在水污染控制领域，生物硝化-反硝化工艺被广泛用于污水脱氮过程。但传统的硝化-反硝化工艺存在碳源消耗量大、水力停留时间长、能源消耗高、污泥产量高等问题^〔1〕。短程硝化-反硝化可以节约25%的曝气量和40%的有机碳源投加量，减少剩余污泥产生量，其反硝化速率是全程硝化的1.5~2倍^〔2〕。

目前短程硝化SBR控制与运行研究仍存在一些问题。短程硝化过程中pH降低，要使系统维持在适宜的pH范围需要不断投加碱，这一定程度上增加了运行费用^〔3〕。在反应器的实时控制与长期运行方面，仍需要进一步探讨和研究。姜超等^〔4〕用pH、ORP作为控制参数实时控制短程硝化-反硝化SMBR反应，亚硝酸盐积累率（NAR）达到85%以上，但亚硝化率仍需进一步提高。

本研究采用短程硝化—反硝化SBR，设置合理的启动条件快速启动反应器，采用DO、ORP的一阶导数实现对反应器的实时控制，提高控制系统的稳定性。进行为期197 d的长期试验，研究了实时控制条件下SBR对污染物的去除效果，进一步合理优化参数，同时考察污泥微生物群落在反应器启动过程中的变化特征。

SBR反应器由有机玻璃制作，有效容积10 L，反应器内置梅特勒pH（EasySense pH 31）、DO（EasySense O₂ 21）、ORP（EasySense ORP 41）在线监测探头，反应器由PLC控制柜和自主研发的计算机软件（软著登字第2472076号）控制运行。在线监测探头通过安装在PLC上的数显面板将电信号传输至计算机软件，计算机软件实时显示DO、ORP、pH曲线，并计算DO与ORP的一阶导数，计算机软件有参数设置界面用来设置控制阈值，并通过PLC控制柜控制反应器各单元的开始与结束。反应器内置机械搅拌器并采用微孔曝气方式，用转子流量计控制曝气量和溶解氧。控温器控制反应器温度为（29.5±0.5）℃，反应器启动初期控制pH＞8。反应器通过定期排泥将SRT控制在14 d左右。具体试验装置见图1。

反应器采用批式进水方式。在1个运行周期内，SBR反应器的运行分为预曝气、进水、好氧阶段、缺氧阶段、沉淀、排水6个单元。其中预曝气的作用是去除上一周期残留的COD，避免反应器内COD积累导致出水COD超标，减少COD对硝化反应产生的不利影响。预曝气的具体时间根据DO曲线的变化进行控制。缺氧阶段反应前会向反应器补加COD，本次试验用乙酸钠作碳源。在反应器常规运行期间，控制体积交换率为0.1。整个试验周期内前35天采用传统的时间控制方式，具体时间根据DO与ORP曲线及时调整；第36天开始采用实时控制方式，以DO与ORP一阶导数峰值作为控制参数。具体工况见表1。

试验用水采用模拟废水，每1 L水中含（NH₄）₂SO₄ 1.17~4.71 g，NaHCO₃ 3~12 g，CaCl₂ 0.194 g，MgSO₄·7H₂O0.456 g，KH₂PO₄ 0.042 g，2 mL微量元素。微量元素组成：1.25 g/L EDTA，0.55 g/L ZnSO₄·7H₂O，0.4 g/L CoCl₂·6H₂O，1.27 g/L MnCl₂·4H₂O，0.4 g/L CuSO₄·5H₂O，0.05 g/L Na₂ MoO₄·2H₂O，1.25 g/L FeCl₃·6H₂O，1.37 g/L CaCl₂·2H₂O，44.4 g/L MgSO₄·7H₂O。

在进水中添加无机碳源与少量磷源保证微生物的生长繁殖，控制进水中n（HCO₃^-）:n（NH₄⁺）始终为2:1。运行初期进水中n（NH₄⁺）:n（PO₄^3-）为113:1，提高进水中的NH₄⁺-N后（未提高PO₄^3-），n（NH₄⁺）:n（PO₄^3-）为169:1。反硝化所需有机碳源（无水乙酸钠）在好氧段结束后投加，具体投加量根据去除1 g N需要3~5 g COD的原则计算。

