实验中使用的印染废水来自某印染园区废水处理厂初沉池出水，该厂废水处理量为6×10⁴ t·d⁻¹，进水水质指标如表1所示。

实验装置工艺流程及中试装置见图1和图2。中试反应器的材质为碳钢，设计参数见表2。生物吸附池设计参数：HRT为1 h、SRT为2 d、DO为0.3 mg·L⁻¹、MLSS控制在7 000 mg·L⁻¹。MBBR池设计参数：SRT为20 d、DO为7 mg·L⁻¹、MLSS维持在5 000 mg·L⁻¹。硫自养脱氮滤池HRT为0.5 h，片状硫磺填料购自于郑州凯盈化工有限公司。活性焦柱的HRT为0.5 h，各单元进水方式均为下进上出。

实验运行主要分为3个阶段：第1阶段(1~20 d)为启动阶段；第2阶段(20~80 d)为参数优化阶段，通过优化HRT、DO及加药条件，得到组合工艺的最佳污染物性能；第3阶段(80~100 d)为稳定阶段，在最优参数下运行中试系统，验证系统处理效果的稳定性。同时为研究该高效低耗组合工艺的微生物菌群特征，每天监测进出水常规污染物指标，周期性采集各生物池污泥样本，进行污泥菌群结构测试。中试系统各阶段运行参数见表3。

COD、NH₃-N、TN、TP等指标采用文献中的方法^[6]测定。

将待测样品置于岛津总有机碳分析仪上，检测总有机碳含量,用去离子水稀释，直到总有机碳浓度低于10 mg·L⁻¹，采用日立F7000荧光分光光度计进行三维荧光(excitation emission matrix spectra，3D-EEM)测试。本实验以10 nm为增量，激发波长为200~400 nm，发射波长为280~500 nm，扫描速度为12 000 nm·min⁻¹。最后使用Origin软件对三维荧光光谱数据进行处理^[7]。

采用傅里叶红外光谱(fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR)对化合物进行定性分析，分析光谱图中的出峰位置以判断样品中可能含有的官能团结构^[8]。实验采用红外光谱仪(VERTEX 70型，德国)^[9]，波数为4 000~400 cm⁻¹，实验前将水样在干燥机中进行风干，然后将风干后的样品磨成粉末，最后利用红外光谱仪进行扫描。

样品预处理采用固相萃取方式，首先依次用5 mL二氯甲烷和10 mL甲醇清洗和活化固相萃取柱，进样后依次用4 mL甲醇/乙酸乙酯(体积比为50∶50)和2 mL含1.7%甲酸的甲醇/乙酸乙酯(体积比为50∶50)洗脱，最后采用氮气进行吹脱，定容样品至1 mL^[10]。

采用美国赛默飞世尔科技有限公司的气相色谱-质谱联用仪(gas chromatography-mass spectrometer，GC-MS)进行实验，仪器型号为TSQ8000，色谱柱为DB-35毛细管色谱柱^[11]。

采用OMEGA E.Z.N.A. Soil DNA Kit(美国 Omega Bio-tek公司)DNA抽提试剂盒对污泥样品种的DNA进行提取，将DNA产物作为模板，采用细菌16S rDNA扩增的通用引物341F(5′-CCTACGGGNGGCWGCAG-3′)和785R(5′-GACTACHVGGGTATC TAATCC-3′)进行2轮扩增及PCR产物纯化，PCR的反应扩增体系为25 μL，成分为2.5 μL的Taq Buffer(10×Ex)缓冲液、1 μL的dNTP、0.5 μL的正反向引物、0.1 μL的Takara Ex Taq聚合酶和10 ng的DNA，加超纯水至25 μL，混匀、离心。第1轮PCR反应条件为：94 ℃变性3 min，94 ℃变性10 s，55 ℃退火15 s，在72 ℃延伸30 s，共循环20次，最后于72 ℃保持7 min。PCR反应的第1轮产物纯化后直接进行第2轮扩增纯化，其反应条件为：94 ℃变性3 min，94 ℃变性10 s，然后55 ℃退火15 s，在72 ℃延伸30 s，总共循环5次，最后于72 ℃保持7 min。第2轮实验结束后，将样品置于-20 ℃条件下保存^[12]，后续进行Illumina Miseq测序，本实验中数据库的建立是在上海晶能生物有限公司完成的。

