本研究在苏州某污水厂现场进行。设置在前端的中试沉淀装置为实验系统提供经初沉后的污水。研究采用的实验系统如图1所示，由以下部分组成： 200.0L的好氧进水桶、15.0L的主反应器、5.0L的碳源罐、25.0L的磷回收罐。在反应器中加入一定填充比的聚乙烯的悬浮填料，经培养驯化后填料上挂满聚磷生物膜。整套系统的运行由PLC程序控制，反应器运行分好氧和厌氧两个阶段。好氧阶段，打开进水泵加入生活污水，当污水加满后，同时打开压缩机和搅拌器，进行污染物的好氧去除，好氧阶段结束后打开电磁阀重力排空处理后的污水；厌氧阶段：打开厌氧进水泵，当反应器注满后，同时打开搅拌器和蠕动泵，碳源投加完毕后关闭蠕动泵，聚磷生物膜厌氧释磷，待厌氧结束后打开厌氧出水电磁阀，回收液在重力作用下全部排出至回收罐中，至此一个运行周期结束。如此好氧、厌氧重复交替运行，回收罐中的PO₄³⁻-P质量浓度也越来越高。经过多个运行周期后，富集液中PO₄³⁻-P质量浓度上升缓慢或好氧出水PO₄³⁻-P质量浓度高于控制要求时更换富集液。两次更换富集液之间是周期称为一个回收周期。

1)生物膜来源及进水水质。本实验采用的生物膜为直接取自设置于该污水厂的多级AO-序批式生物膜反应器中试装置中已挂摸并具有良好吸释磷性能的悬浮填料，无需另外启动培养，放入反应器后填充比为40.0%。

好氧进水为上述经初沉后的城市污水，实验期间的进水水质详情见表1。厌氧阶段用无水乙酸钠配置的乙酸钠溶液作为碳源，投加至反应器后理论化学需氧量(chemical oxygen demand, COD)值为200.0 mg·L⁻¹。

2)运行方式。本实验采用2个系统(系统1、系统2)同时运行了115d，其中共有4个回收周期(以下简称周期)。考虑到现场进水组分的复杂性和波动性，为获取可靠的实验数据，在本实验期间，2个系统除了溶解氧(dissolved oxygen, DO)不同，其他条件基本一致。设置好氧/厌氧水力停留时间(hydraulic retention time, HRT)为5h∶3h，4个周期系统的平均温度分别为29.8、28.1、25.4和22.5 ℃，其他参数见表2。

本研究中所有进水或出水水样取自反应器污水进水及出水口，耗氧有机污染物的浓度(以COD计)采用重铬酸钾法测定，PO₄³⁻-P采用钼锑抗分光光度法测定，NH₄⁺-N、NO₂⁻-N和NO₃⁻-N均采用标准方法测定^[14]，DO和温度均采用InlabIDS Multi 9430在线监测测定；pH采用inlabOXI 7300 pH计测定。所给出的出水TN质量浓度为出水NH₄⁺-N、NO₂⁻-N、NO₃⁻-N质量浓度之和。

本研究中的2个生物膜系统持续运行了4个周期(共计115 d)。为保证实验结果的可靠性，2个系统好氧/厌氧的HRT、温度等条件基本保持一致。考察了好氧阶段出水中污染物质量浓度的变化，探究生物膜工艺对实际污水有机物、氮和磷的去除效果。首先对序批式生物膜系统中有机物的进出水质量浓度变化进行分析，结果如图2所示。系统好氧进水总有机物质量浓度为114.0~169.0 mg·L⁻¹。从图2可以看出，2个系统在第1周期中COD去除率均不稳定，且波动较大，COD平均去除率均低于60.0%。在第2周期也得到相同的变化趋势，且COD去除率降低至50.0%以下。在这2个周期中，COD去除率低且波动较大的原因可能与用进出水的总有机物含量(total chemical oxygen demand, TCOD)测定值考察COD去除率有关，存在悬浮有机物的干扰问题。因此，在第4周期开始，出水COD改为测定溶解性有机物(solluted chemical oxygen demand, SCOD)。结果表明，2个系统对COD的去除率均较为稳定，分别为82.8%和83.8%。上述结果一方面说明好氧阶段对有机物有较好的去除效果，另一方面表明，好氧出水中含有大量的悬浮物质，这明显与生物膜的脱落有关。在采用进水不含有机物的人工配置污水的研究报道中，聚磷生物膜中PAOs的生长速度缓慢^[15-16]。与之相比，本研究的好氧进水中含有有机物、氨氮等多种污染物，改变了生物膜中微生物的种群结构，用于好氧去除COD的异养微生物生长速率更快。本研究中的生物膜与实验报道的聚磷生物膜相比，含有更广谱异养微生物，其代谢更新周期可能更短，生物膜更易脱落。后续有必要在好氧出水后增加沉淀池以提高保证出水水质。

