节能降耗：间歇曝气对微生物特征及运行的影响

我国城市污水处理厂普遍具有进水C/N较低，反硝化碳源不足的特点。污水处理厂通常采用的连续曝气方式增加了好氧段所消耗的碳源，进一步使硝化回流液中的碳源不足，从而影响了生物处理工艺的脱氮效果。基于以上问题，一些污水处理厂开始采用间歇曝气的方式，以期达到改善出水水质和节能降耗的目的。

有研究结果表明，当进水C/N为3时，连续曝气比间歇曝气的总氮去除率高17.92%，碳源脱氮利用率较间歇曝气系统高44.29%；同时，连续曝气系统中反硝化细菌相对丰度也高于间歇曝气系统。对于硝化细菌，通过间歇曝气的方式，能够驯化氨氧化细菌，氨氧化细菌可以通过产率系数的增加以提高其在反应器中的绝对丰度，从而实现短程硝化。此外，相对于连续曝气，间歇曝气能够在一定程度上较好地抑制亚硝酸盐氧化细菌的相对活性，当停曝时间比为1∶1和2∶1时，亚硝化性能良好。

但目前在间歇曝气方式下的微生物群落研究多基于实验室反应器规模，尚未研究和分析在生产性规模条件下，间歇曝气对活性污泥微生物群落结构的影响。因此，本研究通过对污水处理厂生化段进行连续曝气和间歇曝气的生产性试验，采用高通量测序手段，分析了活性污泥中微生物群落的变化、不同曝气策略对微生物群落结构的影响以及两种不同曝气策略下的能耗。

1.1 污水处理厂概况及曝气策略

本研究的对象为某污水处理厂一期工程生化段，该厂一期设计处理水量4万m3/d，出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）的一级A标准。其生化段采用改良AAO工艺，包括预缺氧池+厌氧池+缺氧池+好氧池。

该污水处理厂生化段好氧池2019年7月前采用连续曝气的方式。为达到节能降耗和保证出水达标的目的，2019年8-9月进行间歇曝气运行调试。2019年9月至11月，采用“曝气3h-停曝气3h”的间歇曝气策略。为保证冬季出水稳定达标，2019年12月改用好氧池“曝气4h-停曝气2h”的间歇曝气策略。

1.2 样品采集与检测方法

日常进、出水的污染物浓度采用污水处理厂在线监测数据。沿程监测采集厌氧池前端、缺氧池前端、好氧池前端及末端的水样，根据《水和废水监测分析方法》（第4版）中提供的标准方法，检测COD、氨氮、TN、NO-3-N和TP浓度。

2019年6-12月分别各取缺氧池和好氧池中段的活性污泥样品，用于分析连续曝气和间歇曝气的活性污泥微生物群落。其中，连续曝气缺氧池和好氧池样品分别标记为CA和CO，间歇曝气缺氧池和好氧池样品分别标记为IA和IO。

1.3 DNA提取与PCR扩增

根据生产商提供的说明书，采用E.Z.N.ATM Soil试剂盒（Omega Biotek, USA）对样品进行DNA提取。采用341F（5′-CCCTACACGACGCTC TTCCGATCTG-3′）和805R（5′-GACTGGAGTTCCTTGGCACCCGAGAATTCCA-3′）对16S的V3-V4区进行PCR扩增。之后采用Agencourt AMPure XP试剂盒（Beckman Coulter, USA）对PCR扩增产物进行纯化并进行切胶回收。

1.4 高通量测序及数据预处理

采用Illumina Miseq平台对所有DNA样品进行测序，所得到的下机原始序列数据，根据条形码序列分出不同样品的测序数据，得到原始数据并对其进行质量检验。首先采用cutadapt去除引物接头，再用PEAR将配对序列进行合并，得到拼接序列。然后采用Prinseq对个样本中序列尾部质量值低于20的碱基进行剪切，同时去除数据中的短序列并对低复杂度序列进行过滤。

