综述：用于废水处理的下降流悬挂海绵（DHS）反应器的氮去除性能：一项关键综述

《Cleaner Water》：Nitrogen removal performances of Downflow Hanging Sponge (DHS) reactors for wastewater treatment: A critical review

氮素废水处理中，Downflow Hanging Sponge（DHS）反应器通过红氧梯度分层和微生物群落协同作用实现高效硝化-反硝化（SND）及厌氧氨氧化（ANAMMOX）。研究表明，DHS在4-6小时水力停留时间、0.5-1.9 kg COD/m3·d有机负荷率条件下，氨氮去除率可达80-99%，总氮去除率60-82.8%。关键影响因素包括SRT（20天）、外部碳源（如乙酸）及回流策略优化。其低能耗（<0.1 kWh/m3）和模块化设计显著优于传统活性污泥法，但存在规模化应用瓶颈和碳源依赖问题。

　　在当前全球水资源日益紧张和水环境污染问题日益严重的背景下，氮污染的治理成为废水处理领域的重要议题。氮元素是生物生存和生态系统循环的关键组成部分，但其在水体中的过量存在会引发一系列生态问题，如富营养化、生物多样性丧失、水体缺氧区形成等。为了有效应对这些问题，科学家们不断探索新的处理技术，以提高氮去除效率并减少对环境的影响。其中，Downflow Hanging Sponge（DHS）反应器作为一种先进的生物处理技术，因其高效、节能、操作简便等优势，逐渐受到关注，并在多个国家的污水处理实践中得到应用。

DHS反应器是在传统滴滤池（Trickling Filter, TF）基础上发展而来的新型生物反应器。其核心设计在于利用悬挂式聚氨酯海绵（Polyurethane Sponge, PUS）作为生物膜载体，通过重力使废水从上至下流经海绵材料，形成一个具有分层氧化还原条件的微环境。这种设计使得DHS能够在无需额外供氧设备的情况下实现高效的氮去除。相比传统工艺，DHS反应器不仅节省了能源，还减少了占地面积，为资源有限的地区提供了更可行的解决方案。

在DHS反应器中，氮去除主要依赖于同步硝化反硝化（Simultaneous Nitrification and Denitrification, SND）过程，以及作为补充的厌氧氨氧化（Anaerobic Ammonium Oxidation, ANAMMOX）过程。SND过程通过废水在海绵介质中的分层氧浓度梯度，实现了氨氮（NH??-N）和总氮（TN）的高效去除。在海绵的外层，氨氧化菌（Ammonia-Oxidizing Bacteria, AOB）如Nitrosomonas主导硝化过程，将氨氮转化为硝酸盐（NO??）；而在海绵的内层，反硝化菌（Denitrifying Bacteria）如Alicycliphilus和Xanthomonas则在低氧环境中将硝酸盐还原为氮气（N?）。这种自然的分层结构不仅减少了外部供氧需求，还提升了系统的整体效率。

ANAMMOX过程则是在特定的低氧、低碳氮比（C/N）条件下，由厌氧氨氧化菌（如Candidatus brocadia和Candidatus kuenenia）直接将氨氮和亚硝酸盐（NO??）转化为氮气，同时生成少量硝酸盐。这一过程的优势在于其能量效率较高，所需氧气仅为传统硝化反硝化过程的一半。然而，ANAMMOX菌的生长速度较慢，约11天，且对亚硝酸盐的依赖性较强，这使得其在DHS系统中的应用受限。因此，通过部分硝化（Partial Nitritation）等技术手段生成足够的亚硝酸盐，有助于提升ANAMMOX的活性，从而进一步提高氮去除效率。

DHS反应器的微生物群落结构是其高效处理能力的重要基础。研究表明，DHS中存在明显的垂直微生物分层现象，即在海绵的外层以好氧微生物为主，而内层则以厌氧微生物为主。这种分层结构使得DHS能够在单一反应器中同时实现硝化和反硝化过程，而无需额外设置厌氧反应器。微生物的分布不仅受到水体中氮化合物和有机碳浓度的影响，还与反应器的操作参数密切相关。例如，较高的有机负荷率（Organic Loading Rate, OLR）可能会抑制硝化菌的生长，从而影响氨氮的去除效率；而较长的水力停留时间（Hydraulic Retention Time, HRT）则有助于提高总氮的去除率。此外，污泥停留时间（Sludge Retention Time, SRT）对慢生长微生物如Nitrobacter的富集至关重要，而适当的外部碳源补充则能够增强反硝化过程的效率。