接种污泥取自河南省周口市莲花味精厂污水处理站。污泥悬浮物（SS）为48 g/L，可挥发性悬浮物（VSS）为26 g/L，接种前已将污泥驯化为硝化污泥。

每天选取1个周期取泥水混合液测定反应器内各污染物浓度。NH₄⁺-N的测定采用纳式试剂分光光度法；NO₂^--N、NO₃^--N采用ICS-900离子色谱（美国DIONEX公司）测定，SS和VSS用滤纸称量法测定。

亚硝态氮积累率（NAR）、游离氨（FA）、游离亚硝酸（FNA）按式（1）~式（3）计算。

(1)

(2)

(3)

式中：[NH₄⁺-N]——氨氮质量浓度，mg/L；

[NO₂^--N]——亚硝态氮质量浓度，mg/L；

[NO₃^--N]——硝态氮质量浓度，mg/L；

T——温度，℃。

DO与ORP一阶导数按式（4）、式（5）计算。

(4)

(5)

分别取原泥（Seed）、驯化后的全程硝化污泥（NF）、稳定运行的短程硝化-反硝化污泥（NTD）的泥水混合液于10 mL离心管中，将离心管置于离心机中以8 000 r/min的转速离心5 min，后将上清液弃去，将污泥样品置于-22 ℃冰箱中保存。用E. Z. N.A. soil试剂盒（Omega Bio-tek，Norcross，GA，U. S.）抽提总DNA，DNA的浓度和纯度用NanoDrop2000检测，用质量分数为1%的琼脂糖凝胶电泳检测DNA提取质量；用338F（5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3’）和806R（5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’）引物对V3~V4可变区进行PCR扩增，扩增程序：95 ℃预变性3 min，27个循环（95 ℃变性30 s，55 ℃退火30 s，72 ℃延伸30 s），最后72 ℃延伸10 min（PCR仪：ABI GeneAmp^® 9700型）^〔5〕。

使用质量分数为2%琼脂糖凝胶回收PCR产物，用AxyPrep DNA Gel Extraction Kit（Axygen Biosciences，Union City，CA，USA）进行纯化，Tris-HCl洗脱，2%琼脂糖电泳检测。按照电泳初步定量结果，用QuantiFluor^TM-ST（Promega，USA）检测定量。用Illu mina MiSeq系统（Illu mina，San Diego，USA）测序，所得结果过滤处理，得到优化序列；对优化序列进行OTU聚类分析和物种分类学分析，分析样品的多样性以及群落结构^〔6〕。

SBR反应器共运行197 d，其对NH₄⁺-N的去除效果及NAR如图2所示。

在反应器运行过程中，NH₄⁺-N去除率基本维持在97%以上。稳定运行期间出水NH₄⁺-N基本低于2 mg/L，进水浓度的变化未对出水水质产生明显影响。前20天为建立短程硝化阶段，在此期间NAR迅速升高，并于第5天达到53.2%，满足了50%的成功启动标准，第20天时达到95%。前20天，SS与VSS均呈明显增长趋势，其中SS由3.81 g/L升至12.17 g/L，VSS由1.91 g/L升至4.01 g/L。这主要是因为反应器的体积交换率为0.1，导致反应器内积累大量无机盐，使SS快速升高。反硝化菌属于异养菌，在缺氧段前向反应器内投加碳源会使反硝化菌快速生长，导致VSS升高。第21~35天，NAR上升速度减小，第35天时NAR达到99%，此后维持稳定。反应器运行稳定后，SS与VSS仍表现出升高趋势，说明在反应器运行过程中污泥微生物量是逐渐富集的，反应条件和控制措施有利于微生物的生长繁殖。第148天时，反应器内初始NH₄⁺-N提高至321.7 mg/L，对后续反应器运行产生负面影响，NH₄⁺-N去除率降到31%，说明过高的基质浓度抑制了AOB降解氨氮的能力。研究表明，AOB可分为慢速生长型和快速生长型，分别适合在基质浓度较低和较高的条件下生长^〔7〕，而本试验所用污泥更适宜在较低基质浓度下生长。反应器失稳期间虽然NH₄⁺-N降解效果较差，但NAR并未受到明显影响，说明NOB仍处于被抑制的状态。反应器失稳后先将pH调低至7.5，再用自来水冲刷反应器，将进水NH₄⁺-N改为250 mg/L并逐渐增加进水质量浓度至750 mg/L。第159天反应器恢复正常，出水NH₄⁺-N为1.3 mg/L，NH₄⁺-N去除率为97%。

