季节性和工艺依赖性的微生物动态变化导致了全尺寸AAO（活性污泥法）及改良型UNITANK污水处理系统的性能波动

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Seasonal and Process-Dependent Microbial Dynamics Drive Performance Variations in Full-scale AAO and modified UNITANK Sewage Treatment Systems

城市污水处理厂活性污泥微生物群落受季节和工艺影响，夏季COD和TP去除率分别提升至92.65%和94.90%，微生物多样性增强。AAO工艺在冬季COD和TN去除率达83.92%和81.34%，而modified UNITANK在TP去除上表现更优。水温和污泥龄是调控微生物群落结构的关键因素。

　　

Xiaodan Gu|Feng Wang|Wei Wang|Chuangchuang Gao|Yongwei Ding

苏州科技大学环境科学与工程学院，中国苏州215009

摘要

城市污水处理厂（STPs）对污染物控制至关重要，其中微生物群落直接影响活性污泥（AS）的处理效率。本研究考察了在一个年度内，两种全规模污水处理厂（FX：AAO和改良UNITANK并行工艺；LJ：仅采用改良UNITANK工艺）中，季节变化和工艺流程对微生物动态及污染物去除效果的影响。所有工艺在夏季的化学需氧量（COD）去除率比冬季高8.73–31.04%，总磷（TP）去除率高4.91–27.90%。氨氮（NH₄⁺-N）和总氮（TN）的去除率在季节间保持稳定（≥95%和≥77.90%）。FX AAO工艺在COD去除率（冬季：83.92 ± 13.58%；夏季：92.65 ± 4.44%）和TN去除率（冬季：81.34 ± 6.44%；夏季：83.32 ± 4.16%）方面表现更优，而LJ改良UNITANK工艺在TP去除率（冬季：89.99 ± 7.38%；夏季：94.90 ± 5.15%）方面表现突出。夏季微生物多样性增强，其中FX改良UNITANK工艺的多样性最高。在门水平上，Proteobacteria、Actinobacteriota和Bacteroidota占主导地位；在属水平上，Saccharofermentans较为稳定，硝化菌和反硝化菌数量较少但保持一致，聚磷酸盐积累菌（PAOs）较少（0.02–0.28%），而糖原积累菌（GAOs）在夏季（3.11–6.82%）比冬季（0.58–1.23%）更丰富，FX AAO工艺中的GAOs水平最高。Saprospiraceae（主要的反硝化PAO）在冬季有利于FX AAO的稳定厌氧环境（8.04–8.31%），在夏季有利于FX改良UNITANK的间歇性厌氧阶段（3.37–4.15%）。Mantel测试表明，水温、污泥停留时间、溶解氧、水力停留时间和进水COD负荷是影响微生物结构的关键因素。本研究加深了对AS微生物生态学受季节和工艺影响的理解，为优化全规模污水处理厂性能提供了依据。

引言

城市污水处理厂（STPs）在水环境管理中发挥着重要作用，是防止污染物（如营养物质和有机物）排放到接收水体中的关键屏障。这一功能对于保护生态完整性和公共卫生至关重要[1]。随着全球城市化进程的加快，STPs的重要性更加凸显，因为它们通过提升水质韧性，将人类活动与可持续水资源管理联系起来[2]。

活性污泥工艺（ASP）是城市STPs中最广泛使用的生物处理技术[3]，已发展出多种先进形式，包括厌氧-缺氧-好氧（AAO）工艺、氧化沟工艺和改良UNITANK工艺，这些工艺能够同时去除碳、氮和磷。活性污泥（AS）包含一个复杂的微生物生态系统，其中高度多样化的微生物群落聚集在异质性絮体中。这种多样性有助于系统稳定性和污染物去除效果[4]、[5]。功能性的微生物类群，如硝化菌、反硝化菌、聚磷酸盐积累菌（PAOs）和糖原积累菌（GAOs），驱动着污染物的降解和转化[16]、[6]。

已知AS中的微生物群落受多种因素影响，包括水质特征、工艺类型、运行条件和地理位置[4]、[6]。先前的研究确定了营养盐浓度、溶解氧（DO）、温度和污泥停留时间（SRT）等关键驱动因素[36]，并强调了工艺类型本身的显著影响[35]。此外，研究表明，尽管进水微生物群落可能发生显著变化，但在稳定运行条件下，AS群落可在季节尺度上保持相对稳定[10]。

然而，现有研究大多单独探讨了季节效应和工艺特性，而对这些因素在全规模系统中如何动态交互的系统理解仍不足。具体而言，目前尚不清楚季节变化和不同工艺配置如何共同调节AS微生物群落的组成、结构和功能特性，从而影响处理效果。

本研究选择了两个全规模城市污水处理厂（FX和LJ STPs）作为研究对象，它们的工艺配置不同，便于进行针对性比较分析。FX STP同时运行两种并行ASP工艺（AAO和改良UNITANK），可以在相同的进水条件下研究不同工艺配置的影响；而LJ STP仅采用改良UNITANK工艺，便于在同一工艺配置下研究不同进水条件的影响。通过为期一年的连续跟踪研究，探讨了季节变化和上述工艺配置如何通过调节微生物群落来影响处理效果。通过比较研究期间的不同季节工艺配置，本研究旨在（1）量化污染物去除的季节性和工艺驱动变化；（2）确定介导这些变化的关键微生物类群；（3）阐明温度、污泥停留时间（SRT）、水力停留时间（HRT）、溶解氧（DO）和进水质量在调节群落功能关系中的作用。本研究加深了我们对基于AS系统的微生物生态学的理解，为实际污水处理厂运营中的微生物群落调控方法研究奠定了基础。

研究部分摘录

污水处理厂

本研究在中国江苏省南部的两个城市污水处理厂（FX STP和LJ STP）进行。这两家工厂主要处理生活污水（占进水的约95%），进水质量存在自然季节性波动（表1）。对于二级生物处理，两座污水处理厂均采用ASP工艺，随后进行高级处理（高效沉淀和V型过滤），以满足GB 18918-2002标准中规定的一级A标准。

污染物去除效果的季节性和工艺配置驱动变化

如图2所示，两座污水处理厂的进水浓度存在明显的季节性波动。具体而言，COD、NH₄⁺-N、TN和TP浓度在春季和秋季波动显著。同时，水温在春季和秋季也有显著波动，而在冬季和夏季相对稳定。这种稳定的条件使得两座污水处理厂在冬季和夏季的运行更加稳定。因此，本研究仅关注这些季节性变化对处理效果的影响。

结论

季节和工艺配置影响了三种ASP工艺的污染物去除效果，夏季表现均优于其他季节；NH₄⁺-N的去除率始终保持在≥95%；FX AAO工艺在COD和TN去除方面表现稳定，而LJ改良UNITANK工艺在冬季的TP去除效果更佳。夏季微生物多样性增强，其中FX改良UNITANK的多样性最高。Saprospiraceae作为主要的反硝化磷积累菌，证实了其在该过程中的作用。

未引用参考文献

[22], [28], [29], [31], [7]

CRediT作者贡献声明

Yongwei Ding：项目管理和资金获取。Wei Wang：研究调查和概念构思。Chuangchuang Gao：写作、审稿与编辑、数据分析。Feng Wang：方法学设计和数据管理。Xiaodan Gu：初稿撰写。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。