达方华 ，徐乐中 ，2，3，王 垚 ，王超超 ，陈茂林 ，2

（1.苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏苏州215009；2.苏州淡林环境科技有限公司，江苏苏州215011；3.江苏省水处理技术与材料协同创新中心，江苏苏州215009）

污水厂传统的活性污泥法普遍存在能耗高、外碳源投加量大、脱氮效率低下、运行成本高等问题，寻求新型高效低能耗的脱氮工艺迫在眉睫。目前，以厌氧氨氧化（Anammox）为主的脱氮工艺逐渐成为研究热点〔1〕。该反应是在厌氧条件下，厌氧氨氧化菌（nAOB）以NH4+-N为电子供体，NO2--N为电子受体，产生N2和NO3--N 的过程〔2〕。与传统硝化反硝化脱氮工艺相比，该工艺可节省60%的运行成本、100%的氧气需求量和外碳源电子供体，同时污泥产量可减少80%～90%〔3〕。 然而，Anammox 反应对进水基质比〔n（NO2--N）∶n（NH4+-N）〕有严格要求（理论值为1.32），如何获得稳定的进水基质比是实现Anammox脱氮工艺的关键。

在生物养分去除（BNR）过程中，氨氮的部分亚硝化与硝化作用相比可减少25%的耗氧量，也减少了40%的碳源需求〔4〕。近年来，以亚硝酸盐代替硝酸盐脱氮被广泛认为是厌氧氨氧化的前提步骤，因此部分亚硝化成为生物脱氮领域研究的热点课题之一。亚硝化反应是氨氧化菌（AOB）以NH4+-N为电子受体氧化为NO2--N，同时抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB）对AOB产物进行深度氧化的过程〔见式（1）〕。部分亚硝化（PN）则通过调控运行参数，将进水中约50%的NH4+-N氧化为 NO2--N，以保证出水 n（NO2--N）∶n（NH4+-N）为 1～1.32，为Anammox的稳定运行提供条件。

目前关于匹配厌氧氨氧化的半亚硝化启动已有文献报道〔5〕。笔者总结了部分亚硝化启动过程的最新发展情况，讨论了近年来PN启动调控的研究结果，并对PN研究进行展望，提供可用的优化策略，以促进主流PN/AMX工艺的设计和操作，为更好地了解PN/AMX技术的现状和预测未来研究提供基础。

1 反应器类型对部分亚硝化工艺启动的影响

不同反应器将为微生物的生长提供不同微环境，而实现部分亚硝化的关键在于能有效富集AOB，同时抑制NOB的生长。因此，在反应器结构和生物质种类的选择应有利于保留AOB，抑制或淘洗出NOB。目前国内外常用的短程硝化启动反应器主要有序批式反应器（SBR）、连续流反应器（CSTR）、膜生物反应器（MBR）、移动床生物膜反应器（MBBR）、人工快渗系统（CRI）、混合系统反应器（IFAS）、气提式反应器等。部分亚硝化反应在不同反应器中的启动过程和实现情况见表1。

表1 不同反应器中部分亚硝化启动效果比较

根据反应器特点及对微生物的截留筛选能力，目前绝大多数亚硝化工艺都在序批式反应器内完成。但实际应用中，由于序批式反应器具有操控复杂、运行不稳定等缺点，而连续流工艺因基建费用低、结构简洁、调控简单等优势，逐渐成为实际工程的首选模式〔13〕。

膜生物反应器作为连续流工艺，在PN启动调控方面具有以下优势：（1）在氨氧化和脱氮方面可满足与活性污泥系统类似处理目标的能力，但需要比澄清池耦合活性污泥系统更小的罐容量；（2）与活性污泥系统相比，其生物质保有量与沉淀池无关，液固分离单元的固体负荷显著降低；（3）不需要特殊的生物膜厚度、控制操作周期；（4）液固分离可通过常规方法和紧凑的高速率方法等实现。在间歇式反应器自动控制要求高、活性污泥反应器生物质保有量不稳定等情况下，膜反应器被越来越多的研究者用于启动部分亚硝化〔14〕。