为快速启动短程硝化-反硝化SBR，从DO、pH和温度3个方面综合抑制NOB，并结合适宜的SRT富集AOB，淘汰NOB。AOB和NOB的氧饱和常数分别为0.2~0.4、1.2~1.5 mg/L，这意味着AOB对氧的亲和力和耗氧速率均高于NOB^〔8〕。有研究表明低溶解氧（0.5 mg/L）下，AOB的增殖速率加快近1倍，而NOB的增殖速率没有任何提高，从而导致NO₂^--N大量积累^〔9〕。本试验中，反应器内DO基本被控制在较低的水平，这为抑制NOB创造了低氧环境。

吴雪等^〔10〕研究表明，温度在30 ℃时短程硝化系统的稳定性能良好，且NH₄⁺-N去除率和NO₂^--N积累率均达到最佳值。因此升高温度有利于扩大AOB与NOB生长速率的差距。本试验设定的温度为（29.5±0.5）℃，如图3（a）所示，可使AOB保持较高的增长速率。

AOB和NOB有各自最适的生长pH。于德爽等^〔11〕控制反应器内pH为7.5~8.8，NO₂^--N得以积累，且平均亚硝化率达到95%以上。试验的启动阶段反应器内pH控制在8以上，由于反应器内存在反硝化菌且活性较强，因此反硝化阶段pH上升明显。反应器运行稳定后，反硝化产生的碱度可被硝化消耗，因此无需对反应器的pH进行调节，其会稳定在适宜范围内。如图3（a）所示，即使在“氨谷”处，pH也可维持在8.2以上。

有文献报道，FA与FNA均对NOB有明显的抑制作用。FA对AOB和NOB的抑制质量浓度分别为10~150、0.1~1 mg/L^〔12〕，可见AOB和NOB对FA的耐受程度存在明显差异，因此提高FA含量可对NOB产生选择性抑制。反应器内前20天的FA与FNA变化情况如图3（b）所示。由于反应器运行初期pH维持在8以上，因此第1天反应器内的FA即大于4 mg/L，第20天时FA达到10.98 mg/L。可见反应器启动期间FA始终远远大于NOB所耐受的浓度，但又小于AOB的抑制浓度，因此反应器得以快速启动并实现良好的亚硝化率。FNA对AOB与NOB同样存在抑制作用。FNA＞0.27 mg/L即可对AOB、NOB产生抑制，且对NOB的抑制作用强于AOB^〔13〕。由图3（a）可见，由于pH控制措施和反硝化菌存在，反应器内的pH始终处于较高水平，导致FNA处于极低的浓度水平，最大时也不超过0.004 mg/L，因此本试验中FNA对NOB的抑制作用极其微弱，对NOB起主要抑制作用的是FA。由于AOB的世代周期是8~36 d，NOB世代周期为12~59 d，二者存在较大差异且许多短程硝化反硝化的研究都在长泥龄（＞12 d）条件下获得^〔14〕，因此在SBR运行过程中保持SRT为14 d左右。通过以上条件的严格控制，AOB生长速率高于NOB，通过定期排泥可将NOB逐步排出SBR。

