传统生物脱氮理论中硝化与反硝化反应不能同时发生。硝化反应是氨氧化菌和亚硝酸氧化菌作用下的自养过程，可将NH₄⁺-N转化为NO₂^--N、NO₃^--N。反硝化反应是异养过程，碳源作为电子供体将NO₃^--N、NO₂^--N转化为N₂释放到大气中，从而达到从污水中生物脱氮的目的^〔1〕。随着居民生活水平的提高，南方地区城市污水的有机污染物浓度偏低，而氮、磷浓度相对较高^〔2〕。由于碳源不足限制了脱氮效率的提高，故通常在反硝化阶段投加外碳源，致使污水处理成本增加，且存在水质超标的风险^〔3〕。

近年来生物脱氮技术有了新的进展，越来越多报道证明同步硝化反硝化现象（SND）的存在^〔4〕。同步硝化反硝化生物脱氮工艺可在同一个反应器中同时实现硝化和反硝化，与传统生物脱氮工艺相比，具有明显优势^〔5〕：（1）简化工艺流程，节约占地面积，节省建造费用；（2）硝化产物可作为反硝化底物，避免硝酸盐积累；（3）反硝化产生的OH-可以部分补充硝化反应消耗的碱度，以维持pH的相对稳定；（4）节约氧气消耗量。目前，国内利用农业废弃物作为反硝化固体碳源的研究很多，主要采用稻壳、棉花、木屑、秸秆和玉米芯等，但大多集中在反硝化效果的报道上。对于玉米芯作为固体碳源及生物膜载体，运用同步硝化反硝化技术处理实际低碳源生活污水的研究甚少。

为研究玉米芯固体碳源生物膜反应器的脱氮性能和微生物数量特性，笔者采用实际低碳生活污水，以玉米芯为填料构建了固体碳源生物膜反应器，研究该反应器的脱氮效果，并分析了反应器中沿程氨氮的变化过程和微生物数量特性，以期为工艺优化及反应机制的研究提供分子生态学依据。

试验所用实际低碳污水取自广州市某污水厂，原水较为浑浊，含有较多的悬浮物质，水质情况见表1。

试验所用填料为玉米芯。为打断玉米芯中的木质素结构，增大材料表面的孔隙结构，提升材料释碳性能，促进微生物的附着生长，将玉米芯切成2~3 cm小段，用质量分数为1.5%的NaOH溶液浸泡24 h，然后用流水冲洗干净，置于40 ℃烘箱中烘干，备用。

固体碳源生物膜反应器由有机玻璃制成，内径70 mm，外径80 mm，高600 mm，有效容积2 L；填料为玉米芯；底部进水、曝气，顶部出水，连续运行；反应器由下至上共设有1~4号取样口，各取样口相邻间距150 mm。试验装置如图1所示。

反应器启动的接种污泥取自广州市某污水厂二沉池污泥，将接种的活性污泥与实际废水按1:3比例混合后倒入反应器中。采用快速排泥挂膜法^〔16〕进行挂膜，在曝气状态下从反应器底部连续进水，反应过程中设定溶解氧为（4.0±0.1）mg/L，水力负荷为0.045 m³/（m²·h），pH为8.0±0.1。

试验在常温条件下进行，控制DO为（4.0±0.1）mg/L、水力负荷为0.045 m³/（m²·h），研究实际污水在反应器中的运行状况以及沿程微生物数量特性。每天定时监测反应器进水和出水的NH₄⁺-N、NO₂^--N、NO₃^--N和COD_Cr；试验过程中，同时检测4个取样口及进水水样。

水样首先经过定性滤纸过滤，按《水和废水监测分析方法》所述方法进行分析。

反应器启动第23天后，COD_Cr去除率达到60%，出水COD_Cr在40 mg/L以下，之后COD_Cr去除率一直维持在60%左右；NH₄⁺-N去除率稳定在90%，出水质量浓度低于5.0 mg/L，TN去除率稳定在89.11%，表明SND系统挂膜启动成功。

挂膜启动成功后系统对COD_Cr去除效果如图2所示。

由图2可知，由于城市污水不同时段的排污差异较大，导致进水COD_Cr出现波动，进水COD_Cr为80.0~120.0 mg/L，造成固体碳源生物膜反应器出水COD_Cr也存在相应波动，但幅度不大，出水质量浓度为21.33~42.60 mg/L，说明固体碳源生物膜反应器系统对进水水质波动有较大的缓冲作用。整个试验过程中COD_Cr去除率为46.75%~77.98%，平均去除率为65.41%，说明该反应器系统对低碳源城市污水COD_Cr有较好的处理效果。

