SBR实验装置如图1所示，高360 mm，内径170 mm，总有效容积为7.6 L。反应器外部留有充水夹层，水温由冷却水循环器(上海施都凯仪器设备有限公司，1L-008-02，可控温度为−20~20 ℃)控制。

2个反应器分别编为1^#(空白对照)、2^#(投加介体)，水温控制为(10±1) ℃，搅拌速度控制在100~120 r∙min⁻¹，进水由计量泵调节控制，反应时间由计时器控制。反应器的工作周期为12 h，每个周期的设定为进水15 min、厌氧反应1.5 h、缺氧反应5.5 h、排水15 min、待机4.5 h。采用多次均匀投加的方式，每周期向2^#反应器投加介体NQS(浓度为100 µmol∙L⁻¹)。

厌氧结束时为投加人工配置的硝酸盐溶液营造缺氧环境，浓度为(40±5) mg·L⁻¹。进水的pH用HCl和NaOH调到7.0左右，防止生成磷酸盐沉淀。每天9点定时(取样时间点为0、5、10、20、30、60、90、95、100、110、120、150、210、300、420 min)从2个反应器的出水口取样，测其pH、总氮、总磷、磷酸盐等指标。

进水为人工配置的模拟生活污水，为了使配水尽量接近常规废水，在配水中投加10 mg·L⁻¹的氯化铵。丙酸钠、硝酸钾、磷酸二氢钾提供微生物代谢所需的碳源、氮源和磷源。进水水质指标：COD为385 mg·L⁻¹、TN为(70±5) mg·L⁻¹、TP约为15 mg·L⁻¹。配水其他成分：167 mg·L⁻¹ MgSO₄、70 mg·L⁻¹ CaCl₂·5H₂O、4 mg·L⁻¹ FeSO₄。微量元素的组成：0.24 mg·L⁻¹ CoCl₂·6H₂O、1.5 mg·L⁻¹乙二胺四乙酸(EDTA)、0.43 mg·L⁻¹ ZnSO₄、0.99 mg·L⁻¹ MnSO₄、0.22 mg·L⁻¹ Na₂MoO₄·2H₂O、0.25 mg·L⁻¹ CuSO₄·5H₂O。

1)实验中常规指标的分析方法^[10]：${\rm{NO}}_2^ -$-N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法；${\rm{NO}}_3^ -$-N采用紫外分光光度法；TN采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法；TP采用过硫酸钾消解法；${\rm{PO}}_4^{3 - }$采用钼锑抗分光光度法。

2)磷的形态分析。将污泥中的磷分为SRP、弱吸附态磷(NH₄Cl-P)、可还原态磷(BD-P)、金属氧化物结合态磷(NaOH-P)、钙结合态磷(HCl-P)、有机磷(Org-P)。参考Hupfter改进的Psenner连续提取法^[11-12]，具体步骤见图2。每步提取多次重复, 提取液经5 000 r∙min⁻¹离心30 min, 上清液用0.45 μm滤膜过滤后测可溶性磷；最后所得泥饼在105 ℃下干燥至恒重，520 ℃灼烧2 h，加入3.5 mol∙L⁻¹的盐酸，振荡提取16 h，然后测定可溶性磷含量。有机磷用灼烧法(450 ℃，2 h)测定。

反应系统接种天津市某污水处理厂的活性污泥后，采用三段式驯化反硝化聚磷菌(DPAOs)。第1阶段中的活性污泥在常温25 ℃厌氧/好氧条件下培养约20 d，2个反应器中总磷的去除率稳定在85%左右，使聚磷菌成为优势菌群；第2阶段中的活性污泥在常温25 ℃厌氧/缺氧条件下驯化约30 d，2个反应器中总磷的去除率稳定在85%左右，硝酸盐氮的去除率稳定在50%以上，驯化出具有反硝化除磷的活性污泥；第3阶段中的活性污泥在低温(10±1) ℃厌氧/缺氧条件下驯化约55 d，总磷、硝酸盐氮的去除率分别稳定在85%和50%以上，驯化出适应低温的反硝化聚磷菌。

