C/N 對(duì)短程反硝化NO2--N 積累特性影響及機(jī)理分析

柳全龍，范亞駿，張 淼，崔亞凈，周 楊

（1.揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127；2.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127；3.江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇揚(yáng)州 225000）

厭氧氨氧化（Anammox）工藝是一種高效的生物脫氮技術(shù)，但該工藝對(duì)污水中的氨氮（NH4+-N）與亞硝態(tài)氮（NO2--N）的物質(zhì)的量比（1∶1.32）有著較為嚴(yán)格的要求〔1〕。為了給Anammox 工藝提供理想的進(jìn)水，必須保證反應(yīng)底物中含有適量的NO2--N，因此如何獲得穩(wěn)定的NO2--N 成為 制 約Anammox 工藝推廣應(yīng)用的瓶頸問題。目前絕大多數(shù)研究都是通過短程 硝化（NH4+-N→ NO2--N）來(lái) 實(shí) 現(xiàn)NO2--N 的 積累，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化主要有3 種控制手段：（1）控制操作溫度＞25 ℃；（2）提高游離氨濃度；（3）降低溶解氧〔2〕。盡管全世界現(xiàn)已建立了200 多座短程硝化耦合厭氧氨氧化工程裝置，但由于控制條件的嚴(yán)格性和復(fù)雜性，這些裝置大多是用于特殊廢水（如污泥消化液、垃圾填埋場(chǎng)滲濾液、味精廢水等）的處理〔3〕，城市污水處理的工程實(shí)例相對(duì)較少。

近年來(lái)，由于高硝酸鹽（NO3--N）工業(yè)（如化肥、炸藥等〔4〕）的發(fā)展，大量NO3--N 廢水亟待處理，短程反硝化技術(shù)（NO3--N→ NO2--N）成為耦合Anammox 工藝最具潛力的NO2--N 供給技術(shù)〔5〕。較之傳統(tǒng)硝化-反硝化技術(shù)，短程反硝化耦合厭氧氨氧化工藝可節(jié)省大量碳源，并減少約50%的氧氣需求、84%的污泥產(chǎn)量，同時(shí)還具有較短的污泥適應(yīng)期、極低的溫室氣體排放量〔6〕。相關(guān)研究表明，短程反硝化過程N(yùn)O2--N 的積累效果受諸多因素的影響，如碳源類型、初始C/N〔7〕、pH〔8-9〕等。關(guān)于C/N 對(duì)短程反硝化的影響各說(shuō)不一，王維奇等〔10〕發(fā)現(xiàn)，短程反硝化中N O2--N 積累的最佳C/N 范圍為2.3～2.7；張陽(yáng)等〔11〕在研究某株特定的反硝化細(xì)菌時(shí)發(fā)現(xiàn)，C/N 越高，NO2--N 積累效果越好；而田夏迪等〔12〕則指出，C/N 對(duì)NO2--N 積累的影響較小。因此，關(guān)于短程反硝化過程中不同C/N 對(duì)NO2--N 積累的影響仍是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

本研究采用間歇式SBR 工藝，以乙酸鈉作為外加碳源，重點(diǎn)考察以下幾個(gè)方面：（1）不同C/N（以COD/NO3--N 計(jì)）條件下，反硝化過程中NO2--N 的積累特性；（2）以穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下的第98 個(gè)周期為例，揭示典型周期污染物（COD 利用、NO3--N 反硝化、NO2--N 積累）的降解特性；（3）對(duì)接種污泥及不同運(yùn)行工況下的污泥進(jìn)行高通量測(cè)序，探究不同C/N 條件下微生物群落結(jié)構(gòu)的演替規(guī)律。通過闡釋C/N 對(duì)NO2--N 積累的內(nèi)在影響和微觀機(jī)理，以期為實(shí)際工程中短程反硝化工藝的推廣應(yīng)用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1（a）所示，裝置運(yùn)行周期如圖1（b）所示。

