水力停留时间对青藏高原地区厌氧-缺氧-好氧-生物接触氧化（A2O-BCO）工艺的影响：处理效果、微生物群落结构、应激反应及作用机制

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Effects of hydraulic retention time on an anaerobic-anoxic-oxic-biological contact oxidation (A2O-BCO) process in the Tibetan Plateau habitat: Treatment performance, microbial community structure, stress response, and mechanisms

本研究在西藏高原地区提出并验证了A2O-BCO工艺，通过调整水力停留时间优化微生物群落结构，显著提升BOD5、NH3-N、TN和TP去除效率达91.7%、82.4%、77.8%和76.1%，其中40小时HRT效果最佳，有效缓解高原环境微生物活性低、多样性差的问题。

　　

郝凯月|赵雅倩|赵丽帅|陈向宇|魏婷|宗永晨

中国陕西省西安市西安理工大学干旱地区水工程生态与环境国家重点实验室，邮编710048

摘要

青藏高原地区独特的栖息地和环境条件会改变微生物结构，降低微生物群落的丰富度和多样性，从而导致活性污泥难以生存，污染物去除效果不佳。本研究提出了一种厌氧-缺氧-好氧工艺结合生物接触氧化（简称A²O-BCO）的处理方法，并详细考察了该工艺在不同水力停留时间（HRT）下的运行效果。试验结果表明，A²O-BCO工艺对BOD₅、NH₃-N、TN和TP的去除效率分别为91.7 ± 5.1%、82.4 ± 7.1%、77.8 ± 8.1%和76.1 ± 7.7%。更重要的是，研究证实了HRT对A²O-BCO工艺的关键作用。通过分析微生物群落的结构和组成、优势菌属及功能分类、功能基因、酶类、代谢途径以及污染物代谢过程中的功能模块，发现norank_f__AKYH767和IMCC26207是该地区的主要优势菌属。最佳HRT为40小时，这有助于增加微生物群落的多样性，弥补其多样性和丰度的下降。

引言

青藏高原平均海拔超过4000米，属于世界最高地区之一，被誉为“地球的第三极”、“亚洲的水塔”以及“地球上最后的净土”[1]。其独特的生态环境使得该地区的微生物群落具有特殊性。尽管青藏高原水资源丰富，但近年来人口增长、经济发展及城市化进程加快导致了废水排放和环境污染问题，给市政污水处理厂（WWTP）的基础设施和处理能力带来了巨大压力[2]。由于污水处理主要依赖活性污泥中的微生物代谢作用来去除有机物、氮（N）和磷（P），而青藏高原的高海拔、低气压、低溶解氧、强紫外线辐射、年平均温度低以及较大的温差等气候条件使得生态环境极为脆弱[3]。这些因素不仅显著影响进水温度和废水特性，还决定了微生物群落的结构、活性和功能，使其与平原地区的微生物群落存在显著差异[2]、[4]、[5]。随着海拔升高，微生物的生长、繁殖和代谢活动受到抑制，导致微生物多样性和丰度显著下降[6]、[7]。这些不利因素导致活性污泥培养困难、污染物去除效果不佳以及出水水质不达标等问题。

青藏高原的污水处理厂主要采用厌氧-缺氧-好氧（A²O）工艺。由于亚硝酸盐氧化菌（NOB）和磷酸盐积累菌（PAO）的适宜生长条件不同，反硝化菌与PAO之间对碳源的竞争以及回流污泥中的硝酸盐含量会影响系统的运行效果[8]、[9]，进而导致处理效果不佳、出水水质不达标[10]、[11]。研究表明，将A²O工艺与生物接触氧化结合（简称A²O-BCO，也称为“双污泥”工艺）可以提高磷酸盐（PO₄^3--P）、总磷（TP）和总氮（TN）的去除效率[12]、[13]，同时实现“一碳多用”，缓解不同微生物菌群对碳源的竞争[14]、[15]。此外，该工艺无需反冲洗，具有成本低、操作简便、抗冲击能力强等优点[16]。目前关于A²O-BCO工艺的研究主要集中在COD/N比例对平原地区处理效果的影响上[16]，而对其水力停留时间（HRT）影响的研究较少。实际上，HRT是影响该工艺污染物去除效果和微生物群落结构的关键参数[17]。已有研究表明，在平原地区，Dechloromonas [18]、[19]、Nitrospira [20]、Thauera [21]、Candidatus Accumulibacter [22]和Rhodobacter [23]等菌类与A²O工艺或改良A²O工艺中的氮和磷去除有关。高海拔和HRT可能同时影响微生物群落的结构和功能，以及碳（C）、氮（N）、磷（P）等污染物的代谢关系及相关功能蛋白、酶和基因的丰度。然而，针对青藏高原地区的研究仍处于初步阶段。因此，有必要深入探讨该地区的A²O-BCO工艺机制。本研究旨在通过实验室规模的实验，探讨不同HRT条件下A²O-BCO工艺中微生物群落的结构、丰度以及碳、氮、磷的代谢途径及相关功能基因和酶的作用，以填补相关知识空白。

实验设置与操作模式

A²O-BCO工艺在西藏农牧大学实验室进行（坐标：北纬29°39′59″，东经94°20′34″，海拔2997.7米）。系统采用透明亚克力板构建（图2）。厌氧池和缺氧池的总体积均为6.5升（长20厘米、宽10厘米、高32厘米），并配备搅拌器；好氧池体积为16.5升（长52厘米、宽10厘米、高32厘米）。

BOD₅、NH₃-N、TN和TP的去除效果

根据水质监测数据，分析了不同HRT下A²O-BCO工艺中各种污染物（BOD₅、NH₃-N、TN和TP）的浓度和去除效率（图3）。

如图3(a)所示，进水BOD₅浓度范围为165.0至495.0毫克/升，平均值为274.2毫克/升。不同HRT下BOD₅的去除效率无明显变化（P = 0.71 > 0.05，表1），但HRT为45小时时去除效率达到91.7 ± 5.1%（其余HRT下为87.5%）。

结论

所提出的A²O-BCO工艺在青藏高原地区表现出优异的污染物去除效果，BOD₅、NH₃-N、TN和TP的去除效率分别为91.7 ± 5.1%、82.4 ± 7.1%、77.8 ± 8.1%和76.1 ± 7.7%。尽管该地区微生物群落的多样性和丰度有所下降，但A²O-BCO工艺仍能部分弥补这一缺陷。研究发现，norank_f__AKYH767和IMCC26207是该地区的主要优势菌属。

作者贡献声明

郝凯月：负责撰写初稿、软件开发、方法设计、数据分析、概念构建及数据整理。魏婷：数据可视化、验证及分析。陈向宇：数据验证、资源管理及数据整理。赵丽帅：软件开发、数据分析。赵雅倩：撰写修订稿、项目监督及概念构建。宗永晨：撰写修订稿、项目监督及资金申请。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本研究结果的财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢以下项目对本研究的支持：林芝市科技计划项目（项目编号：XDHZ-2025-03）；西藏农牧大学人力资源开发计划（项目编号：XZNMXYRCXM-2024-03）。第一作者还获得了中国留学基金委提供的西班牙阿尔卡拉大学博士联合培养项目奖学金（项目编号：202308610325）。