一、引言

短程反硝化（Partial Denitrification, PD）可将硝酸盐（NO₃⁻）部分还原为亚硝酸盐（NO₂⁻），为厌氧氨氧化（Anammox）提供关键底物。PD与Anammox耦合形成的PD-A工艺，兼具碳源节约、污泥产量低、温室气体减排等优势，成为低碳氮比废水高效脱氮的研究热点。本文聚焦PD-A工艺，在精简原工艺描述基础上，重点细化其耦合原理、运行参数和工程化要点。

二、PD-A工艺原理

2.1 短程反硝化（PD）原理

PD是指异养反硝化菌将NO₃⁻还原至NO₂⁻后即终止，而非继续还原为N₂。其反应式（以乙酸钠为例）：

• 全程反硝化： NO₃⁻ + 1.08 CH₃COO⁻ + 0.24 H⁺ → 0.5 N₂ + 1.68 CO₂ + 1.54 H₂O 

• 短程反硝化（终点为NO₂⁻）:NO₃⁻ + 0.5 CH₃COO⁻ → NO₂⁻ + 0.5 CO₂ + 0.5 H₂O 

对比可见，PD节省了将NO₂⁻还原为N₂所需的约40%碳源。核心功能菌属为Thauera和Acinetobacter，它们在适当调控下呈现“不完全硝酸盐还原”代谢特征。

2.2 厌氧氨氧化（Anammox）原理

Anammox菌在缺氧条件下，以NO₂⁻为电子受体，将NH₄⁺直接氧化为N₂：

NH₄⁺ + 1.32 NO₂⁻ + 0.066 HCO₃⁻ + 0.13 H⁺ → 1.02 N₂ + 0.26 NO₃⁻ + 0.066 CH₂O₀.₅N₀.₁₅ + 2.03 H₂O 

该过程无需有机碳源，污泥产量极低，且能耗仅为传统硝化-反硝化的1/3。

2.3 PD-A耦合机制

PD-A工艺将PD与Anammox串联或一体化运行：

• 串联式：PD单元将进水NO₃⁻（或硝化段产生的NO₃⁻）部分转化为NO₂⁻，出水进入Anammox单元，与进水NH₄⁺（或原水中的NH₄⁺）共同反应脱氮。

• 一体化式：在同一反应器（如SBR或生物膜反应器）中同时存在PD异养菌和Anammox自养菌，PD原位产生NO₂⁻，Anammox立即消耗，避免NO₂⁻过度积累被进一步还原，同时消除NO₂⁻对PD菌的抑制。一体化工艺可省略沉淀分离单元，但需精细调控碳源和DO，防止异养菌过度竞争抑制Anammox。

PD-A的总氮去除路径可表示为： 

NO₃⁻（PD）→ NO₂⁻ + NH₄⁺（Anammox）→ N₂（+少量NO₃⁻） 

系统中约89%的氮通过Anammox途径去除，剩余约11%由残余反硝化或Anammox伴生的NO₃⁻完成。

三、PD-A主要工艺参数与构建细化

3.1 关键调控参数（PD侧）

PD单元的参数直接影响NO₂⁻供给效率，进而决定PD-A整体性能。

3.2 PD-A耦合特有参数

3.2.1 进水基质配比（NO₃⁻/NH₄⁺比）

Anammox理论需NO₂⁻/NH₄⁺ = 1.32:1（摩尔比）。PD产生的NO₂⁻来自NO₃⁻还原，因此进水NO₃⁻与NH₄⁺的比值需满足： 

[NO₃⁻] / [NH₄⁺] ≈ 1.32 / (PD的NO₂⁻产率) 

若PD的NO₃⁻→NO₂⁻转化率（NTR）为80%，则要求进水NO₃⁻/NH₄⁺ ≈ 1.32 / 0.8 = 1.65。实际运行中可微调碳源投加或回流比来匹配。

3.2.2 碳源投加方式

• 分点投加：在一体化反应器中，碳源可分多次或沿流程投加，避免局部C/N过高刺激完全反硝化，同时防止异养菌过度繁殖覆盖Anammox菌。

• 脉冲投加：

  SBR模式下，在反应前期快速投加碳源，待NO₃⁻降至阈值后停止，后期由Anammox主导脱氮。

3.2.3 温度

PD的最适温度为25~35℃，Anammox也为中温（30~37℃）。低温（<15℃）下两者活性均下降，但PD的低温耐受性优于Anammox。实际工程可采用：①冬季提高污泥浓度或延长HRT；②在主流线采用生物膜或颗粒污泥，提高持留能力；③对侧流液（污泥消化液）加热以维持PD-A性能。

3.2.4 碱度平衡

PD过程每还原1 g NO₃⁻-N产生约3.57 g碱度（以CaCO₃计）；Anammox过程每去除1 g NH₄⁺-N消耗约0.5~1.0 g碱度。当PD供应的NO₂⁻恰好满足Anammox需求时，整体碱度通常呈中性或轻微过剩。若进水碱度过低（如部分工业废水），需补充NaHCO₃，维持pH≥7.0。