玉米芯固体碳源生物膜反应器可以有效去除有机污染物。玉米芯填料粗糙的表面结构增大了材料的比表面积，为微生物生长繁殖提供栖息场所，并且玉米芯纤维表面的亲水性基团使玉米芯填料表面和内部附着大量微生物，进而取得较好的处理效果。

挂膜启动成功后系统对NH₄⁺-N、NO_x^--N的去除效果如图3所示。

从图3可以看出，进水NH₄⁺-N存在一定波动，为24.31~30.36 mg/L，出水NH₄⁺-N平均质量浓度为5.80 mg/L，且波动较小。系统运行初期，出水NH₄⁺-N相对较高，待系统稳定后，出水NH₄⁺-N逐渐降低，且去除率较为稳定。分析原因认为，NH₄⁺-N的去除主要依靠硝化菌的硝化作用，而硝化细菌是一种好氧自养菌，生长速率较低，随着系统对有机物去除能力的提高，出水中的有机物含量降低，减少了异养菌对自养硝化菌的抑制作用，硝化菌开始大量生长^〔7〕。在运行后期（36 d后），系统出水NH₄⁺-N升高，平均为10.5 mg/L，去除率略有下降。分析认为，随着运行时间的增加，玉米芯被微生物分解，开始腐烂并导致生物膜脱落，造成最后阶段去除率略微下降。试验表明，反应器挂膜启动成功后第36天需要添加部分玉米芯，以维持系统的正常运行。

在生物膜系统中，硝化菌对氧的亲和力小于亚硝化菌和异养菌，如果溶解氧太低，亚硝酸盐氮不能及时氧化为硝酸盐氮，反应器将出现亚硝酸盐积累的情况^〔8〕。试验运行16 d后出现了轻度亚硝酸盐积累的情况，随后亚硝酸盐又逐渐降低，亚硝酸盐积累情况得以解除。分析原因认为硝化菌的适应能力低于亚硝化菌，当进水NH₄⁺-N突然改变，打破了反应器中氨氧化菌与硝化菌的平衡状态，出现亚硝酸盐积累；随着反应器重新达到平衡状态，亚硝酸盐不再积累，平均出水质量浓度为0.92 mg/L。

试验进一步验证了玉米芯固体碳源生物膜反应器对进水水质波动有较大的缓冲作用。运行期间，玉米芯固体碳源生物膜反应器出水中的NH₄⁺-N一直保持在相对较低的水平，平均去除率达到78.75%，说明系统内异养型微生物和硝化菌微生物生长良好^〔9〕。整体来看，玉米芯固体碳源生物膜反应器系统对低碳源城市污水的NH₄⁺-N有很好的处理效果。

挂膜启动成功后系统对TN的去除效果如图4所示。

由图4可见，玉米芯固体碳源生物膜反应器对TN的去除效果较好，连续进水后TN去除率基本稳定，出水平均TN为6.25 mg/L，平均去除率为77.46%。TN去除是填料厌氧或缺氧微环境中，厌氧、兼性和好氧微生物进行同步硝化反硝化作用的结果。挂膜启动后第36天出水TN逐渐升高，达到10.96 mg/L，这与玉米芯的分解和释碳效果减弱有关，使得最后阶段无法提供充足的碳源及微生物附着场所，出水浓度升高。

生物硝化过程中消耗碱度，使pH降低；而反硝化过程产生碱度，pH升高^〔10〕。试验中实际污水pH在7.82~8.33内，出水pH在7.7~8.11内，运行过程中出水pH均低于进水pH，且更呈弱碱性。

一般对于硝化反应，城市污水的碱度往往不足，通常需要外加碱度来调节。反硝化过程中会产生碱度，但多数情况下硝化和反硝化2个过程分开进行，因此反硝化产生的碱度不能补充硝化所消耗的碱度。由于SND过程中硝化和反硝化在一个反应器内同时发生，反硝化产生的碱度可补充硝化消耗的部分碱度，使污水的碱度得到缓冲，减少了碱度投加量^〔11〕。