在实际应用中，DHS反应器的性能受到多种因素的影响。例如，对于高浓度氮废水，如农业排水或食品加工厂废水，DHS往往表现出较低的处理效率，因为这些废水中的有机碳含量不足，无法为反硝化菌提供足够的电子供体。因此，在这种情况下，通常需要结合其他预处理技术，如厌氧反应器或化学沉淀系统，以提高氮去除率。此外，废水的pH值和温度等环境因素也对DHS的运行效果产生重要影响。理想的pH范围通常为7.0-8.0，而温度范围则在20-35°C之间。若废水的pH值或温度超出这一范围，可能会影响微生物的活性，从而降低处理效率。

值得注意的是，DHS反应器的设计和运行还涉及到海绵材料的选择和优化。不同的海绵结构（如G1至G6的六个版本）在改善空气扩散、提高海绵刚性和使用低成本材料方面各有特点。例如，G4版本的海绵条排列设计通过增加空气间隙，提高了空气扩散效率，从而优化了硝化过程。而G6版本的硬质海绵则增强了系统的稳定性，使其更适用于高负荷或高浓度废水的处理。然而，无论何种海绵设计，其性能的提升都必须结合具体的废水类型和操作条件，以确保最佳的氮去除效果。

在污水处理的实际操作中，DHS反应器的运行参数需要根据具体情况进行调整。例如，较高的OLR虽然能够提高有机物的去除效率，但可能会抑制硝化菌的生长，导致氨氮去除率下降。相反，较低的OLR虽然降低了处理负荷，但可能无法满足高浓度氮废水的处理需求。因此，找到一个平衡点，使得系统在处理效率和经济性之间达到最佳状态，是DHS技术应用的关键。此外，HRT和SRT的调整也对DHS的性能产生重要影响。较长的HRT有助于提高总氮的去除率，但可能增加占地面积和运行成本；而较长的SRT则有助于富集慢生长微生物，提高系统的稳定性和抗冲击负荷能力。

为了进一步提升DHS反应器的性能，研究者们提出了多种改进措施。例如，通过增加外部碳源的补充，可以显著提高反硝化效率，尤其是在低有机碳含量的废水中。此外，废水回流（Effluent Recirculation）也被证明能够增强氮去除效果，因为它可以增加反应器中的氧气和有机碳的供应，从而促进反硝化反应。然而，回流的使用需要谨慎，特别是在低HRT条件下，可能会导致氧气供应不足，影响硝化过程。

尽管DHS反应器在污水处理领域展现出诸多优势，但在实际应用中仍存在一些局限性。例如，某些高浓度废水（如乳制品加工废水、棕榈油厂废水）的处理效果有限，因为这些废水的有机碳含量较低，难以支持反硝化过程。此外，DHS反应器的运行还受到废水分布均匀性的影响。如果废水分布不均，某些区域可能会出现过度负荷，而其他区域则可能未充分利用，从而导致局部堵塞和处理效率下降。因此，优化废水分布和反应器设计，是提高DHS处理性能的重要方向。

在环境影响方面，DHS反应器因其低能耗和低污泥产量，被认为是一种可持续的污水处理技术。其通过生物膜的自然氧化还原分层，减少了对化学药剂的依赖，从而降低了二次污染的风险。此外，DHS反应器在处理过程中产生的污泥量仅为传统活性污泥法（Activated Sludge, AS）的70%，这不仅降低了污泥处理成本，也减轻了对环境的影响。

展望未来，DHS反应器的进一步发展需要在多个方面进行深入研究。首先，如何实现对高浓度氮废水的高效处理，是当前技术的一个重要挑战。这可能需要结合其他预处理技术，如化学沉淀或高级氧化工艺，以弥补DHS在处理高浓度废水时的不足。其次，随着全球气候变化和极端天气事件的增加，DHS反应器在低温环境下的运行性能需要进一步优化。这可能涉及开发具有抗低温特性的海绵材料，或通过生物强化技术引入耐寒微生物。此外，DHS反应器的智能化管理也是未来发展的方向，例如通过在线监测系统实时监控溶解氧（DO）和硝酸盐（NOx）浓度，从而动态调整运行参数，提高处理效率。

总的来说，DHS反应器作为一种新兴的生物处理技术，具有广阔的应用前景。其在提高氮去除效率、降低能耗和污泥产量方面的优势，使其成为可持续污水处理的重要选择。然而，要实现其大规模应用，仍需解决诸如高浓度废水处理、低温运行、以及运行参数优化等技术难题。通过持续的研究和技术创新，DHS反应器有望在未来成为全球污水处理领域的重要支柱，为实现联合国可持续发展目标（SDG6）提供有力支持。