一、引言

随着工业的迅速发展，人口急剧增长和人民生活水平的不断提高，众多国家在水资源紧缺的同时，水体污染状况日益加剧，大量氮、磷等营养物质超负荷地进入水体，造成了诸多水环境问题，对人民的生命安全造成了威胁^[1]。因此，先进的、具有成本效益的脱氮除磷技术变得愈发重要。传统的污水处理工艺在处理高氮磷污水时，往往面临脱氮除磷效率不足的挑战。厌氧-好氧-膜分离（A2/O-MBR）工艺作为一种将生物处理与膜分离技术相结合的新型工艺，在高氮磷污水的处理中展现出了独特的优势。本文旨在深入研究该工艺处理高氮磷生活污水的脱氮除磷机制，为其进一步优化和应用提供理论支持。

二、 A2/O-MBR工艺概述

2.1工艺组成与流程

A2/O-MBR工艺主要由厌氧池、缺氧池、好氧池和膜生物反应器（MBR）组成。污水首先进入厌氧池，在厌氧条件下，聚磷菌释放磷酸盐以获取能量，同时利用污水中的有机物合成聚-β-羟基丁酸（PHB）。随后，污水进入缺氧池，反硝化菌利用污水中的有机物和从好氧池回流的硝酸盐进行反硝化反应，将硝酸盐转化为氮气释放。接着，污水进入好氧池，在此进行有机物的降解、氨氮的硝化以及聚磷菌的过量摄磷。最后，混合液进入膜生物反应器，通过膜的截留作用实现泥水分离，出水水质得到净化，而污泥则部分回流至厌氧池和缺氧池。

2.2工艺特点

该工艺具有以下特点：一是将生物处理与膜分离技术相结合，提高了污泥浓度和污泥龄，有利于世代时间较长的硝化细菌和聚磷菌的生长和繁殖；二是膜的截留作用可有效去除水中的悬浮物和微生物，出水水质稳定；三是工艺运行灵活，可通过调整运行参数来优化脱氮除磷效果；四是占地面积相对较小，适合在土地资源紧张的地区应用。

三、实验材料与方法

3.1实验装置

实验采用自制的A2/O-MBR装置，其有效容积为100L，其中厌氧池、缺氧池、好氧池和膜池的容积比为1:1:2:1。膜组件采用中空纤维膜，膜孔径为0.1-0.4μm，膜面积为10m²。

3.2实验水质

实验用水为某城市高氮磷生活污水，其主要水质指标为：CODcr 300-500mg/L，氨氮25-40mg/L，总磷5-10mg/L，TN 30-50mg/L。

3.3运行参数

实验运行参数如下：水力停留时间（HRT）为12h，污泥停留时间（SRT）为30d，混合液回流比为200%，污泥回流比为100%，好氧池溶解氧（DO）控制在2-4mg/L，厌氧池和缺氧池DO控制在0.2mg/L以下。

3.4分析方法

在水质指标分析上，CODcr运用重铬酸钾法测定，氨氮借助纳氏试剂分光光度法检测，总磷通过钼酸铵分光光度法确定，TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法衡量。微生物群落分析时，利用高通量测序技术对污泥中的微生物群落结构展开剖析。酶活性测定则聚焦于与脱氮除磷相关的酶，像硝酸还原酶、亚硝酸还原酶和磷酸酶等，通过这些方法全面探究A2/O-MBR工艺处理高氮磷生活污水过程中的各项指标与机制。

四、结果与讨论

4.1脱氮除磷效果

在实验运行稳定期，A2/O-MBR工艺对高氮磷生活污水的处理效果显著。出水CODcr低于50mg/L，去除率达到85%以上；氨氮低于5mg/L，去除率达到90%以上；总磷低于0.5mg/L，去除率达到90%以上；TN低于10mg/L，去除率达到80%以上。这表明A2/O-MBR工艺能够高效去除高氮磷生活污水中的污染物，满足排放标准。

4.2脱氮机制分析

4.2.1硝化与反硝化作用

在好氧池中，氨氮在氨氧化细菌（AOB）和亚硝酸盐氧化细菌（NOB）的作用下被氧化为硝酸盐，这一过程称为硝化作用。实验结果表明，好氧池中氨氮的去除率达到95%以上，硝酸盐的浓度显著升高。在缺氧池中，反硝化菌利用污水中的有机物作为碳源，将硝酸盐还原为氮气，实现反硝化脱氮。缺氧池中硝酸盐的去除率达到80%以上，这表明反硝化作用在该工艺的脱氮过程中起到了关键作用。