固体碳源生物膜反应器沿程NH₄⁺-N的去除情况如图5所示。

由图5可知，反应器进水NH₄⁺-N为28.41 mg/L，出水为5.01 mg/L，去除率为82.37%。NH₄⁺-N的去除沿取样口高度变化呈现先快后慢的规律。在取样口3之前，NH₄⁺-N的去除速度相对较快，去除率达78.42%；在取样口4，NH₄⁺-N的去除速度减慢，去除率增加到82.37%。随着反应的进行，反应器中剩余的NH₄⁺-N在前段已被大量去除，浓度降低，不能给上层硝化细菌提供充足的营养物质，硝化反应减弱，对NH₄⁺-N的去除率逐渐下降。从进水口至取样口3之间，NH₄⁺-N负荷明显降低，说明硝化菌在此范围内积累迅速，且具有较高的活性，为污染物去除的高效段。

（1）标准曲线的建立。将目标细菌测序验证后的重组质粒作为试验标准样品，用超微量紫外分光光度计测定质粒的纯度和浓度，根据式（1）计算DNA拷贝数。

(1)

式中：M——1拷贝DNA分子的碱基对数，bp/个；

W——1碱基对的道尔顿数，660 Daltons/bp；

c（DNA）——DNA质量浓度，mg/L。

计算得出DNA拷贝数后，将质粒按10倍梯度稀释用作标准样品。选取5个稀释梯度的质粒作为标准品进行定量PCR扩增，每个浓度的标准品均设3个平行。

试验中标准曲线方程为y=-1.33lnx+43.18，相关系数为0.981，说明相关性好，扩增效率在90%以上，菌群的标准曲线满足试验要求。另外试验样品扩增的重复性好，扩增曲线表现出平行关系，表明定量结果可信。

（2）沿程微生物数量变化规律。由定量PCR机理可知，细菌的每个基因组内只有1个rRNA基因拷贝，应用定量PCR技术测得的基因拷贝数质量浓度即为细菌在样品中的细胞质量浓度。通过定量监测得到菌群的拷贝数，从而得出沿程AOB拷贝数变化曲线。沿程AOB变化曲线如图6（a）所示。

定量结果显示，AOB拷贝数主要集中在反应器的中端，该区溶解氧充足，水流冲击较小，促进了AOB的大量繁殖，2号和3号取样点AOB拷贝数分别为4.6×10⁶拷贝数/ng和4.3×10⁶拷贝数/ng。而反应器上部的有机物消耗殆尽，不足以维持微生物的生长代谢，生物膜吸附能力弱，造成上部AOB拷贝数最少，为1.08×10⁶拷贝数/ng，这与沿程NH₄⁺-N的变化趋势一致。

单位时间内反应器中氨氧化细菌的增加量与原单位时间氨氧化细菌数量的比值定义为氨氧化速率，可表征生物膜的氨氧化活性^〔12〕。

氨氧化速率的计算公式见式（2）。

(2)

式中：SAOR_i—第i单位氨氧化速率；

L_i—第i单位内氨氧化菌的拷贝数量。

氨氧化速率结果如图6（b）所示。系统的氨氧化速率与氨氮去除率有关，当氨氧化速率达到最高水平，氨氮去除率也在同一区间快速增长。在运行过程中，由于沿程氨氮浓度逐渐减少且氨氮去除率逐渐降低，导致反应器内氨氧化速率呈下降趋势。在3号、4号取样点氨氧化速率呈现负值，表明该区的氨氮去除效果趋于平稳，这与沿程氨氮去除率逐渐减小并趋于稳定的结论一致。

固体碳源生物膜反应器处理低碳源城市污水具有良好的效果。在常温、水力负荷为0.045 m³/（m²·h）、溶解氧为（4.0±0.1）mg/L的条件下，反应器稳定运行后系统平均COD_Cr去除率为65.41%，平均NH₄⁺-N去除率为78.75%，平均TN去除率为77.46%。平均出水COD_Cr、NH₄⁺-N和TN分别为32.75、5.78、6.25 mg/L。

沿程NH₄⁺-N去除率呈现先快后慢的变化规律，平均出水NH₄⁺-N为5.01 mg/L，去除率为82.37%。通过定量PCR可知，AOB主要集中在反应器的中端部，沿程氨氧化速率呈下降趋势，与沿程氨氮浓度及其去除率趋势相一致。