序批式生物膜系统中氮(包括进出水氨氮和出水总氮)质量浓度变化如图3所示。好氧进水氨氮质量浓度均为27.0~35.0 mg·L⁻¹，在第1周期的运行过程中，氮的去除率波动较大且处于较低水平，系统1和系统2氨氮和总氮去除率分别为75.0%和72.8%、82.1%和77.6%。这可能是因为系统接种使用的生物膜为多级AO出水驯化的聚磷生物膜，脱氮菌丰度较小。随着运行时间的延长，脱氮微生物逐渐富集。在第2周期，2个系统的脱氮性能进一步提升，且在高DO(系统2)条件下氨氮和总氮的去除率比低DO(系统1)条件高出10.0%以上。为了印证高DO有利于氮的去除，因此，在第3个周期提高系统1的DO，发现2个系统氨氮和总氮去除率有所提高，均稳定提升至100.0%。然而，在第4个周期，氨氮的去除率由100.0%分别下降至94.0%和80.0%，总氮去除率也由100.0%分别下降至93.0%和79.0%，这可能是温度的变化所致。上述4个周期，好氧出水中氮的存在形态仅有氨氮和少量亚硝态氮，没有硝态氮，说明系统在好氧阶段发生了同步硝化反硝化反应。

好氧阶段进出水中磷的质量浓度变化如图4所示。好氧进水磷的质量浓度为2.6~3.7 mg·L⁻¹，在第1周期，2个系统中磷的出水浓度均不稳定，系统1和系统2对磷的平均去除率分别为85.0%和94.4%。2个系统中磷去除效率不同可能是由DO的不同所致。随着运行时间的延长，2个系统对磷的去除性能趋于稳定。在后3个周期中，系统对磷的去除率一直保持在96.0%以上。以上结果表明，在城市污水体系中生物膜对磷仍然具有高效且稳定的去除能力。

厌氧阶段富集液中PO₄³⁻-P的含量变化如图5所示。结果表明，生物膜对PO₄³⁻-P的富集是一个相对缓慢的过程。每个周期末端富集液中PO₄³⁻-P质量浓度总体呈现缓慢上升的趋势，这可能是因为温度的变化所致。经过第1周期好氧/厌氧的交替运行，2个系统的厌氧富集液中PO₄³⁻-P的质量浓度均稳定在27.0 mg·L⁻¹以上。在第2、3周期，2个系统厌氧富集液中PO₄³⁻-P的质量浓度均能稳定提升至29.0 mg·L⁻¹以上。在第4周期，2个系统富集液中PO₄³⁻-P的质量浓度均能提升至31.8 mg·L⁻¹以上。以上研究结果表明，生物膜在去除有机物、氨氮和磷的同时，仍具有对磷的富集能力。然而，与之前以人工配制低含磷污水进行的实验室研究相比^[12,16]，本研究中生物膜对磷的富集效率较低，这可能是微生物种群的不同所致。