圖1 SBR 實(shí)驗(yàn)裝置（a）及運(yùn)行周期（b）Fig.1 SBR reactor（a）and operating cycle（b）

本實(shí)驗(yàn)裝置由進(jìn)水水箱、SBR 反應(yīng)器、出水水箱順序連接而成〔圖1（a）〕。SBR 反應(yīng)器的有效容積為5 L，反應(yīng)器底部安裝有微孔曝氣裝置，頂部安裝有電動(dòng)攪拌器，同時(shí)還裝有DO 探測(cè)儀，用于在線檢測(cè)混合液中的溶解氧。原水由2 個(gè)進(jìn)水水箱分別泵入不同濃度的COD、NO3--N 混合而成，隨后混合液在SBR 反應(yīng)器內(nèi)完成短程反硝化和脫氮，泥水分離后，上清液進(jìn)入出水水箱。

反應(yīng)器采用缺氧/好氧（A/O）模式，包括進(jìn)水、攪拌、曝氣、沉淀4 個(gè)階段〔圖1（b）〕，每周期270 min，每天運(yùn)行2 個(gè)周期。缺氧段（180 min，DO=0.2～0.5 mg/L）開啟電動(dòng)攪拌器，充分?jǐn)嚢杌旌弦阂员ＷC短程反硝化的發(fā)生。好氧段（30 min，DO=2.5～3.0 mg/L）利用微孔曝氣裝置進(jìn)行供氧，以恢復(fù)污泥的生物活性，同時(shí)吹脫反硝化過程中產(chǎn)生的氮?dú)猓阌谀嗨蛛x?；旌弦浩骄鵙SS為（2 600±100）mg/L，每周期在沉降階段之前，排出（50±5）mL 混合液，以保持反應(yīng)器穩(wěn)定的污泥齡〔SRT=（18±2）d〕和VSS 水平。

1.2 實(shí)驗(yàn)用水與接種污泥

采用人工配水，碳源由乙酸鈉（初始COD 為100 mg/L）提供，氮源由硝酸鈉提供（初始NO3--N為50、40、30、20 mg/L），進(jìn)水C/N 分別為2.0、2.5、3.3、5.0。另外，為了維持微生物良好的增殖代謝，廢水中添加的微量元素如下：0.03 g CuSO4·5H2O、0.06 g Na2MoO4·2H2O、0.12 g MnCl2·4H2O、0.12 g ZnSO4·7H2O、0.15 g H3BO3、0.15 g CoCl2·6H2O、0.18 g KI、1.5 g FeCl3·6H2O和10 g乙二胺四乙酸（EDTA）。

接種污泥取自A2/O-MBBR 反應(yīng)器，該反應(yīng)器脫氮除磷效果穩(wěn)定（COD 去除率＞88%、TN 去除率＞80%、TP 去除率＞95%），污泥沉降性好且生物活性高。

1.3 檢測(cè)項(xiàng)目及分析方法

CO D 采用快速消解分光光度法測(cè)量，NO2--N、NO3--N 采用分光光度法測(cè)量。考慮到NO2--N 對(duì)COD 測(cè)定的影響，COD〔13〕按式（1）校準(zhǔn)計(jì)算。

NO3--N 到NO2--N 的 轉(zhuǎn) 化 率（Nitrate-to-nitrite transformation ratio，NTR）〔14〕，即NO2--N 積累率，是指在反應(yīng)時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)增加的NO2--N 的濃度與系統(tǒng)減少的NO3--N 的濃度的比值（%），計(jì)算方式見式（2）。

NO3--N 去 除 率（Nitrate removal efficiency，NRE）〔14〕是指反應(yīng)時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)減少的NO3--N 濃度與系統(tǒng)初始的NO3--N 濃度的比值（%），計(jì)算方式見式（3）。

式中：c（NO2-）inf、c（NO3-）inf——進(jìn) 水NO2--N、NO3--N質(zhì)量濃度，mg/L；

c（NO2-）eff、c（NO3-）eff——出 水NO2--N、NO3--N質(zhì)量濃度，mg/L。

本實(shí)驗(yàn)采用兩步反硝化模型〔15〕，即把NO2--N 作為反硝化過程的唯一中間產(chǎn)物。在兩步反硝化模型中，NO2--N 還原速率與N2生成速率相等（以N 計(jì)），且N2生成速率可用反應(yīng)器內(nèi)NOx--N（NO2--N 與NO3--N 的濃度和）的變化來(lái)表征。NO3--N 還原速率（SN3RR）和NO2--N 還原速率（SN2RR）的計(jì)算方式如下：

