改良AAOAO工艺生物池微生物固定化填料脱氮特性研究

摘 要：在改良AAOAO工艺污水处理厂生物池各区域通过挂膜法固定微生物，结合生物池沿程水质分布，对挂膜后填料脱氮性能及微生物群落结构进行研究.结果表明，厌氧区对于NH+4-N去除的贡献率达到整个系统的18.66%.好氧区积累的NO-2-N质量浓度最高达到0.15 mg/L，通过内回流进入厌氧区，为厌氧氨氧化现象产生提供了必要条件.好氧区第二廊道挂膜填料的比硝化速率和比反硝化速率均为沿程最高，分别达到0.71、0.51 mg/（g·d）.在此区域精准投加填料，将会对改良AAOAO生物池脱氮性能有极大提升.能够降解污水中多种复杂有机物的细菌属Bacteroidetes_vadinHA17在填料样本中大量聚集（19.40%），为反硝化过程提供了更多可利用的碳源.为强化现有改良AAOAO工艺的处理效果提供理论支持和技术参考.

关键词：污水处理厂;填料;脱氮性能;微生物群落

中图分类号：X703""""" 文献标志码：A文章编号：1000-2367（2025）02-0139-09

人类生产生活过程中产生的工业废水和生活污水通过污水处理厂可以有效地去除其中的大部分污染物，但污水处理厂尾水中残留的氮元素仍然会破坏自然的氮循环，导致了诸如水体富营养化等问题^［1］.

目前，许多污水处理厂在原有氧化沟、A2/O工艺的基础上进行创新，通过调整操作周期中的好氧、缺氧时间及回流方式^［2-3］，或采用微生物固定化技术，对脱氮过程进行优化.AAOAO工艺因其高效的脱氮除磷能力而被广泛应用于污水处理厂，通过多段缺氧区和好氧区的设置，可以更有效地进行反硝化和硝化反应，从而提高脱氮效率^［4］.李宏斌等^［5］采取严格控制好氧段溶解氧和内回流比等措施，实现了在AAOAO工艺生物池完成脱氮除磷并节省碳源投加量的效果.PEARSON等^［6］所在的AAOAO工艺污水处理厂投入使用5年来，不但能满足出水水质要求，还能在不添加碳源的情况下实现出水总氮（total nitrogen，TN）低于5.0 mg/L.

基于微生物固定化技术对传统活性污泥工艺的升级改造中，填料的投加对于维持微生物的生长繁殖至关重要，特别是对于一些低生长速率微生物^［7］.WANG等^［8］在A2/O好氧池中投加无机流化填料，在填充率为30%时，出水TN平均保持在（9.46±1.14） mg/L，而没有投加填料的出水TN平均值为（15.17±2.00） mg/L.有研究在AAO工艺中沿程投加醛化纤维填料富集微生物，结果发现厌氧区和缺氧区系统生物多样性增加^［9］.然而，传统无机载体使用寿命有限，不易降解，可能对环境造成二次污染.因此，以海藻酸钠（sodium alginate，SA）、聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）为骨架结构的新型凝胶填料被广泛使用，该填料作为一种生物基材料，在特定条件下具有可降解的特性，且其填料结构中有较大的孔隙，适宜微生物生长附着^［10］.

收稿日期：2024-03-18;修回日期：2024-04-28.

基金项目：国家自然科学基金（42107427）;河南省教育厅科学技术研究重点项目（2221023226）.

作者简介：杨森（1984-），男，辽宁锦州人，北京恩菲环保股份有限公司高级工程师，研究方向为环境工程，E-mail：yansenys@163.com.

通信作者：彭赵旭（1983-），男，黑龙江哈尔滨人，郑州大学副教授，研究方向为污水脱氮除磷技术，E-mail：pzx@zzu.edu.cn.

