运行75 d。

PFP复合填料球体直径7 cm，球面呈网状多孔隙结构，球体内部装有2个直径30 mm的纤维球和1个30 mm聚氨酯立方块，球壳为高分子聚合物注塑而成。

实验用水为人工配水，配水组成包括乙酸钠、MgSO₄、CaCl₂、NH₄Cl、Na₂HPO₄和酵母浸膏，同时投加0.30 mL/L的微量元素，微量元素具体组分参考文献〔6〕。A²O生物膜实验进水水温（27±2）℃、pH 7.5±0.5、COD（500±100）mg/L、NH₃-N（25±5）mg/L、TN（37.5±2.5）mg/L。

接种污泥取自济南光大水务污水处理厂污泥回流泵房。泥水混合液先静置24 h，然后除去上清液。再用纯水清洗3次，清洗过程中经筛网（1 mm×1 mm）过筛，除去上清液，加入配制的生活污水每天对污泥进行两个周期的间歇进水驯化，直到使用显微镜观察时能够看到组织紧密的菌胶团，表明污泥驯化过程完成，可用于下一阶段试验。

COD、氨氮、TN、NO₃^--N、MLSS、MLVSS的检测均参考文献〔7〕；反硝化速率、剩余污泥表观产率的测定均参考文献〔3〕；微生物形态通过蔡司Sigma 300（德国）扫描电镜仪器进行观测；微生物群落结构通过Miseq高通量测序分析方法检测^〔8〕，污泥样品取自工艺稳定运行时期（第50天）缺氧区末端和好氧区末端生物膜表面，样品经离心后置于-60 ℃冷藏，后送至上海生工生物公司进行DNA提取，之后通过高通量16S rDNA测序，分析反应器中物种的菌落结构及其特性。

A²O生物膜工艺对COD的去除效果见图 2。

由图 2可以看出，出水平均COD为24.5 mg/L，平均去除率为94.91%。且由进水COD波动较大但出水COD波动较小可知，本系统可耐进水COD变化，生物膜生长良好且较为稳定，具有较强的抗负荷冲击能力。厌氧条件下COD被转化为细胞内部的聚-β-羟基链烷酸酯，其作为生物体内的碳源及能量储存物质，在后续的内源反硝化过程中得到利用^〔9〕。

A²O生物膜工艺对NH₃-N、TN的去除效果见图 3。

由图 3可知，工艺运行初期，A²O生物膜反应器的出水NH₃-N、TN浓度较高且还不稳定，可能因为生物膜尚不成熟。A²O生物膜反应器的出水平均NH₃-N为3.40 mg/L，平均去除率为85.74%；平均TN为7.65 mg/L，平均去除率为79.44%。A²O生物膜工艺对NH₃-N、TN有较好的处理效果，分析原因：一方面填料能使反应器内优势菌种稳固下来，使其始终处于最佳的生理状态，达到高效脱氮的效果；另一方面，填料上附着的微生物数量要远远高于传统工艺的微生物量，从而使有机物及脱氮效率提高。在缺氧区硝酸盐在反硝化作用下被还原为气态氮气溢出，从而完成脱氮过程。推测在好氧区PFP填料中可能会形成好氧-缺氧-厌氧的氧化还原微环境，从而有助于完成SND作用和好氧区的局部脱氮作用，提高系统脱氮效果^〔10〕。

A²O生物膜工艺对污泥减量与生物脱氮效果见图 4。

由图 4（a）可以看出，A²O生物膜工艺反硝化速率存在明显的三个阶段：第一阶段是初始的0.5 h，反硝化速率为8.59 mg/（g·h），该阶段挥发性脂肪酸和脂类等易降解可溶性有机物充足，此时反硝化速率最大。随着可被生物降解利用的碳源浓度降低，反硝化速率逐渐降低，进入第二阶段。该阶段反硝化速率为4.35 mg/（g·h），此时易降解有机物消耗殆尽，只能利用可缓慢降解的有机物作为其碳源。最后一个阶段反硝化速率为1.56 mg/（g·h），可利用的碳源消耗殆尽，可供反硝化菌选择的碳源只剩下内源呼吸作用的代谢产物。通过反硝化速率可以看出，该A²O生物膜工艺的反硝化效果较好，高于郭玉梅等^〔11〕A²O试验研究中所得的3.35 mg/（g·h）的反硝化速率，反硝化效果得以提升。

污泥表观产率的大小可以反映污泥减量效果。由图 4（b）可以看出，工艺运行初期，Yobs维持在0.075 g/g左右，可能因为污泥尚在适应期，污泥微生物活性较低，微生物繁殖速度慢，污泥增殖量较小，并且初期填料内部尚未形成生物膜，填料内部存在着的物理截留与吸附作用降低了MLSS；随着系统的运行稳定，Yobs逐渐维持稳定，最终平均Yobs约为（0.127±0.008）g/g。

反应器中填充的PFP复合填料会使水流产生流速分离现象，图 5所示为PFP复合填料流速分离作用示意图。

如图 5所示，填料会在搅拌器的作用下形成流离现象并产生流速差，流体中的悬浮态物质会逐渐聚集在低流速区域。因此混合液中的悬浮物质会逐渐向填料内部迁移，积聚的污泥又以填充物（聚氨酯、纤维球）为载体逐渐生长形成生物膜^〔12〕。随着生物膜的生长，填料由表面到内部逐渐形成好氧-缺氧-厌氧微环境；且因为传递阻力的存在，生物膜内部也会形成营养物质富足、贫瘠交替的微环境，污水中的污染物经有效分离与积累后，在厌氧分解、低分子化作用下，达到污泥原位消减的目的。同时释放的有机物会成为缺氧区脱氮的碳源，从而实现污泥原位消减的同时促进生物脱氮^〔13〕。