组合工艺对COD的去除效果如图3所示。可以看出，进水COD为490~1900 mg·L⁻¹时，进水波动较大，在启动阶段，出水COD为90~160 mg·L⁻¹，去除率为70%左右。生物吸附池可去除COD约100~300 mg·L⁻¹，经过MBBR池处理后，COD进一步下降，MBBR池出水COD约为180~200 mg·L⁻¹。在后续进行混凝沉淀处理时，可进一步去除颗粒态COD，混凝沉淀池出水COD约为100~140 mg·L⁻¹。由于硫自养反硝化反应属于自养反应，不利用外源碳源，因此，后续硫自养反硝化池整体对COD基本没有去除效果。成功启动中试后，调整各个单元的DO和HRT，确定整套中试装置的最佳运行条件。经调试后，确认最佳运行参数，并以最优参数稳定运行20 d，在该阶段内本套工艺对COD的去除效率达到88%左右，出水COD约为15~28 mg·L⁻¹，稳定达到DB 32-2018新标准中COD的排放限值(40 mg·L⁻¹)。

生物吸附-MBBR-硫自养反硝化-活性焦滤池工艺是通过MBBR池在好氧条件下可将进水中的氧化转化为硝态氮，再由硫自养反硝化滤池进行反硝化，进一步去除硝态氮，从而达到较好的脱氮效果。图4为组合工艺对氮的去除效果。可以看出，进水TN浓度为13.08~30.59 mg·L⁻¹，平均值约为21.94 mg·L⁻¹，启动阶段MBBR池中填料并未完全挂膜成功，且硫自养反硝化菌驯化效果较差，出水TN浓度约为4.58~11.37 mg·L⁻¹。经过后续运行参数调整后，在生物吸附池的DO和HRT分别为1 mg·L⁻¹和1.2 h，MBBR池的DO和HRT分别为7 mg·L⁻¹和12 h，硫自养反硝化滤池和活性焦滤池的HRT分别1 h 的条件下，系统脱氮效果达到最佳。二沉池出水NH₃-N浓度低至0 mg·L⁻¹，最终出水TN浓度稳定维持在5 mg·L⁻¹以下,稳定达到DB 32-2018新标准中TN的排放限值(10 mg·L⁻¹)。

图5为组合工艺对磷的去除效果。可以看出，进水中TP浓度为2.12~4.98 mg·L⁻¹，由于印染废水中磷含量较市政污水中处于较低水平，因此，本工艺中采用完全化学除磷的方式进行除磷，本实验选取PAC作为除磷药剂。在启动和参数优化阶段，出水TP浓度为0.08~1.53 mg·L⁻¹，通过对运行参数的优化，确定最佳除磷药剂投加量为50 mg·L⁻¹，且在稳定运行阶段出水TP浓度下降明显，出水TP约为0.03~0.29 mg·L⁻¹，出水稳定达到DB 32-2018新标准中TP的排放限值(0.30 mg·L⁻¹)。

三维荧光光谱可以通过其荧光强度的变化来体现相对物质的变化规律^[13]，实验结果如图6所示。进水、生化池出水和混凝沉淀池出水中均出现2类明显的荧光峰，分别为类蛋白荧光峰、类富里酸荧光峰。类蛋白荧光峰位于Ex/Em=(265~295) nm/(310~345) nm，其中又包含2种荧光峰，分别为类色氨酸荧光峰和类酪氨酸荧光峰。类色氨酸荧光峰位于Ex/Em=(265~285) nm/(310~330) nm，类酪氨酸荧光峰位于Ex/Em=(275~295) nm/(325~345) nm；类富里酸荧光峰位于Ex/Em=(240~270) nm/(370~440) nm，其中也包含2类荧光峰，分别为紫外类富里酸荧光峰和可见类富里酸荧光峰。紫外类富里酸荧光峰位于Ex/Em=(235~245) nm/(330~370) nm，可见类富里酸荧光峰位于Ex/Em=(250~255) nm/(445~465) nm，未检测出类腐殖酸荧光峰。由此可知，印染废水中以类富里酸和类蛋白质物质为主。类蛋白和类富里酸类物质的荧光峰强度从进水至出水呈现明显降低趋势，说明经过生化处理及混凝沉淀工艺能有效去除该类有机物。出水中酪氨酸/色氨酸类物质仍然部分残留，这说明该类物质为惰性物质，较难被生物降解或吸附降解^[14]，因此，在出水中仍保留一定的荧光强度。

