研究背景：近年來，厭氧氨氧化(anammox)與后置異養(yǎng)部分反硝化(硝酸鹽→亞硝酸鹽)的組合工藝日益受到關(guān)注，用于處理含過量硝酸鹽的anammox出水。然而，穩(wěn)定實現(xiàn)亞硝酸鹽積累一直是后置反硝化的主要瓶頸。本研究重點探討了乙酸"飽饑"條件下異養(yǎng)部分反硝化的表性能現(xiàn)。

1、核心發(fā)現(xiàn)

碳氮比優(yōu)化

當(dāng)可生物降解COD與硝酸鹽比值(RBCOD/NO??)為2.5時，在硝酸鹽完全還原條件下可實現(xiàn)71.7%的理想亞硝酸鹽積累率(NAR)。

運行模式比較

RBCOD/NO??比值<3.5時，外源反硝化階段在效率和亞硝酸鹽積累方面表現(xiàn)更優(yōu)。研究表明，乙酸耗盡時刻是反硝化的最佳終止點，該時刻可通過pH值變化精準指示。

工藝控制創(chuàng)新

基于pH指示的批次流運行模式(RBCOD/NO??=2.7)可實現(xiàn)60%的NAR，這將有力推動部分反硝化工藝的規(guī)模化應(yīng)用。

溫室氣體控制

堿性環(huán)境(pH 9.0-9.6)能有效抑制內(nèi)源反硝化階段的N?O排放。

研究背景深化

作為華北地區(qū)重要的替代飲用水源，地下水占北京供水總量的2/3（Huang，2005）。然而，嚴格排放標準下生物處理污水中的含氮化合物，導(dǎo)致受納水體硝酸鹽污染加劇，進而威脅飲用水源安全。在此背景下，污水生物脫氮(BNR)尤其是市政污水脫氮已成為社會關(guān)注焦點。

技術(shù)瓶頸

傳統(tǒng)工藝局限

傳統(tǒng)后置異養(yǎng)反硝化工藝雖能保證出水氮氧化物達標，但存在：

需投加外源碳源增加運行成本

污泥處理難度大

碳源投加控制不當(dāng)可能影響出水水質(zhì)

Anammox工藝缺陷

雖然anammox工藝具有高效低耗優(yōu)勢（Kartal等，2010），但根據(jù)化學(xué)計量式(1)（Strous等，1998）：

1NH??+1.32NO??+0.066HCO??+0.13H?→

1.02N?+0.26NO??+0.066CH?O?.?N?.??+2.03H?O

約10%的氮仍以硝酸鹽形式殘留在出水中，單級anammox無法實現(xiàn)深度脫氮。

工藝創(chuàng)新

APPD系統(tǒng)(Anammox耦合后置部分反硝化)因其經(jīng)濟高效性備受青睞。雖然單級系統(tǒng)中anammox與反硝化的共存已有報道（Kumar和Lin，2010），但考慮到：

有機底物對anammox菌的抑制

自養(yǎng)與異養(yǎng)微生物生長速率的差異

兩階段APPD系統(tǒng)可能更具工程應(yīng)用穩(wěn)定性。該系統(tǒng)中，anammox出水中的硝酸鹽通過部分反硝化生成亞硝酸鹽，再通過內(nèi)回流作為anammox的底物。

技術(shù)挑戰(zhàn)

常規(guī)異養(yǎng)反硝化路徑如式(2)所示：

如何穩(wěn)定控制在"硝酸鹽→亞硝酸鹽"階段是實現(xiàn)APPD系統(tǒng)的關(guān)鍵。雖然已有關(guān)于純菌培養(yǎng)中亞硝酸鹽積累的研究，但在復(fù)雜菌群體系中實現(xiàn)高NAR仍存在挑戰(zhàn)（Ge等，2012）。

研究突破

碳源特性研究

乙酸作為厭氧發(fā)酵易得產(chǎn)物，相比甲醇和葡萄糖具有更高的反硝化速率。Oh和Silverstein(1999)曾報道乙酸限制條件下可實現(xiàn)亞硝酸鹽積累，但"飽饑"條件對部分反硝化的影響尚不明確。

研究創(chuàng)新點

本研究通過：

建立以硝酸鹽為電子受體、乙酸為電子供體的SBR系統(tǒng)