控制反应条件只能解决抑制NOB的问题，却无法保证反应器长期稳定运行，需要探究反应器稳定运行的控制方法。短程硝化-反硝化SBR的连续运行可看作“好氧-缺氧”的周期性切换。W. Tappe等^〔15〕研究发现，SBR连续运行中当反应条件从缺氧转换至好氧时，AOB会先于NOB恢复活性，因此在硝化反应阶段可以观察到NO₃^--N的积累存在滞后性。利用这一特征，可在NH₄⁺-N被降解完成时及时关闭曝气，阻止NO₂^--N被进一步氧化为NO₃^--N，有效抑制NOB生长。因此曝气时间是决定NO₂^--N能否积累的关键条件。曝气时间对短程硝化效果的影响如图4所示。

如图4（a）所示，氨氧化前期的DO峰值代表预曝气阶段结束，反应器内易降解COD被消耗完成，开始进水后DO下降。DO对短程硝化的反应进程有很强的指示作用。在NH₄⁺-N降解过程中，DO始终稳定且保持在1个较低水平，这主要是因为AOB在氧化NH₄⁺-N过程中消耗大量氧气^〔16〕。当NH₄⁺-N基本降解完成后，DO曲线开始快速上升并出现跃升现象，此时积累的NO₂^--N达到最大值。继续维持曝气，NO₂^--N降低，NO₃^--N迅速升高，好氧结束时NO₂^--N质量浓度由39.6 mg/L降至10.11 mg/L。图4（b）中，DO上升过程中及时关闭曝气可使NO₂^--N积累，避免被进一步氧化，保证短程硝化反应的正常运行。同时由ORP曲线可以看出，反硝化进行完全后ORP会出现1个拐点，称作“硝酸盐膝”。此特征点可看作是反硝化终点的标志。

虽然DO、ORP曲线与氮素的变化存在明显的相关性，但直接用DO、ORP控制反应器仍然会存在一些问题，如：DO上升到何种程度关闭曝气效果最好，反硝化菌活性较高时会使ORP下降较快，“硝酸盐膝”不明显，给控制造成难度；尤其在实际应用中进水水质和操作条件的变化都会导致DO与ORP发生变化，给控制带来不确定性^〔17〕。因此在DO、ORP的基础上寻找更合适的控制方式是必要的。本试验用计算机软件对DO、ORP曲线的一阶导数进行实时计算，发现二者的一阶导数同样与氮素变化存在明显相关性，且比DO、ORP本身更加稳定，如图5所示。

如图5（a）所示，好氧阶段当NH₄⁺-N被降解殆尽时，DO一阶导数出现峰值，与DO曲线的快速升高对应；缺氧阶段，当反硝化接近终点时ORP一阶导数同样出现峰值，这样可解决因ORP下降过快而造成“硝酸盐膝”不明显而无法控制的问题。在实际控制中，可分别在计算机的好氧单元与缺氧单元输入DO、ORP一阶导数的峰值作为控制阈值。反应过程中计算机对探头测得的参数进行实时计算。在好氧阶段，当程序发现DO一阶导数大于设置的阈值时，则自动关闭曝气，切换至缺氧单元；在缺氧阶段，当ORP一阶导数小于设置的阈值时，则自动停止搅拌，进入沉淀单元，周而复始即可实现实时控制，既可避免过度曝气，又可提高运行效率。

试验过程中DO、ORP一阶导数可较好地满足实时控制反应器的需求，但一阶导数曲线仍会出现干扰信号，如曝气过程中存在气泡打在探头上的可能，会造成一阶导数剧烈波动，形成尖峰；试验后期ORP一阶导数的波动性同样变大，一旦干扰值超过设定阈值就会破坏系统稳定性。针对以上问题，试验后期对DO、ORP一阶导数的算法进行了优化。具体方法为用Slope公式对算法加以改进，将某一时刻的数据点与该时刻前9个数据点所得一次函数拟合曲线的斜率作为该时刻一阶导数，代替原来相邻两点计算得到的斜率作导数，这样可以大大减少干扰信号产生的影响。图5（b）为算法优化前的一阶导数曲线，可见曲线上存在大小不一的干扰信号，在ORP一阶导数上表现得尤为明显。图5（c）中，算法优化后的一阶导数曲线光滑平坦，干扰信号明显减少。