式中：c（NOx-)t1、c（NO3-)t1——t1時(shí)刻N(yùn)Ox--N和NO3--N的質(zhì)量濃度，mg/L；

c（NOx-)t2、c（NO3-)t2——t2時(shí) 刻N(yùn)Ox--N 和NO3--N的質(zhì)量濃度，mg/L；

VSS——污泥質(zhì)量濃度，g/L；

SN3RR、SN2RR——單位VSS 下NO3--N、NO2--N還原速率，mg（/g·h），以N計(jì)。

1.4 高通量測(cè)序

在反應(yīng)器運(yùn)行的第98 個(gè)周期（即反應(yīng)器運(yùn)行第49 天），分別從4 組不同進(jìn)水C/N 的反應(yīng)器取污泥樣品，與接種污泥一起送往上海美吉云生物醫(yī)藥科技有限公司進(jìn)行高通量測(cè)序，依托美吉云生物平臺(tái)PE300 進(jìn)行處理，所有原始數(shù)據(jù)都存檔在NCBI 序列讀取檔案數(shù)據(jù)庫(kù)中，登記號(hào)為SRP057140。

2 結(jié)果與討論

2.1 短程反硝化的啟動(dòng)及穩(wěn)定運(yùn)行

本實(shí)驗(yàn)所接種的污泥脫氮除磷性能較好，故省去了污泥馴化過程，以間歇培養(yǎng)的方式按設(shè)計(jì)運(yùn)行周期及設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)的要求運(yùn)行反應(yīng)器。反應(yīng)器共運(yùn)行101 個(gè)周期，圖2 為反應(yīng)器在不同C/N 下（2.0、2.5、3.3、5.0）的長(zhǎng)期運(yùn)行結(jié)果。根據(jù)NTR 的變化趨勢(shì)，可將整個(gè)運(yùn)行過程劃分為2 個(gè)階段：NO2--N 生成期（1～60 周 期）和NO2--N 積 累 穩(wěn) 定 期（61～101周期）。

由圖2 可見，NO2--N 生成期（1～60 周期），各反應(yīng)器中的NTR 隨運(yùn)行周期的增加而穩(wěn)步上升，啟動(dòng)初期（1～21 周期）各反應(yīng)器出水NO2--N 皆為0～5 mg/L。而至第60周期，不同運(yùn)行工況下各反應(yīng)器出水NO2--N 分別達(dá)到15.80 mg/L（C/N=2.0）、22.12 mg/L（C/N=2.5）、8.75 mg/L（C/N=3.3）、1.07 mg/L（C/N=5.0）。從圖2 還可看出，1～60 周期NTR 的變化規(guī)律與出水NO2--N 的變化規(guī)律是一致的，都是穩(wěn)步升高的，且C/N=2.5時(shí)的NTR遠(yuǎn)優(yōu)于其他反應(yīng)器?；钚晕勰噢D(zhuǎn)移至新環(huán)境培養(yǎng)后，微生物為了適應(yīng)新環(huán)境，其體內(nèi)的各種酶系統(tǒng)開始調(diào)整，同時(shí)由于對(duì)新環(huán)境適應(yīng)性的不同，種群結(jié)構(gòu)發(fā)生演變。因此，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，C/N=2.0、2.5、3.3 的反應(yīng)器中的活性污泥的菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，使NO2--N 可以有效積累的功能菌群迅速增長(zhǎng)。為進(jìn)一步探究活性污泥中微生物的具體演變規(guī)律，后續(xù)將結(jié)合高通量測(cè)序結(jié)果詳細(xì)分析。

圖2 反應(yīng)器運(yùn)行過程中NTR 和NRE 變化規(guī)律Fig.2 Variations of NTR and NRE during the reactor operation

