缩短污泥停留时间有助于在采用回流污泥旁流发酵的A2O工艺中，实现快速脱氮与强化除磷的协同作用

《Journal of Water Process Engineering》：Shortened sludge retention time orchestrates the synergistic integration of shortcut nitrogen elimination and enhanced phosphorus removal in an A2O process integrating return sludge side-stream fermentation

　　

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  将SRT缩短至6天可在A²O-SSF系统中实现SNR与EBPR的协同作用。
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  较短的SRT可抑制Thiothrix的生长，同时提升污泥的沉降性。
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  随着SRT的缩短，NOB的活性会先被抑制，随后又会有所恢复。
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  较短的SRT能促使电子供体更有效地用于快速反硝化过程。
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  多种PAO菌群共同维持着EBPR过程的稳定性。

引言

由于废水中的氮和磷排放过量，导致的富营养化问题正日益严重地威胁着水生生态系统[1]。因此，如何高效且稳定地从废水中去除氮和磷，已成为现代污水处理厂面临的核心挑战与重要任务。目前，活性污泥法依然是最常用的生物处理技术，其中厌氧-缺氧-好氧（A²O）工艺因其能够同步去除有机物、氮和磷而得到广泛应用[2]。

在可持续发展目标的推动下，节能型污水处理技术受到了广泛关注。其中，快速脱氮技术尤为值得重视。与传统的好氧硝化-反硝化工艺相比，快速脱氮技术不仅能提高脱氮效率，还能降低约25%的曝气能耗以及约40%的外源碳源需求。这一效果是通过抑制亚硝酸盐氧化菌的活性，从而控制硝化反应在亚硝酸盐生成阶段即可停止来实现的[3]。与此同时，作为主流磷去除技术的强化生物除磷法，其稳定性往往受到进水碳源不足的限制[4]、[5]。为了解决这一问题，侧流强化生物除磷工艺应运而生。在该工艺中，一部分回流活性污泥会被引入侧流发酵罐中进行水解和发酵，产生的发酵液再回流到主流程的厌氧或缺氧区。由活性污泥水解产生的挥发性脂肪酸可以为主流程提供额外的碳源，从而即使在进水碳磷比较低的情况下，也能保持较高的磷去除效率[6]、[7]。这项技术已在全球80多座大型污水处理厂得到成功应用，充分证明了其在实际工程中的应用可行性[8]。更有趣的是，研究人员发现，侧流强化生物除磷工艺在提升磷去除效率的同时，还为与快速脱氮技术的结合创造了有利条件。SSF内的发酵环境具有极低的氧化还原电位（ORP < ?300 mV）和高浓度的挥发性脂肪酸，这些条件能有效抑制NOB的活性[9]。这表明SSF具备同时实现两个功能的可能：即为强化生物除磷提供碳源，同时为快速脱氮创造有利条件，使得侧流强化生物除磷与快速脱氮的结合成为一种极具前景的技术路径。近期也有不少研究者证实了这种组合策略的可行性。例如，通过侧流游离亚硝酸处理，成功实现了快速脱氮与强化生物除磷的同步进行，其脱氮效率可达80.6%，磷去除效率可达98.2%[10]。在一种中试规模的A-B-S2EBPR系统中，通过利用细胞内碳源（聚羟基烷酸酯）驱动部分反硝化作用，可使亚硝酸盐积累率达到79.1%[11]。