Xiaojing Zhang等〔8〕采用高氨氮负荷结合低DO方式在MBR反应器中启动部分亚硝化，经过27 d的启动，系统实现了 0.52 kg/（m3·d）的氨氧化速率，出水基质比维持在1.1～1.3。在MBR稳定运行阶段，AOB比例上升到31.2%，而NOB仅为1.8%。结果表明，稳定运行过程中NOB被彻底洗出反应器，AOB成为微生物中占主导地位的细菌。Yongpeng Ma等〔15〕在MBR中启动部分亚硝化匹配厌氧氨氧化进水，通过保持反应器中较高质量浓度的FA（5.63 mg/L）有效抑制了NOB。经过一段时间的连续运行，反应器出水氨 氮 和 亚 硝 酸 盐 分 别 为 （87.9±5.5）、（91.9±4.3）mg/L，亚硝酸盐与氨氮之比为1.05，接近Anammox反应的理论比例。Luwei Shen等〔16〕用MBR反应器启动部分亚硝化匹配厌氧氨氧化反应，发现经50 d的启动，反应器中平均82%的铵离子转化为亚硝酸盐，铵离子转换速率约为 0.8 kg/（m3·d），亚硝酸盐在水中占主导地位（平均为176 mg/L），硝酸盐较低（10～30 mg/L），说明反应器中的AOB得到增殖和积累，成为主要功能菌种，NOB活性得以抑制。

2 种泥来源对部分亚硝化工艺启动的影响

通过接种长期储存的亚硝化絮状污泥，可快速启动短程硝化反应〔17〕，但AOB作为自养菌生长速率缓慢，且实际工程中成熟的部分亚硝化污泥供应极少，故种泥来源对AOB的富集和部分亚硝化的启动影响较大。

根据不同种泥中功能微生物种类的差异性，可将常用的启动部分亚硝化的接种污泥分为厌氧污泥、好氧颗粒污泥、好氧絮状污泥和混合型活性污泥。种泥类型对部分亚硝化启动情况的影响如表2所示。

表2 不同接种污泥实现部分亚硝化的启动情况

B.Kim等〔21〕在SBR反应器中分别接种好氧颗粒污泥和厌氧颗粒污泥启动PN反应，发现好氧颗粒污泥中硝化单胞菌在30 d后为16%，80 d后达到33%，厌氧颗粒污泥中的硝化单胞菌在50 d后为3%，亚硝化细菌在好氧颗粒污泥中的增殖速率明显更优。 Jianhua Zhang 等〔22〕接种了反硝化除磷（DPR）絮状污泥，67 d内成功启动部分亚硝化，出水中n（NO2--N）∶n（NH4+-N）约为 1，亚硝酸盐累积率（NAR）＞95%。微生物定量分析结果表明，污泥中的AOB基因比例从0.21%上升到3.43%，而NOB基因比例逐渐降到0.07%。

研究发现，好氧颗粒污泥表面结构紧密、内部孔隙率大，污泥中的微生物种类丰富，具有较好的短程硝化效果，通过控制HRT可实现部分亚硝化的快速启动〔23〕。但在部分亚硝化过程中，好氧颗粒污泥因生物量的脱离容易失稳，发生污泥解体现象，而厌氧颗粒污泥即使在低曝气速率下也能保持稳定的颗粒结构〔21〕。同时，对接种不同状态好氧污泥启动部分亚硝化的效果进行比较〔20，24〕，发现相比于颗粒好氧污泥，絮状污泥作为接种污泥时部分亚硝化启动时间更短，推测可能是由于颗粒污泥内部结构紧密，氧气在颗粒污泥内的传递比在絮状污泥中更为困难。综上，种泥选择对部分亚硝化的启动和功能菌种的富集具有重要意义，实际工程中应结合废水特征、场地条件、外界环境等选取合适的接种污泥。

3 环境因素对部分亚硝化工艺启动的影响

3.1 溶解氧

氧是部分亚硝化反应的电子受体，反应器内溶解氧（DO）的高低必将影响部分亚硝化反应的进程。且参与该反应的主要微生物AOB和NOB都属于好氧微生物，因此，如何在反应中合理控制DO，完成AOB富集和NOB抑制，对实现部分亚硝化具有重要意义。