低温(10±1) ℃条件下，随着反应的进行，反应器中总氮、硝态氮、亚硝态氮浓度的变化如图3所示。由图3(a)可以观察到，在缺氧阶段2个反应器的总氮浓度均呈下降趋势，并以持平的反硝化速率进行，直至60 min后，空白对照中的脱氮速率开始逐渐减缓，而投加介体NQS的系统仍以较快速率降解总氮，直至反应结束2个反应器中总氮去除速率分别为4.82 mg∙(L∙h)⁻¹和6.96 mg∙(L∙h)⁻¹，介体NQS使总氮去除速率大幅度提高。缺氧结束时1^#和2^#中总氮的浓度分别为43.84 mg∙L⁻¹和36.10 mg∙L⁻¹，脱氮效率分别为37.67%和51.47%，2^#反应器的脱氮率较1^#提高了1.37倍。图3(b)也显示出2^#反应器中硝酸盐氮的降解速率持续以高于1^#空白的速率进行直至第300 min，反应结束时2个系统中硝酸盐氮去除速率分别为3.29 mg∙(L∙h)⁻¹和6.96 mg∙(L∙h)⁻¹，介体NQS的投加明显促进了硝酸盐氮的降解速率。2个反应器中硝态氮起始浓度分别为35.98 mg∙L⁻¹和39.57 mg∙L⁻¹，反应结束时硝态氮的浓度降为17.88 mg∙L⁻¹和1.28 mg∙L⁻¹，去除率分别为50.31%和96.77%，2^#反应器中硝态氮去除率是空白的1.92倍。

YIN等^[13]也在研究不同氧化还原介体对反硝化脱氮性能影响的过程中，发现35 ℃时投加蒽醌(AQ)、2-甲基-1,4-萘醌(ME)、2-羟基-1,4-萘醌(LAW)3种介体，浓度分别为75、25、75 μmol∙L⁻¹，相比空白实验，总氮去除率可分别提高了1.60、1.25、2.08倍，与本实验具有相似的脱氮效果。由此可见，投加NQS为解决冬季低温脱氮效果差的问题提供了新的思路。

亚硝态氮的含量在2个反应器中的变化趋势差异明显，结果如图3(c)所示。2^#亚硝态氮快速积累，经过30 min达到最大量，为39.78 mg∙L⁻¹，因为在此阶段内，2^#反应器中对应的硝态氮含量急剧下降，硝态氮被还原，导致亚硝态氮快速生成。随着反硝化脱氮的进行，亚硝态氮逐渐被还原，反应结束时仍剩余17.48 mg∙L⁻¹的亚硝态氮。1^#中亚硝态氮在缺氧阶段初期时少量增加后迅速下降，反应结束时没有亚硝态氮的积累。

氧化还原介体对硝酸还原酶、亚硝酸还原酶活性影响的不平衡可能是亚硝酸盐氮积累的主要原因^[13]。硝酸还原酶是一种氧化还原酶，可催化硝态氮还原成亚硝态氮，从而提高反硝化速率。YIN等^[13]的研究表明，在空白系统中亚硝酸还原酶活性相比硝酸还原酶活性较高，亚硝酸还原酶将亚硝酸盐降解为NO或NH₃，从而减少污水中亚硝态氮的积累；而ME的投加使硝酸还原酶活性增强了1.97倍，使硝态氮迅速转化为亚硝态氮，造成亚硝态氮的积累。因此，本实验中介体NQS很可能使硝酸还原酶活性提高，从而促进了亚硝态氮的生成过程。

在低温(10±1) ℃条件下，反应系统中总磷、磷酸盐浓度随时间的变化结果如图4所示。由图4可以看出，随着反应时间的进行，总磷和磷酸盐的浓度先升高后下降，2^#反应器对总磷、磷酸盐的去除效果优于1^#。

