短程生物脱氮是氨氧化菌(AOB)将氨氮氧化为亚硝酸盐氮，通过反硝化菌将亚硝酸盐氮还原成氮气的生化反应过程.与全程生物脱氮相比，短程生物脱氮可减少25%曝气量和40%碳源投加量^{[1, 2]}，并缩短4.3倍的反应历程^[3]. 短程生物脱氮实质是将硝化反应控制在亚硝化阶段，防止亚硝酸盐氮被亚硝酸盐氧化菌(NOB)进一步氧化为硝酸盐氮.

从微生物菌属种群变化角度看，短程生物脱氮是硝化反应过程使AOB菌属优势增殖，成为硝化菌群中的优势菌种^[4]. 实现AOB富集的因素主要包括：游离氨(FA)^{[5, 6, 7, 8]}、 pH值^[9]、 温度(T)^[10]、 溶解氧(DO)^{[6, 11]}、 曝气时间(t)^{[12, 13, 14]}等. 众多研究表明，相对于AOB，NOB对FA的抑制作用更加敏感^[15]，AOB活性受到FA的短暂抑制后，其活性又迅速恢复. 此外，曝气时间也是实短程硝化的主要控制因素. Gao等^[13]研究表明，曝气时间过长会使亚硝酸盐氮积累率下降，导致短程硝化向全程硝化转变，且曝气时间比越小越有利于亚硝酸盐氮积累^[14]. 已有资料大多研究了FA、 t、DO和T等单一因素对硝化菌活性的影响，较少涉及FA耦合曝气时间对硝化菌活性的抑制影响. 基于上述背景,本试验采用3个平行的SBR反应器，考察了FA耦合曝气时间对硝化菌(AOB和NOB)活性的抑制作用.

本试验采用SBR反应器，有机玻璃构成，内、 外径分别为14 cm和15 cm，有效容积为5 L. SBR运行方式：瞬时进水(2 min)，曝气硝化，投加碳源(95%无水乙醇)，缺氧搅拌，沉淀、 排水(5 min)，排水比1∶2. 硝化和反硝化时间均采用DO和pH实时控制.

试验用水取自兰州交通大学生活区污水，其水质如表 1所示. 通过投加NH₄Cl溶液(100 g·L^-1)调节初始NH₄⁺-N浓度，初始pH值通过0.1 mol·L^-1 HCl和0.1 mol·L^-1 NaOH来调节，通过加热棒来控制反应器的运行温度(见表 2)，硝化过程为不使DO成为硝化反应的限制因素，DO浓度通过在线自动实时控制维持在(2.5±0.25) mg·L^-1范围内，曝气强度维持恒定为0.15 m³·h^-1，氧转移效率在10%~15%范围内. 接种污泥取自兰州市安宁区七里河安宁污水处理厂，其性质为：MLSS=8 000 mg·L^-1，pH为7.21~7.46.

表 1(Table 1)

表 1 实际生活污水水质特性 Table 1 Characteristics of real domestic wastewater used in this study 项目 COD/mg·L-1 NH4+-N/mg·L-1 NOx--N/mg·L-1 pH 范围 147.7~315.6 29.4~44.6 0.05~0.25 7.1~7.8 平均值 203.3 40.7 0.07 7.4

表 1 实际生活污水水质特性 Table 1 Characteristics of real domestic wastewater used in this study

采用实际生活污水对接种污泥进行驯化，驯化时间20 d. 污泥驯化结束后，均分入3个SBR反应器(分别表示为R_Exact：硝化结束停曝气； R_Ahead： 硝化结束前30 min停曝气； R_Exceed： 硝化结束后30 min停曝气)，反应器内污泥浓度为2 500 mg·L^-1左右. 为了获得不同曝气时间，3个反应器运行策略：首先，同时启动R_Exact和 R_Exceed，30 min后启动 R_Ahead. 其次，当 R_Exact硝化结束时 (通过在线实时控制准确判断硝化反应终点)，停止 R_Exact和 R_Ahead曝气，获得了硝化结束停曝气 (R_Exact) 和 硝化结束前30 min停曝气(R_Ahead) 两种条件. 最后，R_Exceed继续运行 30 min，停曝气，获得了硝化结束后30 min停曝气运行条件.

