尹国策，魏佳音，何林锟
（兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州 730070）
近些年，随着经济的快速发展，我国越来越重视对环境的保护，出台了许多政策以及制定了诸多污水的排放标准，要求污水厂各个出水指标均要达到一级A类标准，这其中就包括氨氮（NH3-N）和总氮（TN）。国内外多数水厂均采用全程硝化脱氮工艺，即先通过氨化作用将有机氮转化为NH3、NH4+，然后进行硝化反应的第一步，将NH3、NH4+转化为亚硝酸盐（NO2-）；
然后进行第二步，将NO2-转为硝酸盐（NO3-），最后进行反硝化反应将NO3-转化为氮气。
这种传统工艺存在运行能耗高，水力时间长，总氮的去除率不高等特点。因此，只有对常规的生物脱氮工艺进行改进，加强生物脱氮功能，才能解决氨氮排放达标问题，而短程硝化技术对于生物脱氮技术具有较高的切实性。
1.1 短程硝化机理
短程硝化脱氮技术是利用氨氧化菌（AOB）和硝酸菌（NOB）在动力学特性上存在的固有差异，控制硝化反应只进行到NH2--N 阶段，然后进行反硝化反应。该工艺的实质就是通过控制环境条件，抑制硝酸菌（NOB）的同时，使氨氧化菌（AOB）成为优势菌种，从而实现NH2--N 的大量积累。
1.2 短程硝化特点
短程硝化原理：
对比上述几个方程式可以得出：
（1）短程硝化只需将氨氮转化为亚硝酸盐，可节省25%的供氧量，降低了运行成本；
（2）短程反硝化则是直接将上一步转化的亚硝酸盐转化为氮气，减少了40%的外加碳源。另外，在降低了运行能耗的同时，还使低碳氮比高效率脱氮成为可能。
氨氧化菌（AOB）与硝酸菌（NOB）主要指标对比见表1，由表1 可以得出：
表1 AOB 菌与NOB 菌主要指标对比
（1）AOB 的世代期比NOB 短，所以污泥龄短，易提高反应器微生物浓度；
（2）硝化和反硝化速率提高，降低了反应器的水力停留时间，节省反应器的有效容积与占地面积；
（3）通过表观系数计算，在硝化过程中可减少产泥24%～33%，在反硝化过程中可减少产泥50%，节省了污水处理中的污泥处理费用。
常规的硝化反应分两步进行，而短程硝化只进行第一步，即不允许NO2--N 被继续氧化为NO3--N，这样就可以实现亚硝酸盐的积累。影响短程硝化过程的因素有温度、溶解氧、pH 值、游离氨以及抑制剂等。
2.1 温度
短程硝化过程中存在着非常复杂的转化过程，这其中就包括系统中多种酶的转化以及多种过程产物。从生理特性上来讲，每个生物反应都有一个最佳反应温度[1]。因此可以通过调控反应器内的温度来控制AOB和NOB 的生长速率，从而对AOB 进行筛选，对NOB进行淘汰。
在目前的研究中，研究者们对短程硝化中AOB 的最佳生长温度说法不一。袁林江等[2]通过实验发现，当温度在12～14 ℃以及高于30 ℃时，NOB 的生长完全被抑制，AOB 生长速率较快，表现为亚硝酸盐的积累。在15～30 ℃时，NOB 的活性又上升，短程硝化过程消失。彭永臻[3]控制反应器温度在30～32 ℃时，成功实现了生活污水的短程硝化脱氮；
而高景峰等[4]在处理啤酒废水时发现，实现短程硝化的最适温度为28～29 ℃。
2.2 溶解氧（DO）
AOB 和NOB 均是严格的好氧菌，由于二者对氧的竞争力和亲和力的差异，所以能够通过控制反应器内溶解氧的浓度来调控二者的生长速率，然后淘汰NOB。一般认为在较低的溶解氧浓度下，AOB 的生长速率大于NOB。至少应使DO 在0.5 mg/L 以上才能很好的进行硝化作用，否则硝化作用会受到抑制。
杨庆等[5]调控溶解氧浓度为0.5 mg/L 时，可以实现一段时间的短程硝化，但在长期运行中，短程硝化会被破坏。这就需要不断的调控反应器中的溶解氧浓度来实现短程硝化过程。
2.3 pH 值
AOB 和NOB 均有其最适的pH 环境，AOB 的最适pH 值为7.0～8.5，NOB 的最适pH 值为6.0～7.5[6]。当pH值大于7.0 时，AOB 的生长速率会明显大于NOB，两者的最小SRT 较大，更易于通过控制SRT 淘汰NOB 菌群；
但当pH 值小于6.3 时，AOB 的生长速率低于NOB，难以通过控制SRT 淘汰NOB。另外，实验发现，反应器内的pH 值会随着硝化反应的进行而降低。
2.4 游离氨（FA）
游离氨是AOB 生长所需物质，过高的游离氨会抑制AOB 与NOB 的生长，但对NOB 菌群的抑制更为明显。因此可以通过控制游离氨的浓度来实现稳定的短程硝化过程。
WANG 等[7]在研究中发现，游离氨浓度为210 mg/L时，NOB 的生长速率远小于AOB。韩晓宇等[8]发现不断升高反应器内的游离氨浓度，也可以实现亚硝酸盐的积累。因此调控反应器内的FA 浓度，可以造成对AOB和NOB 的抑制差异，是实现短程硝化的有效手段。
2.5 抑制剂
重金属盐、有毒有害物质和一些有机物质都影响硝化反应。例如，重金属中的锌和铅对硝化过程两阶段都有抑制作用，但抑制程度不同。苯酚、苯胺等有机化合物对NOB 的抑制作用远大于AOB。因此可以向反应器中添加重金属、有机物等抑制剂，使亚硝酸盐在反应器中积累，从而实现稳定的短程硝化。
可以通过调控上述诸多控制因素使亚硝酸盐达到积累，实现稳定的短程硝化过程。但在实际操作时，仍存在诸多问题与难点：
（1）从温度方面来说，大多数生活污水或废水难以达到并维持28～35 ℃的水温，如果坚持用温度来控制短程硝化过程，势必会增加运行能耗。另外，目前控制短程硝化的最适温度说法不一，在实际中仍需要调控探究。
（2）从溶解氧方面来讲，反应器中过低的溶解氧会使硝化反应速率减缓，导致系统内的反应时间过长，从而会使反应池体的容积增大，增加了水厂的占地面积。另外，反应器中较低的溶解氧可能会发生丝状菌膨胀的状况，会严重影响脱氮过程。
（3）从pH 值方面来讲，在短程硝化过程中，系统内的pH 值会不断降低，这就需要不断的向反应器内投加碱度，增加了运行成本。另外AOB 和NOB 的最佳生长pH 值范围非常接近并且二者有交叉部分，这说明，用pH 值来调控短程硝化过程有一定的难度。
（4）从抑制剂的方面来讲，向反应器内加入抑制剂后，要精确的掌握排泥周期才能及时淘汰反应器内的NOB。否则NOB 可能会发生变异，适应了加有抑制剂的环境，这样短程硝化过程会被直接破坏掉。
本文就短程硝化的优势、机理进行了阐述，同时也指出了短程硝化的调控因素以及难点，希望能够为之后的研究提供一定帮助。虽然短程硝化技术还有一些问题有待于解决，实际工程应用也并不多，但其具有的潜力却是无限的。为了更好的研究利用短程硝化技术，可以从以下几个方向入手：（1）短程硝化反硝化SBR快速启动的研究；
（2）实时控制参数的探索与稳定性验证；
（3）微生物群落分析。