尽管侧流强化生物除磷与快速脱氮的结合具有巨大潜力，但在A²O-SSF这类单污泥系统中实现其稳定应用，就需要对关键操作参数进行调控。在各类参数中，污泥停留时间被认为是调控功能微生物群落结构与代谢活性的重要因素[12]。一方面，由于好氧氧化细菌的生长速度明显快于亚硝酸盐氧化细菌——好氧氧化细菌的最小倍增时间为7–8小时，而亚硝酸盐氧化细菌则为10?13小时[13]，因此一种常见的实现快速硝化的方法就是通过控制污泥停留时间，选择性去除亚硝酸盐氧化细菌，同时保留好氧氧化细菌[14]、[15]。通过工艺建模可以发现，只要将污泥停留时间控制在好氧氧化细菌的清除阈值8.2天与亚硝酸盐氧化细菌的清除阈值13.2天之间，就能有效实现亚硝酸盐生成过程[16]。另一方面，S2EBPR系统中聚磷酸盐积累菌与糖原积累菌之间的竞争也受污泥停留时间的影响。有研究显示，当污泥停留时间保持在5.5–5.8天时，已知糖原积累菌的相对丰度会持续处于较低水平[17]。这就给这种组合系统带来了一个根本性的矛盾：快速脱氮与侧流强化生物除磷可能需要的最佳污泥停留时间范围并不一致。为了解决这一矛盾，双污泥系统通过物理分离方式为不同的功能菌群设置独立的污泥停留时间（如自养菌与异养菌），但这样的系统结构与运行方式相对较为复杂[18]。在更为紧凑的A²O-SSF单污泥系统中，所有微生物都共享同一个污泥停留时间，因此找到一个既能满足好氧氧化细菌增殖需求、又能抑制亚硝酸盐氧化细菌活性、还能促进聚磷酸盐积累菌生长并提升污泥沉降性的最佳污泥停留时间值，就成为了一个亟待解决的难题。以往的研究表明，极短的污泥停留时间（如2.7天）虽然可以通过有效去除亚硝酸盐氧化细菌来实现快速脱氮，但却可能导致传统聚磷酸盐积累菌被淘汰，而像和这类非典型聚磷酸盐积累菌则会大量增多[10]，这说明污泥停留时间会对整个微生物生态系统的结构变化产生深远影响。不过，对于中等长度且更具工程可行性的污泥停留时间范围（如6–10天），它如何影响A²O-SSF系统的性能以及微生物间的竞争关系，目前还缺乏系统性的研究。

为了解决上述问题，本研究系统地探讨了污泥停留时间对A²O-SSF系统中快速脱氮与侧流强化生物除磷同步实现的影响。本研究的主要目标包括：（1）评估不同污泥停留时间下该系统对营养物质与有机物的去除效果，重点分析磷去除效率与亚硝酸盐积累率的动态变化规律；（2）通过批次试验确定各关键微生物群落的代谢活性，进而揭示在污泥停留时间调控作用下，好氧氧化细菌与亚硝酸盐氧化细菌、以及聚磷酸盐积累菌与糖原积累菌之间的竞争关系；（3）利用高通量测序与宏基因组分析方法，阐明污泥停留时间如何影响微生物群落的演替过程以及功能基因的丰度变化；（4）通过全面评估系统的性能与稳定性，确定一个最佳的污泥停留时间范围，从而实现快速脱氮、生物除磷以及污泥沉降性能的协同优化。期望本研究的成果能为设计高效、低碳排放的污水处理工艺提供重要的理论依据与实用的污泥停留时间参考标准。

章节要点

反应器结构与运行方式

如图1所示，实验室中构建的A²O-SSF系统由两个独立部分组成：主流程与侧流流程。主流程包含一个总有效容积为8升的A²O连续流反应器，该反应器又被分为厌氧区（1.6升）、缺氧区（1.6升）和好氧区（4.8升），此外还配备有一个二级沉淀池（2.5升）。侧流流程则包含一个连续搅拌式厌氧发酵罐。

反应器性能表现

在实验过程中，A²O-SSF系统在去除有机物与营养物质方面表现稳定。引入侧流发酵罐并相应缩短主流程的污泥停留时间，被证明是提升整体处理效率的有效方法。在引入侧流发酵罐之前，出水中的COD平均浓度为41.20 ± 4.92毫克/升。在引入侧流发酵罐并调整污泥停留时间为10天和8天后，出水的COD浓度依然保持稳定（见图2a）。而当进一步缩短主流程的污泥停留时间时

研究结论

在逐步缩短主流程污泥停留时间的情况下，A²O-SSF系统成功实现了快速脱氮与强化生物除磷的同步进行，其中污泥停留时间为6天时，系统的整体性能最为均衡。在此条件下，COD的去除效率可达到90.6%，PO₄^3?-P的去除效率为80.1%，总氮的去除效率为83.7%，同时亚硝酸盐积累率也可达到32.0%。更为重要的是，污泥的沉降性也得到了提升，其SVI值为94.75毫升/克。快速硝化作用的形成主要得益于

作者贡献说明

邢雅文：论文撰写——初稿编写、数据可视化、方法设计、实验开展、正式分析、数据整理。袁飞熠：论文撰写——审阅与编辑、方法设计、数据整理。黄佳轩：方法设计、实验开展。陈旭阳：方法设计。平倩：方法设计。王琳：方法设计。李永梅：论文撰写——审阅与编辑、项目监督、资源协调、项目管理、资金申请、研究构思。

利益冲突声明

所有作者均声明，他们不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金的支持（项目编号：52470052）。

邢雅文|袁飞熠|黄佳轩|陈旭阳|平倩|王琳|李永梅