依据试验设定FA浓度梯度(通过调节初始NH₄⁺-N浓度、 pH值和温度)，将试验分为3个阶段，具体运行条件见表 2.

表 2(Table 2)

表 2 3个SBR反应器运行参数1) Table 2 Operational parameters of the three SBRs 运行条件 运行阶段 阶段Ⅰ(n=20) 阶段Ⅱ(n=20) 阶段Ⅲ(n=52) NH4+-N/mg·L-1 30.0±5.0 75.0±6.3 90.00±27 T/℃ 18.0±0.8 25.0±0.5 28.00±0.5 pH 7.7±0.2 8.0±0.15 8.15±0.15 FA/mg·L-1 0.5±0.15 5.0±0.45 10.00±2.4 MLVSS/mg·L-1 2 500±280 2 800±210 3 000±200 1)表中数值为平均值±标准偏差； n为系统运行周期数

表 2 3个SBR反应器运行参数1) Table 2 Operational parameters of the three SBRs

从反应器中取100 mL水样，用定量滤纸过滤，滤纸残余物在105℃的烘箱内烘至恒重，冷却后测量MLSS. 然后在600℃的马弗炉内烘至恒重，冷却后测量MLVSS. 过滤后的水样中NH₄⁺-N、 NO₃^--N、 NO₂^--N,COD均采用国家标准方法测定^[16]，WTW-Multi 3420测定仪检测pH、 DO和温度.

FA浓度的计算见式(1)：

式中，FA为 游离氨浓度，mg·L^-1； [NH₄⁺-N]为 NH₄⁺-N浓度，mg·L^-1； T为 温度，℃； pH为 pH值.

AOB活性的计算见式(2)：

式中，η_AOB活性为AOB活性，%； SAOR_n为第n试验周期曝气结束时SAOR(以N/VSS计)，g·(g·d)^-1； SAOR_M为第M试验阶段曝气结束时SAOR的平均值(以N/VSS计)，g·(g·d)^-1.

NOB活性的计算见式(3)：

式中，η_NOB活性为NOB活性，%； SNaPR_n为第n试验周期曝气结束时SNaPR(以N/VSS计)，g·(g·d)^-1； SNaPR_M为第M试验阶段曝气结束时SNaPR的平均值(以N/VSS计)，g·(g·d)^-1.

图 1为R_Exact、 R_Ahead和R_Exceed系统内NH₄⁺-N的去除特性. 其中，进水NH₄⁺-N浓度是3个SBR系统进水NH₄⁺-N浓度平均值. 3个阶段的进水NH₄⁺-N浓度分别为29.4、 72.0和90.0 mg·L^-1，但3个系统的出水NH₄⁺-N浓度差异较大. 对于R_Exact和R_Exceed，整个试验过程中，出水NH₄⁺-N浓度分别低于5.0 mg·L^-1和2.5 mg·L^-1. 虽然进水NH₄⁺-N浓度波动大，但由于曝气时间充足，R_Exact和R_Exceed获得了良好的NH₄⁺-N去除特性.

对于R_Ahead系统，FA浓度从阶段Ⅰ的0.5 mg·L^-1逐步提高到阶段Ⅱ的5.1 mg·L^-1，再进一步提高到阶段Ⅲ的10.1 mg·L^-1. 在阶段Ⅰ和Ⅱ，虽然曝气时间不足，但FA浓度较低，未对NH₄⁺-N的去除产生影响，出水NH₄⁺-N浓度平均值分别为3.7 mg·L^-1和3.8 mg·L^-1. 而在阶段Ⅲ，虽然曝气时间与阶段Ⅰ和Ⅱ相同，但FA浓度增加，导致从第40周期开始，出水NH₄⁺-N浓度逐渐增加，其值均大于13.0 mg·L^-1，表明FA对AOB活性产生抑制，而文献资料报道，能够抑制AOB的FA抑制范围是10~150 mg·L^-1[17]，因此支持本现象. 而从第72周期后，出水NH₄⁺-N浓度逐渐减少，表明AOB对FA产生了适应性. 对比R_Exact和R_Exceed均未出现此现象，说明曝气时间充足，可以避免FA对AOB的短期抑制.

