所研究的污水处理厂现有处理工艺流程见图1。高密度沉淀池通过在混合区投加混凝剂和絮凝剂，使药剂与原水充分混合，沉淀去除水中的正磷酸盐(${\rm{PO}}_4^{3 - }$-P)^[6]。纤维转盘滤池是近来年发展起来的一种表层过滤技术^[7]，由水平安装的转盘和中央给水管组成，滤池中采用的有机纤维毛滤布孔隙在10 μm以下，污水在重力压差的作用下截留悬浮固体物质，从外向内流经滤布，通过中空管收集过滤后的出水。

实验装置示意图见图2，装置主体为反硝化生物膜滤池，附属设施包括碳源投加系统、除磷投药系统、反冲洗系统和自动控制系统。新型生物膜-微絮凝滤池为下向流，滤池长2.2 m，宽1.1 m，总高5.0 m，自上而下分别为自由水层、工作层、承托层和配水层，高度分别为1.0~1.5、1.0~1.5、0.3和0.2 m。日处理设计规模120 m³·d⁻¹，水力停留时间(HRT) 1.0~1.2 h。滤料层由工作层和承托层组成，工作层滤料采用圆形陶粒，粒径为5~10 mm；承托层滤料为卵石，粒径为30~50 mm。滤池的进水、出水、反冲洗及压缩空气通过可编程序逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)实现自动化控制，可调节加药量、反冲洗强度、曝气量等运行参数。二沉池出水经提升泵由滤池顶部的配水堰进入滤池，经过浅层陶粒滤床的生物脱氮和微絮凝作用去除水中的TN、TP和SS。

福州某城镇污水处理厂二沉池出水的主要水质指标为：化学需氧量(COD) 12~23 mg·L⁻¹，TN质量浓度7.8~15.5 mg·L⁻¹，${\rm{NO}}_3^ -$-N质量浓度6.6~12.5 mg·L⁻¹，氨氮(${\rm{NH}}_4^ +$-N)质量浓度0.5~2.1 mg·L⁻¹，TP质量浓度0.19~0.44 mg·L⁻¹，${\rm{PO}}_4^{3 - }$-P质量浓度0.14~0.38 mg·L⁻¹，SS质量浓度14~23 mg·L⁻¹，pH为6.5~7.3，水温19.5~32.4 ℃。

实验中COD值采用快速消解分光光度法测定，TN质量浓度采用碱性过硫酸钾分光光度法测定，${\rm{NO}}_3^ -$-N质量浓度采用酚二磺酸分光光度法测定，${\rm{NH}}_4^ +$-N质量浓度采用纳氏试剂分光光度法测定，TP质量浓度采用钼酸铵分光光度法测定，采集的水样经0.45 μm微孔滤膜过滤后，其滤液中的${\rm{PO}}_4^{3 - }$-P质量浓度采用钼酸铵分光光度法测定，SS质量浓度采用重量法测定，pH值和水温采用便携式pH计测定。

新型生物膜滤池的启动采用好氧池的活性污泥进行接种培养，取100 L活性污泥，将原水与污泥充分混合后注入滤池，淹没最高处滤料水深达到0.5 m后，打开底部曝气装置，以曝气6 h静置6 h为1个周期，持续2 d，后放空滤池，进行第2次挂膜，重复上述操作。第5天开始逐渐增加负荷进行连续流培养，碳源投加量由30 mg·L⁻¹增加至50 mg·L⁻¹。从运行第5天开始对进、出水中COD、TN、TP和${\rm{NO}}_3^ -$-N等指标进行监测，经过15 d左右的连续培养后，滤池成功启动。

新型生物膜-微絮凝滤池与组合工艺2套系统在相同的进水情况下进行对比实验。新型生物膜-微絮凝滤池系统采用连续进出水模式运行，HRT为1.0~1.2 h，聚合氯化铝(PAC)投加量为3~6 mg·L⁻¹，乙酸钠(CH₃COONa)投加量为25~40 mg·L⁻¹，反应器内混合液的pH维持在6.7~7.5。组合工艺系统的PAC投加量为8 mg·L⁻¹，聚丙烯酰胺(PAM)投加量为0.4 mg·L⁻¹。

