目前，大部分城市污水厂通过有氧碳矿化作用以及全程生物硝化和反硝化作用实现对污水中碳氮污染物的去除。由于硝化过程中1 g NH₄⁺-N氧化为NO₃^--N理论需要4.57 g O₂，反硝化过程中1 g NO₃^--N还原到N₂理论消耗2.86 g COD^〔1-2〕，因此城市污水厂具有曝气量大、需补充额外碳源、污泥产量高和运行费用高等缺点。微氧生物技术将溶解氧（DO）控制在0.3~1.0 mg/L，不仅为反硝化菌提供了缺氧微环境，也可以很好地控制NH₄⁺-N的反应程度^〔3〕。微氧条件下氨氧化菌（AOB）代谢提供NO₂^--N基质，营造厌氧微条件，也适宜厌氧氨氧化菌（ANAMMOX）的生存。因此微氧污泥系统具有同时发生硝化、反硝化、厌氧氨氧化反应的条件^〔4〕。因而微氧生物技术具有节约曝气和外加碳源、剩余污泥产量少、占地面积小和运行费用低等优点^〔5〕。

有机碳源不仅是异养反硝化菌和其他异养菌的能量来源，影响节能自养菌的占比，还影响细菌胞外聚合物（EPS）的分泌，进而影响污泥颗粒化程度。有机碳源过高时，ANAMMOX的活性受抑制，对脱氮的贡献率降低^〔6〕，适量的有机碳源使ANAMMOX和异氧反硝化菌（HDNB）发生稳定的协同脱氮^〔7〕。当有机碳源过高时会出现污泥的解体，污泥沉降性能变差现象，而有机碳源过低，不足以形成颗粒污泥，脱氮性能较差^〔8〕。笔者以不同C/N城市污水为研究对象，采用外曝气耦合回流供氧微氧污泥反应器进行处理，测定主要出水水质指标、污泥胞外聚合物的成分、粒径分布和颗粒污泥微观形态，分析微生物菌群结构和反应器碳氮去除途径，为微氧生物处理工艺处理不同C/N城市污水提供参考，为城市污水C/N波动的运行提供调控思路。

如图 1所示，外曝气耦合回流供氧推流式微氧污泥反应器由微氧污泥床、填料、进水泵、曝气砂头、曝气回流池和回流泵组成，反应器和曝气回流池由有机玻璃制成，有效容积分别为3.6 L和0.5 L。模拟污水经进水泵以一定的流速从反应器一侧底部流入，以推流模式流入污泥层，污泥沉在反应器底部，污泥层高约4 cm，位于进水口之上，进水和污泥充分接触，由另一侧的出水口流出，出水经出水管流入曝气回流池充分复氧，一部分复氧水经回流泵以一定的流速再泵入反应器，复氧水管和进水管以三通连接，在三通处混合并流入反应器，剩余的复氧水排放。回流泵和进水泵的流速比值为回流比，回流比越大，对反应器提供的O₂越大，根据不同C/N污泥对O₂的不同需求进行调节。放入少量的填料防止污泥因流速过大而漂浮。

实验进水为人工配水，以NH₄Cl为氮源，进水NH₄⁺-N质量浓度为60 mg/L，不含NO₂^--N和NO₃^--N，TN质量浓度为60 mg/L，进水氮负荷为0.06 kg/（m³·d）；以葡萄糖为有机碳源，调节4组反应器的进水C/N分别为1、3、5、7（COD分别为60、180、300、420 mg/L），COD进水负荷分别为0.06、0.18、0.30、0.42 kg/（m³·d）；添加MnCl₂ 1.12 mg/L、CuSO₄ 0.30 mg/L、ZnSO₄ 0.54 mg/L等微量元素。同时启动和运行4个结构相同的微氧污泥反应器，通过温控仪控制反应器运行温度为（30±1）℃，进水pH约为7.28，HRT为24 h。接种污泥为A²O工艺污水处理厂二沉池污泥，初始MLSS分别为5.31、5.10、5.30、5.27 g/L，实验持续运行95 d，共分为3个阶段，根据污染物去除效果调整DO，在每个阶段内，4组反应器DO基本稳定在设定值，存在一定程度的波动，超出波动范围时通过微调复氧水回流比以提高或降低DO至设定值。其中，阶段1（P1）运行10 d（第1天—第10天），4组反应器的DO调节范围为0.46~0.59、0.20~0.31、0.09~0.12、0.08~0.13 mg/L；阶段2（P2）运行60 d（第11天—第70天），4组反应器的DO调节范围为0.60~0.73、0.39~0.50、0.35~0.45、0.10~0.20 mg/L；阶段3（P3）运行25 d（第71天—第95天），4组反应器的DO调节范围为0.84~0.93、0.56~0.65、0.37~0.49、0.21~0.31 mg/L。

