我國農村污水具有水量大、排放分散等特點，且污水收集處理設施不完善，導致我國農村污水處理率不足35%，其余大量污水被直接排入周邊環境，造成地方生態環境污染嚴重，危及農村居民生產和生活用水安全。傳統的農村污水處理方法包括化糞池、人工濕地和穩定塘等，但是這些技術存在占地面積大、處理效率低等問題，限制了其應用。為了提高農村污水的處理效率，引進了AAO、AON、SBR等先進的生物處理技術。其中，AON工藝具有流程簡單、基建費用低、除氮效率高等優勢，但AON通常需要較高的溶解氧濃度（DO為2~5mg/L）來維持好氧區的生化降解反應，導致工藝運行能耗較高，因此不適用于經濟相對落后的農村地區。
腐殖土生物功能材料是一種利用天然腐殖土壤制成的生物材料，通常被添加到活性污泥工藝回流階段的活化槽中，在低DO（0.3~0.5mg/L）條件下進行培養和活化，改變污泥性質和微生物群落，達到提高系統脫氮除磷性能并降低污泥產率的目的。因此，如果直接在反應器內接種和培養腐殖土中特殊兼性土壤菌種以替代傳統活性污泥處理農村污水，可能會降低系統的DO濃度，減少曝氣能耗和成本。但是，當前關于腐殖土自身攜帶功能細菌的脫氮效能及機制鮮有報道。
基于此，結合中試案例開發了腐殖土生化系統（HSBS），其采用腐殖土生物功能材料作為接種物，通過調控反應器內DO濃度來培養、馴化、富集腐殖土中具有特定代謝功能的活性微生物，從而實現對污染物的高效降解。筆者以模擬農村污水為處理對象，考察HSBS對污水中污染物的去除效能，并與傳統AON工藝進行比較；在HSBS穩定運行以后，解析HSBS的污泥特性；最后，探究HSBS和AON體系微生物群落的差異性，揭示HSBS工藝的高效脫氮機制。
1、材料與方法
1.1 實驗裝置
實驗裝置設計為一體式的HSBS和傳統AON反應器，均以有機玻璃制成，具體如圖1所示。
HSBS和AON反應器的外形和大小基本相同，生化池總有效容積均為12.3L，但是生化池的結構存在差異。HSBS缺氧區和曝氣區的有效體積比為1∶1，而傳統AON反應器缺氧區和曝氣區的有效體積比為1∶2.76。此外，HSBS的缺氧區內置了一個長×寬×高=4cm×4cm×15cm的活化槽，用于腐殖土壤菌群的活化富集。二沉池采用豎流式沉淀池，底部泥斗呈方錐形，設計池容為3.8L。缺氧區和曝氣區均設置攪拌器，以確保系統污泥處于均勻懸浮狀態；曝氣區布設微孔曝氣盤，采用氣泵為生化反應提供氧氣。
1.2 實驗材料
HSBS工藝所用腐殖土生物功能材料呈灰褐色，圓柱狀，平均直徑為30mm，長為55mm，質量平均為45g/個左右，屬于富含土壤微生物和腐殖質的載體。所用輕石呈淡黃色，不規則塊狀，含有多種微生物生長不可缺少的微量元素，其疏松多孔性結構可為微生物的增殖提供棲息空間。對腐殖土生物功能材料和輕石進行破碎處理，其中部分破碎樣品過50目篩后備用。接種于傳統AON反應器的活性污泥為上海市某污水廠二沉池回流污泥，該污水廠運行情況良好。取回活性污泥后，過40目篩去除大顆粒雜質，加入少許營養物質悶曝3d后，再接種于AON反應器中進行培養和馴化，作為對照組。
1.3 實驗方法
HSBS在運行之前不用接種活性污泥，而是以1∶1的質量比投加腐殖土生物功能材料和輕石作為接種物，具體步驟如下：在生化池投加72g腐殖土生物功能材料和72g輕石碎塊，同時向活化槽內投加12g腐殖土生物功能材料和12g輕石碎塊，注入約6L的脫氯自來水后，以3L/min通氣量曝氣預處理3d以活化土壤微生物。3d后，通過蠕動泵向兩個反應器中同時進水，以調試反應器和馴化活性微生物。此外，為提升腐殖土功能材料中土壤微生物的接種率，分別在進水后第7、15天投加30g腐殖土功能材料和30g輕石粉末，促進土壤微生物生長富集的同時抑制其他微生物生長。傳統AON反應器直接接種1.2節中已處理的活性污泥，污泥濃度控制在3200mg/L左右。兩組反應器采用同一水箱進水，平行運行。