在取样口处每24 h采集1次样品，分别测定新型生物膜-微絮凝滤池与组合工艺2套系统进出水中TP、${\rm{PO}}_4^{3 - }$-P、TN、${\rm{NO}}_3^ -$-N和SS质量浓度，对2套处理工艺的污染物去除效果、反冲洗参数、处理成本和综合污染指数进行对比分析；在保证TP和SS去除效果的基础上，调整新型生物膜-微絮凝滤池的碳源投加量，根据滤池出水中的TN和${\rm{NO}}_3^ -$-N质量浓度及相应指标的去除率，确定生物膜滤池反硝化脱氮的最佳C/N；通过捞网从新型生物膜-微絮凝滤池上部打捞滤池内的滤料样品以及在浓缩池中获取组合工艺排出的污泥，利用宏基因组微生物分类测序技术探究2组工艺内微生物群落结构的差异。

样品的预处理：对于组合工艺中的污泥，取新鲜的污泥放入灭菌过的50 mL离心管中，在3 000 r·min⁻¹条件下离心15 min，舍弃上清液，留下底部污泥，分装至灭菌过的1.5 mL离心管中，每份0.5~2 g，放入-20 ℃保温箱中冷冻保存。对于新型生物膜-微絮凝滤池中的滤料样品，取5~10 g滤料置于装有磷酸缓冲盐溶液(PBS缓冲液)的锥形瓶中，放入恒温振荡器中，调节温度为10~15 ℃，在200 r·min⁻¹条件下振荡30~60 min，使生物膜完全脱落，将振荡后的液体经2层无菌纱布过滤掉大颗粒杂质，吸取过滤后的液体用0.22 μm的硝酸纤维素滤膜进行抽滤，过滤后的滤膜放入事先灭菌过的50 mL离心管中保存，液氮速冻15 min后，转移至-20 ℃保温箱中保存。样品预处理后统一寄至第3方检测机构代为测试。

测序中采用试剂盒(E.Z.N.ATM Mag-Bind Soil DNA Kit)提取所有样品的DNA，在聚合酶链式反应(PCR)时采用试剂盒(Qubit3.0)确定反应时DNA的应加量，对16S rDNA基因的V3~V4区域进行PCR扩增，引物的序列采用341F (CCCTACACGACGCTCTTCCGATCTG(barcode)CCTACGGGNGGCWGCAG)和805R (GACTGGAGTTCCTTGGCACCCGAGAATTCCAGACTACHVGGGTATCTAATCC)。经2轮PCR扩增后将产物回收纯化，在Illumina MiSeq测序平台进行高通量测序。

综合污染指数评价模型是我国环保部门普遍采用的水质评价模型^[8]，利用该模型计算得出的数值代表水体的综合污染程度，综合污染指数的数值越大，说明对受纳水体的污染程度越严重。水质单项污染指数根据式(1)计算，综合污染指数的数值是在单项污染指数的基础上计算得到的，其计算方法选择内梅罗污染指数(式(2))^[9]。

式中：${P}_{i}$为水样第i项的单项污染指数；${C}_{i}$为水样第i项指标的实测质量浓度，mg·L⁻¹；${S}_{i}$为水样第i项指标的标准质量浓度，mg·L⁻¹。

式中：P为综合污染指数；${P}_{imax}$为水样中单项污染指数的最大值；$n$为参与评价的污染物指标因子数。

1)总磷、正磷酸盐和悬浮物去除效果对比。新型生物膜-微絮凝滤池工艺与组合工艺对TP、${\rm{PO}}_4^{3 - }$-P的去除效果分别见图3和图4。由图3(a)和图4(a)可知，在新型生物膜-微絮凝滤池中，随着PAC投加量的增加，TP和${\rm{PO}}_4^{3 - }$-P去除率均是先升高后趋于平稳；当PAC投加量为5 mg·L⁻¹时，${\rm{PO}}_4^{3 - }$-P去除率可达到76.1%~86.7%，质量浓度为0.042~0.078 mg·L⁻¹；TP去除率可达到73.0%~76.0%，质量浓度为0.084~0.094 mg·L⁻¹，低于0.1 mg·L⁻¹。${\rm{PO}}_4^{3 - }$-P去除率增长趋势与TP保持一致，说明TP的去除率主要受${\rm{PO}}_4^{3 - }$-P去除率的影响。组合工艺的PAC投加量恒定为8 mg·L⁻¹。由图3(b)和图4(b)可知，组合工艺处理后出水中${\rm{PO}}_4^{3 - }$-P质量浓度为0.046~0.098 mg·L⁻¹，去除率约为65.1%~76.5%；TP质量浓度为0.072~0.164 mg·L⁻¹，去除率约为53.5%~68.3%。