引用本文：杨森，牛咏晴，刘冰岩，等.改良AAOAO工艺生物池微生物固定化填料脱氮特性研究［J］.河南师范大学学报（自然科学版），2025，53（2）：139-147.（Yang Sen，Niu Yongqing，Liu Bingyan，et al.Study on the nitrogen removal performance of microbial immobilized carrier in the improved AAOAO process biological tank［J］.Journal of Henan Normal University（Natural Science Edition），2025，53（2）：139-147.DOI：10.16366/j.cnki.1000-2367.2024.03.18.0002.）

余泽海等^［11］以PVA、SA、水性聚氨酯作为基础材料包埋微生物，该填料处理模拟污水的NH+4-N去除率能达到94%，且在重复使用20 d后，NH+4-N去除率仍维持在90%左右.JIN等^［12］采用碳酸氢钠改性PVA / SA凝胶填料，固定化好氧反硝化菌，经过5次重复利用后，NO-3-N和TN去除率分别保持在99%和93%.现有微生物固定化技术具有良好的脱氮效果，但在实际应用中往往采用大范围粗放式投加，漂浮的填料容易对原有处理工艺造成干扰，且难以定期清理和更新.因此需要在污水处理厂生物池精准投放填料，从而发挥更好的处理效果.

为了确定改良AAOAO工艺中填料投加的最佳区域，必须深入研究各区域填料挂膜后的脱氮特性.本研究通过挂膜法固定化改良AAOAO工艺污水处理厂生物池各区域微生物.研究挂膜后填料脱氮活性，对比活性污泥与填料微生物群落结构.旨在为现有改良AAOAO工艺的处理效果提标升级提供理论支持和技术参考.

1 材料与方法

1.1 活性炭复合填料的制备及性能参数

活性炭复合填料制备步骤如图1所示，用100 mL去离子水浸泡一定质量分数的聚乙烯醇（PVA）、海藻酸钠（SA）和粉末活性炭（powder activated carbon，PAC），置于水浴锅中95 ℃加热2 h，使其形成均匀的凝胶质地，冷却后备用.（PVA质量分数：12%；SA质量分数：0.5%；PAC质量分数：4%）.制备5%无水氯化钙饱和硼酸溶液作为交联剂，称取6 g硼酸（25 ℃下溶解度5.74 g）于100 mL去离子水中，加热至全部溶解，再加入5 g的无水氯化钙.使用注射器将凝胶溶液注入3 mm球形模具，放入冰箱-20 ℃冷冻12 h，在冰箱内脱模，将凝胶小球加入到交联剂中，在室温搅拌10 min，置于冰箱4 ℃冷藏固化24 h.用去离子水洗涤2～3次，于4℃条件下保存备用.

使用该方法制得的填料粒径大小均匀，平均直径约为5.36 mm，质量10.32 mg/（100颗）.根据已知的研究方法^［13-14］，测定填料物理参数和传质性能.本研究制备的活性炭复合填料机械稳定性高，在转速1 200 r/min下振荡48 h后填料完整率为100%.填料纵向变形为50%时抗压强度达到2.74 MPa.根据填料在去离子水中浸泡24 h前后固液混合体积的变化，得出填料膨胀度为27.98%.采用亚甲基蓝溶液作为模拟污染物时，填料短时间内传质效率能达到较高水平.

1.2 生物池填料挂膜及污水取样点位

本研究于W县某污水处理厂进行，其设计规模为30 000 m3/d，主要污水来源为W县产业聚集区工业污水及生活污水.处理工艺采用“预处理+曝气沉砂池+改良AAOAO工艺+高密沉淀池+精密过滤器+接触消毒池”.出水水质标准按照《河南省黄河流域水污染排放标准》（DB 41/2087-2021）的一级标准达标排放.

