我国农村污水具有水量大、排放分散等特点，且污水收集处理设施不完善，导致我国农村污水处理率不足35%，其余大量污水被直接排入周边环境，造成地方生态环境污染严重，危及农村居民生产和生活用水安全。传统的农村污水处理方法包括化粪池、人工湿地和稳定塘等，但是这些技术存在占地面积大、处理效率低等问题，限制了其应用。为了提高农村污水的处理效率，引进了AAO、AON、SBR等先进的生物处理技术。其中，AON工艺具有流程简单、基建费用低、除氮效率高等优势，但AON通常需要较高的溶解氧浓度（DO为2~5mg/L）来维持好氧区的生化降解反应，导致工艺运行能耗较高，因此不适用于经济相对落后的农村地区。

腐殖土生物功能材料是一种利用天然腐殖土壤制成的生物材料，通常被添加到活性污泥工艺回流阶段的活化槽中，在低DO（0.3~0.5mg/L）条件下进行培养和活化，改变污泥性质和微生物群落，达到提高系统脱氮除磷性能并降低污泥产率的目的。因此，如果直接在反应器内接种和培养腐殖土中特殊兼性土壤菌种以替代传统活性污泥处理农村污水，可能会降低系统的DO浓度，减少曝气能耗和成本。但是，当前关于腐殖土自身携带功能细菌的脱氮效能及机制鲜有报道。

基于此，结合中试案例开发了腐殖土生化系统（HSBS），其采用腐殖土生物功能材料作为接种物，通过调控反应器内DO浓度来培养、驯化、富集腐殖土中具有特定代谢功能的活性微生物，从而实现对污染物的高效降解。笔者以模拟农村污水为处理对象，考察HSBS对污水中污染物的去除效能，并与传统AON工艺进行比较；在HSBS稳定运行以后，解析HSBS的污泥特性；最后，探究HSBS和AON体系微生物群落的差异性，揭示HSBS工艺的高效脱氮机制。

1、材料与方法

1.1 实验装置

实验装置设计为一体式的HSBS和传统AON反应器，均以有机玻璃制成，具体如图1所示。

HSBS和AON反应器的外形和大小基本相同，生化池总有效容积均为12.3L，但是生化池的结构存在差异。HSBS缺氧区和曝气区的有效体积比为1∶1，而传统AON反应器缺氧区和曝气区的有效体积比为1∶2.76。此外，HSBS的缺氧区内置了一个长×宽×高=4cm×4cm×15cm的活化槽，用于腐殖土壤菌群的活化富集。二沉池采用竖流式沉淀池，底部泥斗呈方锥形，设计池容为3.8L。缺氧区和曝气区均设置搅拌器，以确保系统污泥处于均匀悬浮状态；曝气区布设微孔曝气盘，采用气泵为生化反应提供氧气。

1.2 实验材料

HSBS工艺所用腐殖土生物功能材料呈灰褐色，圆柱状，平均直径为30mm，长为55mm，质量平均为45g/个左右，属于富含土壤微生物和腐殖质的载体。所用轻石呈淡黄色，不规则块状，含有多种微生物生长不可缺少的微量元素，其疏松多孔性结构可为微生物的增殖提供栖息空间。对腐殖土生物功能材料和轻石进行破碎处理，其中部分破碎样品过50目筛后备用。接种于传统AON反应器的活性污泥为上海市某污水厂二沉池回流污泥，该污水厂运行情况良好。取回活性污泥后，过40目筛去除大颗粒杂质，加入少许营养物质闷曝3d后，再接种于AON反应器中进行培养和驯化，作为对照组。