采用USEARCH去除预处理后序列中非扩增区域序列，再对序列进行测序错误校正，并调用UCHIME进行鉴定嵌合体。根据97%的一致性标准，采用UPARSE划分操作分类单元（OTUs）。根据80%的置信区间值，采用RDP Classifier对代表性序列进行分类。将去除嵌合体的序列与数据库代表性序列进行BLASTN比对，并剔除低于阈值的比对结果序列。

1.5 数据分析方法

采用R语言（版本4.0）的vegan包计算样品的α-多样性、β-多样性以及进行非度量多维尺度分析（NMDS）。其中，α-多样性包括物种数（Richness）、香农-维纳（Shannon-Wiener）指数、Chao1指数和辛普森（Simpson）指数；β-多样性采用Bray-Curtis距离。采用R语言的ggplot2包对数据分析结果进行绘图。

2.1 污水处理厂的水质变化

污水处理厂的进、出水常规污染物浓度及去除率变化如图1所示。连续曝气期间（5-7月）的COD平均去除率为(87.22±2.44)%，间歇曝气调试期间（8-9月）和间歇曝气期间（10-12月）的COD平均去除率分别为(84.09±3.42)%和(81.31±3.17)%。虽然间歇曝气期间的COD去除率比连续曝气期间的去除率略低，但连续曝气、间歇曝气调试及间歇曝气期间的出水COD平均浓度分别为(21.20±3.82) mg/L、(18.50±3.65) mg/L和(21.48±3.24) mg/L。由此可见，改间歇曝气后，出水COD浓度无明显变化，均能满足达标要求。

图1 污水处理厂水质变化

连续曝气、间歇曝气调试及间歇曝气期间的TN平均去除率分别为(64.70±5.31)%、(53.22±7.19)%和(61.96±6.23)%。由于间歇曝气调试期间进水TN浓度较低［（27.50±0.96） mg/L］，其去除率相对较低；而间歇曝气期间的去除率与连续曝气期间则差异不大。同时，三个阶段的出水TN平均浓度分别为(13.54±1.60) mg/L、(12.01±1.08) mg/L和(11.00±1.21) mg/L，由此可见，间歇曝气的出水TN浓度略低于连续曝气，表明间歇曝气更有利于出水TN稳定达标。

连续曝气、间歇曝气调试及间歇曝气期间的氨氮平均去除率分别为(97.15±1.29)%、(97.09±1.03)%和(96.62±0.93)%，去除率之间无明显差异。三个阶段的出水氨氮平均浓度分别为(0.66±0.23) mg/L、(0.59±0.14) mg/L和(0.85±0.28) mg/L，均满足达标要求。

以上结果表明，尽管进水水质存在时间尺度上的波动，但在连续曝气和间歇曝气条件下的污染物去除率差异不大，且间歇曝气条件下运行稳定，出水水质均能达标。

2.2 活性污泥微生物群落特征

经数据预处理后，4个样品得到的序列数范围在46 888~58 957条，因此将4个样品的序列数随机抽平至46 888条后，进行后续数据分析。由表1可知，连续曝气条件下的缺氧池活性污泥物种数为2 886个，仅比间歇曝气条件下多9个OTUs；连续曝气条件下的好氧池活性污泥物种数为2 933个，比间歇曝气条件下多80个。由此可见，间歇曝气没有明显改变活性污泥中的细菌物种数量。从物种丰度和均匀度的角度看，间歇曝气和连续曝气条件下的Chao1指数、Simpson指数以及Shannon指数差异均较小。因此，将连续曝气策略改为间歇曝气策略并未明显改变活性污泥微生物群落的α-多样性。