兩組反應器的設計處理量為20L/d，水力停留時間為14.7h，控制內回流比為300%、外回流比為75%，HSBS反應器的外回流污泥最終匯于內置活化槽中。值得注意的是，在系統正式運行前，需對反應器進行調試。在調試期，反應器進水量分為7.5和15L/d兩個階段，每個階段運行7~10d。調試結束后，反應器開始滿負荷運行，每天監測并調控曝氣池DO濃度。其中，傳統AON反應器曝氣池DO濃度控制為3.0~5.5mg/L；HSBS曝氣池DO濃度在調試期控制為1~2mg/L，滿負荷運行后控制為0.3~0.7mg/L。兩組反應器缺氧池的DO濃度均小于0.2mg/L。反應器滿負荷運行期間，每2d檢測一次出水水質指標，包括COD、NH4+-N、TN、pH；滿負荷運行40d后，分析兩組系統污泥的微生物群落情況。
1.4 分析項目和方法
COD采用M型COD檢測盒快速消解分光光度法測定，NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測定，TN采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定，DO采用便攜式溶解氧儀測定，pH采用pH計測定，污泥絮體粒徑采用激光粒度儀測定。污泥樣品經冷凍干燥后，利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察泥樣形貌特征；將干泥與KBr以2∶100的質量比混合研磨壓片后，利用傅里葉紅外光譜（FTIR）儀分析泥樣表面官能團。依托上海美吉生物醫藥科技有限公司對穩定運行階段的生化污泥開展基于IlluminaMiSeq的細菌16SrRNA高通量測序分析，PCR擴增引物包括上游引物338F（ACTCCTACGGGAGGCAGCAG）和下游引物806R（GGACTACHVGGGTWTCTAAT）。
2、結果與分析
2.1 對污染物的去除效果
傳統AON工藝對模擬農村污水中污染物的去除效果見圖2。從圖2（a）可知，傳統AON工藝對COD的去除率基本穩定在95%以上，出水COD濃度低于20mg/L，這可能是因為采用了生化性較好的葡萄糖作為碳源，提高了污水的可生化性。但是在運行初期對NH4+-N和TN的去除效果較差，并未達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）一級A排放標準，見圖2（b）、（c）。
同時從圖2還可以發現，隨著AON反應器的持續運行，活性污泥中硝化/反硝化細菌生長增殖，系統脫氮效果逐漸提高。38d后，AON工藝對模擬農村污水中NH4+-N和TN的去除率分別為（93.7±0.06）%和（71.8±0.24）%，相應出水濃度分別為（2.5±0.03）和（11.4±1.24）mg/L。
在DO為0.3~0.7mg/L的條件下，HSBS反應器的運行效果如圖3所示。HSBS反應器由于在運行初期缺少充足的活性微生物，因此對污水中COD、NH4+-N和TN的去除效果較差。0~10d，HSBS對COD、NH4+-N和TN的平均去除率僅分別為（91.0±4.00）%、（29.4±5.54）%和（27.3±1.63）%，相應的出水濃度分別為（29.2±11.57）、（28.9±1.24）和（30.0±2.91）mg/L。隨著反應器的持續運行，腐殖土中兼性功能微生物得以馴化和富集，HSBS對污染物的去除效果快速提高。38d后，HSBS對污水中COD、NH4+-N和TN的去除率分別達到（97.1±0.03）%、（91.2±0.19）%和（84.4±3.33）%，相應出水濃度分別為（11.0±0.14）、（3.5±0.07）和（6.3±0.28）mg/L。相比傳統AON工藝，HSBS在穩定運行階段的去除效果明顯提升，尤其是對TN的去除率提升了12.6%。