大量研究表明，低氧环境下AOB对氧的亲和力高于NOB，故低DO启动部分亚硝化已被国内外学者广泛应用〔25〕。 B.Hosseinpour等〔26〕控制反应器内DO在0.9～1.2 mg/L，成功解决了NOB快速生长而引起的硝酸盐积累问题，在限氧条件的35 d内，反应器中的硝酸盐积累量减少，匹配Anammox反应的部分亚硝化成功建立。Rong Chen等〔27〕通过调节曝气量将DO控制在0.6 mg/L，成功启动部分亚硝化，获得适合 Anammox 反应的出水〔n（NO2--N）∶n（NH4+-N）=1〕。H.Khan 等〔28〕处理总氨氮为 400 mg/L 的废水时，控制 DO在 0.6～1.0 mg/L，在 20～80 d内获得 97%的NAR，110 d左右反应器内部分亚硝化得以稳定维持。Dechao Zhang等〔29〕采用间歇曝气方式控制DO为0.7 mg/L，有选择性地抑制了NOB活性，NAR在34 d内迅速达到90%以上，成功启动部分亚硝化，出水基质比满足Anammox要求。

目前大多数研究均采用低DO控制淘汰NOB。有学者认为高 DO范围（1.5～2.5 mg/L）亦可促进NOB 从主流脱氮系统中淘汰〔4〕。Hangcheng Jiang 等〔30〕研究发现，在高 DO（2.5±0.5 mg/L）条件下，经 30 d连续运行AOB成为硝化菌群的优势菌种，NAR保持在90%以上，部分亚硝化系统出水的n（NO2--N）∶n（NH4+-N）保持在 0.96±0.18。 Peng Bao 等〔31〕在 SBR反应器中启动硝化反应时发现，随着DO由低浓度逐渐升至1.8 mg/L，反应器内开始发生部分硝化反应。AOB与NOB之比在高DO期由3∶1增加到23∶1。与低DO期相比，高DO期AOB对溶解氧的竞争能力更强，使得溶解氧优先用于氨氧化，抑制了NOB的活性。在高DO阶段系统NAR达到80%～98.4%，通过控制系统反应时间可成功实现部分亚硝化。

综上，溶解氧作为外界环境因子对PN反应的调控具有重要作用，但由于污水特性、实验工况不同，盲目采用低DO方式启动反应并不可取，应根据处理目标、水质特点等调控合适的DO浓度。

3.2 碳氮比

为实现部分亚硝化的快速启动，避免有机物对自养菌AOB的抑制和毒害，常采用配水不投加有机物的方式启动PN反应，为AOB的富集提供优良环境。但考虑到实际废水中常含有一定有机物，如何通过调控进水碳氮比，改变异养菌与硝化菌之间的相对优势，在较短时间内实现污泥的功能转换仍需进一步探索。

M.Capodici等〔32〕研究了不同碳氮比和氨氮负荷（ALR）对SBR处理城市垃圾渗滤液亚硝化性能的影响，发现ALR与碳氮比之间的适当平衡是提高亚硝化效率的关键。ALR和碳氮比的最佳范围分别约为 0.30～0.50 kg/（m3·d）和 2～4，虽然此数值范围内NOB没有被完全抑制，但可观察到亚硝酸盐累积（125 mg/L）优于硝酸盐累积（50 mg/L）。同时，在获得稳定亚硝化的基础上，将碳氮比降低至 1∶1～1.14∶1，经一段时间的稳定运行可获得近87%的氨氮转化率〔33〕，说明在稳定的部分硝化反应中调控合理碳氮比可成功实现部分亚硝化反应。Jianfei Wang等〔34〕在SBR反应器中以碳氮比为2∶1逐步提高进水负荷，经21 d获得90%的亚硝酸盐累积率，83 d后硝化细菌群落的变化相对简单，硝化单胞菌成为颗粒中唯一的自养AOB，其中europaea硝化单胞菌为优势种（占98.5%），NOB被有效抑制并从系统中洗出。张敏等〔35〕认为碳氮比通过影响亚硝化系统中异养菌和自养菌对基质的竞争，造成酸碱环境（pH）才是影响亚硝化效能的关键因素。

3.3 pH

有研究表明pH对部分亚硝化的影响只是表观现象，实际起作用的是 NH3（FA）和 HNO2（FNA）〔见式（2）、式（3）〕。FA 对 NOB 和 AOB 产生抑制的质量浓度分别为 0.1～10、10～150 mg/L，FNA 完全抑制NOB 和 AOB 生长的质量浓度为 0.02、0.4 mg/L〔36〕。通过pH调控水中FA和FNA浓度，从而实现部分亚硝化〔37〕。

