随着现代化的发展以及城市化的推进，污水量一直处于递增的趋势。另外受季节变化和居民用水习惯等因素的影响，一般3月—8月污水量逐月递增，7月—9月为污水量高峰期；9月—次年2月污水量逐月递减，2月为水量低谷期。污水处理厂进水负荷的波动给工艺运行调控和城市水环境保护带来了极大挑战。我国污水厂处理容量相对有限，为进一步实现污水高效处理和高质量出水，有必要推行污水处理厂扩容减量方案。通过扩增处理设施、减少单位设施处理水量，使运行模式由高水力负荷运行切换为低水力负荷运行，增加水力停留时间（HRT），提高出水水质，助力污水处理厂提质增效。

AAO工艺作为目前城市污水处理厂最常用的工艺之一，具有较强的抗冲击负荷能力。国内外已开展了一些有关进水负荷对污水处理工艺性能影响的研究。Liu等通过研究进水氮负荷对二级生物处理系统自养脱氮性能的影响，发现降低进水TN浓度和缩短HRT可以有效避免底物对厌氧氨氧化的抑制作用，使脱氮性能快速恢复；Jiang等研究发现，长期低水力负荷运行会对污泥沉降和脱水性能造成不利影响，而且会加剧污泥絮体解体风险。脱氮是AAO工艺的关键性能之一，目前尚缺乏水力负荷对其生物脱氮影响的系统研究，尤其缺少放大规模的验证。竹园第二污水处理厂（简称“竹园二厂”）为贯彻落实污水处理提质增效要求进行了升级改造，同时将原设计规模50×104m3/d降为30×104m3/d。依托竹园二厂升级改造完成后的AAO工艺，开展了高低水力负荷切换对脱氮性能影响的研究，以期为污水处理提质增效提供参考。

1、材料与方法

1.1 工艺流程及运行参数

竹园污水片区内合流制、分流制排水系统并存，降雨时部分雨水会进入末端污水处理厂，因此进水量存在较大波动，水量变化系数为0.57~1.24。竹园二厂主体工艺为旋流沉砂池+AAO工艺+紫外线消毒，出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）的一级A标准，工艺流程见图1。生物系统中污泥浓度控制在3.5g/L左右，污泥龄控制在15~20d，好氧池末端溶解氧（DO）浓度控制在2~4mg/L。

1.2 试验及采样设计

试验期间，污水处理厂经历了3个阶段的水力负荷调整，对应的水力负荷变化如表1所示，3个阶段的处理水量均值分别为35.4×104、28.0×104和21.3×104m3/d。在不同阶段采集生物池沿程水样，分析污染物变化规律，共设置6个采样点，分别为生物池进水（S1）、厌氧池（S2和S3）、缺氧池（S4和S5）和好氧池（S6），详见图2。

1.3 分析测试方法

COD、NH4+-N、TN等水质指标均参考国家标准方法进行检测；污泥微生物活性主要通过批次活性污泥污染物降解速率试验和酶活性分析进行表征，污染物降解速率包括比氨氧化速率（SAUR）和比亚硝酸盐氧化速率（SNUR），参照文献中的方法进行测定；DO采用便携式溶氧仪测定；氧化还原电位（ORP）采用便携式ORP探头测定；高通量测序委托上海美吉生物医药科技有限公司在IlluminaMiSeq测序平台上开展，并在美吉平台进行相应数据分析。

2、结果与分析

2.1 不同水力负荷下的脱氮性能

竹园二厂在不同水力负荷下的COD去除效果如图3所示。在高水力负荷阶段、调整阶段和低水力负荷阶段，出水COD平均浓度分别为13.96、11.90和11.82mg/L，去除率分别为92.7%、92.7%和92.3%。3个阶段的COD去除率相当，但高水力负荷阶段的出水COD浓度略高于低水力负荷阶段，主要是因为低水力负荷阶段系统具有更低的污泥负荷，有利于污染物充分降解。

不同水力负荷下的脱氮性能如图4所示。在高水力负荷阶段、调整阶段和低水力负荷阶段，出水TN平均浓度分别为7.90、6.94和6.08mg/L，去除率分别为79.2%、74.6%和77.4%；出水NH4+-N平均浓度分别为0.17、0.11和0.04mg/L，去除率分别为99.1%、99.3%和99.8%。在高水力负荷逐渐调整为低水力负荷的过程中，生物池出水NH4+-N和TN浓度都有所降低，NH4+-N去除率有所提高，主要原因是在低水力负荷阶段，污水中NH4+-N的输入量较少，并且HRT增加了60%以上，使得NH4+-N去除更充分。但是，低水力负荷运行时TN去除率略有降低，说明工艺运行的调整可能对反硝化过程造成了一定影响。

