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低强度进水、季节性温度波动一直是市政污水处理厂深度脱氮的核心难题。本文以处理规模 40000 立方米 / 天的厌氧 / 好氧 / 缺氧（AOA）工艺为研究对象，针对生化需氧量 49.1±9.9 毫克 / 升、总氮 18.2±1.4 毫克 / 升的低强度进水，开展全年全尺度优化研究。通过调控气水比与水力停留时间，实现胞内碳源高效储存与利用，系统出水总氮低至 3.3 毫克 / 升，水温降至 11.3℃时仍稳定维持在 4.1 毫克 / 升。优化后工艺相较传统厌氧 / 缺氧 / 好氧（A²O）工艺，药剂用量降低 40%、污泥产量减少 8%、曝气能耗下降 73%，为低碳高效处理低强度市政污水提供了全尺度技术范式。

1 科学问题

  1. 低 C/N 比（平均 2.7）低强度进水条件下，胞内碳源易过度消耗，无法支撑稳定的内源反硝化，脱氮效率难以达标。

  2. 季节性温度波动（11.3℃-24.6℃）会抑制胞内碳聚合物水解利用，低温下脱氮系统稳定性差。

  3. 传统曝气强度高，易造成胞内碳源好氧过度氧化，且能耗、药剂消耗成本高，工艺低碳性不足。

  4. 宏观运行参数调控如何定向富集功能菌群、调控碳氮代谢功能基因，其微观作用机制尚不明确。

2 研究方案

研究体系：选取南方某污水处理厂单条 40000 立方米 / 天的 AOA 工艺生产线，设置水解、厌氧、好氧、缺氧功能区，全年监测水质、温度及运行参数。

分阶段优化：将研究分为四个阶段，逐步调控关键参数。Ⅰ 期为基线运行；Ⅱ 期提高气水比、降低进水流量；Ⅲ 期缩短厌氧水力停留时间至 1.8 小时，增设污泥水解区；Ⅳ 期恢复满负荷进水，稳定气水比至 0.39，优化功能区水力停留时间分配。

多维检测分析：全年监测进出水 COD、氨氮、总氮等指标；检测各功能区胞内糖原、聚羟基烷酸酯及游离氨基酸含量；通过 16S rRNA 测序与宏基因组学，解析微生物群落结构及碳氮代谢功能基因变化。

对比验证：与同厂区平行运行的未优化 AOA 工艺、传统 A²O 工艺对比，评估优化工艺的脱氮性能、能耗及污泥产量优势。

3 结论

  1. 工艺优化效果显著：通过气水比降至 0.39、厌氧水力停留时间缩短至 1.8 小时，系统全年出水总氮稳定低于 4.1 毫克 / 升，脱氮效率最高达 81.1%，低温下仍保持高效稳定。

  2. 胞内碳源代谢强化：优化后厌氧区有效储存碳源，好氧区减少碳源无效氧化，缺氧区内源反硝化速率提升，游离氨基酸成为重要补充电子供体，形成糖原、聚羟基烷酸酯、氨基酸协同供能的脱氮模式。

  3. 微生物群落定向富集：内源反硝化菌、水解菌显著富集，低溶解氧适配硝化菌成为优势菌群，碳氮代谢功能基因丰度提升，支撑低温下稳定代谢。

  4. 低碳节能优势突出：相较传统 A²O 工艺，曝气能耗降 73%、药剂用量降 40%、污泥产量减 8%，综合电耗降低 25%，兼具环境与经济效益。

研究不足

  1. 厌氧氨氧化菌丰度仅 0.02%，未形成显著脱氮贡献，耦合厌氧氨氧化的协同机制有待深入。

  2. 仅在亚热带气候厂区开展研究，严寒地区低温适配性及参数调控策略需进一步验证。

  3. 游离氨基酸等小分子碳源的代谢路径及菌群互作机制，需结合转录组、蛋白组进一步解析。

未来展望

后续可聚焦严寒地区低温适配优化，强化厌氧氨氧化耦合，深化胞内碳源代谢微观机制研究，推动该 AOA 工艺在全国不同气候区低强度污水处理厂的规模化推广，助力污水脱氮低碳化升级。

文章来源：生态环境科学