1.3 实验方法

HSBS在运行之前不用接种活性污泥，而是以1∶1的质量比投加腐殖土生物功能材料和轻石作为接种物，具体步骤如下：在生化池投加72g腐殖土生物功能材料和72g轻石碎块，同时向活化槽内投加12g腐殖土生物功能材料和12g轻石碎块，注入约6L的脱氯自来水后，以3L/min通气量曝气预处理3d以活化土壤微生物。3d后，通过蠕动泵向两个反应器中同时进水，以调试反应器和驯化活性微生物。此外，为提升腐殖土功能材料中土壤微生物的接种率，分别在进水后第7、15天投加30g腐殖土功能材料和30g轻石粉末，促进土壤微生物生长富集的同时抑制其他微生物生长。传统AON反应器直接接种1.2节中已处理的活性污泥，污泥浓度控制在3200mg/L左右。两组反应器采用同一水箱进水，平行运行。

两组反应器的设计处理量为20L/d，水力停留时间为14.7h，控制内回流比为300%、外回流比为75%，HSBS反应器的外回流污泥最终汇于内置活化槽中。值得注意的是，在系统正式运行前，需对反应器进行调试。在调试期，反应器进水量分为7.5和15L/d两个阶段，每个阶段运行7~10d。调试结束后，反应器开始满负荷运行，每天监测并调控曝气池DO浓度。其中，传统AON反应器曝气池DO浓度控制为3.0~5.5mg/L；HSBS曝气池DO浓度在调试期控制为1~2mg/L，满负荷运行后控制为0.3~0.7mg/L。两组反应器缺氧池的DO浓度均小于0.2mg/L。反应器满负荷运行期间，每2d检测一次出水水质指标，包括COD、NH4+-N、TN、pH；满负荷运行40d后，分析两组系统污泥的微生物群落情况。

1.4 分析项目和方法

COD采用M型COD检测盒快速消解分光光度法测定，NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法测定，TN采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定，DO采用便携式溶解氧仪测定，pH采用pH计测定，污泥絮体粒径采用激光粒度仪测定。污泥样品经冷冻干燥后，利用扫描电子显微镜（SEM）观察泥样形貌特征；将干泥与KBr以2∶100的质量比混合研磨压片后，利用傅里叶红外光谱（FTIR）仪分析泥样表面官能团。依托上海美吉生物医药科技有限公司对稳定运行阶段的生化污泥开展基于IlluminaMiSeq的细菌16SrRNA高通量测序分析，PCR扩增引物包括上游引物338F（ACTCCTACGGGAGGCAGCAG）和下游引物806R（GGACTACHVGGGTWTCTAAT）。

2、结果与分析

2.1 对污染物的去除效果

传统AON工艺对模拟农村污水中污染物的去除效果见图2。从图2（a）可知，传统AON工艺对COD的去除率基本稳定在95%以上，出水COD浓度低于20mg/L，这可能是因为采用了生化性较好的葡萄糖作为碳源，提高了污水的可生化性。但是在运行初期对NH4+-N和TN的去除效果较差，并未达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）一级A排放标准，见图2（b）、（c）。

同时从图2还可以发现，随着AON反应器的持续运行，活性污泥中硝化/反硝化细菌生长增殖，系统脱氮效果逐渐提高。38d后，AON工艺对模拟农村污水中NH4+-N和TN的去除率分别为（93.7±0.06）%和（71.8±0.24）%，相应出水浓度分别为（2.5±0.03）和（11.4±1.24）mg/L。

在DO为0.3~0.7mg/L的条件下，HSBS反应器的运行效果如图3所示。HSBS反应器由于在运行初期缺少充足的活性微生物，因此对污水中COD、NH4+-N和TN的去除效果较差。0~10d，HSBS对COD、NH4+-N和TN的平均去除率仅分别为（91.0±4.00）%、（29.4±5.54）%和（27.3±1.63）%，相应的出水浓度分别为（29.2±11.57）、（28.9±1.24）和（30.0±2.91）mg/L。随着反应器的持续运行，腐殖土中兼性功能微生物得以驯化和富集，HSBS对污染物的去除效果快速提高。38d后，HSBS对污水中COD、NH4+-N和TN的去除率分别达到（97.1±0.03）%、（91.2±0.19）%和（84.4±3.33）%，相应出水浓度分别为（11.0±0.14）、（3.5±0.07）和（6.3±0.28）mg/L。相比传统AON工艺，HSBS在稳定运行阶段的去除效果明显提升，尤其是对TN的去除率提升了12.6%。