在改良AAOAO工艺生物池预缺氧区、厌氧区、缺氧区、好氧区、后缺氧区及后曝气区沿程投放活性炭复合填料.通过绳索将填料框固定在池体的边缘，并在绳索下端悬挂铁块保持其位置.在填料布置完毕后，每隔一周取出观察生物膜的生长情况.经过3月的培养期，填料表面形成了均匀且密集的生物膜.随后开始取样检测填料脱氮活性，并通过3次重复试验来降低偶然误差的可能性.与此同时检测生物池沿程水质、pH、溶解氧（dissolved oxygen，DO），最后检测填料微生物群落结构.预缺氧区（YQ）、厌氧区（YY）、缺氧区1（Q1）、缺氧区2（Q2）、缺氧区3（Q3）、好氧区始端（H0）、好氧区第一廊道（H1）、好氧区第二廊道（H2）、好氧区第三廊道（H3）、后缺氧区（HQ）及后曝气区（HB）填料的取样点位如图2所示.

1.3 分析方法

水样用0.45 μm膜过滤后进行检测.NH+4-N的测定采用纳氏试剂分光光度法；NO-2-N的测定采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法；NO-3-N的测定采用麝香草酚法；化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）的测定采用重铬酸钾法^［15］.pH和DO采用WTW Multi 340i仪测量.DNA提取、聚合酶链反应扩增和高通量测序均委托北京奥维森基因科技有限公司进行.微生物样品取自污水处理厂生物池H2区域活性污泥，以及H2区域挂膜3月后的填料.

1.4 填料脱氮性能表征参数

取40 g填料样品，用去离子水轻轻洗去表面杂质，然后分别置于两个250 mL的锥形瓶A、B中.锥形瓶A中加入150 mL的NH4Cl和NaHCO3混合溶液，使得NH+4-N和NaHCO3的质量浓度分别为20 mg/L和375 mg/L.试验过程中向锥形瓶A中曝气，使DO始终保持在6 mg/L以上.在锥形瓶B中加入CH3COONa和KNO3混合溶液150 mL后，使COD和NO-3-N的质量浓度分别为200 mg/L和20 mg/L.向锥形瓶B中通入N2，形成缺氧环境，5 min后用塞子密封.将各锥形瓶置于摇床充分振荡，分别在0、4、8、24和48 h时测定锥形瓶A中NH+4-N和锥形瓶B中NO-3-N的质量浓度.最后，将溶液过滤后置于干燥箱烘干6 h，测定混合物的生物量.采用米氏方程计算比硝化速率和比反硝化速率^［16］.

2 结果与讨论

2.1 污水处理厂生物池沿程水质参数分析

DO浓度的控制对污染物去除起决定性作用，一般AAO工艺要求缺氧段和厌氧段DO质量浓度分别控制在0.5和0.2 mg/L以下^［17］.如图3所示，该污水处理厂生物池预缺氧区、各缺氧区及后缺氧区DO质量浓度均控制在0.5 mg/L以下，厌氧区DO质量浓度为0.06 mg/L，符合工艺要求.好氧区DO质量浓度维持在2 mg/L以下，既可使硝化反应充分进行，又有效节省了曝气量.各工艺段DO控制均满足处理要求且控制在较低水平，这不仅有利于污染物去除，对控制污水处理厂碳排放也至关重要.生物池沿程混合液悬浮固体（mixed liquor suspended solids，MLSS）质量浓度整体呈浮动趋势，平均值为5 032 mg/L，上下浮动不超过10%.其中，好氧区第一廊道MLSS最高，达到5 441 mg/L.MLSS也为填料挂膜效果的影响因素之一，这为后续填料投加区域的选择提供了参考条件.

