摘要

隨著水體富營養化問題日益嚴峻，傳統生物脫氮工藝因流程長、能耗高、碳源需求大等局限性，難以滿足當前污水處理提質增效與節能減排的雙重需求。短程硝化與短程反硝化技術通過將硝化過程控制在亞硝酸鹽階段，并直接以亞硝酸鹽為電子受體進行反硝化，構建了短程硝化-反硝化、短程硝化-厭氧氨氧化等新型脫氮路徑，可顯著降低曝氣能耗與外加碳源投加量，減少污泥產量與溫室氣體排放。本文系統綜述了短程硝化與短程反硝化的生化機理、關鍵影響因素及工藝控制策略，重點分析了其在主流污水處理工藝中的研究進展與應用瓶頸，并展望了該技術未來發展的方向，以期為高效低耗生物脫氮工藝的研發與工程應用提供理論參考。

1 引言

氮素污染是導致水體富營養化的關鍵因素之一，會引起藻類暴發、溶解氧下降、水質惡化等一系列生態問題。為保護水環境，我國對城鎮污水處理廠出水氮素指標的要求日趨嚴格，《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）一級A標準要求氨氮≤5 mg/L、總氮≤15 mg/L，而部分地區已實施更嚴格的準Ⅳ類標準。傳統生物脫氮需經全程硝化（氨氮→亞硝酸鹽→硝酸鹽）與全程反硝化（硝酸鹽→亞硝酸鹽→氮氣），存在曝氣能耗高（占廠區總能耗50%以上）、反硝化碳源不足需外加、污泥產量大等突出問題。短程硝化與短程反硝化技術通過將氮轉化路徑截短，為突破上述瓶頸提供了新思路。

2 短程硝化與短程反硝化的生化機理

2.1 短程硝化

短程硝化是指將氨氧化過程控制在亞硝酸鹽階段，抑制亞硝酸鹽氧化菌（NOB）活性，使氨氧化菌（AOB）將氨氮氧化為亞硝酸鹽后不再進一步氧化為硝酸鹽。其生化反應為：NH?? + 1.5O? → NO?? + H?O + 2H?。實現短程硝化的核心在于利用AOB與NOB在生理生態特性上的差異，通過調控溫度、溶解氧（DO）、污泥齡（SRT）、游離氨（FA）和游離亞硝酸（FNA）濃度等參數，選擇性抑制NOB或洗出NOB，使AOB成為優勢菌群。

2.2 短程反硝化

短程反硝化是指以亞硝酸鹽為電子受體，將亞硝酸鹽直接還原為氮氣的過程。其反應為：NO?? + 3[H] + H? → 0.5N? + 2H?O。由于亞硝酸鹽還原酶（NirS/NirK）的電子競爭能力優于硝酸鹽還原酶（Nar/Nap），短程反硝化速率通常高于全程反硝化，且可節省約40%的有機碳源。短程反硝化菌（如Thauera、Pseudomonas、Azoarcus等）在缺氧條件下以有機物為電子供體，將NO??還原為N?。

2.3 短程硝化-反硝化與短程硝化-厭氧氨氧化耦合

短程硝化產物可為短程反硝化提供電子受體，兩過程串聯即構成短程硝化-反硝化工藝，相比全程脫氮可節省25%曝氣量和40%碳源。更具吸引力的是短程硝化與厭氧氨氧化（ANAMMOX）的耦合：短程硝化提供約50%的亞硝酸鹽，厭氧氨氧化菌以氨氮為電子供體、亞硝酸鹽為電子受體生成氮氣（NH?? + 1.32NO?? + 0.066HCO?? → 1.02N? + 2.03H?O + 0.066CH?O?.?N?.??），該過程無需有機碳源與曝氣，污泥產量極低，是當前最具前景的低碳脫氮技術路線。

3 關鍵影響因素與調控策略

3.1 溶解氧（DO）

AOB對氧的親和力（Km約0.3 mg/L）高于NOB（Km約1.1 mg/L），低DO條件下AOB競爭氧的能力更強。通常將DO控制在0.5-1.5 mg/L可實現短程硝化穩定運行，但過低DO易引發污泥膨脹，過高則NOB活性恢復導致亞硝酸鹽積累被破壞。

3.2 溫度與游離氨

溫度越高，AOB與NOB生長速率差異越大，30-35℃時可實現短程硝化，但主流污水低溫（10-20℃）條件下，需借助FA/FNA抑制協同調控。游離氨對NOB的抑制閾值為0.1-1.0 mg/L，而AOB可耐受10-150 mg/L，通過控制pH和氨氮負荷維持FA濃度是低溫短程硝化的有效手段。