图 1

Fig. 1

图 1 3种SBR系统内 NH4+-N的去除效果 Fig. 1 Ammonia removal in the three SBRs

图 2描述了不同FA浓度阶段，R_Ahead 、 R_Exact 和R_Exceed系统硝化反应类型的转变规律. 3个系统中，在阶段Ⅰ和Ⅱ，硝化结束时，NO₃^--N均为主要硝化产物(3个系统在阶段Ⅰ和Ⅱ，NO₃^--N浓度平均值分别为14.3 mg·L^-1和44.4 mg·L^-1)，NO₂^--N浓度始终低于8.0 mg·L^-1，此外，NiAR始终维持在0~25%之内，表明3个系统处于全程硝化阶段. 在阶段Ⅲ，3个系统内NO_x^--N的变化共同趋势为：随着运行周期增加，NO₃^--N浓度逐渐降低，NO₂^--N浓度逐渐升高，导致NiAR逐渐升高，表明系统的硝化反应类型从全程硝化向短程硝化转变. 当3个系统分别运行至第56、 62和72周期时，系统以NO₂^--N为主要硝化产物，其浓度均大于20 mg·L^-1，NiAR维持在52%~60%之间，再进行35、 7和10个周期后，系统内NiAR均在90%以上，表明系统完全处于稳定的短程硝化阶段. 此外，结合表 3可以看出，R_Ahead最快实现短程硝化、 R_Exact次之、 R_Exceed最慢，表明曝气时间是短程硝化实现的不利因素.

图 2

Fig. 2

图 2 不同FA浓度阶段,系统内NO2--N、 NO3--N和NiAR的变化规律 Fig. 2 Evolution of nitrite,nitrate and NiAR in the system under different FA concentrations

相关研究表明^{[12, 13, 14, 18]}，延长曝气时间可以进一步促进NO₂^--N转化为NO₃^--N，破坏短程硝化，但本试验在过曝气条件下，FA浓度达到10.1 mg·L^-1时，NOB的活性受到抑制，系统短程硝化并未被破坏，这与Gao等^[13]获得的过曝气容易引起短程硝化向全程硝化转变的试验结论不同，分析其原因在于：本试验利用FA对NOB活性的抑制作用实现短程硝化，也就是说，当FA浓度控制在较高浓度值(10.1 mg·L^-1)时，FA对NOB活性产生了强烈的抑制作用，NOB完全失去了活性，因而在较短的过曝气时间(30 min)内，其活性尚未得到恢复. 而Gao等^[13]是利用高温(28±0.5℃)实现短程硝化，其原理是创造了有利于NOB增殖的生理特性条件. 在此高温条件下，AOB活性高于NOB活性，导致氨氧化速率高于亚硝酸盐氧化速率，并未出现NOB活性被抑制的情况，因此，过曝气可使NOB活性迅速恢复.

表 3(Table 3)

表 3 3种曝气时间下，短程硝化实现及维持过程对比 Table 3 Contrast of achieving and maintaining shortcut nitrification under three aeration patterns 系统 全程硝化稳定 运行周期 短程硝化实现 过程周期 短程硝化稳定 运行周期 硝化类型折点 出现周期 RExact 55 7 30 62 RAhead 21 35 36 56 RExceed 62 10 20 72

表 3 3种曝气时间下，短程硝化实现及维持过程对比 Table 3 Contrast of achieving and maintaining shortcut nitrification under three aeration patterns

为了更加清楚地表明SBR系统氮的转化规律及过程控制的作用，图 3给出了R_Exact内4个典型周期内(第6、 37、 63和69周期)FA、 NH₄⁺-N、 NO₃^--N、 NO₂^--N、 pH和DO的变化规律(由于R_Ahead和R_Exceed内典型周期内氮的转化规律与R_Exact内相似，本研究以R_Exact为例进行说明).

