污水处理探秘短程硝化反硝化

在污水处理领域，氮素污染治理一直是重点和难点。传统硝化反硝化工艺存在能耗高、碳源需求大等问题，而短程硝化和反硝化作为新型生物脱氮技术，因节能降耗等优势成为研究热点。下面我们就来深入了解这一领域的新进展。

一、短程硝化反硝化的基本原理

传统生物脱氮，氨氮先由氨氧化细菌（AOB）氧化为亚硝酸盐，再由亚硝酸盐氧化细菌（NOB）氧化为硝酸盐，然后在缺氧条件下，硝酸盐经反硝化细菌还原成氮气。短程硝化反硝化则是将氨氮氧化控制在亚硝酸盐阶段，跳过NOB将亚硝酸盐氧化成硝酸盐的步骤，直接以亚硝酸盐为电子受体进行反硝化生成氮气 。这一过程缩短了反应路径，减少了曝气量，理论上可节省25%左右的供气量，降低能耗，同时减少反硝化时对碳源的需求。

二、研究新进展

（一）微生物菌群研究突破

过去认为AOB和NOB是硝化反应主要参与者，但新研究发现了完全氨氧化微生物（comammox），它能同时氧化氨和亚硝酸盐，打破了传统两步氨氧化认知。在极度缺氧的自养硝化 - 反硝化（OLAND）过程研究中发现，在溶解氧浓度仅0.05 mg/L的极度缺氧环境下，comammox主导的硝化细菌实现了超97%的氨氮去除效率和71%的总氮去除效率。此外，研究还揭示了comammox与厌氧氨氧化菌（anammox）和异养反硝化菌的共生关系，为深入理解脱氮微生物机制、优化脱氮工艺提供了新方向。

（二）工艺耦合创新

1. 短程硝化 - 厌氧氨氧化耦合：厌氧氨氧化因高效、低碳、低能耗成为热点，但实际应用需与半短程硝化结合。在单一反应器中耦合短程硝化 - 厌氧氨氧化（PNA）与短程硫自养反硝化，可有效处理高氨氮废水。在较低溶解氧（0.40±0.20mg/L）下，耦合系统对合成废水氨氮去除效果显著，总氮去除效率达98%（进水NH4+-N浓度600 mg/L时）。厌氧氨氧化过程产生的硝酸盐能及时被硫自养反硝化减少，与传统工艺相比，该耦合工艺避免了硫自养反硝化反应中亚硝酸盐积累，还将硫酸盐总产量减少59% 。

2. 短程反硝化耦合厌氧氨氧化：彭永臻院士团队提出AAO + BAF短程反硝化耦合厌氧氨氧化工艺处理低C/N比城市污水。中试结果显示，该工艺总好氧曝气时间短、BAF反冲洗周期长、无需外加碳源，可实现同步脱氮除磷 ，为城市污水处理厂实现厌氧氨氧化提供了有效途径。

（三）影响因素与控制条件研究深入

1. 溶解氧（DO）：DO对短程硝化反硝化影响关键。不同DO水平下，微生物对氮的去除性能差异显著。在OLAND过程研究中，发现低DO环境下，微生物具有更高氮去除效率；而在耦合工艺研究中，也明确了适宜DO范围，如PNA和SAD耦合系统中，较低DO浓度（0.40±0.20mg/L）有利于系统高效脱氮 。

2. 温度：温度不仅影响生物化学反应速率，还调节酶活性，进而影响短程硝化反硝化。有研究分析不同温度（33 ± 1°C、25 ± 1°C和18 ± 1°C）对短程硝化过程中氮和氧同位素分馏特性的影响，发现随着温度升高，氨氧化过程中的氮同位素分离效果（δ15N NO2）显著增加 ，为精准控制短程硝化反应提供了理论依据。

三、面临挑战

1. 短程硝化的长期稳定运行：目前，实现短程硝化的长期稳定维持仍是难题，NOB的抑制和AOB等功能菌群的稳定富集技术有待进一步完善。

2. 微生物相互作用机制理解不足：尽管对脱氮微生物菌群有了新发现，但对comammox、anammox和异养反硝化菌等在复杂环境中的相互作用机制，以及它们与环境因素的协同关系，还需要深入研究 。

短程硝化和反硝化研究在微生物菌群认知、工艺耦合创新以及影响因素探究等方面取得了显著进展，为污水处理的节能高效提供了新的可能。虽然面临挑战，但随着研究不断深入，有望在污水处理领域实现更广泛应用，助力解决水体氮素污染问题。