2.2 氮与COD的沿程变化规律

图5（a）和（b）分别为调整阶段和低水力负荷阶段各单元COD浓度的变化情况。在进水中，颗粒态有机物占比为17.6%~40.9%。进入厌氧池后，COD浓度显著下降，主要原因是外回流对污染物进行了稀释。另外，厌氧池内发生了水解酸化作用，使大颗粒有机物破碎与小分子化，对有机物的去除起到了重要作用。在缺氧池，由于反硝化和内回流稀释作用，COD浓度显著降低。其中，低水力负荷时缺氧段COD的去除率明显高于调整阶段，表明低水力负荷下反硝化所需的C/N值更高。调整阶段和低水力负荷阶段出水COD浓度分别为20.18和14.21mg/L，低水力负荷阶段出水COD浓度更低，COD去除率比调整阶段高1.7%左右，主要原因是系统低水力负荷运行时水力停留时间延长，污染物降解更为充分。

图5（c）和（d）分别为调整阶段和低水力负荷阶段各单元有机氮、氨氮和硝态氮浓度的变化情况。总氮主要包括有机氮、氨氮、硝态氮和亚硝态氮，沿程各单元中亚硝态氮浓度均低于0.1mg/L，故未在图中展示。厌氧阶段，总氮浓度的降低主要是回流稀释所致；进入缺氧池后发生反硝化反应，硝态氮和亚硝态氮被转化为氮气。虽然缺氧池检测点位显示仍有大量硝酸盐残留，但是从好氧池TN浓度可知，缺氧池出水中的硝酸盐大多被还原，尤其在低水力负荷阶段。这与低水力负荷阶段缺氧池中COD去除效果更优的结果相吻合。类似地，从二沉池的氨氮浓度可以看出，低水力负荷时好氧池的硝化反应更充分。调整阶段和低水力负荷阶段出水TN浓度分别为7.43和5.82mg/L，脱氮率分别为73.2%和79.2%，低水力负荷阶段表现出更高的脱氮能力。主要是由于低水力负荷运行使生物池的HRT延长，脱氮效果得以改善。以上表明，通过降低水力负荷实现脱氮的提质增效是可行的。

2.3 DO与ORP的变化

DO是硝化反应过程的重要指标，水体DO浓度的增加将会促进硝化反应的进行。试验中发现，随着水力负荷由高到低的转变，沿程DO浓度呈现不规律变化，尤其在调整阶段，主要原因是竹园二厂在不同水力负荷及其他情况下，会根据出水氨氮和TN浓度，通过调整曝气量、回流比等参数来优化运行。因此，难以获取水力负荷改变条件下沿程的DO浓度变化规律。

ORP是衡量溶液中氧化还原能力的指标，可以用于检测和控制污水处理过程中的氧化还原反应。ORP沿程变化见图6。在水力负荷由高到低转变的过程中，厌氧池的ORP呈现下降趋势，主要原因是水力负荷降低导致HRT增加，有利于进水中残留DO的消耗和厌氧生物反应。ORP的降低会促进有机物水解过程，提高有机物的生物利用效率。

2.4 硝化和反硝化活性变化

2.4.1 SAUR和SNUR

水力负荷变化除了影响HRT外，可能还会导致微生物活性发生改变，因此，测定了不同水力负荷条件下SAUR和SNUR的变化。结果显示，在水力负荷从高向低转变的过程中，SAUR和SNUR的变化趋势相反，SAUR逐渐降低，而SNUR逐渐升高。高水力负荷、调整、低水力负荷三阶段的SAUR分别为3.65、2.89、2.49mgN/（gSS·h），其中，高水力负荷阶段是低水力负荷阶段的1.47倍。根据米氏方程，在低水力负荷阶段，污水处理系统中氨氮浓度较低，导致硝化菌的生长和活性受到限制。相比之下，在高水力负荷阶段，氨氮浓度较高，硝化菌可以更充分地利用氨氮进行硝化反应，有利于硝化功能微生物的富集，因此硝化速率更高。三个阶段的SNUR分别为2.22、2.23、3.31mgN/（gSS·h），低水力负荷阶段是高水力负荷阶段的1.49倍。主要原因是低水力负荷运行时系统具有更强的底物存储能力，可为反硝化脱氮提供更充足的碳源。另外，低水力负荷运行也会增加微生物分泌水解酶的能力，使得大分子有机物更加充分地被水解为小分子有机物，从而为反硝化菌提供更多可利用的碳源；还有，部分异养菌在底物充足时降解底物，在底物缺乏时以NO3-或NO2-为电子受体进行反硝化作用，也会导致SNUR升高。据此可知，图4（a）中低水力负荷阶段TN去除率略有降低并非反硝化活性受到影响，很可能与进水水质等其他因素有关。