3.3 反应器构建方式

3.3.1 两段式PD-A

- PD反应器：SBR或升流式污泥床（USB），以异养颗粒污泥或生物膜为主，重点控制C/N和HRT，实现稳定NO₂⁻积累（NTR ≥75%）。

- Anammox反应器：通常采用厌氧颗粒污泥或生物膜（如厌氧流化床、EGSB），防止DO渗入和有机物冲击。

- 优缺点：工艺清晰，可分别优化；占地较大，需中间沉淀或过滤。

3.3.2 一段式PD-A

- SBR单池：进水→PD段（投加碳源，缺氧搅拌，NO₃⁻→NO₂⁻）→Anammox段（停止投碳，利用剩余NO₂⁻和内源NH₄⁺反应）→沉淀排水。典型周期2~4 h。

- 生物膜/颗粒污泥一体化：在单一反应器内填充生物载体或培养颗粒污泥，外层/表面富集异养PD菌（O₂/碳源梯度），内层/核心富集Anammox菌（严格缺氧、低有机物）。例如，采用气提式循环床（SBCR） 或膜生物膜反应器（MBfR） 实现PD-A耦合。

- 优缺点：占地小，流程短；对控制要求极高，需精准掌握反应进程，避免碳源穿透抑制Anammox。

3.3.3 主流PD-A工艺配置

针对城市污水处理厂，推荐将缺氧区改造为PD-A耦合区：将原缺氧池部分隔室改为交替投加少量碳源的模式，并填充悬浮填料（如K3、K5），同步培养附着型Anammox菌和PD菌；出水经好氧区硝化后回流至前端，实现主流PD-A脱氮。该配置已在多个中试规模中得到验证，总氮去除负荷可达0.2~0.4 kg N/(m³·d)。

四、适用场合（精简）

1. 低碳氮比城市污水（C/N 3~5）：PD-A可节约碳源40%~60%，总氮去除率≥80%。

2. 高硝酸盐工业废水（如化肥、化工、金属表面处理）：无需外加氨源，利用原水NH₄⁺或补充少量NH₄⁺即可实现PD-A脱氮。

3. 污泥消化液/垃圾渗滤液：高氨氮、低碳氮比，适合侧流PD-A处理，大幅降低回流氮负荷。

4. 市政污水厂提标改造：可在缺氧区嵌入PD-A单元，提升脱氮能力，减少外加碳源费用。

五、注意事项（侧重PD-A）

5.1 碳源投加的“精确门槛”

PD-A对碳源投加量极其敏感：投加不足→PD产NO₂⁻不足，Anammox饥饿；投加过量→PD过度还原为N₂，NO₂⁻为零，且残留有机物抑制Anammox（异养菌过度生长、占据填料）。建议采用在线NO₃⁻/NO₂⁻传感器或氧化还原电位（ORP）“硝酸盐膝点”控制，在NO₃⁻刚降至接近零时立即停止碳源投加。

5.2 Anammox菌的活性保护

Anammox菌世代期长（10~14 d），对有机物、DO、NO₂⁻毒性敏感。在PD-A一体化系统中应避免：

• DO >0.2 mg/L：可用氮气吹脱或密封反应器。

• 有机物浓度过高（COD >100 mg/L）：采用慢速启动、梯度增加负荷的方式驯化共生群落；或采用分点进水，避免Anammox区直接接触高浓度COD。

• NO₂⁻ >150 mg N/L：对Anammox产生抑制，需控制PD产NO₂⁻速率或及时稀释。

• 

5.3 长期运行稳定性策略

5.3.1污泥/生物膜“双层结构”维持：通过控制水力剪切力和底物梯度，促进颗粒污泥外密内疏或生物膜外异养内自养的结构稳定。定期排泥去除过度生长的异养菌。

5.3.2间歇式/交替式投加碳源：例如SBR中以“饥饿-饱食”交替运行，抑制完全反硝化菌并保留PD菌。

5.3.3补充微量元素：Anammox菌对铁、铜、锌等微量元素有需求，定期投加可提升活性。

5.4 温室气体N₂O排放风险

PD-A虽整体减排N₂O，但在碳源短缺或NO₂⁻瞬时积累过高时，PD及残余反硝化会释放N₂O。应对措施：避免C/N低于2.0；在反应后期维持温和搅拌，防止局部缺氧不足；采用实时反馈控制，避免过度延长反应时间。

六、结语

PD-A工艺通过短程反硝化与厌氧氨氧化协同，实现了低碳氮比废水的高效脱氮，较传统工艺节省碳源30%~50%，减少污泥产量60%以上，降低曝气能耗约40%。其工程化关键难点在于碳源的精准投加、双菌（异养PD+自养Anammox）的兼容性维持以及主流低温条件下的活性保障。未来应致力于低成本在线传感器的集成、智能化控制算法的开发，以及颗粒污泥/生物膜结构调控技术的成熟，推动PD-A从侧流处理走向主流城市污水处理，助力污水厂实现“能源自给”和“碳中和”目标。