结合图3与图4可知，生物池YQ区域TN质量浓度为18.00 mg/L，其中主要以NH+4-N形式存在（17.28 mg/L）.NO-3-N质量浓度为0.63 mg/L，这主要是外回流带来的NO-3-N进入YQ区域所致.在YY区域，NH+4-N质量浓度出现了下降现象，从YQ区域的17.28 mg/L减少到YY区域的14.39 mg/L，厌氧区对于NH+4-N去除的贡献率达到整个系统的18.66%.其原因可能是厌氧区的低DO环境使得厌氧氨氧化现象产生.有学者在氧化沟工艺污水处理厂生物池厌氧区也发现了NH+4-N去除的现象，其NH+4-N去除率为14.47%^［18］.同时，YY区域COD较YQ区域变化显著，从124.50 mg/L下降至49.40 mg/L，这主要是由于大部分有机物在厌氧段被聚磷菌转化为聚-β-羟丁酸储存在细胞中^［19］.Q1区域比YY区域TN质量浓度明显下降，从15.02 mg/L下降至8.21 mg/L，这主要是由于内回流的稀释以及反硝化作用.同时，内回流使该Q1区域的NO-3-N质量浓度上升至0.97 mg/L.H0～H3区域为好氧区，NH+4-N质量浓度在硝化作用下由H0区域的5.58 mg/L下降到H3的2.42 mg/L，COD沿程也逐渐下降.在H0～H3区域，NO-2-N逐渐积累，H2区域NO-2-N质量浓度最高，达到0.15 mg/L.由于好氧区内存在部分曝气不充分区域，形成好氧/缺氧交替环境，且氨氧化菌（ammonia oxidizing bacteria，AOB）相比亚硝酸盐氧化菌（nitrite oxidizing bacteria，NOB）对氧的亲和力更强，因此在好氧/缺氧交替条件下，AOB可以优先利用溶解氧，从而限制NOB的生长和活动，使得NO-2-N积累^［20］.在后缺氧区，大部分NO-3-N在此区域被去除，NO-3-N质量浓度从H3区域的2.93 mg/L下降到0.61 mg/L.在HB区域，TN质量浓度较HQ区域无明显下降，说明在改良AAOAO工艺流程中，后缺氧区对脱氮的作用效果较弱.

2.2 挂膜固定化微生物填料脱氮性能

本研究取污水处理厂生物池各区域挂膜填料，按照1.4节中所述方法进行试验并计算各区域填料比硝化速率，试验结果如图5（a）所示.预缺氧区、厌氧区、缺氧区以及后缺氧区填料的比硝化速率大多低于0.37 mg/（g·d），这是由于污水中DO质量浓度较低，使得这些区域填料上硝化细菌没有良好的生存环境.但Q2区域填料比硝化速率却达到了0.52 mg/（g·d），其原因与2.1节分析中Q2区域MLSS以及DO质量浓度略高于Q1、Q3区域有关.MLSS质量浓度越高微生物在填料上的附着效果越好.好氧区H0区域填料比硝化速率为0.23 mg/（g·d），为沿程最低值.这是由于该区域处于缺氧区与好氧区的交界处，DO水平较低，且该区域水力剪切力较大，不利于微生物在填料上的附着.H2区域即好氧区第二廊道挂膜填料比硝化速率为沿程最高，达到0.71 mg/（g·d）.此处位于好氧区中段，水质环境最适宜硝化细菌生长繁殖.H3区域填料比硝化速率为0.69 mg/（g·d），较H2区域有所下降，这是由此区域DO质量浓度降低和水力剪切力增大所致.在HQ区域，缺氧环境使得填料生物膜比硝化速率下降至0.34 mg/（g·d），随后在后曝气区，挂膜填料比硝化速率又上升至0.69 mg/（g·d）.

