短程硝化和反硝化作为生物脱氮领域的重要技术，近年来受到了广泛关注。通过将氨氮氧化控制在亚硝酸盐阶段，并直接将其还原为氮气，短程硝化和反硝化技术显著提高了氮素去除效率，降低了能耗和碳源需求。本文旨在探讨短程硝化和反硝化的最新研究进展，包括其基本原理、影响因素、优化策略及未来发展方向。短程硝化的基本原理是通过调控环境条件，使氨氧化菌（AOB）活性增强，而抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB）的活性，从而将氨氮氧化至亚硝酸盐阶段。研究表明，温度、溶解氧（DO）浓度、pH值、游离氨（FA）浓度、污泥龄（SRT）和有机物浓度等因素对短程硝化的实现和稳定性具有显著影响。例如，在20-30°C的温度范围和中性至弱碱性pH环境下，AOB的活性较高，而NOB则受到抑制。此外，通过控制DO浓度在0.3-1.0mg/L，可以有效抑制NOB的活性，促进AOB的生长，从而实现亚硝酸盐的积累。反硝化过程则是在缺氧条件下，利用反硝化菌将硝酸盐或亚硝酸盐还原为氮气。短程反硝化通过跳过NO₃⁻还原为NO₂⁻的步骤，直接利用亚硝酸盐作为电子受体，进一步提高了脱氮效率。影响短程反硝化的关键因素包括缺氧条件、pH值、温度和碳源。研究表明，将DO控制在0.5mg/L以下，pH值维持在6.5-8.0，温度为20-30°C，并选用适宜的碳源，如甲醇或乙酸，可以有效促进短程反硝化的进行。为了实现短程硝化和反硝化的稳定运行，研究者们提出了多种优化策略。首先，通过精细控制反应器内的溶解氧浓度，可以有效地支持AOB的生长并抑制NOB的活性。其次，优化温度和pH值，根据不同微生物种群的环境适应性，促进目标菌群的活性。此外，合理设定污泥龄和水力停留时间，可以富集AOB并抑制NOB的增殖。例如，荷兰的SHARON工艺通过控制高温（30-35°C）和适宜的污泥龄，成功实现了稳定的短程硝化。此外，交替曝气与缺氧处理、抑制剂的使用以及碳源投加策略的制定，也被证明是有效的调控手段。随着分子生物学技术的发展，PCR、DGGE和FISH等技术被广泛应用于短程硝化和反硝化系统中微生物群落的分析和鉴定。这些技术为深入研究AOB和反硝化菌的种类、数量及分布特征提供了有效手段，进一步推动了短程硝化和反硝化技术的应用和发展。未来，短程硝化和反硝化技术的研究将集中在以下几个方面：首先，进一步优化工艺条件，提高系统的稳定性和脱氮效率；其次，开发新型反应器，如生物膜反应器，以实现更好的微生物群落控制和脱氮效果；此外，结合厌氧氨氧化等新兴技术，开发更加节能和高效的生物脱氮工艺。随着研究的不断深入，短程硝化和反硝化技术将在污水处理领域发挥越来越重要的作用，为环境保护和可持续发展提供有力支持。
