短程硝化与短程反硝化技术在生物脱氮工艺中的应用研究

摘要

随着水体富营养化问题日益严峻，传统生物脱氮工艺因流程长、能耗高、碳源需求大等局限性，难以满足当前污水处理提质增效与节能减排的双重需求。短程硝化与短程反硝化技术通过将硝化过程控制在亚硝酸盐阶段，并直接以亚硝酸盐为电子受体进行反硝化，构建了短程硝化-反硝化、短程硝化-厌氧氨氧化等新型脱氮路径，可显著降低曝气能耗与外加碳源投加量，减少污泥产量与温室气体排放。本文系统综述了短程硝化与短程反硝化的生化机理、关键影响因素及工艺控制策略，重点分析了其在主流污水处理工艺中的研究进展与应用瓶颈，并展望了该技术未来发展的方向，以期为高效低耗生物脱氮工艺的研发与工程应用提供理论参考。

1 引言

氮素污染是导致水体富营养化的关键因素之一，会引起藻类暴发、溶解氧下降、水质恶化等一系列生态问题。为保护水环境，我国对城镇污水处理厂出水氮素指标的要求日趋严格，《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标准要求氨氮≤5 mg/L、总氮≤15 mg/L，而部分地区已实施更严格的准Ⅳ类标准。传统生物脱氮需经全程硝化（氨氮→亚硝酸盐→硝酸盐）与全程反硝化（硝酸盐→亚硝酸盐→氮气），存在曝气能耗高（占厂区总能耗50%以上）、反硝化碳源不足需外加、污泥产量大等突出问题。短程硝化与短程反硝化技术通过将氮转化路径截短，为突破上述瓶颈提供了新思路。

2 短程硝化与短程反硝化的生化机理

2.1 短程硝化

短程硝化是指将氨氧化过程控制在亚硝酸盐阶段，抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB）活性，使氨氧化菌（AOB）将氨氮氧化为亚硝酸盐后不再进一步氧化为硝酸盐。其生化反应为：NH₄⁺ + 1.5O₂ → NO₂⁻ + H₂O + 2H⁺。实现短程硝化的核心在于利用AOB与NOB在生理生态特性上的差异，通过调控温度、溶解氧（DO）、污泥龄（SRT）、游离氨（FA）和游离亚硝酸（FNA）浓度等参数，选择性抑制NOB或洗出NOB，使AOB成为优势菌群。

2.2 短程反硝化

短程反硝化是指以亚硝酸盐为电子受体，将亚硝酸盐直接还原为氮气的过程。其反应为：NO₂⁻ + 3[H] + H⁺ → 0.5N₂ + 2H₂O。由于亚硝酸盐还原酶（NirS/NirK）的电子竞争能力优于硝酸盐还原酶（Nar/Nap），短程反硝化速率通常高于全程反硝化，且可节省约40%的有机碳源。短程反硝化菌（如Thauera、Pseudomonas、Azoarcus等）在缺氧条件下以有机物为电子供体，将NO₂⁻还原为N₂。

2.3 短程硝化-反硝化与短程硝化-厌氧氨氧化耦合

短程硝化产物可为短程反硝化提供电子受体，两过程串联即构成短程硝化-反硝化工艺，相比全程脱氮可节省25%曝气量和40%碳源。更具吸引力的是短程硝化与厌氧氨氧化（ANAMMOX）的耦合：短程硝化提供约50%的亚硝酸盐，厌氧氨氧化菌以氨氮为电子供体、亚硝酸盐为电子受体生成氮气（NH₄⁺ + 1.32NO₂⁻ + 0.066HCO₃⁻ → 1.02N₂ + 2.03H₂O + 0.066CH₂O₀.₅N₀.₁₅），该过程无需有机碳源与曝气，污泥产量极低，是当前最具前景的低碳脱氮技术路线。

3 关键影响因素与调控策略

3.1 溶解氧（DO）

AOB对氧的亲和力（Km约0.3 mg/L）高于NOB（Km约1.1 mg/L），低DO条件下AOB竞争氧的能力更强。通常将DO控制在0.5-1.5 mg/L可实现短程硝化稳定运行，但过低DO易引发污泥膨胀，过高则NOB活性恢复导致亚硝酸盐积累被破坏。

3.2 温度与游离氨

温度越高，AOB与NOB生长速率差异越大，30-35℃时可实现短程硝化，但主流污水低温（10-20℃）条件下，需借助FA/FNA抑制协同调控。游离氨对NOB的抑制阈值为0.1-1.0 mg/L，而AOB可耐受10-150 mg/L，通过控制pH和氨氮负荷维持FA浓度是低温短程硝化的有效手段。