3.3 污泥齡（SRT）

NOB世代周期長于AOB，交替曝氣/缺氧或縮短SRT可選擇性淘洗NOB。研究表明，SRT控制在10-15天有利于短程硝化的維持。

3.4 碳源與反硝化控制

短程反硝化需充足的電子供體，碳氮比（C/N）宜控制在1.5-3.0（以COD/NO??-N計）。碳源類型以乙酸鈉、乙醇等易降解有機物為佳。實時控制策略包括pH/ORP/DO拐點監測，精準判定反硝化終點以避免碳源浪費和亞硝酸鹽殘留。

4 工藝應用研究進展

4.1 SBR工藝

序批式反應器（SBR）憑借時序控制靈活、底物梯度明顯等優勢，成為短程硝化研究最廣泛的平臺。通過控制曝氣時間、DO和沉淀排水比，可在SBR中實現短程硝化-反硝化以及短程硝化-ANAMMOX。研究表明，在22-28℃、DO 0.8 mg/L條件下，SBR反應器亞硝酸鹽積累率（NAR）可達90%以上，總氮去除率超過80%。

4.2 連續流工藝

連續流A/O、A2/O工藝中實現短程硝化難度較大，因推流式流態易造成NOB沿程恢復。通過分區供氧、設置缺氧選擇器、生物膜載體投加等手段，在連續流體系中實現了短程硝化穩定維持。張等（2021）在改良A/O工藝中，通過低DO（0.6 mg/L）與周期性缺氧擾動，連續運行180天NAR保持85%以上。

4.3 顆粒污泥與生物膜工藝

好氧顆粒污泥（AGS）因其致密的微觀氧擴散梯度，外層AOB占優、內層NOB受限，天然適合短程硝化。顆粒污泥-ANAMMOX耦合工藝已在市政污水厭氧消化液處理中實現工程化，容積脫氮負荷達0.5-1.2 kg N/(m3·d)。移動床生物膜反應器（MBBR）通過生物膜內DO梯度也可實現短程硝化與短程反硝化的協同。

4.4 短程反硝化-ANAMMOX耦合（PD-A）

短程反硝化（PD）將NO??還原為NO??，彌補了主流ANAMMOX工藝亞硝酸鹽供給不足的難題。PD-A工藝以硝酸鹽為起始底物，先經短程反硝化生成亞硝酸鹽，再由ANAMMOX菌轉化為N?。該工藝特別適用于低C/N比、含硝酸鹽的廢水（如污泥消化液、垃圾滲濾液），已在小試和中試尺度取得良好效果，總氮去除率達75%-90%。

5 技術瓶頸與挑戰

盡管短程硝化與短程反硝化技術具有顯著優勢，但其工程應用仍面臨多重挑戰。低溫條件下NOB抑制困難，主流污水短程硝化穩定性不足，易發生NOB“復蘇”導致亞硝酸鹽積累崩潰。短程反硝化過程中亞硝酸鹽易被剩余碳源或內源呼吸進一步還原為N?，但也可能因碳源不足導致亞硝酸鹽積累，對后續ANAMMOX產生抑制。FA/FNA抑制閾值的菌群適應性差異、N?O等溫室氣體釋放控制、以及在線傳感與控制系統的精準度等，均是當前亟待解決的問題。

6 展望

未來短程硝化與短程反硝化技術的研究與應用應重點關注以下方向：（1）低溫主流條件下NOB抑制的分子機制與新調控手段，如基于群體感應淬滅或噬菌體的定向調控；（2）PD-A耦合工藝的菌群協同與穩定運行策略，尤其是ANAMMOX菌與短程反硝化菌的生態位匹配；（3）基于人工智能與大數據的過程控制，實現脫氮路徑的實時診斷與智能優化；（4）# 合成微生物組")與合成生物學手段構建高效脫氮功能菌群；（5）全生命周期評價與技術經濟分析，推動新工藝從實驗室向工程規模轉化。隨著“雙碳”戰略的深入推進，短程硝化與短程反硝化技術必將在污水處理廠節能降耗與碳中和運行中發揮更大作用。

7 結論

短程硝化與短程反硝化技術通過縮短氮轉化路徑，在降低曝氣能耗、節省碳源、減少污泥產量和溫室氣體排放方面優勢明顯。AOB與NOB、短程反硝化菌與ANAMMOX菌的協同調控是工藝穩定運行的核心。現有多以SBR、顆粒污泥和生物膜工藝為載體，在多種廢水處理中顯示出良好脫氮性能。低溫主流條件下的長期穩定性、碳源精準調控以及溫室氣體減排等問題仍需深入探索。未來通過多學科交叉創新與智能化調控，短程脫氮技術有望成為新一代高效低碳生物脫氮的主流工藝。