總之，在低DO條件下，HSBS工藝對農村污水的凈化效能優于傳統AON工藝，表現出良好的應用潛力。因此，HSBS有可能替代傳統AON處理農村污水，可降低工藝曝氣所需的能耗和成本。
2.2 活性污泥特征
2.2.1 污泥形態特征
HSBS和AON體系污泥的形態特征如圖4所示。圖4（a）為HSBS接種腐殖土生物功能材料和輕石經3d曝氣處理后的懸浮顆粒形態，可以發現接種材料表面粗糙、多孔，結構疏松，為不規則形狀顆粒，這些結構能夠為HSBS體系中微生物的生長和繁殖提供合適的棲息空間。兩組反應器正常運行38d后，HSBS和AON體系中污泥絮體的SEM結果分別如圖4（b）、（c）所示，相比AON體系污泥的片狀絮體結構，從HSBS污泥絮體中可以觀察到大量的球菌和絲狀菌，彼此纏繞交織，有利于提高污泥的反應活性，同時也增大了污泥絮體的粒徑。從圖4（d）可以看出，HSBS污泥絮體的平均粒徑為186µm，遠大于AON體系的污泥粒徑，這有利于改善污泥的沉降性能。上述結果表明，接種的腐殖土生物功能材料和輕石有利于系統形成微生物活性和沉降性能良好的污泥絮體，提升HSBS工藝的處理效能。
2.2.2 污泥表面官能團分析
HSBS和AON反應器穩定運行階段污泥的FTIR圖譜如圖5所示。可知，HSBS和AON體系污泥表面特征峰的趨勢基本一致，表明兩組反應器的污泥含有相似的官能團。
在波數為3420、1650（酰胺Ⅰ帶）和1538（酰胺Ⅱ帶）cm-1處均存在顯著的酰胺型特征峰，這主要與污泥中蛋白質類和氨基酸類物質有關。此外，3420cm-1處的吸收峰還可能是由于多糖和醇類物質的O—H鍵伸縮振動引起的。在波數為2927和2849cm-1處的特征峰可能產生于脂肪族化合物亞甲基的C—H鍵伸縮振動；1650cm-1處的吸收峰與芳烴環中C=C鍵和酰胺Ⅰ帶中C=O鍵的拉伸振動有關；位于1066cm-1附近的吸收峰歸因于多糖類物質中C—O鍵和C—O—C鍵的伸縮振動。相比而言，兩個體系污泥FTIR吸收峰的峰型相似，但是HSBS污泥的特征峰強度整體弱于AON的，暗示HSBS污泥中的有機質含量低于AON污泥，這有利于減少剩余污泥產量，降低污泥處理處置成本。
2.3 微生物群落結構
2.3.1 微生物多樣性分析
圖6展示了HSBS和AON體系微生物擴增子序列變體數（ASV）分布的Venn圖。可以看出，HSBS和AON體系中的ASV分別為904和858，共享ASV為96，表明HSBS和AON體系的ASV存在較大的差異性。其中，HSBS體系的ASV高于AON體系，表明腐殖土生物功能材料作為接種物可以增加處理系統的ASV，提高微生物的多樣性。
通過Alpha多樣性來進一步分析HSBS與AON體系微生物群落豐富度和多樣性的差異，結果見表1。兩種體系污泥樣品的覆蓋率均高于99%，表明所獲得的序列能夠覆蓋大部分微生物，測序結果可以代表樣本中微生物的真實情況。Shannon指數和Simpson指數均可以反映群落的多樣性，Shannon指數越大表明微生物群落多樣性越高，而Simpson指數越大表明微生物群落多樣性越低。由表1可知，HSBS體系污泥微生物的多樣性高于AON體系。此外，HSBS體系污泥的Ace指數和Chao指數均大于AON體系，表明HSBS體系污泥的微生物更加豐富，這與上述ASV的結果一致。因此，利用腐殖土生物功能材料作為接種物培養污泥系統可以提高微生物的多樣性和豐富度，提高污泥系統活性。
2.3.2 微生物群落組成分析