总之，在低DO条件下，HSBS工艺对农村污水的净化效能优于传统AON工艺，表现出良好的应用潜力。因此，HSBS有可能替代传统AON处理农村污水，可降低工艺曝气所需的能耗和成本。

2.2 活性污泥特征

2.2.1 污泥形态特征

HSBS和AON体系污泥的形态特征如图4所示。图4（a）为HSBS接种腐殖土生物功能材料和轻石经3d曝气处理后的悬浮颗粒形态，可以发现接种材料表面粗糙、多孔，结构疏松，为不规则形状颗粒，这些结构能够为HSBS体系中微生物的生长和繁殖提供合适的栖息空间。两组反应器正常运行38d后，HSBS和AON体系中污泥絮体的SEM结果分别如图4（b）、（c）所示，相比AON体系污泥的片状絮体结构，从HSBS污泥絮体中可以观察到大量的球菌和丝状菌，彼此缠绕交织，有利于提高污泥的反应活性，同时也增大了污泥絮体的粒径。从图4（d）可以看出，HSBS污泥絮体的平均粒径为186µm，远大于AON体系的污泥粒径，这有利于改善污泥的沉降性能。上述结果表明，接种的腐殖土生物功能材料和轻石有利于系统形成微生物活性和沉降性能良好的污泥絮体，提升HSBS工艺的处理效能。

2.2.2 污泥表面官能团分析

HSBS和AON反应器稳定运行阶段污泥的FTIR图谱如图5所示。可知，HSBS和AON体系污泥表面特征峰的趋势基本一致，表明两组反应器的污泥含有相似的官能团。

在波数为3420、1650（酰胺Ⅰ带）和1538（酰胺Ⅱ带）cm-1处均存在显著的酰胺型特征峰，这主要与污泥中蛋白质类和氨基酸类物质有关。此外，3420cm-1处的吸收峰还可能是由于多糖和醇类物质的O—H键伸缩振动引起的。在波数为2927和2849cm-1处的特征峰可能产生于脂肪族化合物亚甲基的C—H键伸缩振动；1650cm-1处的吸收峰与芳烃环中C=C键和酰胺Ⅰ带中C=O键的拉伸振动有关；位于1066cm-1附近的吸收峰归因于多糖类物质中C—O键和C—O—C键的伸缩振动。相比而言，两个体系污泥FTIR吸收峰的峰型相似，但是HSBS污泥的特征峰强度整体弱于AON的，暗示HSBS污泥中的有机质含量低于AON污泥，这有利于减少剩余污泥产量，降低污泥处理处置成本。

2.3 微生物群落结构

2.3.1 微生物多样性分析

图6展示了HSBS和AON体系微生物扩增子序列变体数（ASV）分布的Venn图。可以看出，HSBS和AON体系中的ASV分别为904和858，共享ASV为96，表明HSBS和AON体系的ASV存在较大的差异性。其中，HSBS体系的ASV高于AON体系，表明腐殖土生物功能材料作为接种物可以增加处理系统的ASV，提高微生物的多样性。

通过Alpha多样性来进一步分析HSBS与AON体系微生物群落丰富度和多样性的差异，结果见表1。两种体系污泥样品的覆盖率均高于99%，表明所获得的序列能够覆盖大部分微生物，测序结果可以代表样本中微生物的真实情况。Shannon指数和Simpson指数均可以反映群落的多样性，Shannon指数越大表明微生物群落多样性越高，而Simpson指数越大表明微生物群落多样性越低。由表1可知，HSBS体系污泥微生物的多样性高于AON体系。此外，HSBS体系污泥的Ace指数和Chao指数均大于AON体系，表明HSBS体系污泥的微生物更加丰富，这与上述ASV的结果一致。因此，利用腐殖土生物功能材料作为接种物培养污泥系统可以提高微生物的多样性和丰富度，提高污泥系统活性。