在1^#和2^#反应器中的起始总磷浓度分别为15.36 mg∙L⁻¹和14.29 mg∙L⁻¹，经过厌氧释磷后磷浓度分别达到23.52 mg∙L⁻¹和20.29 mg∙L⁻¹，释磷量分别为8.16 mg∙L⁻¹和6.00 mg∙L⁻¹。厌氧反应结束后，通过蠕动泵抽入人工配置的硝酸盐废水形成缺氧条件，反应器中的DPAOs由厌氧释磷转变为缺氧吸磷。2个反应器以相同速率吸磷，直至150 min时，2^#反应器开始以高于1^#的速率进行反应，在结束时1^#和2^#反应器出水总磷已降至7.15 mg∙L⁻¹和0.50 mg∙L⁻¹，去除率分别达到了53.45%和96.50%，投加介体NQS反应器相对于空白对照提高了1.81倍。在缺氧吸磷阶段，1^#和2^#反应器中的总磷降解速率分别为1.49 mg∙(L∙h)⁻¹和2.51 mg∙(L∙h)⁻¹，这说明介体的投加对除磷具有很强的促进作用。磷酸盐浓度随时间的变化趋势与总磷变化一致，结果如图4(b)所示。1^#和2^#反应器中的磷酸盐的去除率分别为50.07%和97.32%，与空白对照相比，投加介体NQS反应器的除磷率提高了1.94倍。

根据物料平衡计算，1^#反应器中缺氧初始${\rm{NO}}_3^ -$-N和${\rm{PO}}_4^{3 - }$-P分别为35.98 mg∙L⁻¹和23.95 mg∙L⁻¹，缺氧末端${\rm{NO}}_3^ -$-N和${\rm{PO}}_4^{3 - }$-P分别为17.88 mg∙L⁻¹和6.74 mg∙L⁻¹，缺氧脱氮量/缺氧吸磷量为1.05，即吸收1 mg的${\rm{PO}}_4^{3 - }$-P大约需要1.05 mg的${\rm{NO}}_3^ -$-N；2^#反应器中缺氧初始${\rm{NO}}_3^ -$-N及${\rm{PO}}_4^{3 - }$-P分别为39.57 mg∙L⁻¹和20.52 mg∙L⁻¹，缺氧末端${\rm{NO}}_3^ -$-N及${\rm{PO}}_4^{3 - }$-P分别为1.28 mg∙L⁻¹和0.38 mg∙L⁻¹，缺氧脱氮量/缺氧吸磷量为1.90。可见，低温(10±1) ℃时，投加NQS的反应系统中反硝化除磷率是空白对照组的1.81倍。ZHOU等^[14]利用A/O-SBR反应系统研究不同电子受体对DPAOs缺氧吸磷能力的影响时，验证了当${\rm{NO}}_3^ -$-N为电子受体且初始浓度为30 mg∙L⁻¹时，反硝化除磷率是0.89，本实验中的空白对照结果略高于上述报道。

在介体NQS的强化下，系统的反硝化除磷率明显增强。介体NQS促进低温污水反硝化除磷的原因可能是：醌类介体参与反硝化除磷过程的呼吸链，通过NADH脱氢酶和泛醌加速电子从NADH向硝酸还原酶的转移，从而增加反应效率^[15]。醌类介体根据被氧化还原状态的程度分为氧化态醌、还原态氢醌和位于两者之间的半醌，DPAOs能利用NQS作为其电子传递链中的电子受体进行醌呼吸，将其还原成氢醌，氢醌又可被氧化成醌类将电子传递给电子受体${\rm{NO}}_3^ -$，电子在醌、半醌、氢醌之间的转移是完全可逆的，这种可持续的连续氧化还原循环加速了DPAOs反硝化除磷过程中的电子传递^[5,16-17]。氧化还原反应速率与其活化能的大小密切相关，降低活化能会有效地促进反应的进行。DOS SANTOS等^[18]研究发现，空白对照、蒽醌二磺酸钠(AQS)体系的反应活化能分别为27.9 kJ∙mol⁻¹和22.9 kJ∙mol⁻¹，AQS的添加使得反应活化能降低了1.2倍。由此可见，氧化还原介体可能降低了反应过程所需的活化能，从而加速DPAOs的代谢过程。

定时取1^#和2^#反应器中的泥水混合物，测试样品中磷形态的迁移转化过程，其结果如图5和图6所示。由图5可明显看出，各反应器中均以SRP和Fe-P居多，成为磷的主要赋存形态。