厌氧阶段富集液中COD值的变化如图6所示。本研究通过外加碳源来实现聚磷菌的厌氧释磷，厌氧阶段进水COD值为253.0~372.0 mg·L⁻¹。在前2个周期，2个系统中COD利用率波动较大且均低于60.0%。随着运行时间的延长，在第3、4周期COD利用率趋于稳定且提升至60.0%以上。结果表明，生物膜对PO₄³⁻-P的富集效率随COD利用率的升高而提高。在系统1中，当COD利用率由60.0%提升至76.0%时，富集液中PO₄³⁻-P的质量浓度也由35.0 mg·L⁻¹上升至42.0 mg·L⁻¹。系统2也出现了相似的变化规律，当COD利用率由51.0%上升至75.0%，富集液中PO₄³⁻-P的质量浓度也由27.0 mg·L⁻¹上升至32.0 mg·L⁻¹。

从上述实验结果看出，在适宜的环境和操作条件下，序批式生物膜能有效去除进水中有机物、氨氮和磷，同时还具有一定富集磷的性能。2个系统在相同条件下得到的数据相一致，表明了实验数据的可靠性。结果表明，当温度大于22.5 ℃，好氧与厌氧的HRT比为5 h:3 h，DO为6.5 mg·L⁻¹时，有机物、氨氮、总氮及磷的去除率分别高于83.8%、93.8%、93.4%、97.0%，且出水质量浓度分别低于25.0、2.3、2.4和0.1 mg·L⁻¹，同时厌氧富集液中PO₄³⁻-P的质量浓度可达42.1 mg·L⁻¹。

而在整个实验过程出现的系统运行性能不佳的情况，除系统启动初期的功能微生物的适应与生长外，多与温度变化和控制不同的DO相关。因而这2个因素是本实验中影响系统性能的主要因素。

1)温度对系统性能的影响。随着季节的变化，系统温度不可避免发生改变。研究表明，温度的降低对好氧阶段有机物的去除没有造成实际影响，然而其明显改变了氨氮的去除效率。当温度由25.4 ℃下降至22.5 ℃时，2个系统氨氮的去除率都分别下降了6.2%和20.0%。这可能是因为低温条件抑制了氨氧化菌(ammonia oxidizing bacteria, AOB)的代谢或繁殖，从而降低氨氮的去除率^[17-18]。但是低温条件对氨氮去除的抑制能否通过改变HRT等运行参数进行有效调控还需要进一步的研究。

温度的降低对磷去除和富集无明显影响。当温度降低至22.5 ℃时，磷的去除率降幅不足5.0%，富集液中PO₄³⁻-P的质量浓度仅增加了5.0 mg·L⁻¹。2个系统富集液中PO₄³⁻-P的质量浓度始终保持在30.0 mg·L⁻¹左右，与文献中以人工配制低含磷污水进行的实验室研究相比仍存在一定的差距^[12,19]。之前有研究表明，在平均水温降低至15 ℃时PAOs对磷的富集及释放性能最好^[20]，因此，本研究中PAOs富集和释放磷能力较弱的原因可能是环境温度尚未达到PAOs释磷所需的最佳温度，温度进一步降低是否会提高生物膜对磷的富集和释放性能还有待观察。此外，生物膜处理污染成分复杂的生活污水可能改变了生物膜种群结构，从而影响了磷的富集性能。因而，在本研究处理实际污水的场景下，磷富集性能的调控还需要进一步探究。

2)DO对系统性能的影响。DO的变化影响序批式生物膜工艺在好氧段对污染物的去除性能。与有机物相比，氨氮和磷的去除性能随DO的提高均有明显提升。DO由3.0 mg·L⁻¹提升至6.5 mg·L⁻¹时，磷的去除率提升了14.0%，而氨氮的去除率提升了25.0%以上。由此可见，DO的提高对氨氮的去除更有利。这可能是因为高DO条件为AOB和硝化细菌 (nitrite oxidizing bacteria，NOB)进行氮循环提供了足够的电子受体^[20]，也可能是高DO可以减少AOB和NOB对于氧气的竞争从而提高硝化反应的效率^[21]。磷去除性能的提升可能是由于DO的提高增加了生物膜内PAOs的丰度^[19]。此外，DO的升高还可能导致PAOs由聚糖模式(glycan bacteria mode, GAM)转变为聚磷模式(phosphate accumulating mode, PAM)从而提高磷的去除性能^[22]。以上研究结果表明，DO的提高对磷和氨氮去除率的影响较大，尤其是对氨氮的去除率，但是由于温度降低导致氨氮去除率的下降是否可以通过增强DO来调控还需要进一步研究。