图 3

Fig. 3

图 3 不同FA浓度阶段，RExact系统典型周期内氮的转化规律 Fig. 3 Typical variations of nitrogen at different stages of FA in the RExact system

由图 3可以看出，随着反应的进行，4个典型周期NH₄⁺-N浓度均随反应时间增加而逐渐降低，曝气结束时，出水NH₄⁺-N浓度均为0.5 mg·L^-1以下. 在第6和37周期，硝化结束时出现NO₃^--N浓度峰值(分别为16.9 mg·L^-1和57.2 mg·L^-1)，未出现NO₂^--N积累，表明NH₄⁺-N主要被氧化为NO₃^--N. 然而在第37、 63和69周期，硝化结束时出现NO₂^--N积累，其中在第63和69周期中，NO₂^--N浓度出现峰值(分别为44.3 mg·L^-1和50.0 mg·L^-1)，但也出现NO₃^--N的积累，表明NH₄⁺-N被氧化为NO₃^--N和NO₂^--N，其中NO₂^--N为主要硝化产物. 这充分说明，在整个试验过程中，SBR系统硝化类型由全程硝化逐步转变为短程硝化.

此外，随着反应的进行，FA浓度逐渐降低，导致FA对NOB抑制作用逐渐减弱. 如果不能准确把握硝化终点，过曝气会导致系统长期在低FA条件下运行，能失去FA对NOB活性的抑制作用，NO₂^--N进一步被NOB氧化为NO₃^--N. 脱氮过程中，DO和pH值的变化可以指示生化反应的进行^[14]. 启动SBR反应器，随着曝气的开始，在易生物降解COD降解完成时，系统好氧量需求下降，在DO曲线上出现“第一个突跃点”(DO breakpoint)，系统进入硝化阶段，由于硝化反应产酸，在pH曲线上就会出现由上升到下降的“氨氧化转折点”(ammonia oxdizing point). 随着硝化反应的进行，系统中NH₄⁺-N浓度、 pH值均逐渐降低，NO₂^--N浓度逐渐上升，系统的需氧量逐渐减小，DO浓度随之缓慢上升. 当NH₄⁺-N基本被降解完时，由于硝化反应结束不再消耗碱，且继续曝气使CO₂逸出，系统的碱度增加，导致pH突然升高，系统的DO浓度大幅增加，在DO曲线上出现“第二个跳跃点”(DO breakpoint)，pH曲线上出现由下降转为上升的拐点，称为“氨谷”^{[15, 19]}(ammonia valley). 投加外碳源乙醇，系统开始进行反硝化，DO浓度迅速下降为0.05 mg·L^-1，直至反硝化结束. 由于反硝化过程产生碱度，导致pH迅速升高. 当系统中NO₂^--N浓度降为0.005 mg·L^-1时，反硝化结束，pH曲线上出现了由急速上升到缓慢下降的点，被称为“亚硝酸盐膝”(nitrite knee)，这主要是由于反硝化结束系统中不再产生碱度，进入厌氧产酸阶段. DO和pH值的变化规律与硝化和反硝化过程呈现较好的相关性. 因此，可以通过在线监测反应过程中，DO和pH值的变化来间接地了解体系内氮的转化情况，根据pH曲线的“氨谷”和DO曲线的“突跃点”来判断短程硝化终点，从而控制曝气时间^[19]，使得NOB生长始终处于受抑制状态，从而实现SBR系统稳定的短程硝化.

图 4给出了R_Exact、 R_Ahead和R_Exceed系统FA耦合曝气时间对硝化菌活性的抑制影响. 可以看出，3个系统中，AOB和NOB活性变化规律具有一定的相似性. 当FA浓度为0.5 mg·L^-1左右时，AOB和NOB活性较低，分析原理在于：根据莫诺(Monod)方程，由于FA是AOB的基质底物，当其浓度较低时，AOB氧化NH₄⁺-N速率较低，导致生成的NO₂^--N较少，因此，NOB利用基质底物(NO₂^--N)较少，引起较低的NOB氧化NO₂^--N速率. 当FA浓度增加至5.1 mg·L^-1时，AOB和NOB活性有所升高，分析原因在于：FA浓度的增加引起AOB利用的基质增加，其氧化NH₄⁺-N的速率加快，生成较多的NO₂^--N，NOB可利用的基质底物增加，使其具有较高的活性. 然而，当FA浓度进一步增加至10.1 mg·L^-1时，AOB和NOB的活性表现出较大差异性. AOB和NOB活性均表现出逐步降低的趋势，但AOB活性缓慢降低，当降低至一定程度时，其活性不再变化. 而NOB活性迅速降低，直至降低至最低值0.9%. 这充分表明：①FA对AOB和NOB活性均产生抑制作用； ②相对于AOB，FA对NOB的抑制作用更强. 这也从微生物学角度解释了3个系统中，实现NO₂^--N积累的本质原因.

