1.1 短程反硝化技术简介与特性

传统的反硝化一般是指 NO3-到 NO2-、一氧化氮(NO)、氧化亚氮（N2O）和氮气（N2）的还原过程，其每一步都有特异的酶参与，分别在 NO3-还原酶

（Nar））、NO2-还原酶（Nir）、NO 还原酶（Nor）和 N2O 还原酶（Nitrous oxide reductase，Nos） 的作用下完成，如下图所示。

1.2 外在因素诱导的反硝化过程 NO2-积累所谓的短程反硝化是指将传统的反硝化控制到以 NO2-为终产物，而不进一步的还原。从上图可以看出，短程反硝化相比传统反硝化，省去了多步还原过程，因此其具有较高的反应速率，并且外碳源耗量大大降低，相应的污泥产量也会大大减少。NO2-相比 NO3-，对水生生物和人体健康的危害更大，因此，城市污水处理过程应尽量减少或避免短程反硝化 NO2-的发生。而自从上世纪 90 年代厌氧氨氧化技术被发现后，短程反硝化将具有重要的研究意义和应用价值，其为厌氧氨氧化的电子受体 NO2-提供一种新的获取途径。

反硝化过程 NO2-积累的直接原因是由于NO2-的还原速率小于NO3-的还原速率，一般情况下，NO2-的还原速率都大于NO3-的还原速率，因此反应过程不会出现 NO2-的积累。但在实际运行过程中，NO2-积累的现象主要是由于一些外部因素导致NO2-还原酶的活性小于NO3-还原酶的活性，使得 NO2-的还原速率小于NO3-的还原速率，主要影响因素如下：

（1）有机物量（C/NO3--N）

一般在碳源有限条件下容易发生 NO2-还原酶和 NO3-还原酶竞争电子，并且 NO2-还原酶往往处于劣势，因此 NO2-积累现象经常发生。在以乙酸盐为碳源的反硝化试验发现 ，在 C/N比为 2.0~3.0时，反硝化过程无NO2-积累，但当 C/N 降低至 1.0 时，50%以上的 NO3-被转化为NO2-。乙酸盐丰腴与匮乏条件时反硝化NO2-积累特性， C/NO3-N 为 2.5 时能实现较好的 NO2-积累。NO2-还原酶和 NO3-还原酶在高 C/NO3-N 时也会发生电子竞争， 反硝化过程会出现明显的NO2- 积累， 并且其积累量随着 C/NO3-N（1.0~15.0）的增加而增加。

（2）碳源类型

NO2-积累量与反硝化过程外碳源的类型也有很大关系，目前还没有统一的结果表明哪一种碳源易于形成 NO2-积累。有研究表明以葡萄糖为碳源的反硝化系统亚硝酸产生量最大。但又有研究发现甲醇、乙醇、乙酸钠和丙酸钠为碳源的反硝化过程都出现较高的NO2-积累，但以葡萄糖为碳源时反应过程却无NO2-积累的现象。

 （3）pH

反硝化是由各种酶参与的还原过程，pH对酶的活性有很大的影响，不同的酶一般具有不同的最佳pH，因此在特定pH下，NO3-还原酶和NO2-还原酶的活性可能存在一定的差异，进而可能会诱导 NO2-的积累。以处理高浓度NO3-废水污泥为研究对象，发现在初始 NO3- 浓度为 2700 mg N/L，pH为 7.5、8.5 和 9.0 时，反硝化过程 NO2-最大积累量随着 pH 的提高而增加，分别达到 250、500 和 900 mg N/L。然而，又有研究在低浓度 NO3-废 水（50 mg N/L）的小试中发现，低pH条件下更利于NO2- 的积累。不同的研究者由于考察对象及条件不同，结果存在很大的差异，pH 对反硝化过程 NO2-积累的影响机理仍需进一步考察。

(4)其它因素

有毒有害物质对反硝化过程NO2-的积累也具有较大的影响，研究杀虫剂的应用对反硝化菌活性的影响，表明投加有机磷杀虫剂乐果和杀扑磷的反硝化系统，在培养72 h后检查到高浓度的NO2-积累，这可能是由于杀虫剂对 NO2-还原酶产生了较强的抑制作用。研究发现反硝化系统存在较高浓度的氧气也会促使大量的 NO2-产生，分析原因主要是由于 NO2-还原酶的分泌对氧气比较敏感，只有当系统中氧气浓度低于 2μM 时，才会分泌 NO2-还原酶。

1.3  NO2-积累相关的反硝化菌

反硝化菌群结构对 NO2-积累有很大的影响。根据还原 NO3-和 NO2-的能力，将反硝化菌分为3个组别，A类为兼性厌氧菌，其只能将 NO3-还原为 NO2-，而不能进一步的还原；B 类反硝化菌能同时还原 NO3-和 NO2-，并且反应过程 NO2-还原速率远远大于 NO3-还原速率，无中间产物NO2-的积累；C 类反硝化菌也能同时还原 NO3-和 NO2-，但在反应过程会伴随 NO2- 的短暂积累。Blasczyk 等从污水处理厂分离出3 种反硝化菌（Paracoccus denitrificans、Pseudomonas stutzeri 和 Pseudomonas aeroginosa)，试验结果表明 Paracoccus denitrificans菌反硝化过程不积累NO2-，Pseudomonas stutzeri 菌先将 NO3-全部还原为 NO2-，然后再进一步还原为氮气；Pseudomonas aeroginosa 菌在 NO3-还原过程出现短暂的 NO2-积累，证实了上述3类反硝化细菌的存在。

1.4 短程反硝化的实现与稳定维持

基于以上分析可以看出，短程反硝化高亚硝酸产生可以通过外在因素的诱导和筛选富集相关的功能菌来实现。

以乙酸钠为碳源，通过批次试验考察了有机物丰腴-匮乏时反硝化过程亚硝酸积累特性，结果表明在 C/NO3-N 小于 3.5 时，外源反硝化相比内源反硝化更加利于 NO2-的积累，C/NO3-N 为 2.5 时 NO2-转化率高达 71.7%。为了在实际应用中实现理想的NO2-积累，随后考察了间歇进水的运行模式，控制进水基质 C/NO3-N 为 2.7 时 NO2-的积累效果。试验结果表明利用pH曲线拐点与乙酸钠匮乏点的对应关系，及时的补充反应基质，可以实现 60% 的 NO2-转化率。

以污泥发酵液为碳源，通过批次试验考察了缺氧污泥、厌/缺/好氧污泥和厌/缺氧污泥反硝化过程NO2-的产生特性，结果表明厌/缺氧污泥具有很高的 NO2-转化率（78%~95%)，并且初始 C/NO3--N 对 NO2-产生率影响很小，是由于厌/缺污泥中含有大量的“NO3-呼吸菌”。微生物在离开原来的生长环境时，其一些固有特性一般会慢慢退化，直至消失。进一步考察了厌/缺氧污泥在长期运行时的 NO2-的产生状况，探讨其高 NO2-积累特性是否依然保持。108 天的间歇 SBR 反应器运行结果表明，反硝化过程 NTR 稳定维持在 80%左右，从而表明短程反硝化高NO2-积累可以实现并能长期稳定维持。