N O2--N 積累穩(wěn)定期（61～101 周期），各反應(yīng)器的NTR趨于穩(wěn)定，4個(gè)運(yùn)行工況下，穩(wěn)定期內(nèi)的平均NO2--N積累率分別為61.39%（C/N=2.0）、82.18%（C/N=2.5）、35.42%（C/N=3.3）以及5.60%（C/N=5.0）。C/N 為2.0、2.5、3.3 的3 個(gè)工況下反應(yīng)器中的NTR 和出水NO2--N均維持在較高水平并保持穩(wěn)定，對(duì)照田夏迪等〔12〕的研究，初步認(rèn)為這3 個(gè)C/N 下的反應(yīng)器均成功啟動(dòng)了短程反硝化，這與當(dāng)前的主流觀點(diǎn)也是相吻合的，即低C/N更有利于短程反硝化的發(fā)生。而C/N=5.0 工況下，盡管總氮去除率始終維持在98%左右，但NTR 及出水NO2--N 均較低，短程反硝化效果較差，反應(yīng)器內(nèi)幾乎沒有NO2--N 的積累。

2.2 典型周期COD、NO3--N 和NO2--N 的變化規(guī)律

圖3 給出了穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下（反應(yīng)器運(yùn)行的第98周期），4種工況下缺氧段180 min 內(nèi) 的COD、NO3--N、NO2--N 變化情況。

由圖3 可知，隨著缺氧段反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，COD、NO3--N 均逐漸降低，即COD 消耗主要用于還原NO3--N，同時(shí)各SBR 反應(yīng)器中都出現(xiàn)了不同程度的NO2--N 積累現(xiàn)象。當(dāng)C/N=2.0 和2.5 時(shí)，COD 在缺氧前30 min 內(nèi)迅速下降，且此后基本穩(wěn)定在40 mg/L 左 右；而當(dāng)C/N=3.3 和5.0 時(shí)，盡管COD 也在缺氧前30 min 內(nèi)降至40～50 mg/L，但隨后又持續(xù)降低至20 mg/L 左右。4 種運(yùn)行工況下，NO3--N 也是在缺氧前30 min 內(nèi)迅速下降，隨后變化緩慢。而NO2--N 在4 種運(yùn)行工況下均是在缺氧前30 min 內(nèi)迅速升高并達(dá)到峰值，最高NO2--N 分別為20.3、30.3、16.5、4.8 mg/L；但缺氧30 min 后，當(dāng)C/N=2.0 和2.5時(shí)，NO2--N 波動(dòng)幅度較小且趨于穩(wěn)定，而當(dāng)C/N=3.3和5.0 時(shí)，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，NO2--N 被逐步還原，出現(xiàn)了下降趨勢(shì)，無(wú)法得到高效穩(wěn)定的NO2--N積累。

圖3 反硝化過程中COD、NO3--N 和NO2--N 的變化（第98 周期）Fig.3 Variations of COD，NO3--N and NO2--N during denitrification（cycle 98th）

整體上，在缺氧運(yùn)行的30～180 min，當(dāng)C/N=2.0 和2.5 時(shí)，混合液中COD、NO3--N、NO2--N 基本維持不變，在含有可利用COD（40 mg/L 左右）的情況下，積累的NO2--N 卻無(wú)法被繼續(xù)還原，因此，可合理推測(cè)該運(yùn)行條件下培養(yǎng)的污泥生物活性受到了某種抑制。當(dāng)C/N=3.3 和5.0 時(shí)，COD、NO3--N、NO2--N 均隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)，尤其C/N=5.0 時(shí)COD 變化較為明顯（從50 mg/L 降至20 mg/L），盡管NO2--N 也得到一定的積累，但內(nèi)在微生物學(xué)機(jī)理明顯與前者不同。