傅里叶红外光谱分析(FT-IR)可通过分析有机化合物的分子结构，从而揭示有机污染物的去除特性^[15]。如图7所示，印染废水经由二级处理和深度处理后，各样品的特征吸收峰出峰位置基本没有发生变动，其中代表性官能团主要分为以下几类，在3 500~3 350 cm⁻¹处有较明显的C—OH的对称伸缩振动谱带，这说明水样中糖类有机物质较多，且该类物质较易被降解去除^[16]；在1 500~1 750 cm⁻¹处发现有较弱的不饱和C=O双键的伸缩振动吸收峰，在环境演变过程中，这些C=O不饱和键会逐渐转化为醛、酮、羧酸、酯类等物质，这说明可能存在含有氨基基团的酯类长链有机物质或酰胺类化合物，其可能为某类微生物代谢产物，这与表4中分析检测出的有机物成分一致；在1 400 cm⁻¹处存在明显的C—O—C的伸缩振动峰，这说明可能存在某类染料中间体(酯类物质)^[17]，由于炭基吸附剂对该类疏水性酯类物质有较好的吸附效果，因此，经过活性焦吸附池后该类峰强度明显减弱；在1 175 cm⁻¹处发现C—O的伸缩振动峰，该类峰强度并未发生显著变化，这说明存在某类醇类物质，其难以被中试系统降解。

为验证和确定印染废水中主要难降解有机物的成分，利用GC-MS检测分析了组合工艺各单元出水中所含的有机污染物。中试各工艺单元的有机物分析结果见表4。进水中主要含有14种物质，包括醇、酮、胺和苯类衍生物等。经二级处理后，废水中有机物种类减少5种，主要存在9种有机物质，其中，醇类物质、酮类物质及多种苯胺类和喹啉类物质得到降解。经过混凝沉淀处理后，有机污染物种类数量得到较大去除，其中酸类物质均被去除，表明该类物质虽较难被生物降解，但可通过投加药剂去除。在经过活性焦滤池深度处理后，出水中有机物成分无显著减少，说明活性焦滤池之前的处理系统对有机物已达到了较好的去除效果。此外，发现出水中存在2,4-二叔丁基酚和N-甲基三氟乙酰胺成分，这2类物质广泛存在于各工艺单元，难以被系统去除，为该印染废水中的难降解特征有机污染物。

为探究中试系统各单元微生物菌群结构与有机物的去除和脱氮除磷的内在关系，通过高通量测序技术对生物单元内微生物的群落结构进行解析。

Alpha多样性分析用来研究细菌群落的丰富度和多样性^[18]，包括Shannon、Chao、Ace、Simpson、覆盖率等统计学分析指数。接种污泥、生物吸附池、MBBR池和硫自养反硝化段微生物多样性指数分析如表5所示。在不同反应器中的样品覆盖率均达到99%以上，表明本次测序结果真实地反映样品中微生物群落结构组成特征^[19]。根据Chao、Ace指数结果可知，生物吸附池微生物丰富度最高，这可能与印染废水中污染物数量，以及微生物的增殖、适应和选择等生物学过程有关^[20]，在生物吸附池的富集下，出现能适应其环境的微生物群落，使生物吸附池菌群丰富度最高。相比生物吸附池，MBBR池的微生物丰富度略微下降，这可能是因为吸附池内微生物菌群无法进入MBBR池，而且MBBR池的有机负荷率较低。与生物吸附池和MBBR池相比，硫自养反硝化滤池的微生物丰富度指数Chao和Ace，以及多样性指数Shannon和Simpson明显有所下降，这表明硫自养反硝化滤池内微生物种群种类和结构相对单一^[21]。

在进行系统微生物群落组成分析时，为了探究在组合工艺中微生物群落组成与污染物去除的内在关系，进一步解析反应器内微生物的群落结构组成^[22]。如图8所示，各个单元中污泥所含的微生物分属35个门，主要包括Proteobacteria(变形杆菌门)、Planctomycetes(链霉菌门)、Firmicutes(厚壁菌门)、Chloroflexi(绿弯菌门)、Bacteroidetes(拟杆菌门)和Actinobacteria(放线菌门)。其中Proteobacteria和Firmicutes是污水处理厂活性污泥系统和废水生物处理中的主要菌门，具有可降解有机物及脱氮除磷的功能，因此，整套工艺具有较好去除COD及脱氮除磷的功能^[23]。由于接种污泥取自某印染废水处理厂好氧池，且生物吸附池和MBBR池均为好氧环境，因此，三者优势菌门较为相似。由于进水中碳源含量较低且${\rm{NO}}_3^ - $-N浓度高及缺氧生存环境使纯硫自养反硝化滤池内微生物多样性降低，种群种类和结构相对单一，Proteobacteria菌门所占比例高达60%左右，是所有菌门中的绝对优势菌门，该菌门在可能在废水污染物的去除过程中发挥重要作用。