二级处理后的尾水中${\rm{PO}}_4^{3 - }$-P质量浓度占TP的80%左右，单靠生物膜滤池内存在的生物同化除磷^[10]，去除率仅为19%~21%。通过外加少量的除磷药剂构成生物/化学协同除磷，将大幅度提高处理效果。当PAC投加量为5 mg·L⁻¹时，新型生物膜-微絮凝滤池中生物/化学协同除磷效果最为显著，TP去除率达到76.0%，出水质量浓度<0.1 mg·L⁻¹，${\rm{PO}}_4^{3 - }$-P去除率达到86.7%，出水质量浓度<0.05 mg·L⁻¹；对比单靠化学除磷的组合工艺，TP的去除率为53.5%~65.9%，${\rm{PO}}_4^{3 - }$-P去除率为69.8%~72.6%，可见生物/化学协同除磷对TP和${\rm{PO}}_4^{3 - }$-P的去除效果明显高于组合工艺单纯的化学除磷作用，在保证TP和${\rm{PO}}_4^{3 - }$-P去除效果的基础上，生物/化学协同除磷的PAC加药量少于组合工艺的化学除磷加药量。

对比新型生物膜-微絮凝滤池工艺与组合工艺对SS的去除情况，结果见图5。由图5可知，进水SS质量浓度为14~23 mg·L⁻¹，新型生物膜-微絮凝滤池的出水SS质量浓度为5~8 mg·L⁻¹，组合工艺的出水SS质量浓度为4~7 mg·L⁻¹。经新型生物膜-微絮凝滤池处理后的出水澄清透明，对SS处理效果良好，与现有污水处理厂深度处理后出水中的SS质量浓度相近，稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)^[11]的一级A(10 mg·L⁻¹)的限值要求。

纤维转盘滤池虽然对SS有着较好的去除能力，但要求进水中的SS质量浓度不宜过高^[12]，否则将引起纤维转盘滤池内水头损失的上升，造成频繁的反冲洗。而新型生物膜-微絮凝滤池依靠陶粒过滤介质对悬浮物质进行截留，由于陶粒滤料孔隙率高达50%~55%，截污能力强，大幅延长了滤池反冲洗周期，对进水悬浮物的冲击负荷适应能力较强。

2)总氮、硝态氮去除效果对比。新型生物膜-微絮凝滤池工艺与组合工艺对TN、${\rm{NO}}_3^ -$-N的去除效果见图6。由图6(a)可知，${\rm{NO}}_3^ -$-N质量浓度约占TN质量浓度的66%~78%。随着C/N的提高，生物膜-微絮凝滤池出水中TN和${\rm{NO}}_3^ -$-N的质量浓度逐渐降低，当C/N达到5.34时，出水TN质量浓度<2 mg·L⁻¹，${\rm{NO}}_3^ -$-N质量浓度<0.5 mg·L⁻¹；当碳源供应充足时，对于TN去除效果可达到80%，${\rm{NO}}_3^ -$-N去除率可达90%。在此基础上继续提高C/N，过量的碳源并未能继续提高TN的去除率，TN平均去除率维持在83%左右。控制新型生物膜-微絮凝滤池中C/N为5.3~5.4∶1，可使出水TN质量浓度降至2 mg·L⁻¹，${\rm{NO}}_3^ -$-N质量浓度降至0.5 mg·L⁻¹。在保证TP和SS去除效果的基础上，通过外加碳源即可实现TN的高效去除。而在组合工艺中缺乏生物脱氮的条件，进水中的氮元素为可溶性的。由图6(b)可知，组合工艺对TN、${\rm{NO}}_3^ -$-N基本没有去除效果。