生物池沿程各区域填料挂膜固定化微生物后的比反硝化速率如图5（b）所示.YQ区域挂膜填料反比硝化速率为0.46 mg/（g·d），相对沿程其他区域较高，结合2.1节COD沿程分布分析原因，预缺氧区是生物池进水区，污水中碳源充足，为反硝化细菌提供了良好的生存条件.在缺氧区，填料的比反硝化速率由Q1区域的0.25 mg/（g·d）上升到Q3区域的0.33 mg/（g·d）.谭阳等^［21］发现在缺氧条件下利用挂膜填料处理低NO-3-N负荷的污水时，可以表现出更好的反硝化能力.这与图4（c）所述NO-3-N质量浓度从Q1到Q3逐渐降低这一结果恰好吻合.好氧区填料比反硝化速率从H0区域的0.36 mg/（g·d）逐渐提升至H2区域的0.51 mg/（g·d）.产生这一现象是由于活性炭复合填料的特殊结构，其内部存在厌/缺氧区，使得填料在好氧条件下产生同步硝化反硝化（simultaneous nitrification and denitrification，SND）现象，反硝化细菌在填料内部聚集^［22］，生物池沿程挂膜填料比反硝化速率在H2区域达到最高.邓旭等^［23］研究表明，水力剪切力过大会严重影响微生物在载体上的生长附着.H3区域位于内回流处，水力扰动产生较大的剪切力，使得微生物固定化效果差，故填料比反硝化速率下降.HQ区域挂膜填料反比硝化速率降低至0.26 mg/（g·d），是因为该区域内可利用的碳源不足导致.在HB区域，挂膜填料比反硝化速率又上升至0.37 mg/（g·d），其原因同上所述，也是由于SND反应发生.

2.3 活性污泥与挂膜填料微生物群落结构

通过对挂膜填料的脱氮活性研究可以得出，H2区域挂膜填料各项脱氮指标在沿程挂膜填料中均为最优，故对H2区域活性污泥及挂膜填料进行高通量检测.结果表明，初始挂膜填料的微生物多样性指数为5.81，低于H2区域污泥的微生物多样性指数7.90，活性污泥中微生物种类更丰富.在门水平上，H2区域活性污泥样本中的主要微生物门分别为Proteobacteria（33.91%）、Bacteroidota（19.54%）、Chloroflexi（10.47%）、Patescibacteria（8.92%），如图6（a）所示.Proteobacteria门是革兰氏阴性菌的一个主要门.其中含有的多种细菌，可以在降解氮的同时去除有机碳.Bacteroidota门中普遍含有反硝化细菌对蛋白质和糖类的降解起着重要的作用，缺氧环境中能够参与自养反硝化^［24］.Chloroflexi门中包含了多种反硝化细菌，因此该污水处理厂活性污泥的反硝化效果好.Patescibacteria门是2018年来提议组建的超级类群，常与反硝化菌共存，能够提高碳源利用效率，强化污泥的脱氮能力，对脱氮过程起着重要的作用^［25］.对比其他关于污水处理厂主要门水平微生物研究结果，Patescibacteria门并未作为主要微生物门出现^［26］.而在本研究中污水处理厂作为主要微生物门，可以推断该污水处理厂在污水处理过程中碳源利用效率较高.如图6（b）所示，在初始挂膜填料样本中，主要微生物门Proteobacteria、Bacteroidota、Chloroflexi的相对丰度分别为27.47%、25.43%、10.40%，如上所述，这些微生物门中存在大量的脱氮相关细菌，使得填料具有良好的脱氮性能.此外，填料样本中Firmicutes门相对丰度为10.66%，高于污泥样本（5.43%）.Firmicutes属于革兰氏阳性细菌，在缺氧条件下能够以NO-3-N为电子受体进行脱氮反应.该微生物门在填料样本中富集，说明活性炭复合填料内部的缺氧环境能够为好氧区污泥中的Firmicutes门微生物提供适宜生存的环境，使填料具有良好的NO-3-N去除能力.