在1^#空白反应器中，SRP和Fe-P的含量波动较大，结果如图5所示。SRP在厌氧阶段被释放，浓度增高，在缺氧阶段被吸收，浓度不断减少，Fe-P的变化则相反。Ca-P、弱吸附-P在厌氧阶段的浓度略大于缺氧阶段，Org-P、Al-P则相反。随着反应的进行，SRP在厌氧阶段的0~60 min内迅速增加，浓度达到最大值45.61 mg∙L⁻¹。在90 min时，SRP开始大幅度下降，直至反应结束降至0.62 mg∙L⁻¹。而Fe-P在系统运行前期缓慢下降至12.13 mg∙L⁻¹，从90 min时浓度才开始增加，直至反应结束浓度增加至40.67 mg∙L⁻¹。pH对缺氧吸磷也会产生一定的影响作用，尤其当pH大于8时，污水中磷浓度会因为化学沉淀作用而大幅下降^[19]。在1^#反应器中，pH的升高十分迅速，在反应进行至120 min后，pH到达8.50且持续快速上升，直至反应结束，pH达到9.05，所以pH过大的环境导致污水中的磷酸盐主要与铁盐发生结合形成沉淀。Ca-P、Al-P与弱吸附-P的含量变化不大。Org-P在缺氧阶段浓度升高，说明缺氧阶段微生物细胞内也有一些聚磷的合成。

由图6可以看出，2^#反应器中变化幅度最大的是SRP和Org-P。SRP在厌氧阶段浓度很高，缺氧阶段迅速下降，Org-P的变化则呈相反的趋势。Ca-P、Fe-P和弱吸附-P在厌氧阶段的含量大于缺氧阶段的含量，Al-P则相反。

在厌氧阶段的0~60 min内释放磷，SRP迅速富集，60 min时浓度达到最大值，为35.78 mg∙L⁻¹。在缺氧阶段前10 min时，SRP的剩余量骤降，直至反应结束降至0.33 mg∙L⁻¹，这说明在缺氧阶段反应器中的SRP被微生物细胞吸收或在污泥中形成沉淀，从而导致其浓度下降。而Org-P的变化趋势与SRP恰恰相反，在厌氧反应的0~60 min内，Org-P含量从6.00 mg∙L⁻¹降解到1.10 mg∙L⁻¹，在90 min时Org-P迅速积累至28.01 mg∙L⁻¹。在整个缺氧阶段，Org-P浓度呈现上升趋势，反应结束时浓度达到最高为51.09 mg∙L⁻¹。在生物除磷过程中，Fe-P基本呈现出厌氧阶段减少，缺氧阶段略有升高，可能是由于缺氧阶段pH不断上升，导致少量的磷以与铁盐结合的方式赋存。随着反应的进行，Ca-P缓慢下降，Al-P波动不大，弱吸附-P在厌氧阶段含量较高，缺氧阶段下降至0.31 mg∙L⁻¹。

聚羟基脂肪酸酯(PHA)是微生物在不平衡生长时细胞内储存能量、碳源的聚合物，反硝化除磷过程中积累聚磷与PHA的合成密切相关。厌氧时，DPAOs利用分解聚磷、部分糖原释放的能量来摄取有机物，并以储存PHA及糖原等的形式储存于细胞内；缺氧时，微生物进行氧化磷酸化作用，以体内储存的PHA及污水中可利用的有机物作为能源，供细菌生长、合成糖原及积累聚磷^[20]。介体NQS的投加很可能使反应器中的PHA含量远远大于空白对照组中的含量。在2^#反应器中，厌氧条件下合成的PHA越多，缺氧条件下降解的PHA越多，即有机磷合成量越大，生物除磷的效果越好^[21-22]。

综上所述，介体NQS防止了磷酸盐以沉淀的形式在水中去除，促进了水中磷酸盐向有机磷的转化，进而为微生物生长代谢提供能量，达到了出水磷浓度低、除磷效率高、无需通过排泥除磷的效果。

1)在缺氧阶段，1^#和2^#反应器中总氮降解速率分别为4.82 mg∙(L∙h)⁻¹和6.96 mg∙(L∙h)⁻¹，总磷降解速率分别为1.49 mg∙(L∙h)⁻¹和2.51 mg∙(L∙h)⁻¹，低温时介体NQS使总氮、总磷去除速率大幅度提高。

2)在1^#反应器中，缺氧脱氮量/缺氧吸磷量为1.05；在2^#反应器中，缺氧脱氮量/缺氧吸磷量为1.90。在低温(10±1) ℃时，介体NQS使系统的反硝化除磷率明显增强。

3)在磷形态的迁移转化过程中，介体NQS使污泥中更多的磷酸盐以有机磷的形式赋存，更有利于生物除磷。