3.3 污泥龄（SRT）

NOB世代周期长于AOB，交替曝气/缺氧或缩短SRT可选择性淘洗NOB。研究表明，SRT控制在10-15天有利于短程硝化的维持。

3.4 碳源与反硝化控制

短程反硝化需充足的电子供体，碳氮比（C/N）宜控制在1.5-3.0（以COD/NO₂⁻-N计）。碳源类型以乙酸钠、乙醇等易降解有机物为佳。实时控制策略包括pH/ORP/DO拐点监测，精准判定反硝化终点以避免碳源浪费和亚硝酸盐残留。

4 工艺应用研究进展

4.1 SBR工艺

序批式反应器（SBR）凭借时序控制灵活、底物梯度明显等优势，成为短程硝化研究最广泛的平台。通过控制曝气时间、DO和沉淀排水比，可在SBR中实现短程硝化-反硝化以及短程硝化-ANAMMOX。研究表明，在22-28℃、DO 0.8 mg/L条件下，SBR反应器亚硝酸盐积累率（NAR）可达90%以上，总氮去除率超过80%。

4.2 连续流工艺

连续流A/O、A²/O工艺中实现短程硝化难度较大，因推流式流态易造成NOB沿程恢复。通过分区供氧、设置缺氧选择器、生物膜载体投加等手段，在连续流体系中实现了短程硝化稳定维持。张等（2021）在改良A/O工艺中，通过低DO（0.6 mg/L）与周期性缺氧扰动，连续运行180天NAR保持85%以上。

4.3 颗粒污泥与生物膜工艺

好氧颗粒污泥（AGS）因其致密的微观氧扩散梯度，外层AOB占优、内层NOB受限，天然适合短程硝化。颗粒污泥-ANAMMOX耦合工艺已在市政污水厌氧消化液处理中实现工程化，容积脱氮负荷达0.5-1.2 kg N/(m³·d)。移动床生物膜反应器（MBBR）通过生物膜内DO梯度也可实现短程硝化与短程反硝化的协同。

4.4 短程反硝化-ANAMMOX耦合（PD-A）

短程反硝化（PD）将NO₃⁻还原为NO₂⁻，弥补了主流ANAMMOX工艺亚硝酸盐供给不足的难题。PD-A工艺以硝酸盐为起始底物，先经短程反硝化生成亚硝酸盐，再由ANAMMOX菌转化为N₂。该工艺特别适用于低C/N比、含硝酸盐的废水（如污泥消化液、垃圾渗滤液），已在小试和中试尺度取得良好效果，总氮去除率达75%-90%。

5 技术瓶颈与挑战

尽管短程硝化与短程反硝化技术具有显著优势，但其工程应用仍面临多重挑战。低温条件下NOB抑制困难，主流污水短程硝化稳定性不足，易发生NOB“复苏”导致亚硝酸盐积累崩溃。短程反硝化过程中亚硝酸盐易被剩余碳源或内源呼吸进一步还原为N₂，但也可能因碳源不足导致亚硝酸盐积累，对后续ANAMMOX产生抑制。FA/FNA抑制阈值的菌群适应性差异、N₂O等温室气体释放控制、以及在线传感与控制系统的精准度等，均是当前亟待解決的问题。

6 展望

未来短程硝化与短程反硝化技术的研究与应用应重点关注以下方向：（1）低温主流条件下NOB抑制的分子机制与新调控手段，如基于群体感应淬灭或噬菌体的定向调控；（2）PD-A耦合工艺的菌群协同与稳定运行策略，尤其是ANAMMOX菌与短程反硝化菌的生态位匹配；（3）基于人工智能与大数据的过程控制，实现脱氮路径的实时诊断与智能优化；（4）# 合成微生物组")与合成生物学手段构建高效脱氮功能菌群；（5）全生命周期评价与技术经济分析，推动新工艺从实验室向工程规模转化。随着“双碳”战略的深入推进，短程硝化与短程反硝化技术必将在污水处理厂节能降耗与碳中和运行中发挥更大作用。

7 结论

短程硝化与短程反硝化技术通过缩短氮转化路径，在降低曝气能耗、节省碳源、减少污泥产量和温室气体排放方面优势明显。AOB与NOB、短程反硝化菌与ANAMMOX菌的协同调控是工艺稳定运行的核心。现有多以SBR、颗粒污泥和生物膜工艺为载体，在多种废水处理中显示出良好脱氮性能。低温主流条件下的长期稳定性、碳源精准调控以及温室气体减排等问题仍需深入探索。未来通过多学科交叉创新与智能化调控，短程脱氮技术有望成为新一代高效低碳生物脱氮的主流工艺。