采集进水C/N=5.3~5.4∶1及PAC投加量为5 mg·L⁻¹条件下生物膜-微絮凝滤池稳定运行期间的滤料样品以及浓缩池中组合工艺排出的污泥进行宏基因组微生物分类测序，分析结果见图7和图8。由图7(a)可知，滤料表面微生物在门水平主要包括：变形菌门(Proteobacteria)75.07%、拟杆菌门(Bacteroidetes)5.38%、酸杆菌门(Acidobacteria)3.60%、厚壁菌门(Firmicutes)2.93%、放线菌门(Actinobacteria)2.76%、硝化螺旋菌门(Nitrospirae)2.71%、绿弯菌门(Chloroflexi)2.66%。由图7(b)可知，组合工艺外排污泥中微生物在门水平主要包括变形菌门(Proteobacteria)42.06%、厚壁菌门(Firmicutes)22.07%、拟杆菌门(Bacteroidetes)20.27%、放线菌门(Actinobacteria)4.54%、酸杆菌门(Acidobacteria)3.04%、绿弯菌门(Chloroflexi)2.20%。

由图8(a)可知，滤料表面微生物在属水平主要包括噬氢菌属(Hydrogenophaga)25.36%、脱氯单胞菌属(Dechloromonas)11.66%、陶厄氏菌属(Thauera)4.74%、生丝微菌属(Hyphomicrobium)4.54%、固氮螺菌属(Azospirillum)2.46%、丁球菌属(Butyriccoccus)2.46%。由图8(b)可知，组合工艺外排污泥中微生物在属水平主要包括罗姆布茨菌属(Romboutsia)8.67%、地发菌属(Geothrix)5.98%、固氮螺菌属(Azospirillum)3.90%、粪杆菌属(Faecalibacterium)2.90%、拟杆菌属(Bacteroides)2.85%。

从门水平分析，新型生物膜-微絮凝滤池中丰度最高的为变形菌门(Proteobacteria)，其次为拟杆菌门(Bacteroidetes)和酸杆菌门(Acidobacteria)。根据文献报道^[13]，大多数硝化菌与反硝化菌归属于变形菌门，说明生物膜-微絮凝滤池内的缺氧环境适合变形菌的生长。从属水平分析，滤料表面微生物中的反硝化菌属主要包括2个优势菌属(噬氢菌属(Hydrogenophaga)^[14]、脱氯单胞菌属(Dechloromonas)^[15])和3个非优势菌属(陶厄氏菌属(Thauera)^[16]、固氮螺菌属(Azospirillum)^[17]、生丝微菌属(Hyphomicrobium)^[18])，这几类菌属均已被证实与反硝化作用密切相关。而在组合工艺外排的污泥中，所能检测到的硝化菌属与反硝化菌属丰度较低，因此，组合工艺中不具备生物脱氮的条件。

1)反冲洗对比。图9为新型生物膜-微絮凝滤池反冲洗后出水污染物质量浓度随时间的变化。0 min代表反冲洗刚结束的出水情况，此时出水水质最差；反冲洗后0~20 min内，污染物质量浓度逐渐下降，且在40 min时滤池恢复至稳定运行期的高效处理水平。其原因是：滤池为下向流，反冲洗作用是自下而上将滤池中的颗粒物质及老化脱落的生物膜排出滤池，对于滤池中上部的微生物群落影响较小，利于反冲洗后迅速恢复滤池的高效处理能力。反冲洗结束后40 min内，即可恢复至出水TN质量浓度<2.5 mg·L⁻¹、${\rm{NO}}_3^ -$-N质量浓度<0.7 mg·L⁻¹和TP质量浓度<0.1 mg·L⁻¹的高效处理水平。

2组工艺的反冲洗参数对比情况见表1。新型生物膜-微絮凝滤池的反冲洗方式采用气冲-气水联合冲洗-水冲，冲洗时间分别为2~4、4~6、5~8 min，反冲洗总时长约为15 min。纤维转盘滤池在过滤过程中由于滤布上悬浮物质的积聚，过滤阻力增加，滤池内水位逐渐上升。反冲洗作用可使滤布恢复纳污容量，降低了滤布内外的压差。纤维转盘滤池反冲洗频率高，反冲洗后即可恢复处理能力。新型生物膜-微絮凝滤池与纤维转盘滤池相比，反冲洗周期长，反冲洗能耗低，单次反冲洗废水率低。