每天收集反应器的进出水样，并经0.45 μm滤膜过滤后进行水质分析。其中COD、NH₄⁺-N、NO₂^--N、NO₃^--N、混合液挥发性悬浮固体（MLVSS）按照标准方法（APHA，2002）进行测定^〔9〕，出水TN采用国标中过硫酸钾氧化紫外分光光度法测定。使用FE28型pH计（上海梅特勒）测量pH，Oxi 3310型DO测量仪（德国WTW）测量DO，高通量检测通过上海生工完成。

分别调节各个反应器的回流比以调控DO浓度。不同C/N下的NH₄⁺-N去除效果见图 2。

如图 2所示，进水NH₄⁺-N均为60 mg/L，在P1期，由于调控反应器的DO较低，分别控制在0.46~0.59、0.20~0.31、0.09~0.12、0.08~0.13 mg/L，污泥中AOB的活性被抑制，C/N=1、3、5、7出水NH₄⁺-N相近且去除效果均相对较差，P1稳定期出水NH₄⁺-N分别为33.78、30.95、31.92、27.03 mg/L，去除率分别为44.58%、51.28%、43.38%、48.92%。P2提高1、2、3、4号反应器的DO为0.60~0.73、0.39~0.50、0.35~0.45、0.10~0.20 mg/L，C/N=1、3出水的NH₄⁺-N持续下降至10.30 mg/L和11.47 mg/L，去除率由44.58%和51.28%提高至83.01%和80.81%；另外C/N=5、7出水的NH₄⁺-N在10 d内迅速降低后稳定运行，稳定期出水NH₄⁺-N分别为5.89、11.86 mg/L，NH₄⁺-N去除率分别为90.12%、80.16%。DO的提高为AOB提供了更多的O₂基质，NH₄⁺-N去除效果提升，C/N=5在P2最先达到最佳去除率。P3进一步提高C/N=1、3、7复氧水回流量，提升反应器内DO为0.84~0.93、0.56~0.65、0.21~0.31 mg/L，出水NH₄⁺-N分别降低为5.99、3.35、3.35 mg/L，去除率分别为90.53%、94.50%、94.81%。通过逐渐增加反应器内的DO，促进硝化菌的生长和富集，NH₄⁺-N去除率逐渐提高，经过95 d的运行4个反应器均达到90%以上的NH₄⁺-N去除率。图 3为不同C/N下NO₂^--N和NO₃^--N的去除效果。

如图 3所示，在P1的低DO浓度下，CN=1、3、5、7出水的NO₂^--N分别为7.29、3.32、0.21、0.88 mg/L。NO₂^--N是亚硝酸盐氧化菌（NOB）和ANAMMOX的反应底物，在低DO、低C/N下发生NO₂^--N的积累，说明在低DO且有机碳源匮乏的条件下，更适合ANAMMOX的生存，NOB的活性受抑制。在P2时DO提高，C/N=1、3、5出水的NO₂^--N积累量逐渐减少，但C/N=7出水的NO₂^--N上升至3.15 mg/L。P3末期仅C/N=7反应器发生NO₂^--N的积累，NO₂^--N为2.59 mg/L。C/N=7反应器出现较低的NO₂^--N积累且和出水NH₄⁺-N质量浓度3.35 mg/L相近，NH₄⁺-N和NO₂^--N没有出现同步降解，这也说明了高有机物浓度条件下，ANAMMOX处于竞争劣势，异养反硝化菌（HDNB）发挥重要脱氮作用^〔6-7〕。