4.2.2微生物群落结构

高通量测序结果显示，A2/O-MBR工艺中主要的脱氮微生物包括硝化细菌（如Nitrosomonas、Nitrobacter）和反硝化细菌（如Pseudomonas、Paracoccus）。这些微生物在不同的功能池中呈现出不同的分布特征。在好氧池中，硝化细菌的相对丰度较高；在缺氧池中，反硝化细菌的相对丰度较高。这种微生物群落结构的分布有利于硝化和反硝化作用的协同进行，提高了脱氮效率。

4.2.3功能基因表达

与脱氮相关的功能基因（如nirS、nirK、nosZ）的表达分析表明，这些基因在缺氧池中的表达水平较高，这与反硝化作用的强度相一致。此外，好氧池中与硝化作用相关的基因（如amoA、hao）的表达水平也较高，进一步证实了硝化作用的活跃性。

4.3除磷机制分析

4.3.1聚磷菌的作用

在厌氧池中，聚磷菌在厌氧条件下释放磷酸盐，同时吸收有机物合成PHB。实验结果显示，厌氧池出水中磷酸盐的浓度显著升高，达到15-20mg/L。在好氧池中，聚磷菌利用PHB氧化分解产生的能量过量摄取磷酸盐，将其以聚磷的形式储存在细胞内。好氧池出水中磷酸盐的浓度低于0.5mg/L，这表明聚磷菌的过量摄磷作用是该工艺除磷的主要机制。

4.3.2微生物群落结构

除磷相关的微生物主要包括聚磷菌（如Accumulibacter、Candidatus Competibacter）。在A2/O-MBR工艺中，这些聚磷菌在厌氧池和好氧池中的相对丰度较高。特别是在厌氧池，聚磷菌的丰度明显高于其他微生物，这为其在厌氧条件下释放磷酸盐和合成PHB提供了保障^[2]。

4.3.3酶活性变化

磷酸酶的活性在厌氧池和好氧池中呈现出不同的变化趋势。在厌氧池，磷酸酶的活性较高，这有利于聚磷菌释放磷酸盐；在好氧池，磷酸酶的活性较低，而与聚磷合成相关的酶活性较高，这有利于聚磷菌过量摄取磷酸盐。这种酶活性的变化与聚磷菌的代谢过程相适应，保证了除磷过程的顺利进行。

4.4协同作用机制

A2/O-MBR工艺中脱氮除磷的协同作用体现在碳源利用、回流系统及膜分离等方面。厌氧与缺氧池内，有机物优先供给聚磷菌释磷和反硝化菌反硝化，减少碳源竞争以提升效率；污泥与混合液回流为各功能池输送微生物和营养物质，促进代谢与物质传递；膜分离通过截留作用提高污泥浓度与微生物多样性，减少污泥流失，为脱氮除磷微生物生长繁殖创造有利条件，多者协同保障工艺高效运行。

五、工艺优化与应用前景

5.1工艺优化方向

在运行参数优化方面，可深入研究水力停留时间（HRT）、污泥停留时间（SRT）及回流比等参数对A2/O-MBR工艺脱氮除磷效果的影响，以确定最佳运行条件。微生物群落调控上，可通过投加高效脱氮除磷微生物或调整环境条件，优化群落结构来提升工艺性能。膜污染控制需探究膜污染形成机制，开发有效控制技术以延长膜使用寿命，从而进一步优化A2/O-MBR工艺在高氮磷生活污水处理中的应用。

5.2应用前景

A2/O-MBR工艺在高氮磷生活污水的处理中具有广阔的应用前景。该工艺不仅能够高效去除氮磷等污染物，而且出水水质稳定，可回用于工业用水、城市杂用水等，实现水资源的循环利用。此外，该工艺占地面积小，运行管理方便，适合在城市污水处理厂的新建和改扩建工程中应用。

六、结论

本研究聚焦A2/O-MBR工艺处理高氮磷生活污水的脱氮除磷机制，发现该工艺通过厌氧段聚磷菌释磷并合成PHB、缺氧段反硝化菌利用有机物和回流硝酸盐脱氮、好氧段降解有机物、硝化氨氮及聚磷菌过量摄磷，结合膜分离截留作用，使出水CODcr、氨氮、总磷、TN去除率分别达85%、90%、90%、80%以上，满足排放要求。脱氮依赖硝化与反硝化细菌协同，除磷依靠聚磷菌厌氧释磷、好氧摄磷。工艺中碳源优先用于聚磷菌和反硝化菌，污泥与混合液回流保障物质传递，膜截留提升污泥浓度与微生物多样性。该研究为工艺优化提供理论依据，未来需在运行参数、微生物群落及膜污染控制等方面深入研究。

参考文献

[1] 高艳娇,刘元,张瑞烽.低C/N对MUCT工艺性能的影响[J].辽宁工业大学学报(自然科学版),2010,30(01):41-43.

[2] 李越,白春学,阎春荣,等.MUCT和A2O工艺处理低C/N废水效能及微生物学机制研究[J].水处理技术,2025,51(06):87-92+98.