2.3.2 微生物群落组成分析

HSBS和AON体系污泥在微生物群落门水平上的分布结果如图7（a）所示。可以看出，两种体系的微生物群落结构存在明显差异。其中，AON体系的优势菌门主要为变形菌门（Proteobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、放线菌门（Actinobacteriota）和浮霉菌门（Planctomycetota），相对丰度之和超过80%，是活性污泥系统中的常见菌门。据报道，变形菌门和绿弯菌门中含有多种反硝化细菌，可参与脱氮生化过程。HSBS体系中的高丰度菌门主要包括变形菌门、绿弯菌门、拟杆菌门（Bacteroidota）、放线菌门和髌骨菌门（Patescibacteria）。除了变形菌门和绿弯菌门以外，髌骨菌门和拟杆菌门中很多细菌在反应器中会起到反硝化作用，这表明HSBS体系中含有较高丰度的脱氮细菌，有利于提高HSBS工艺的脱氮效能。此外，绿弯菌门还会参与有机物的降解，其丝状结构有助于污泥絮体的形成，这与SEM的结果相符合。放线菌门的生长可能与污泥的沉降性能有关，其在HSBS体系中相对丰度较低，有利于提升污泥的沉降性能。

HSBS和AON体系污泥在微生物群落属水平上的组成见图7（b）。可知，两种体系的群落组成和丰富度存在较大差异。其中，在AON体系中存在的优势菌属主要包括unclassified_f__Rhodobacteraceae、Tolumonas、norank_f__Caldilineaceae、CL500-3、Candidatus_Alysiosphaera和norank_f__norank_o__Saccharimonadales，其相对丰度分别为9.9%、9.0%、8.8%、8.2%、7.8%、5.8%。Tolumonas属于变形菌门，其对脱氮过程具有重要的作用；norank_f__Caldilineaceae属于绿弯菌门，其被发现存在于多种反应器中，可以参与反硝化反应。此外，norank_f__Caldilineaceae和Candidatus_Alysiosphaera作为丝状菌，可能会对污泥膨胀和沉降性产生影响。HSBS的优势菌属主要包括Kouleothrix、norank_f__Pleomorphomonadaceae、unclassified_f__Comamonadaceae、Propioniciclava和norank_f__Saprospiraceae，其相对丰度分别为10.9%、6.8%、6.5%、6.1%、5.3%。Kouleothrix属于绿弯菌门，为污水处理系统中常见的丝状菌，尽管该菌属与污泥膨胀有关，但是对污水中蛋白质、糖类、细胞壁碎片等有机物的降解具有重要作用；unclassified_f__Comamonadaceae属于变形菌门，可在好氧条件下将NH4+-N氧化为NO2‒-N；兼性厌氧菌Propioniciclava可以将糖类物质转化为小分子乙酸和丙酸，为反硝化反应提供优质碳源；norank_f__Saprospiraceae属于拟杆菌门，能通过胞外酶分解蛋白质实现对胞外聚合物的降解，这与FTIR的结果相一致。此外，HSBS体系中还含有Candidatus_Competibacter、Thiothrix等多种反硝化细菌。因此，HSBS工艺表现出优于传统AON工艺的脱氮效果。

3、结论

①以腐殖土生物功能材料和轻石为接种物开发的HSBS工艺在低DO（0.3~0.7mg/L）条件下对污水中COD、NH4+-N和TN的去除率分别为97.1%、91.2%和84.4%，相应出水浓度分别为11.0、3.5和6.3mg/L，表现出良好的处理效果，特别是对TN的去除率较传统AON工艺提升了12.6%。

②相比传统AON污泥，HSBS污泥表面官能团种类无明显改变，但其污泥絮体结构复杂，粒径较AON污泥增加，有利于提升污泥活性和沉降性。

③HSBS中微生物的丰富度和多样性均高于AON工艺，展现了HSBS微生物群落结构的特异性，其存在具有特殊功能的优势菌属，可提高微生物群落的丰富度和多样性。HSBS中存在Proteobacteria、Patescibacteria、Chloroflexi和Bacteroidota等多种优势菌门，在生化脱氮过程中发挥着重要作用，增强了系统对污水中污染物的去除效能。