如图 3所示出水的NO₃^--N变化，在P1时C/N=1的出水NO₃^--N持续增加至8.09 mg/L，C/N=3、5、7时出水分别维持在1.30、1.05、0.90 mg/L。P2提高DO，出水NO₃^--N分别增加为7.54、3.75、2.15、1.20 mg/L，NO₃^--N浓度的增加一方面是因为DO的提高促进了硝化菌的生长和生产，另一方面是因为适宜缺氧生长的反硝化菌在高DO下受到抑制，反硝化过程受阻。P3出水NO₃^--N分别9.42、4.23、2.13、1.17 mg/L，随着C/N的升高，出水NO₃^--N浓度逐渐降低，且相比于P2，提高DO，C/N越大，出水NO₃^--N浓度的增幅越小，可能是有机碳源充分时，反硝化过程比较稳定，不易因环境波动。

图 4为不同C/N下TN的去除效果。

如图 4所示，在P1的低DO浓度下，4组反应器出水TN主要成分是NH₄⁺-N，分别维持在48.38、33.17、30.68、32.30 mg/L左右，去除率分别为19.27%、44.19%、41.13%、32.30%。P2提高DO，出水TN分别降低为18.11、15.97、8.81、13.77 mg/L，去除率升高至70.25%、73.66%、85.43%、77.09%；适度提高DO使反应器出水NH₄⁺-N和TN同步降低，且C/N=3最先达到较高的去除效果。P3时，C/N=1、3、5、7出水TN分别为15.73、15.91、7.29、7.11 mg/L；C/N=7的TN出水效果随着DO的提高明显提升；C/N=1、3出水的TN差别不大。分析在低C/N时，DO的提高使更多的NH₄⁺-N发生硝化反应，因为高DO和有机碳源匮乏的双重原因使反硝化、ANAMMOX等脱氮途径受到抑制。相反，C/N=7反应器因碳源充足，转化的NO₃^--N有足够的碳源完成异养反硝化。图 5为不同C/N下COD的去除效果。

如图 5所示，在反应器启动第1天，出水COD均偏高，分别为30.21、46.92、110.9、150.6 mg/L，去除率分别仅为53.44%、55.81%、63.14%、64.61%，但出水COD在5 d内迅速下降，且在P2和P3对DO的调试中，出水COD的波动幅度均很小，出水COD分别稳定在11.97、20.62、23.24、27.24 mg/L，这是因为异养菌增殖比自养菌快，对碳污染物的降解更稳定。

EPS是微生物分泌到细胞外的高分子聚合物，有聚集微生物成一体的凝聚作用，还可抵御重金属等有毒物质对细菌的侵害，其组分和含量的变化会影响污泥沉降性能，是影响形成颗粒污泥的重要因素。C/N=1、3、5、7反应器驯化污泥EPS分层中，紧密结合型胞外聚合物（TB-EPS）的单位VSS中蛋白含量最高，分别高达187.98、195.49、187.92、183.88 mg/g；松散结合型胞外聚合物（LB-EPS）次之，分别为31.98、44.17、32.72、28.08 mg/g；溶解性微生物产物（SMP）层中分别为30.31、38.53、29.36、22.64 mg/g。随着C/N的升高，TB-EPS、LB-EPS和SMP层中的蛋白含量均出现先升高后降低的趋势，均在C/N=3时达到最高。C/N=1、3、5、7反应器驯化污泥EPS分层中，TB-EPS的多糖含量最高，分别高达154.71、167.94、152.95、162.11 mg/g，在LB-EPS次之，分别为34.37、36.23、23.42、25.03 mg/g，在SMP层中分别为18.92、18.88、13.33、22.75 mg/g。适当提高C/N可以提高微生物的活性，进而EPS以及蛋白和多糖组分的含量增加，促进污泥颗粒化。蛋白/多糖比可反映污泥沉降和稳定性能，SMP、LB-EPS、TB-EPS分层中，C/N=5均达到最高，分别为2.20、1.40、1.13，蛋白占EPS的主要成分，其中的转移蛋白承担离子转移通道的任务，这可能是C/N=5反应器最先达到污染物去除最佳效果的原因。

在微氧脱氮性能提高的驯化过程中，污泥逐渐颗粒化。采用湿式颗粒筛分法对种泥和运行95 d的驯化污泥进行实验，以测试污泥颗粒化程度。采用不同孔径颗粒筛，将颗粒污泥筛分为 > 3.35、3.35~2.36、2.36~1.70、1.70~1.40、1.40~1.18、1.18~0.88、0.88~0.83、0.83~0.65、0.65~0.50、0.50~0.25、0.25~0.096、 < 0.096 mm共12个粒径筛分范围，结果如图 6所示。