根據(jù)G. D. DRYSDALE 等〔16〕的研究，反硝化菌可劃分為5 個(gè)不同的功能菌群，其中有2 種可導(dǎo)致NO2--N 積累的重要菌群：不完全反硝化細(xì)菌（僅能將NO3--N 轉(zhuǎn)化為NO2--N）和不完全亞硝酸鹽還原細(xì)菌（可完全還原NO3--N，但高NO3--N 濃度會(huì)抑制NO2--N 還原）。結(jié)合COD、NO3--N、NO2--N 的變化規(guī)律可知，在C/N=2.0 和2.5 條件下，NO2--N 能夠得到穩(wěn)定積累的原因可能與高NO3--N 濃度對(duì)NO2--N還原的抑制作用有關(guān)；而C/N=3.3 和5.0 時(shí)，NO2--N積累的原因更大程度上取決于不同的不完全反硝化菌菌群。

2.3 反硝化活性測(cè)試

針對(duì)反硝化過程中NO2--N 還原速率與NO3--N還原速率的差異問題，諸多學(xué)者〔17-18〕在四步反硝化酶活性上做了大量的研究，認(rèn)為NO2--N 能夠得到積累是由硝酸鹽還原酶（NaR）活性高于亞硝酸鹽還原酶（NiR）活性導(dǎo)致的。張雨婷等〔19〕發(fā)現(xiàn)，NaR 對(duì)電子的親和能力比NiR 強(qiáng)；李玲玲等〔20〕在研究低C/N污水NO2--N 積累特性實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，NO3--N 的存在會(huì) 抑 制NiR 酶的活性；M. KORNAROS 等〔21〕同樣發(fā)現(xiàn)，NO3--N 會(huì)抑制NiR 酶的活性，導(dǎo)致NO2--N 積累。圖4 為第98 周期時(shí)，不同C/N 條件下缺氧段NO2--N、NO3--N 的還原速率對(duì)比。表1 總結(jié)了缺氧0～30 min 內(nèi)的平均SN3RR 與SN2RR。

由圖4 可知，在缺氧0～30 min，由于COD 充足、NO3--N 含量遠(yuǎn)大于NO2--N，系統(tǒng)內(nèi)較多的NO3--N抑制了NiR 酶的活性，故此時(shí)4 個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的S N3RR 皆遠(yuǎn)大于SN2RR。但是不同C/N 條件下SN3RR/SN2RR相差較大，4組工況下SN3RR 分 別 是SN2RR 的6.4 倍（C/N=2.0）、10.7 倍（C/N=2.5）、3.1 倍（C/N=3.3）和2.5 倍（C/N=5.5）（表1），可見低C/N 條件下（如C/N=2.0 和2.5），NO2--N 能夠得到高效積累的直接原因在于SN3RR 與SN2RR 之間較大的差值，這與王淑瑩等〔22-23〕的研究結(jié)果一致，并且當(dāng)SN3RR/SN2RR 越大時(shí)，NO2--N 的積累效果越好，該結(jié)果也揭示了圖3 中典型周期30 min 時(shí)NO2--N 積累達(dá)到峰值的原因。

表1 缺氧30 min 內(nèi)的平均SN3RR 與SN2RRTable 1 Average SN3RR and SN2RR of anoxic reaction（0～30 min）

圖4 不同C/N 條件下缺氧NO2--N、NO3--N 的還原速率（第98 周期）Fig.4 Anoxic reduction rates of NO2--N and NO3--N under different C/N（cycle 98th）

隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，系統(tǒng)內(nèi)的NO3--N 逐步降低，NO2--N逐步升高，此時(shí)NO3--N 對(duì)NiR酶活性的抑制作用減弱，但因?yàn)榉磻?yīng)后期系統(tǒng)內(nèi)的COD較低，SN2RR 較缺氧初期的變化卻不大。在缺氧30～180 min，當(dāng)C/N=2.0 和2.5 時(shí)，SN3RR 與SN2RR基本相等；而 當(dāng)C/N=3.3、5.0 時(shí)，SN2RR普遍大于SN3RR；即當(dāng)C/N≤2.5 時(shí)，NO2--N 可以得到穩(wěn)定的積累，而當(dāng)C/N≥3.3 時(shí)，原有的NO2--N 無(wú)法得到穩(wěn)定維持。上述反硝化反應(yīng)SN3RR、SN2RR 的變化規(guī)律與典型周期NO2--N 的變化趨勢(shì)（圖3）是一致的，因此導(dǎo)致了穩(wěn)定期內(nèi)不同的NTR 變化，即C/N=2.0～2.5 時(shí)的NTR遠(yuǎn)大于 C/N=3.3～5.0 時(shí) 的NTR（圖2）。