HSBS和AON體系污泥在微生物群落門水平上的分布結果如圖7（a）所示。可以看出，兩種體系的微生物群落結構存在明顯差異。其中，AON體系的優勢菌門主要為變形菌門（Proteobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）、放線菌門（Actinobacteriota）和浮霉菌門（Planctomycetota），相對豐度之和超過80%，是活性污泥系統中的常見菌門。據報道，變形菌門和綠彎菌門中含有多種反硝化細菌，可參與脫氮生化過程。HSBS體系中的高豐度菌門主要包括變形菌門、綠彎菌門、擬桿菌門（Bacteroidota）、放線菌門和髕骨菌門（Patescibacteria）。除了變形菌門和綠彎菌門以外，髕骨菌門和擬桿菌門中很多細菌在反應器中會起到反硝化作用，這表明HSBS體系中含有較高豐度的脫氮細菌，有利于提高HSBS工藝的脫氮效能。此外，綠彎菌門還會參與有機物的降解，其絲狀結構有助于污泥絮體的形成，這與SEM的結果相符合。放線菌門的生長可能與污泥的沉降性能有關，其在HSBS體系中相對豐度較低，有利于提升污泥的沉降性能。
HSBS和AON體系污泥在微生物群落屬水平上的組成見圖7（b）。可知，兩種體系的群落組成和豐富度存在較大差異。其中，在AON體系中存在的優勢菌屬主要包括unclassified_f__Rhodobacteraceae、Tolumonas、norank_f__Caldilineaceae、CL500-3、Candidatus_Alysiosphaera和norank_f__norank_o__Saccharimonadales，其相對豐度分別為9.9%、9.0%、8.8%、8.2%、7.8%、5.8%。Tolumonas屬于變形菌門，其對脫氮過程具有重要的作用；norank_f__Caldilineaceae屬于綠彎菌門，其被發現存在于多種反應器中，可以參與反硝化反應。此外，norank_f__Caldilineaceae和Candidatus_Alysiosphaera作為絲狀菌，可能會對污泥膨脹和沉降性產生影響。HSBS的優勢菌屬主要包括Kouleothrix、norank_f__Pleomorphomonadaceae、unclassified_f__Comamonadaceae、Propioniciclava和norank_f__Saprospiraceae，其相對豐度分別為10.9%、6.8%、6.5%、6.1%、5.3%。Kouleothrix屬于綠彎菌門，為污水處理系統中常見的絲狀菌，盡管該菌屬與污泥膨脹有關，但是對污水中蛋白質、糖類、細胞壁碎片等有機物的降解具有重要作用；unclassified_f__Comamonadaceae屬于變形菌門，可在好氧條件下將NH4+-N氧化為NO2‒-N；兼性厭氧菌Propioniciclava可以將糖類物質轉化為小分子乙酸和丙酸，為反硝化反應提供優質碳源；norank_f__Saprospiraceae屬于擬桿菌門，能通過胞外酶分解蛋白質實現對胞外聚合物的降解，這與FTIR的結果相一致。此外，HSBS體系中還含有Candidatus_Competibacter、Thiothrix等多種反硝化細菌。因此，HSBS工藝表現出優于傳統AON工藝的脫氮效果。
3、結論
①以腐殖土生物功能材料和輕石為接種物開發的HSBS工藝在低DO（0.3~0.7mg/L）條件下對污水中COD、NH4+-N和TN的去除率分別為97.1%、91.2%和84.4%，相應出水濃度分別為11.0、3.5和6.3mg/L，表現出良好的處理效果，特別是對TN的去除率較傳統AON工藝提升了12.6%。
②相比傳統AON污泥，HSBS污泥表面官能團種類無明顯改變，但其污泥絮體結構復雜，粒徑較AON污泥增加，有利于提升污泥活性和沉降性。
③HSBS中微生物的豐富度和多樣性均高于AON工藝，展現了HSBS微生物群落結構的特異性，其存在具有特殊功能的優勢菌屬，可提高微生物群落的豐富度和多樣性。HSBS中存在Proteobacteria、Patescibacteria、Chloroflexi和Bacteroidota等多種優勢菌門，在生化脫氮過程中發揮著重要作用，增強了系統對污水中污染物的去除效能。（來源：同濟大學環境科學與工程學院，云南省城鄉建設投資有限公司）