95.89%的种泥分布在 < 0.25 mm粒径范围，经过95 d的驯化培育，驯化污泥粒径呈现两极分化的现象，4种反应器中粒径 < 0.25 mm的占比分别为78.45%、43.10%、40.13%、38.27%，随着C/N的升高小粒径占比逐渐降低。驯化污泥粒径 > 1.7 mm的占比分别为5.80%、19.95%、31.01%、21.39%，且在C/N=5时占比最大，说明C/N=5最适合污泥颗粒化。分析在低C/N条件下，胞外聚合物分泌较少，不利于污泥颗粒化，在C/N=7的高基质浓度条件下，污泥发生解体，粒径变小^〔8〕，且污泥负荷过高，非丝状菌大量吸收有机物，却不能及时代谢分解从而导致代谢不平衡，分泌过量糖类物质，这类物质中所含羟基具有较强的吸水性，使污泥水结合率增加；另外，部分丝状菌可以直接利用葡萄糖并分泌高黏性物质覆盖在菌胶团细菌表面，提高污泥的水结合率，发生污泥膨胀，亦不利于颗粒污泥的形成。

采用扫描电子显微镜观测不同C/N运行工况下的污泥形态，结果显示，种泥中存在球菌、杆菌和丝状菌，菌群多样，胞外聚合物将微生物聚集，但不紧实。不同于种泥形态，微氧反应器在不同C/N下驯化95 d后，均出现球菌占据主导地位，随着C/N的升高，污泥粒径出现先升高后降低的趋势，且在C/N=5时形成较多的颗粒污泥，形状规格圆整，较为密实的结构，清晰的外形轮廓，多个颗粒污泥在胞外聚合物的聚集作用下黏连成块，联系紧密，促进细菌间的物质传递，颗粒污泥表面呈现多个气孔，为厌氧和脱氮产生的气体提供通道。当C/N=1时，细菌分泌的胞外聚合物过少，无法聚集，不能为脱氮菌群提供内部厌氧的微环境；当C/N=7时，污泥间联系紧密程度反而降低。实验中污泥层稳定地沉在反应器底部，通过回流泵将复氧水泵入反应器，这种回流供氧无泡曝气的方式避免了反应器中直接曝气对污泥絮体和颗粒的冲击，利于颗粒污泥的形成，并且进水和回流复氧水带来的水力剪切作用，增加污泥的密度和强度，使较小的颗粒污泥更加密实，此外进水和污泥充分接触，给污泥提供充足的营养物质，微生物增长并且分泌EPS，促进颗粒污泥粒径的增大^〔10〕。

对种泥和4组驯化污泥进行高通量测序，分别命名为S0、S1、S2、S3、S4，如图 7所示，将得到的菌属按功能进行划分，主要分析了脱氮密切相关的AOB、NOB、ANAMMOX、自养反硝化菌（ADNB）和HDNB。

AOB在S0、S1、S2、S3、S4中的占比分别为0.19%、0.05%、0.14%、0.10%、0.11%，尽管占比均很低，但很少的AOB菌可以消耗大量的NH₄⁺-N。本测试结果中，5个样品的AOB包括亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）和鞘脂单胞菌属（Sphingomonas）两种菌属，Nitrosomonas占主导地位，是污水处理工艺中常见的AOB菌属，属于Betaproteobacteria纲。

5个样品中NOB的占比分别为0.25%、0.02%、0.02%、0.02%、0.02%。在30 ℃下运行95 d，4个驯化污泥NOB的占比相似，且远低于种泥，和前人^〔11〕的研究结果相似，微氧（DO＜1.0 mg/L）和高温（温度＞30 ℃）的控制条件下，可以淘洗出NOB，有利于NO₂^--N的积累，有助于短程反硝化和ANAMMOX的发生，减少体系对碳源和O₂的需求。本实验测试中硝化螺菌属（Nitrospira）占NOB的主导地位，属于特有的硝化螺旋菌门（Nitrospirae）。T. FUKUSHIMA等^〔19〕研究表明，Nitrospira容易在高IC条件下占优势，Nitrospira的主导地位与本实验高IC质量浓度（143 mg/L）有关^〔14〕。