需要指出的是，各反應(yīng)器在缺氧初期的SN3RR 相差較大，其中當(dāng)C/N=2.5時(shí)取得最大值25.66 mg（/g·h），隨后SN3RR 隨C/N的升高（3.3→5.0）而降低〔18.61 mg（/g·h）→6.23 mg（/g·h）〕。因此反硝化過程中SN2RR 與SN3RR 的差異并不單單是由NaR 與NiR 的酶活性差異導(dǎo)致的。M.J.MARTIENSSEN 等〔24〕在連續(xù)流實(shí)驗(yàn)中分離出了僅能將NO3--N 還原為NO2--N 的細(xì)菌；W.PAYNE 等〔25〕在研究反硝化微生物時(shí)，發(fā)現(xiàn)了2類異養(yǎng)反硝化細(xì)菌，其中a 類只含有NaR 酶，僅能將NO3--N 還原至NO2--N，b 類則含有全部反硝化酶；R.KNOWLES 等〔26〕也指出，部分反硝化細(xì)菌僅存在NaR酶，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)了占一定種群優(yōu)勢(shì)的這類細(xì)菌后，將導(dǎo)致NO2--N 的積累。綜上，可推知本研究中不同初始C/N 下各反應(yīng)器中污泥的菌群結(jié)構(gòu)已發(fā)生了演變，其中C/N=2.5時(shí)很可能出現(xiàn)了僅含有NaR 酶的菌群結(jié)構(gòu)，致使反應(yīng)器內(nèi)的NaR 與NiR 酶濃度出現(xiàn)較大差距，使得SN3RR 遠(yuǎn)大于SN2RR，繼而實(shí)現(xiàn)了較高的NO2--N 積累。以上結(jié)果表明，NO2--N 能夠得到穩(wěn)定的積累，不僅是NaR 與NiR 酶活性差異引起的，而且是含不同反硝化酶的細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)演變導(dǎo)致的。

2.4 微生物菌群結(jié)構(gòu)分析

圖5 為4 個(gè)工況和接種污泥在門水平和屬水平下的微生物群落結(jié)構(gòu)分布情況。

圖5 菌群結(jié)構(gòu)分布Fig.5 Microbial community structure distribution

由圖5（a）可知，包括接種污泥（SS）在內(nèi)的5 個(gè)樣本中的優(yōu)勢(shì)門皆為變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、綠彎菌門（Chloroflexi），其中大部分反硝化菌都屬于前2 種細(xì)菌門〔27〕，這與現(xiàn)有的污水處理廠已報(bào)道的反硝化功能菌菌群結(jié)構(gòu)也是一致的〔28-29〕。4 個(gè)反應(yīng)器中Proteobacteria 與Bacteroidetes所占比例總和分別為82.34%（C/N=2.0）、90.36%（C/N=2.5）、85.11%（C/N=3.3）、50.45%（C/N=5.0），遠(yuǎn)超接種污泥中的35.85%。初步說(shuō)明反應(yīng)器中的菌群結(jié)構(gòu)已發(fā)生變化，且活性污泥的反硝化能力增強(qiáng)，這與典型周期缺氧段NO3--N 的變化規(guī)律（圖3）是一致的。此外，與接種污泥相比，綠彎菌門（Chloroflexi）的種群豐度大大減少，原污泥中Chloroflexi占34.2%，而各反應(yīng)器中Chloroflexi 的相對(duì)豐度皆低于20%，進(jìn)一步說(shuō)明了污泥菌群結(jié)構(gòu)的較大演變。