实验进一步对样品中微生物群落组成的属水平进行分析，结果见图9。生物吸附池中Alkalibacter和Arcobacter菌属的相对丰度较高，其中Arcobacter菌属为一种较常见的致病菌属^[24]，可能由于印染废水中成分较为复杂，生物吸附池直接与印染废水来水进行反应，受冲击可能性较大，但同时生物吸附池内微生物种类较为丰富，可在较短时间内进行吸附作用，降解印染废水中较易被去除的污染物。由于MBBR中填料的投加以及较好的曝气条件，Nitrospira菌属的相对丰度明显上升，赋予MBBR池较好的硝化能力，且悬浮填料可为微生物提供一个较好的黏附骨架，微生物可在填料上较好地挂膜生长，随着时间的累积，可形成较厚的生物膜，生物膜内部氧传质效果较差^[25]，因此，在内部形成厌氧及缺氧区域，悬浮填料上存在Armatimonadetes_gp5等厌氧菌，其中部分菌属可进行反硝化反应。硫自养反硝化滤池中优势菌属是Georgfuchsia菌属和Ignavibacterium菌属，Georgfuchsia菌属具有降解多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbon，PAHs)功能，这可能由于进水中仍含有大量芳香类难降解有机物，因此，该类菌属可在硫自养池中得到富集。Ignavibacterium菌属为常见的脱氮还原菌属^[26]，可将${\rm{NO}}_3^ - $-N还原生成N₂，因此，硫自养池具有较好的脱氮功能。

中试装置运行成本主要包含除磷药剂、填料费用及设备运行电耗3部分。如表6和表7所示，反应器在100 d的运行期间内，处理总污水量约为12 500 m³，除磷药剂使用量约为2 500 kg，硫磺填料约为400 kg，活性焦填料约为300 kg。所选用的工业级硫磺市场价格为1 900 元·t⁻¹，活性焦市场价格为7 600元·t⁻¹，除磷药剂采用的聚合氯化铝市场价格为1 500元·t⁻¹。因此，填料部分费用约为3 040 元，药剂消耗费用为3 750 元。主要的耗电设备为进水泵、鼓风机、回流泵和搅拌器，反冲泵电耗费用可忽略不计。进水泵功率为0.75 kW，搅拌器功率为1.5 kW，鼓风机功率为4 kW，回流泵功率为0.37 kW；综上所述，中试系统设备运行电耗成本费用合计1.287 元·t⁻¹，设备运行药耗费用合计0.542 元·t⁻¹，电价按照所在地工业用电价格(0.62 元·(kWh)⁻¹)计，总电耗费用为16 125 元。相比而言，中试系统的处理成本约为1.83 元·m⁻³，显著低于实际污水处理厂(2.50 元·m⁻³)。由于该实验所选用泵的功率偏大，一定程度上增加了处理费用，优化后的水处理费用要低于该值，若该组合工艺被推广应用进而形成规模效应，可显著降低印染废水处理成本，节约社会资源。

1)中试运行结果表明，在生物吸附池(HRT为1.2 h，DO为1 mg·L⁻¹)、MBBR池(HRT为12 h，DO为7 mg·L⁻¹)、硫自养反硝化滤池(HRT为1 h)和活性焦滤池(HRT为1 h)的条件下，系统达到最优处理效能，出水COD、NH₃-N、TP和TN浓度均可稳定达到DB 32-2018新标准中的污染物排放限值。

2)由3D-EEM、FT-IR和GC-MS的分析结果可知，印染废水中以类富里酸和类蛋白质物质为主，系统出水中酪氨酸/色氨酸类物质仍然部分残留，这说明该类物质为惰性物质，较难被生物降解或吸附降解，典型官能团包括C—OH、C—O和C—O—C等，进水中主要含有14种物质，包括醇、酮、胺和苯类衍生物等，其中2,4-二叔丁基酚和N-甲基三氟乙酰胺成分为系统主要难降解有机物。

3)通过16S rDNA基因序列分析发现，生物吸附池微生物丰富度最高，各工艺段中群落组成的菌门种类几乎相同，Proteobacteria和Bacteroidetes菌门是各工艺段的优势菌门，微生物群落结构门水平的分析表明了不同的反应器形成了不同的主导微生物，启动和优化过程中，微生物菌群结构发生着改变，整套工艺提供了较好的脱氮优势菌属。

4)经核算，生物吸附-MBBR-混凝沉淀-硫自养-活性焦中试系统的处理成本约为1.83 元·t⁻¹，低于实际污水处理厂(2.50 元·t⁻¹)，若该组合工艺被推广应用进而形成规模效应，可显著降低废水处理成本，从而达到实现节能降耗的目的。