3)DO对同步硝化反硝化反应的影响。结果表明，在整个实验运行期间，2个系统的出水中均仅有剩余氨氮，硝态氮和硝态氮的含量很低甚至检测不出。这表明同步硝化反硝化过程在系统中一直稳定发生，总氮的去除主要受氨氮转化的制约。这是本研究观察到的一个重要现象，也进一步证实了其他研究^[23]报道的结果。众所周知，传统生物脱氮需要经过2个阶段：在好氧条件下将氨氮转化成亚硝态氮或硝态氮的硝化反应以及在缺氧条件(0.2 mg·L⁻¹<DO<0.5 mg·L⁻¹)将亚硝态氮或硝态氮转化为氮气的反硝化反应。现有文献有关同步硝化反硝化的报道通常仅发生在低DO条件下且效果不易稳定控制。序批式生物膜在好氧阶段高DO条件下实现同步硝化反硝化，对于构建流程短、运行成本低的生物脱氮工艺具有重要启示。究其原因，可能是因为生物膜具有致密的结构和一定的厚度，氧传质的阻力使DO呈阶梯分布，为同步硝化反硝化提供了有利的微环境^[24]。也可能是在同步脱氮除磷系统中存在反硝化除磷微生物种群^[13]。然而，生物膜中同步硝化反硝化的发生机制十分复杂，目前相关的认识还不清晰，还需要更进一步研究。

综上所述，本研究结果表明温度和DO是影响序批式生物膜工艺运行性能的主要因素。温度对氨氮的去除影响较大，但对磷和有机物的去除以及磷的富集无明显影响。较高的DO有利于有机物、氨氮和磷的去除。当DO高于5.5 mg·L⁻¹时，氨氮去除率可提升至100.0%。该工艺在好氧段表现出稳定的同步硝化反硝化现象，且不受高DO的影响。

本研究初步明确了序批式生物膜工艺能够在好氧阶段有效去除多种污染物，同时具有一定的厌氧磷富集性能，表明该工艺在应用时可能无需对进水中的有机物和氨氮进行充分的去除。但如何应对温度等环境条件的季节性变化对工艺性能的不利影响，能否进一步提升磷富集的性能，生物膜种群结构变化对工艺性能的影响与调控，尤其是系统中同步硝化反硝化的发生机制与调控等问题，还值得全面深入地进行研究。

1)当环境条件和操作条件适宜时，序批式生物膜工艺可以有效去除城市污水中的多种污染物，同时还具有富集磷的性能。当水温大于22.5 ℃，好氧/厌氧HRT为5h/3h，DO为6.5 mg·L⁻¹时，有机物、氨氮、总氮及磷的去除率分别高于83.8%、93.8%、93.4%、97.0%，且出水浓度分别低于25.0、2.3、2.4和0.1 mg·L⁻¹，同时厌氧富集液中PO₄³⁻-P的质量浓度可达42.1 mg·L⁻¹。

2)温度和DO是影响序批式生物膜工艺性能的主要因素。在实验条件下，温度对氨氮的去除性能具有明显影响，而对磷、有机物的去除和富集磷的性能影响较小。较高的DO有利于有机物、氨氮和磷的去除，当DO低于5.5 mg·L⁻¹时，氨氮的去除率明显下降。

3)该工艺在好氧段表现出稳定的同步硝化反硝化现象，且不受DO的影响。氨氮和总氮的去除性能相类似，说明好氧出水的总氮几乎都是氨氮，总氮的去除主要受氨氮去除的制约。