ANAMMOX菌在种泥中占比仅0.02%，经过95 d的微氧、低C/N驯化，在S1中富集，占比达到0.55%，说明淘洗NOB后存在NO₂^--N的积累，为ANAMMOX菌提供了NH₄⁺-N和NO₂^--N反应基质。随着C/N的升高，ANAMMOX菌的丰度逐渐降低，分别为S2（0.23%）、S3（0.13%）、S4（0.03），ANAMMOX菌是化能自养型，CO₂是能量来源，增殖缓慢，而化能异养菌摄取有机物，增殖速度较化能自养菌快，高C/N下ANAMMOX仍被淘洗，C/N的控制也是富集ANAMMOX菌的重要因素^〔21〕。ANAMMOX菌的序列包含Candidatus Kuenenia和Candidatus Brocadia两个菌属，95%以上的序列属于Candidatus Kuenenia，Candidatus Kuenenia是ANAMMOX菌的主导菌属。根据生态学理论，Candidatus Kuenenia以K-策略者生存，适应在低基质浓度下生存^〔15〕，说明在4个反应器中的氮素动态反应中，NO₂^--N的积累很少，Candidatus Kuenenia与NOB竞争稀少的NO₂^--N。Candidatus Brocadia对底物的亲和力弱，是以R-策略者^〔16〕，在S2中ANAMMOX菌属的占比最高，为4.35%，分析是因为S2中AOB的丰度高，产生了较高的NO₂^--N浓度，在与ANAMMOX菌竞争NO₂^--N的过程中，NOB的丰度并没有得到提高，说明C/N=3利于富集ANAMMOX菌的。

ADNB在种泥中的丰度仅为0.08%，在驯化污泥中的丰度明显升高，分别为S1（0.50%）、S2（0.88%）、S3（1.19%）、S4（0.27%）。随C/N的升高，ADNB先升高后降低，在C/N=5时达到最大，进水高IC浓度促进自养菌的生长。

HDNB在种泥中的丰度为10.27%，在驯化污泥中的丰度明显降低，分别为S1（5.73%）、S2（4.17%）、S3（5.43%）、S4（6.03%），在C/N=7时达到最大。HDNB在5个污泥样品中的优势菌属分别为Aridibacter（2.30%）和Terrimonas（2.28%）、Comamonas（1.85%）和长绳菌属Longilinea（0.38%）、Longilinea（0.84%）和Defluviimonas（0.74%）、Longilinea（2.06%）和Defluviimonas（0.83%）、Longilinea（3.07%）和Dechloromonas（0.50%），污泥经过驯化HDNB优势菌属种类发生改变，并且随着C/N的升高，Longilinea的丰度越来越高，在C/N=7时达到最大。尽管S1中ADNB和HDNB菌属丰度很高，TN去除率仅75.14%，远低于S2（86.28%）、S3（88.07%）、S4（88.97%），分析可能是C/N=1反应器的反硝化过程主要是ADNB的作用，HDNB占比大但受有机碳源不足的影响，活性受到抑制，C/N=1反应器整体脱氮性能较差。

基于微生物属结构的分析，种泥中存在的氮去除途径是硝化（AOB和NOB）和反硝化（HDNB）的氮去除途径，在低C/N下ADNB和ANAMMOX的作用逐渐凸显，高C/N下，ANAMMOX逐渐被淘汰，脱氮中起到主要作用的是HDNB，在C/N=5时菌群协同共生关系紧密，达到最优去除性能。

（1）C/N对氮去除效果影响大，C/N≥5时才能保证系统出水NH₄⁺-N和TN满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准，但在不同C/N下，COD均能达到此标准。

（2）随着C/N的升高，污泥EPS的蛋白和多糖含量、粒径 > 1.7 mm的颗粒占比均出现先升高后降低的趋势，在C/N=5时达到最优的沉降性能和颗粒化程度，对不同污泥样品的微观形态测试发现，C/N=5条件下驯化的颗粒污泥，形状规格圆整，较为密实的结构，清晰的外形轮廓，多个颗粒污泥在胞外聚合物的聚集作用下黏连成块，细菌间传质效能提升。

（3）分析菌群结构发现，在低C/N下ADNB和ANAMMOX作用显著，随着C/N的升高，ANAMMOX菌逐渐被淘汰，脱氮中起到主要作用的是HDNB，在C/N=5时菌群协同共生关系紧密，去除性能最优。

（4）C/N通过影响微生物群落结构、EPS的分泌量和组分差别，进而产生不同的微观形态和颗粒污泥，进而对污染物的去除产生影响。