图 4

Fig. 4

图 4 3种系统，FA耦合曝气时间对AOB和NOB活性的影响 Fig. 4 Effect of FA and aeration length on AOB and NOB activity in the three systems

在阶段Ⅲ，3个系统AOB和NOB活性表现出明显差异性，3个系统AOB活性平均值分别为132.8%、 108.5%和142.1%，故R_Exceed中AOB活性最高、 R_Exact次之、 R_Ahead最低. 这是由于R_Ahead曝气时间较短，导致NH₄⁺-N基质未完全反应，进而导致AOB生长缓慢，同时未反应的NH₄⁺-N基质导致系统中存在一定浓度的FA，对AOB的活性产生抑制作用. 此外，R_Exceed系统NOB活性降低幅度最小、 R_Exact次之、 R_Ahead最大，其活性维持在极低水平，其值分别为8.2%、 6.4%和11.1%，这主要是由于FA抑制耦合不同曝气时间引起的.

DO是影响硝化过程的重要因素之一，低溶解氧条件下易发生亚硝酸盐氮积累，其机制在于：AOB的氧饱和常数(K_O,AOB)一般为0.2~0.4 mg·L^-1，而NOB的氧饱和常数(K_O,NOB)为1.2~1.5 mg·L^-1[19]. 因此当反应体系中的DO浓度成为限制性因素时，即在较低的DO浓度下，AOB的增殖速率加快，补偿了由于低DO所造成的代谢活动下降，使得氨氮氧化为亚硝酸盐氮的过程未受到明显影响. 而NOB代谢能力大幅度下降，其氧化亚硝酸盐氮的能力大为减弱，从而造成体系中亚硝酸盐氮的积累. 因此本试验所控制的DO浓度范围不利于AOB增殖，而有利于NOB增殖，不利于实现短程硝化，也就是说，该 DO浓度条件，并未促进短程硝化的实现，也进一步证明了本试验短程硝化主要是利用FA抑制耦合曝气时间的控制来实现的.

对于R_Exact、 R_Ahead和R_Exceed这3个系统中，硝化菌活性的变化差异体现了FA耦合曝气时间长期运行的结果，在AOB活性未受到完全抑制的前提下，提前停曝气可增加FA抑制NOB活性的程度，而过曝气可减缓FA抑制NOB的程度. 此外，FA浓度的突然大幅提升，对AOB和NOB活性均会产生强烈抑制作用，且NOB受抑制效应更为明显，甚至不可恢复. 这也表明，曝气时间对AOB和NOB的活性产生一定的影响，通过延长曝气时间，可减缓FA对NOB的抑制程度.

(1) 在相同FA浓度梯度下，曝气时间对NH₄⁺-N去除效果影响较大. R_Exact和R_Excess可获得90%以上的NH₄⁺-N去除效果. 对于R_Ahead，由于曝气时间不足和FA初始抑制作用，导致R_Ahead出水NH₄⁺-N浓度在13.0 mg·L^-1以上，去除率仅为63.9%.

(2) 相对FA耦合实时控制和延迟停曝气系统，FA耦合提前停曝气系统更易于实现短程硝化，过曝气是实现短程硝化的不利因素，但当存在FA抑制作用时，可避免过曝气对短程硝化的破坏.

(3) FA耦合曝气时间可显著影响硝化菌活性，对NOB活性的抑制作用大于对AOB的活性的抑制作用. 3个系统内，两类菌属活性的强弱关系为：R_Exact的AOB活性最强、 R_Exceed次之、 R_Ahead最弱，而R_Exceed的NOB活性最强、 R_Exact次之、 R_Ahead最弱.