系統(tǒng)考察"飽饑"條件對亞硝酸鹽積累、反應(yīng)效率、污泥產(chǎn)量和N?O排放的影響

開發(fā)基于批次流模式的優(yōu)化控制策略

研究意義

該成果將深化對"飽饑"條件下異養(yǎng)部分反硝化的理解，并為APPD系統(tǒng)的工程應(yīng)用提供優(yōu)化控制策略。

2、方法

2.1.反硝化污泥與廢水來源

采用本課題組前期研究中穩(wěn)定運行300天以上的實驗室規(guī)模缺氧/好氧一體化生物膜反應(yīng)器（Gong等，2012）從缺氧區(qū)排出的廢棄污泥作為反硝化污泥。將異養(yǎng)反硝化細菌在10 L工作體積的SBR反應(yīng)器中以乙酸為底物富集培養(yǎng)15天。合成廢水（COD/NO3-=5）組成為（/L）：364.3 mg NaNO3（60 mg NO3--N）、438.0 mg乙酸鈉（300 mg COD）、11.1 mg KH2PO4（3 mg PO43--P）、6 mg MgSO4·7H2O、3 mg CaCl2·2H2O及1 mL微量元素貯備液（含/L：10.0 g EDTA、0.12 g ZnSO4·7H2O、0.15 g CoCl2·6H2O、0.12 g MnCl2·4H2O、0.03 g CuSO4·5H2O、0.06 g Na2MoO4·2H2O、0.01 g CaCl2·2H2O、1.50 g FeCl3·6H2O、0.15 g H3BO3、0.18 g KI）。

2.2.實驗裝置與運行

在22±2℃條件下，采用2 L工作體積的SBR反應(yīng)器進行批次實驗以評估碳源限制下的亞硝酸鹽積累性能。污泥取自母體10 L SBR，饑餓數(shù)小時后用去離子水洗滌三次轉(zhuǎn)入反應(yīng)器。培養(yǎng)基組成除硝酸鹽和乙酸濃度外與培養(yǎng)期相同。通過添加3000 mg/L的NaNO3貯備液調(diào)節(jié)初始硝酸鹽濃度至15、20、40、80 mg/L（模擬厭氧氨氧化出水典型濃度，如低C/N比的消化污泥脫水液）。乙酸投加量根據(jù)結(jié)果詳述控制為電子供體限制條件。添加50 mg/L烯丙基硫脲抑制可能由內(nèi)源代謝細胞裂解產(chǎn)生的銨氧化（Adav等，2010）。用去離子水將混合液定容至1.5 L，通氮氣5-10 min確保缺氧條件。特定批次中通過0.1 M HCl/NaOH調(diào)節(jié)pH研究其N2O排放影響。反應(yīng)器配備橡膠蓋與磁力攪拌器，外源/內(nèi)源反硝化期分別每15-30 min和60-120 min取樣，4000 rpm離心2 min后4℃保存待測。

2.3.分析方法

溶解氧（DO）、pH、溫度采用WTW Multi 340i測定儀（德國WTW公司）；COD用連華科技5B-1型快速測定儀；NH4+-N、NO2--N、NO3--N、PO43--P采用Lachat Quik Chem 8500流動注射分析儀（美國Lachat）；溶解態(tài)N2O用Unisense N2O500微電極測定；SS/VSS參照標準方法（APHA，1998）。

2.4.計算方法

2.4.1.亞硝酸鹽積累率（NAR）

按式(3)計算：

NAR(%)=(NO2-t-NO2-initial)/(NO3-initial-NO3-t)×100%

式中NO2-t、NO2-initial分別為采樣點與初始亞硝酸鹽濃度（mg-N/L），NO3-t、NO3-initial為對應(yīng)硝酸鹽濃度。

2.4.2.易降解COD（RBCOD）

基于乙酸的高生物降解性，用RBCOD/NO3-比代替COD/NO3-比表征實際乙酸量：

RBCOD=CODtotal-CODeffluent

式中CODtotal、CODeffluent分別為初始與出水COD濃度（mg/L）。

2.4.3.硝酸鹽還原速率（VNa）與亞硝酸鹽產(chǎn)率（VNi）

t為反應(yīng)時間(h)，VSS為反應(yīng)污泥濃度(mg/L)。

2.4.4.缺氧表觀污泥產(chǎn)率（Yobs，AN）

考慮硝酸鹽/亞硝酸鹽還原分別等價于2.86 mgO2/mgNO3--N和1.72 mgO2/mgNO2--N，乙酸充足期（以RBCOD為電子供體）Yobs，AN（mgCOD/mgCOD）通過式(7)(8)計算（假設(shè)硝酸鹽→亞硝酸鹽與亞硝酸鹽→氮氣兩階段Yobs，AN一致）：

乙酸"充足-匱乏"期（含外源/內(nèi)源反硝化）Yobs，AN（mgVSS/mgCOD）按式(9)：

通過1.42 mgCOD/mgVSS換算亦可表示為mgCOD/mgCOD。