为探究以上控制条件下污泥微生物群落的变化情况，对原泥（Seed）、驯化后的硝化污泥（NF）、短程硝化反硝化污泥（NTD）3种污泥进行16S rDNA测序。

图6（a）为门水平上的微生物群落分布情况，图6（b）为属级别的样本层级聚类分析。

由图6（a）可见，原泥的生物多样性最多，短程硝化-反硝化污泥的生物多样性最少。一定程度上说明微生物多样性受反应器操作条件影响显著，适宜的反应条件可以逐渐富集目标微生物，并淘汰对反应不利或不适应该条件的微生物。3个污泥样本中，Chloroflexi、Bacteroidetes、Proteobacteria和Actinobacteria是优势菌门。Proteobacteria是污水处理系统中的优势菌门，其中包含多种代谢类型的菌种，在降解有机物的同时完成脱氮除磷^〔18〕。Proteobacteria门级别下的Betaproteobacteria纲被发现存在多种具有硝化、反硝化和其他氮循环功能的微生物，且大多数氢自养反硝化菌也都属于Alpha-、Beta-、Gamma- proteobacteria^〔19〕。AOB即属于Beta-proteobacteria纲。Chloroflexi在污泥中具有良好的脱氮除磷作用^〔20〕。也有文献报道Chloroflexi常存在于菌胶团内部，为颗粒污泥的形成提供骨架支撑的作用^〔21〕。Bacteroidetes具有非常强的营养物质代谢能力，可分解较为复杂的有机物^〔22〕。短程硝化反硝化污泥样本中Bacteroidetes的相对丰度最高，这主要是由于反硝化前加入有机碳源，Bacteroidetes具有较强的分解有机物的能力，因此其相对丰度得到较大的提升。在硝化污泥样本中，Chloroflexi的相对丰度最高，主要是因为在污泥驯化中反应器的体积交换率为0.5，导致进水后反应器内有较为充足的氮和磷，且驯化过程没有排泥，导致该菌门的相对丰度较高。在原泥、硝化污泥污泥样本中均可探测到Nitrospirae，但短程硝化反硝化污泥污泥样本中未检测到Nitrospirae的相对丰度。

由图6（b）可知，样本被整体分成2组，Seed和NF为1组，NTD为1组。由于短程硝化-反硝化反应器的操作条件与污泥驯化时的操作条件相差较大，因此NTD与NF、Seed的微生物组成差别也较大。且Seed与NF之间的物种距离小于二者与NTD的物种距离，这是因为污泥驯化期间没有控制SRT，但在短程硝化-反硝化期间对SRT进行了控制，说明控制SRT对物种的筛选与淘汰作用明显。在短程硝化-反硝化反应器中，适宜的SRT和抑制条件已将NOB和其他不适应该条件的物种基本淘洗出反应器，保证了反应器的长期稳定运行，也进一步证明以上运行条件的正确性与有效性。

（1）以硝化污泥为接种污泥，在启动阶段通过控制适宜的pH、温度和DO并调控曝气时间，可在5 d内快速启动短程硝化-反硝化SBR，NAR稳定维持在97%以上。

（2）DO与ORP的一阶导数重现性好，稳定性高。可以采用DO一阶导数的峰值控制好氧阶段曝气时间，从而停止曝气，促成NO₂^--N积累；采用ORP一阶导数峰值控制反硝化阶段时间，解决ORP曲线“硝酸盐膝”不明显的问题。在实时控制条件下，反应器对NH₄⁺-N的去除率和NAR稳定维持在97%以上。

（3）在控制SRT与实时控制的条件下，短程硝化污泥微生物群落多样性最少，反应器对微生物群落的优化与筛选作用明显，有利于短程硝化系统的长期稳定运行。