Huosheng Li等〔38〕探讨了利用pH维持稳定部分亚硝化处理垃圾渗滤液的可行性，发现控制pH在8.17～8.19可维持较高的FA浓度，抑制NOB菌生长，出水 n（NO2--N）∶n（NH4+-N）稳定在 1.10～1.50，成功实现并维持稳定部分亚硝化。Dong Wei等〔39〕研究发现控制进水FA为29.95 mg/L，当pH从7.5增加到8.3时，由于FNA增加（0.002 4 mg/L增至0.017 3 mg/L），亚硝酸盐积累率可从（1.68±1.51）%增加到（35.46±7.86）%，FA 和 FNA 的共同作用抑制了 NOB的活性，提高了系统中亚硝酸盐的积累量，为PN的实现提供有利条件。W.Bea等〔40〕发现最佳操作pH随TAN的增加而降低，95%硝化反应的最佳pH为8.0，而 55%部分硝化反应的最佳 pH在 7.2～7.8。

3.4 水力停留时间

为使硝化菌群能够在连续流反应器内存活，微生物在反应器内的停留时间必须大于自养型硝化菌的最小世代时间，否则硝化菌群的流失将大于净增，使功能微生物从系统中流失殆尽。然而过长的HRT易使NO2--N被NOB氧化为NO3--N，大大降低系统NAR，因此，控制合理的HRT对部分亚硝化的实现有重要意义。

Lan Wang 等〔41〕采用 DO-HRT 控制策略来调节部分亚硝化出水的基质比，将反应器内HRT从1.26h降至 0.63 h，氨氮负荷从（2.73±0.16） kg/（m3·d）提高至（4.95±0.14）kg/（m3·d），PN 成功启动且体系性能优良，氨氮转换率为53.6%～62.1%，亚硝酸盐积累率＞90%，出水 n（NH4+-N）∶n（NO2--N）为 1∶1.04～1∶1.47。 S.F.Kosari等〔42〕控制 PN 反应器 HRT 为 5 h，将（49.5±1.0）%的铵转化为亚硝酸盐，出水基质比为1.0～1.2，实现了稳定的部分亚硝化反应。P.T.Nhat等〔43〕比较了SBR反应器在不同HRT下出水n（NO2--N）∶n（NH4+-N）情况，当进水氨氮为 500 mg/L时，将HRT从19 h缩短至12 h，运行3 d后达到稳态，n（NO2--N）∶n（NH4+-N）从（2.75±0.87）降至（1.22±0.1），得到接近Amammox进水的化学计量比。

除上述环境因子外，温度、碱度、底物浓度等水质条件都会影响AOB活性，因此，如何在实际工程应用的不良环境下维持长期稳定的部分亚硝化，以满足厌氧氨氧化的进水基质需求仍需进一步探讨。

4 结语与展望

部分亚硝化作为Anammox的前处理工艺，可为Anammox工艺提供理想的进水基质浓度，是实现PN-Anammox工艺的关键步骤，对该耦合工艺的工程化应用起到决定性作用。笔者综合PN工艺的启动条件，得出以下结论：（1）部分亚硝化的启动和稳定运行与反应器的选择密切相关，反应器的选取应以生物量截留性能好、结构简单、操控方便、运行成本低等条件为参考，选择膜生物反应器或序批式反应器为宜；（2）接种污泥的选取应综合考虑实际工程应用中废水特征、场地条件、外界环境等因素，选取能够快速富集AOB、适应较高水力负荷的接种污泥；（3）注重调控溶解氧、pH、水力停留时间等多重环境因子对部分亚硝化快速启动的影响，控制pH偏碱性，碳氮比为1～2，结合进水条件调控DO和HRT可为部分亚硝化的实现提供有利条件。

最后，除上述外在影响因素，笔者认为PN工艺未来的发展可面向NOB的抑制策略和AOB活性改良进一步深入研究：（1）控制污泥停留时间（SRT）以淘洗NOB，利用AOB和NOB污泥龄的差异达到富集AOB、去除NOB的效果；（2）当环境由厌氧状态向好氧状态转变时，NOB较AOB有更长的延迟时间，AOB对环境变化表现出更强的适应性，因此可采用间歇曝气抑制NOB生长；（3）可通过添加化学药剂如羟胺等完成对 NOB 的抑制〔44〕；（4）可通过控制 PN过程低NO2--N暴露，使NOB底物不足达到抑制目的；（5）根据AOB和NOB涉及的氮元素转换代谢过程，可知酶的基因表达是其功能核心，针对AOB对环境敏感的瓶颈，在DNA分子学水平上深入研究改良AOB活性前景广阔，潜力巨大。