在屬水平下，對(duì)5 個(gè)樣品的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分析，具體分布情況見圖5（b）。4 個(gè)反應(yīng)器中的優(yōu)勢(shì)菌屬皆為陶厄氏菌屬（Thauera）、Terrimonas、Saprospiraceae以及黃桿菌屬（Flavobacterium）。根據(jù)C. S. SRINANDAN 等〔30-31〕的研究，多數(shù)Thauera（屬于Proteobacteria）僅含有硝酸鹽還原酶；陽(yáng)麗香等〔32〕在探究好氧反硝化細(xì)菌時(shí)，發(fā)現(xiàn)了部分屬于Flavobacterium的好氧反硝化菌；W. J. PAYNE 等〔25〕發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)lavobacterium具有與Thauera相同的特性。很明顯，當(dāng)C/N=2.5 和3.3 時(shí)，Thauera、Flavobacterium的相對(duì)豐度較高，分別為9.0%、24.0%及28.2%、2.9%；而C/N=2.0 和5.0 時(shí)，上述2 種菌屬的總相對(duì)豐度僅為7.56%、2.9%。此外，同樣具有反硝化功能的厭氧菌屬Saprospiraceae（屬于Bacteroidetes）〔33〕在C/N=2.5時(shí)的相對(duì)豐度為13.50%，高于其他幾組反應(yīng)器。結(jié)合NO2--N 積累特性可知，C/N=2.5 時(shí)，Thauera、Flavobacterium、Saprospiraceae（總豐度50.70%）是實(shí)現(xiàn)短程反硝化的優(yōu)勢(shì)種群，而這幾類菌屬又是典型的僅能將NO3--N 還原至NO2--N 的細(xì)菌，故可實(shí)現(xiàn)最高效的NO2--N 積累。

當(dāng)然，盡管C/N=2.0 時(shí)，Thauera、Flavobacterium總相對(duì)豐度僅為7.56%，但該反應(yīng)器中Terrimonas菌屬的相對(duì)豐度高達(dá)21.3%。研究表明，Terrimonas菌屬也是反硝化系統(tǒng)中的主要優(yōu)勢(shì)菌群之一〔34〕，能將NO3--N 還原至N2。結(jié)合該反應(yīng)器的進(jìn)水條件〔COD=100 mg/L，c（NO3--N）=50 mg/L〕可知，高濃度的NO3--N 一定程度上抑制了NO2--N 還原酶的合成〔21-22〕，故該條件下亦可實(shí)現(xiàn)較高的NO2--N 積累。作為對(duì)比，C/N=5.0 條件下，充足的外碳源促進(jìn)了微生物多樣性的形成，但Thauera、Terrimonas、Saprospiraceae、Flavobacterium等功能菌屬的總相對(duì)豐度僅為10.80%，遠(yuǎn)低于其他3 組反應(yīng)器，故無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的NO2--N 積累。除此之外，4 組反應(yīng)器的污泥樣品幾乎檢測(cè)不到硝化菌的存在（Nitrospira＜0.1%，未檢測(cè)到Nitrobacter），再次表明30 min 好氧曝氣不存在NO2--N 被破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

（1）C/N 對(duì)短程反硝化過程中NO2--N 積累具有直接的影響，當(dāng)C/N=2.5 時(shí)，取得了最優(yōu)的NO2--N 積累效果，NTR 高達(dá)82.18%。

（2）C/N=2.0～2.5 與C/N=3.3～5.0 工況下NO2--N積累的機(jī)理是不同的，前者取決于高濃度NO3--N 對(duì)亞硝酸鹽還原酶（NiR）的抑制，而后者主要依賴于不完全反硝化菌在污泥菌群結(jié)構(gòu)中占優(yōu)勢(shì)。

（3）NO2--N 積累的直接原因在于SN3RR 大于SN2RR，且當(dāng)二者的差值越大，NO2--N 的積累效果越好，當(dāng)C/N=2.5 和C/N=5.0 時(shí)，SN3RR 分 別 是SN2RR的10.7 倍和2.5 倍，故導(dǎo)致了截然不同的NO2--N 積累特性。

（4）Thauera、Flavobacterium、Saprospiraceae是實(shí)現(xiàn)短程反硝化的主要功能菌屬，當(dāng)C/N=2.5 時(shí)，上述3 種菌屬的豐度高達(dá)50.70%，顯著高于其他C/N 條件。