表1 微生物群落的α-多样性

不同曝气策略下缺氧池和好氧池活性污泥微生物群落在门水平的结构如图2所示。其中，连续曝气样品CA和CO中位于前三位的门依次为Proteobacteria、Bacteroidetes、Chloroflexi，相对丰度分别为40.58%和42.50%、18.22%和19.87%、11.22%和10.82%；间歇曝气样品IA和IO中位于前三位的门则依次为Proteobacteria、Bacteroidetes、Candidatus Saccharibacteria，相对丰度分别为36.36%和34.88%、15.17%和16.86%、8.73%和9.48%。由此可见，改为间歇曝气策略后，Candidatus Saccharibacteria在活性污泥中的相对丰度明显增加。Gu等的研究表明，C/N比的提高有利于Candidatus Saccharibacteria在活性污泥中的富集。好氧池曝气时间的缩短有利于提升回流到缺氧池的碳源浓度，因此在间歇曝气条件下，活性污泥中Candidatus Saccharibacteria的相对丰度得以增加。

图2 微生物群落的门水平相对丰度

不同曝气策略下缺氧池和好氧池活性污泥微生物群落在属水平的结构如图3所示。连续曝气条件下，缺氧池活性污泥微生物群落中前5位的属依次为Litorilinea、Parcubacteria genera incertae sedis、Arcobacter、Thauera和Longilinea；好氧池中前5位的属则依次为Litorilinea、Parcubacteria genera incertae sedis、Thauera、Phaeodactylibacter和Kofleria。间歇曝气条件下，缺氧池活性污泥微生物群落中前5位的属依次为Saccharibacteria genera incertae sedis、Thauera、Ignavibacterium、Hyphomicrobium和Parcubacteria genera incertae sedis；好氧池中前5位的属则依次为Saccharibacteria genera incertae sedis、Parcubacteria genera incertae sedis、Thauera、Ignavibacterium和Nitrospira。

图3 微生物群落的属水平相对丰度

由以上结果可知，从连续曝气改为间歇曝气后，Saccharibacteria genera incertae sedis的相对丰度明显增加，其属于Saccharibacteria门。有研究表明，Saccharibacteria门的系统进化较为多样化，其能够在好氧条件、反硝化条件（缺氧条件）和厌氧条件下对各种有机化合物和糖类化合物进行降解。由此可见，间歇曝气方式更有利于其在生化段进行富集。此外，从连续曝气改为间歇曝气后，好氧池内氨氧化细菌Nitrosomonas和亚硝酸盐氧化细菌Nitrospira的相对丰度分别增长了0.18%和0.36%，表明间歇曝气更有利于硝化细菌在活性污泥中的富集。张哲等的研究也表明，在移动床生物膜反应器中，间歇曝气条件下可获得更高的Nitrosomonas相对丰度和更好的亚硝化效果。因此，在间歇曝气条件下，该污水厂的脱氮效能依然能够保持稳定。

2.3 不同曝气策略下的微生物群落差异

采用4个样品微生物群落的Bray-Curtis距离进行非度量多维尺度分析，其结果如图4所示。由图4可知，间歇曝气策略下IA与IO之间的相似性比连续曝气策略下CA与CO之间的相似性更高。这是由于好氧池采用间歇曝气策略，其环境条件与缺氧池更相似，因此缺氧池和好氧池的微生物群落更为相似。此外，从连续曝气调整为间歇曝气后，生化段活性污泥微生物群落结构发生了明显变化。

图4 不同曝气策略下样品微生物群落的非度量多维尺度分析

不同曝气策略下，缺氧池和好氧池微生物群落在属水平上的差异分别如图5和图6所示，图中仅显示P值最小的25个属。如前文所述，在缺氧池中，间歇曝气条件下Saccharibacteria genera incertae sedis的相对丰度比连续曝气高7?55%。相比于连续曝气，在间歇曝气条件下，氨氧化细菌Nitrosomonas、亚硝酸盐氧化细菌Nitrospira、反硝化细菌Hyphomicrobium、Dechloromonas、Thauera和Acidovorax分别增加了0.20%、1.01%、1.39%、0.40%、0.43%和0.10%（P<0.01）。这表明，间歇曝气能够显著提升硝化细菌和反硝化细菌在缺氧池中的相对丰度。