如图7所示，H2区域污泥样本在属水平上的硝化菌主要为氨氧化菌Nitrosomonas和亚硝酸氧化菌Nitrospira.这一结果与PENG等^［27］对污水处理厂生物池各区域污泥微生物菌属分析结果一致.其中Nitrospira的相对丰度为5.64%，远高于Nitrosomonas（1.99%），可见活性污泥的硝化效果主要由Nitrospira作为全程硝化细菌所提供^［28］.H2区域污泥样本中的反硝化菌主要为自养反硝化菌Dechloromonas（1.28%）、Accumulibacter（0.36%）和异养反硝化菌Rhodobacter（0.33%）、Thauera（0.09%）反硝化菌属总体相对丰度较低，这是由于H2区域位于生物池好氧区中段，该区域污泥反硝化效果相对较弱.同时，H2区域初始挂膜填料样本中检测出的各个硝化菌属和反硝化菌属的相对丰度均在0.07%以下，低于活性污泥样本.说明活性炭复合填料在污水处理厂生物池中短期内挂膜效果未达到理想水平，微生物群落在填料上未能大量富集，这主要是由于生物池中污水不断流动，对填料水力冲击较大，使得微生物不易在填料上附着.此外，在填料样本中发现Bacteroidetes_vadinHA17大量聚集，其相对丰度达到19.40%.该细菌通过降解污水中的多种复杂有机物，为反硝化过程提供充足的碳源^［29］.

3 结 论

本研究在改良AAOAO工艺污水处理厂生物池各区域通过挂膜法固定化微生物，结合生物池沿程水质分布，对挂膜后填料脱氮活性进行分析，并对比污泥与填料的微生物群落结构.结果表明，厌氧区对于NH+4-N去除的贡献率达到整个系统的18.66%，而好氧区积累的NO-2-N质量浓度最高达到0.15 mg/L，通过内回流进入厌氧区也为厌氧氨氧化现象产生提供了必要条件.好氧区第二廊道挂膜填料的比硝化速率和比反硝化速率均为沿程最高，分别达到0.71和0.51 mg/（g·d），在此区域精准投加填料对改良AAOAO生物池脱氮性能的提升效果最佳.好氧区第二廊道活性污泥及挂膜填料微生物群落结构显示，填料样本中Firmicutes门相对丰度为10.66%，高于污泥样本（5.43%），使填料具有良好的NO-3-N去除能力.能够降解污水中多种复杂有机物的细菌属Bacteroidetes_vadinHA17在填料样本中大量聚集（19.40%），为反硝化过程提供更多可利用的碳源.本研究为强化现有改良AAOAO工艺的处理效果提供理论支持和技术参考.

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Study on the nitrogen removal performance of microbial immobilized carrier in the improved AAOAO process biological tank

Yang Sen1， Niu Yongqing2， Liu Bingyan1， Zhang Xuelong1， Wang Jinhui3， Gu Jiyu2， Peng Zhaoxu2

（1. Beijing Enfield Environmental Protection Co.， Ltd.， Beijing 100038， China; 2. School of Water Conservancy and Transportation，

Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China; 3. Wen County Zhongtou Water Service Co.， Ltd.， Jiaozuo 454850， China）

Abstract： Microorganisms were immobilized in various areas of the biological tank of the improved AAOAO process wastewater treatment plant through the film-laying method. Combined with the water quality distribution along the biological tank， the nitrogen removal performance and microbial community structure of carriers after film-laying were studied. The results showed that the contribution of the anaerobic zone to NH+4-N removal reached 18.66% of the entire system. The highest concentration of NO-2-N accumulated in the aerobic zone reached 0.15 mg/L and entered the anaerobic zone through internal reflux， which provided a necessary condition for the occurrence of anaerobic ammoxidation. The specific nitrification rate and specific denitrification rate of the carriers in the second corridor of the aerobic zone were the highest， reaching 0.71 and 0.51 mg/（g·d）， respectively. The precise addition of carriers in this area will greatly improve the nitrogen removal performance of the improved AAOAO biological tank. Bacteria that can degrade a variety of complex organic compounds in sewage belong to Bacteroidetes_vadinHA17. It accumulated in a large number of carrier samples（19.40%）， providing more available carbon sources for denitrification. This study provides theoretical support and technical reference for enhancing the treatment effect of the existing improved AAOAO process.

Keywords： wastewater treatment plant; carrier; nitrogen removal performance; microbial community

［责任编校 赵晓华 刘洋］