从系统不同区域（厌氧区、缺氧区、好氧区）取填料表面生物膜样品进行显微镜观察以及扫描电镜观察，结果见图 6。

从图 6（a）可以看出，系统不同区域的生物相存在显著差异，在好氧-缺氧-厌氧微环境的作用下，污泥中的微生物群落结构会随环境的变化而变化。在厌氧区丝状菌大量生长，原生动物和后生动物较少，仅观察到楯纤虫属；缺氧区原生动物种类较多，可观察到楯纤虫属和鼬虫属等；反应器后部的好氧区内，活性污泥呈生物膜状，且出现原生动物及后生动物，可观察到贝氏硫菌属与漫游虫属，说明此区域内食物链等级较高。造成这种差异的原因是反应器前部的厌氧段中富含有利于细菌繁殖的营养物质；而系统后部的好氧段水力负荷较低，水质良好稳定，其环境更加适合原生动物及后生动物的生长。此外，鼬虫属和漫游虫属的出现也表明填料内部可能产生污泥分解现象。

从图 6（b）可以看出，在不同环境下生物膜表面活性污泥微生物形态有明显差异。A²O生物膜反应器厌氧区填料表面覆盖丰富的杆状菌，在胞外多聚物作用下这些杆状菌相互黏接形成成簇的细菌集群；缺氧区微生物形态较厌氧区松散，细菌集群形态被破坏并出现了细菌碎片，说明缺氧区生物膜上的微生物发生了溶胞现象。附着在生物膜上的微生物可以利用溶胞释放的有机物进行自身代谢活动，从而产生污泥减量的效果^〔14〕。在好氧区，可观察到絮体碎片及孔状结构，微生物结构松散不密集，可能因为A²O生物膜反应器运行过程中COD降低，缺氧区和好氧区底物浓度低，微生物缺乏可利用外源基质，微生物活性和种群数量相对较低。

通过Miseq高通量测序方法对缺氧区和好氧区的微生物群落结构进行检测，结果显示，变形菌门（Proteobacteria）在缺氧区和好氧区微生物群落结构中均占主导地位，分别为58.8%（缺氧区）、55.54%（好氧区），参与反硝化的细菌主要属于Proteobacteria。绿弯菌门（Chloroflexi）在缺氧区和好氧区中的占比分别为5.05%、1.34%，它是降解碳水化物和细胞物质主要门一级微生物。厚壁菌门（Firmicutes）在好氧区中的占比为1.62%，且它是参与厌氧消化水解的一类微生物。此外，为硝化反应的进行提供微生物条件的硝化螺旋菌门（Nitrospirae）在好氧区域的相对丰度高达5.86%，为缺氧区（0.31%）的近19倍，这与Tianhao Niu等^〔15〕研究结果一致。与戚芳方^〔16〕检测的传统AAO工艺的微生物相比，本工艺生物膜微生物群落系统含有Nitrospirae、装甲菌门（Armatimonadetes）、广古菌（Euryarchaeota）、芽单胞菌（Gemmatimonadete）等菌门，缺氧区微生物群落物种更加丰富，这可能是该生物膜工艺脱氮效率提高、污泥产率降低的原因之一。

为进一步了解填料表面生物膜的群落结构，对其属一级进行了检测。结果表明，陶厄氏菌属（Thauera）是缺氧区中占比最高的种属（17.47%），是好氧区中Thauera占比（4.1%）的4.26倍。Thauera是一类与反硝化过程密切相关的细菌种属^〔17〕，同时有研究表明其也与除磷反应相关，这说明厌氧区投加的生物膜填料在进行反硝化的同时，一定程度上还可实现同步除磷。好氧区中占比最高的细菌种属为硝化螺旋菌属（Nitrospira），是一类亚硝酸盐氧化菌，其较高的含量说明了好氧区的硝化反应进行较为彻底，变形杆菌属（Dechloromonas）在缺氧区占比为5.01%，是一类与污泥减量作用相关的世代时间较长的微生物种属，可有效降低系统Yobs浓度。因此，缺氧区域反硝化相关微生物种属和好氧区域同步硝化反硝化微生物种属共同促进了污泥减量和生物脱氮。

（1）A²O复合填料生物膜工艺出水平均COD、NH₃-N、TN分别为24.5、3.40、7.65 mg/L，平均去除率分别达到94.91%、85.74%、79.44%，污泥表观产率仅为（0.127±0.008）g/g，脱氮效果和污泥减量效果明显优于常规活性污泥工艺。

（2）填料流速分离作用会产生流速差，使悬浮态物质逐渐聚集在一起，促进悬浮态污泥形成生物膜，随着生物膜的生长以及传递阻力的存在，在实现污泥原位减量的同时可以促进生物脱氮。

（3）通过微生物观察和生物群落结构分析表明，微生物的种群结构以及细胞形态发生较大变化，微生物群落物种更加丰富，缺氧区域反硝化相关微生物种属和好氧区域同步硝化反硝化微生物种属共同促进了污泥减量和生物脱氮。