2)处理成本对比。新型生物膜-微絮凝滤池协同脱氮除磷时PAC最适宜投加量为5 mg·L⁻¹，组合工艺中PAC和PAM的最适宜加药量分别为8 mg·L⁻¹及0.4 mg·L⁻¹。新型生物膜-微絮凝滤池中PAC药剂费为0.009元·m⁻³，外加乙酸钠作为碳源进行反硝化作用，乙酸钠费用为0.11元·m⁻³，则总药剂费为0.119元·m⁻³，电耗估计约为0.088元·m⁻³，水处理费用约为0.207元·m⁻³。组合工艺中PAC药剂费为0.014元·m⁻³，PAM药剂费为0.001 08元·m⁻³，总药剂费为0.016元·m⁻³，电耗估计约0.230元·m⁻³，水处理费用约为0.246元·m⁻³。

新型生物膜-微絮凝滤池在PAC投加量上要少于组合工艺，但生物膜滤池需要外加碳源来保障TN的去除，从而增加碳源投加的成本；在电耗方面，生物膜-微絮凝滤池仅需较低的电耗就能维持正常的运转；在处理费用上，新型生物膜-微絮凝滤池较组合工艺低0.039元·m⁻³。

新型生物膜-微絮凝滤池与组合工艺的出水水质见表2。单看表2的出水指标，虽然2组工艺处理后的出水均能达到一级A排放标准，但是污染程度存在差异，无法判断2组工艺出水对受纳水体的环境影响。为此，引入综合污染指数评价模型进一步深入分析，用于衡量2组工艺出水水质的污染程度，分析其对受纳水体的环境影响。

研究选取5项指标作为评价因子(COD、SS、TN、TP和${\rm{NH}}_4^ +$-N)。对于式(1)中${S}_{i}$的选取，参考《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)^[19]中V类水体标准；COD、TN、TP和${\rm{NH}}_4^ +$-N标准值分别为40、2.0、0.4和2.0 mg·L⁻¹；对于SS，《地表水环境质量标准》中没有明确要求，因此，SS的标准值取自《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准中的10 mg·L⁻¹。根据式(1)计算出不同水样的单项污染指数，得到新型生物膜-微絮凝滤池与组合工艺的${P}_{imax}$分别为0.9和3.7；将单项污染指数代入式(2)，计算得到新型生物膜-微絮凝滤池与组合工艺的综合污染指数P分别为0.731和2.734；将计算得到的2组工艺的综合污染指数与综合污染指标评价分级^[20]进行比较，确定外排水的污染分级(表3)。

依据表3进行综合污染指标评价分级，新型生物膜-微絮凝滤池工艺处理后的出水属于合格级别，各项水质指标能达到相应的功能标准。虽然组合工艺出水的各项指标均在一级A的标准范围内，但组合工艺出水中TN质量浓度高于《地表水环境质量标准》中V类水体TN标准值的数倍，导致最终计算得到的综合污染指数>2.0，其外排水对受纳水体存在严重污染。

1)新型生物膜-微絮凝过滤的出水TP质量质量浓度≤0.1 mg·L⁻¹、${\rm{PO}}_4^{3 - }$-P质量质量浓度≤0.05 mg·L⁻¹，TP去除率达到76.0%，${\rm{PO}}_4^{3 - }$-P去除率达到86.7%，处理效果优于组合工艺，PAC投加量少于组合工艺。在保障TP和SS去除效果的基础上，通过外加碳源实现对TN的高效去除，TN去除率可达80%，滤料表面微生物中反硝化菌属相对丰度可达到48.76%。

2)新型生物膜-微絮凝滤池采用浅层陶粒滤床，陶粒滤料孔隙率高达50%~55%，截污能力强，大幅延长了滤池反冲洗周期，对进水悬浮物的冲击负荷适应能力强。新型生物膜-微絮凝滤池工艺的处理成本仅为0.207元·m⁻³，较组合工艺低0.039元·m⁻³。

3)新型生物膜-微絮凝过滤的出水水质对受纳水体的环境影响小，综合污染指数仅为0.731，远小于组合工艺的2.734。