研究背景：近年来，厌氧氨氧化(anammox)与后置异养部分反硝化(硝酸盐→亚硝酸盐)的组合工艺日益受到关注，用于处理含过量硝酸盐的anammox出水。然而，稳定实现亚硝酸盐积累一直是后置反硝化的主要瓶颈。本研究重点探讨了乙酸"饱饥"条件下异养部分反硝化的表性能现。

1、核心发现

碳氮比优化

当可生物降解COD与硝酸盐比值(RBCOD/NO₃⁻)为2.5时，在硝酸盐完全还原条件下可实现71.7%的理想亚硝酸盐积累率(NAR)。

运行模式比较

RBCOD/NO₃⁻比值<3.5时，外源反硝化阶段在效率和亚硝酸盐积累方面表现更优。研究表明，乙酸耗尽时刻是反硝化的最佳终止点，该时刻可通过pH值变化精准指示。

工艺控制创新

基于pH指示的批次流运行模式(RBCOD/NO₃⁻=2.7)可实现60%的NAR，这将有力推动部分反硝化工艺的规模化应用。

温室气体控制

碱性环境(pH 9.0-9.6)能有效抑制内源反硝化阶段的N₂O排放。

研究背景深化

作为华北地区重要的替代饮用水源，地下水占北京供水总量的2/3（Huang，2005）。然而，严格排放标准下生物处理污水中的含氮化合物，导致受纳水体硝酸盐污染加剧，进而威胁饮用水源安全。在此背景下，污水生物脱氮(BNR)尤其是市政污水脱氮已成为社会关注焦点。

技术瓶颈

传统工艺局限

传统后置异养反硝化工艺虽能保证出水氮氧化物达标，但存在：

需投加外源碳源增加运行成本

污泥处理难度大

碳源投加控制不当可能影响出水水质

Anammox工艺缺陷

虽然anammox工艺具有高效低耗优势（Kartal等，2010），但根据化学计量式(1)（Strous等，1998）：

1NH₄⁺+1.32NO₂⁻+0.066HCO₃⁻+0.13H⁺→

1.02N₂+0.26NO₃⁻+0.066CH₂O₀.₅N₀.₁₅+2.03H₂O

约10%的氮仍以硝酸盐形式残留在出水中，单级anammox无法实现深度脱氮。

工艺创新

APPD系统(Anammox耦合后置部分反硝化)因其经济高效性备受青睐。虽然单级系统中anammox与反硝化的共存已有报道（Kumar和Lin，2010），但考虑到：

有机底物对anammox菌的抑制

自养与异养微生物生长速率的差异

两阶段APPD系统可能更具工程应用稳定性。该系统中，anammox出水中的硝酸盐通过部分反硝化生成亚硝酸盐，再通过内回流作为anammox的底物。

技术挑战

常规异养反硝化路径如式(2)所示：

如何稳定控制在"硝酸盐→亚硝酸盐"阶段是实现APPD系统的关键。虽然已有关于纯菌培养中亚硝酸盐积累的研究，但在复杂菌群体系中实现高NAR仍存在挑战（Ge等，2012）。

研究突破

碳源特性研究

乙酸作为厌氧发酵易得产物，相比甲醇和葡萄糖具有更高的反硝化速率。Oh和Silverstein(1999)曾报道乙酸限制条件下可实现亚硝酸盐积累，但"饱饥"条件对部分反硝化的影响尚不明确。

研究创新点

本研究通过：

建立以硝酸盐为电子受体、乙酸为电子供体的SBR系统

系统考察"饱饥"条件对亚硝酸盐积累、反应效率、污泥产量和N₂O排放的影响

开发基于批次流模式的优化控制策略

研究意义

该成果将深化对"饱饥"条件下异养部分反硝化的理解，并为APPD系统的工程应用提供优化控制策略。

2、方法

2.1.反硝化污泥与废水来源

采用本课题组前期研究中稳定运行300天以上的实验室规模缺氧/好氧一体化生物膜反应器（Gong等，2012）从缺氧区排出的废弃污泥作为反硝化污泥。将异养反硝化细菌在10 L工作体积的SBR反应器中以乙酸为底物富集培养15天。合成废水（COD/NO3-=5）组成为（/L）：364.3 mg NaNO3（60 mg NO3--N）、438.0 mg乙酸钠（300 mg COD）、11.1 mg KH2PO4（3 mg PO43--P）、6 mg MgSO4·7H2O、3 mg CaCl2·2H2O及1 mL微量元素贮备液（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.实验装置与运行

在22±2℃条件下，采用2 L工作体积的SBR反应器进行批次实验以评估碳源限制下的亚硝酸盐积累性能。污泥取自母体10 L SBR，饥饿数小时后用去离子水洗涤三次转入反应器。培养基组成除硝酸盐和乙酸浓度外与培养期相同。通过添加3000 mg/L的NaNO3贮备液调节初始硝酸盐浓度至15、20、40、80 mg/L（模拟厌氧氨氧化出水典型浓度，如低C/N比的消化污泥脱水液）。乙酸投加量根据结果详述控制为电子供体限制条件。添加50 mg/L烯丙基硫脲抑制可能由内源代谢细胞裂解产生的铵氧化（Adav等，2010）。用去离子水将混合液定容至1.5 L，通氮气5-10 min确保缺氧条件。特定批次中通过0.1 M HCl/NaOH调节pH研究其N2O排放影响。反应器配备橡胶盖与磁力搅拌器，外源/内源反硝化期分别每15-30 min和60-120 min取样，4000 rpm离心2 min后4℃保存待测。

2.3.分析方法

溶解氧（DO）、pH、温度采用WTW Multi 340i测定仪（德国WTW公司）；COD用连华科技5B-1型快速测定仪；NH4+-N、NO2--N、NO3--N、PO43--P采用Lachat Quik Chem 8500流动注射分析仪（美国Lachat）；溶解态N2O用Unisense N2O500微电极测定；SS/VSS参照标准方法（APHA，1998）。

2.4.计算方法

2.4.1.亚硝酸盐积累率（NAR）

按式(3)计算：

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

式中NO2-t、NO2-initial分别为采样点与初始亚硝酸盐浓度（mg-N/L），NO3-t、NO3-initial为对应硝酸盐浓度。

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-比表征实际乙酸量：

RBCOD=CODtotal-CODeffluent

式中CODtotal、CODeffluent分别为初始与出水COD浓度（mg/L）。

2.4.3.硝酸盐还原速率（VNa）与亚硝酸盐产率（VNi）

t为反应时间(h)，VSS为反应污泥浓度(mg/L)。

2.4.4.缺氧表观污泥产率（Yobs，AN）

考虑硝酸盐/亚硝酸盐还原分别等价于2.86 mgO2/mgNO3--N和1.72 mgO2/mgNO2--N，乙酸充足期（以RBCOD为电子供体）Yobs，AN（mgCOD/mgCOD）通过式(7)(8)计算（假设硝酸盐→亚硝酸盐与亚硝酸盐→氮气两阶段Yobs，AN一致）：

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

通过1.42 mgCOD/mgVSS换算亦可表示为mgCOD/mgCOD。