2.4.2 氮转化微生物群落演变

污水生物处理系统中脱氮过程主要依赖硝化菌和反硝化菌，氮转化程度与两者的丰度密切相关。在高水力负荷、调整和低水力负荷阶段，硝化菌的相对丰度分别为3.95%、3.56%和3.94%，水力负荷的变化并未对硝化菌群数量造成明显影响。系统共鉴定出至少29种反硝化菌，反硝化菌的相对丰度由高水力负荷阶段的12.64%升至低水力负荷阶段的16.79%，表明低水力负荷阶段促进了反硝化菌的富集，这与反硝化速率变化规律相吻合。系统中数量众多的反硝化菌可保证较低的出水TN浓度。

进一步对3个运行阶段的硝化菌和反硝化菌进行热图分析，结果见图7。

优势硝化菌属主要包括Nitrospira、Ellin6067、Haliangium、Nitrosomonas、Bryobacter、Afipia以及Acinetobacter；随水力负荷的降低，多数硝化菌的相对丰度呈略微下降趋势，但Ellin6067和Bryobacter的相对丰度呈现上升趋势。优势反硝化菌属主要包括norank_f__JG30-KF-CM45、norank_f__PHOS-HE36、Hyphomicrobium、Terrimonas、Marmoricola、Bradyrhizobium、Denitratisoma、Aquabacterium和SWB02；随着水力负荷的降低，相对丰度较高的Terrimonas、norank_f__PHOS-HE36和SWB02均呈现出上升趋势，这与2.4.1节的结果相照应。

2.5 脱氮潜能分析

温度是影响微生物活性的关键环境因素，污水处理厂水温一般在10~25℃范围内波动。该试验在秋冬季节进行，为了进一步评估全年的变化规律，采用阿伦尼乌斯公式对硝化和反硝化速率进行计算，并结合水力停留时间确定不同场景下系统的脱氮潜能。

以生物池容积129986m3、好氧池容积81644m3分别计算竹园二厂在低水力负荷（20×104m3/d）、常态运行（30×104m3/d）和高水力负荷（35×104m3/d）下好氧池的HRT，分别为9.80、6.53和5.60h；低水力负荷阶段的SAUR和SNUR（20℃）分别为2.25和5.84mgN/（gSS·h）；再用温度校正系数计算冬季低温（12℃）条件下的SAUR和SNUR，分别为1.29和3.35mgN/（gSS·h）；为模拟实际情况，以试验期间进出水氨氮浓度平均值计算氨氮半饱和系数为0.90，据此计算不同水力负荷下的最大硝化和反硝化能力。结果表明，在常温（20℃）条件下，低水力负荷、常态运行和高水力负荷阶段活性污泥的最大硝化能力分别为69.5、46.3和39.7mg/L，最大反硝化能力分别为68.6、45.6和39.2mg/L。水力负荷升高导致活性污泥最大硝化和反硝化能力均下降，但相较于试验期间进水NH4+-N最大浓度27.5mg/L，硝化能力仍能满足需求。在冬季低温（12℃）条件下，低水力负荷、常态运行和高水力负荷阶段活性污泥的最大硝化能力分别为39.2、26.5和22.7mg/L，最大反硝化能力分别为39.4、26.2和22.5mg/L，相比常温条件下活性污泥的最大硝化和反硝化能力均显著降低。在冬季低温条件下，污水处理厂可以通过适当延长污泥龄和提高曝气量来保证硝化效果，通过提高内回流比以保证反硝化效果。

3、结论

①随着进水负荷的逐渐降低，出水TN和氨氮浓度分别由7.90和0.17mg/L降至6.08和0.04mg/L，出水水质得到提升。

②沿程污染物降解规律以及氧化还原电位的变化趋势表明，低水力负荷运行对硝化和反硝化过程均有改善，主要归功于水力停留时间的延长。

③由高水力负荷切换为低水力负荷的过程中，活性污泥的氨氧化速率降低，但亚硝酸盐氧化速率显著升高。

④随着水力负荷由高向低转变，自养型硝化菌Ellin6067和好氧反硝化菌Terrimonas得到富集，亚硝酸盐氧化菌Nitrospira、硝化菌Haliangium和异养反硝化功能菌norank_f__PHOS-HE36的相对丰度有所降低。