图5 不同曝气策略下缺氧池微生物群落在属水平的差异

图6 不同曝气策略下好氧池微生物群落在属水平的差异

在好氧池中，间歇曝气条件下Saccharibacteria genera incertae sedis的相对丰度比连续曝气高8.25%。相比于连续曝气，在间歇曝气条件下，氨氧化细菌Nitrosomonas、亚硝酸盐氧化细菌Nitrospira、反硝化细菌Hyphomicrobium、Dechloromonas、Thauera和Acidovorax分别增加了0.18%、0.36%、1.26%、0.63%、0.60%和0.25%（P<0.001）。由此可见，间歇曝气能够显著提升硝化和反硝化细菌在好氧池中的相对丰度。因此，间歇曝气策略能够增强脱氮微生物在生化段的富集，从而提升污水处理工艺的脱氮能力。

2.4 间歇曝气运行条件下能耗及污染物去除分析

连续曝气和间歇曝气条件下的月平均单位水量电耗如图7所示。由图7可知，连续曝气稳定运行的6月和7月单位水量电耗分别为(0.36±0.12) kW·h/m3和(0.38±0.10) kW·h/m3；间歇曝气稳定运行的10月和11月单位水量电耗分别为(0.30±0.08) kW·h/m3和(0.31±0.10) kW·h/m3。后者的单位水量电耗比前者降低了约18.3%，表明间歇曝气能够达到降低污水处理厂运行能耗的目的。

图7 不同曝气策略下的单位水量电耗

在间歇曝气模式能够降低污水处理厂运行能耗及保证出水稳定达标的前提下，进一步分析其在“曝气3h-停曝气3h”运行模式下污染物在生化池内的沿程去除情况（见表2）。由表2可知，在间歇曝气条件下，厌氧池DO保持在0~0.1 mg/L，同时缺氧池DO能够稳定维持在0.3 mg/L以下，更有利于反硝化反应的进行。好氧池在曝气的初始1h内，前端与末端的DO均在2 mg/L以下，同时好氧池内氨氮浓度并未呈现降低趋势，表明此时好氧池内的需氧量较高。在曝气第3h时，好氧池前端和末端的DO值分别达到2.4 mg/L和4.8 mg/L，相应地，好氧池前端和末端的COD浓度均在30 mg/L左右，氨氮浓度在1.31~1.55 mg/L范围内，表明此时好氧池的COD和氨氮去除达到稳定状态。在停止曝气的初始1h，厌氧、缺氧、好氧池的DO均降至0.3 mg/L以下。相比于曝气第3h时，停止曝气1h后的好氧池末端COD、TN和NO-3-N浓度分别下降了4 mg/L、4.4 mg/L和5.1 mg/L，表明在停止曝气后好氧池存在反硝化反应，能够进一步增强脱氮效果。以上结果表明，在间歇曝气运行调试时，当好氧池前端和末端的COD和氨氮浓度差异不明显、且出水TN能够达标时的时间点，可作为停止曝气的参考时间点。但根据不同季节、污水进水浓度等运行条件的变化，应及时做出曝气和停曝的时间优化调整。

表2 间歇曝气条件下的沿程污染物浓度

（1）在连续曝气和间歇曝气方式下，污染物均能得到有效去除，出水稳定达标一级A标准。

（2）从连续曝气调整为间歇曝气后，不会明显改变活性污泥微生物群落的α-多样性，缺氧池和好氧池内的微生物群落结构也更加相似。同时，生化段硝化和反硝化微生物的相对丰度显著提升。

（3）从连续曝气调整为间歇曝气后，污水处理厂处理每吨水所用电耗降低18.3%。在间歇曝气条件下，停止曝气后，好氧池能够发生反硝化反应，进一步提升对TN的去除。

微信对原文有修改。原文标题：改良AAO工艺间歇曝气对微生物群落特征及运行效果影响；作者：郑琬琳、史彦伟、高放、冒建华、薛晓飞、李鑫玮、李凌云；作者单位：北控水务（中国）投资有限公司、城镇污水深度处理与资源化利用技术国家工程实验室、北京市再生水水质安全保障工程技术研究中心。刊登在《给水排水》2021