在全球水资源短缺和氮素污染日益严重的背景下，开发高效低耗的污水处理技术成为环境工程领域的迫切需求。传统活性污泥法虽能有效去除污染物，但存在能耗高、污泥产量大、运营成本高等弊端，尤其对于基础设施薄弱的偏远地区和小型社区而言难以推广应用。下流式悬挂海绵（Downflow Hanging Sponge, DHS）反应器作为一种被动曝气的生物膜工艺，因其能耗低（约0.03 kWh/m³）、污泥产量少、操作简单等优势，在过去三十多年里已在全球超过20个国家得到应用。然而，经典的DHS反应器有一个“阿喀琉斯之踵”：其对总氮（Total Nitrogen, TN）的去除效率普遍不理想。这主要是因为反应器内部以好氧环境为主，缺乏足够且稳定的缺氧/厌氧区域来支持将硝酸盐（NO3−-N）和亚硝酸盐（NO2−-N）转化为氮气（N2）的反硝化过程。反硝化作用通常被限制在海绵孔隙内微小的缺氧微环境中，并且在反应器底部常常因为易降解有机碳源已在顶部好氧区被消耗殆尽而受到碳源限制。
为了解决这一瓶颈，研究人员此前开发了虹吸式DHS（Siphon DHS）反应器，通过引入虹吸管在反应器底部形成淹没条件，从而创造缺氧和厌氧区域。虽然前期研究在脱氮方面取得了一定进展，例如将TN去除率提升至18%，但硝化效率（氨氮转化效率）却因好氧区体积有限而受到制约，通常在31%-62%之间徘徊。如何在同一个反应器内平衡好氧的硝化过程和缺氧/厌氧的反硝化过程，是提高DHS反应器同步硝化-反硝化（Simultaneous Nitrification–Denitrification, SND）效率的关键挑战。
发表在《Bioresource Technology》上的这项研究，由日本长冈技术科学大学的Shehani Sharadha Maheepala等人完成，提出了一种创新的解决方案：他们将虹吸DHS反应器的体积比例进行优化（好氧区:过渡区:厌氧区 = 50:25:25），并集成了一套进水旁路系统（将20%的原水直接引入缺氧区）。这一组合策略旨在同时解决“缺氧环境不足”和“反硝化碳源不足”两个核心问题，从而实现高效的同步脱氮。
为开展研究，研究人员构建了实验室规模的虹吸DHS反应器，使用聚氨酯泡沫海绵作为生物膜载体。实验分为两个阶段：第一阶段（Phase I）运行未加旁路系统的虹吸DHS反应器；第二阶段（Phase II）则集成了进水旁路系统。在整个超过300天的实验期内，定期监测进出水水质（包括pH、溶解氧DO、sCOD、NH4+-N、NO3−-N、NO2−-N等），分析反应器沿程高度（顶部、中部、底部）的水质剖面变化，并利用16S rRNA基因测序技术解析不同区域海绵上附着的微生物群落结构。同时，设置一个结构相同但不带虹吸功能的传统好氧DHS反应器作为对照，以精确评估虹吸结构和旁路系统的各自贡献及协同效应。关键技术方法包括：1）使用虹吸管构建氧梯度的反应器设计；2）进水流量分配与旁路系统；3）沿反应器高度的水质剖面分析；4）基于16S rRNA基因测序的微生物群落分析。
3.1. 氮去除性能
研究结果显示，集成设计取得了显著成效。在Phase II（带旁路），改造后的虹吸DHS反应器实现了86%的sCOD去除率、72%的NH4+-N硝化率和20%的TN去除率。尽管旁路系统的引入略微降低了硝化效率（与Phase I的76%相比），但TN去除率稳定在较高水平，是传统好氧DHS反应器（TN去除率11%）的近两倍。统计分析表明，虹吸DHS反应器的TN去除效率显著高于好氧DHS反应器。值得注意的是，反应器出水的亚硝酸盐（NO2−-N）积累显著减少，表明硝化和反硝化过程更加均衡。氮平衡分析证实，反应器实现了有效的同步硝化-反硝化。
3.2. DHS反应器的剖面分析
对反应器不同高度（顶部h3-h2、中部h2-h1、底部h1-h0）的水质剖面分析清晰地揭示了反应器内部的环境梯度。在虹吸DHS反应器中，溶解氧（DO）浓度从顶部（~7 mg/L）急剧下降至底部（最低可达~0.03 mg/L），成功建立了所需的好氧-缺氧-厌氧环境序列。sCOD和NH4+-N的去除主要发生在顶部好氧区，而硝酸盐（NO3−-N）的浓度在虹吸DHS反应器的中下部呈现下降趋势，表明反硝化作用主要在这些缺氧/厌氧区域进行。旁路系统的引入使中下部区域的sCOD浓度有所升高，为反硝化菌提供了更充足的碳源。
3.3. 污泥和微生物分析
对海绵载体上生物膜的分析显示，微生物群落结构与反应器的氧化还原梯度高度一致。总固体（TS）和挥发性固体（VS）浓度在好氧区最高，向厌氧区递减，表明生物量分布与功能分区相匹配。微生物群落分析发现，反硝化菌如Comamonadaceae（从Phase I的约8%增加到Phase II的12-14%）、Rhodocyclaceae和Pseudomonas在虹吸DHS反应器的中下部区域更为富集。严格厌氧菌Clostridium sensu stricto在底部区域被检测到，暗示可能存在发酵活动支持反硝化。硝化菌如Nitrosomonadaceae（氨氧化细菌AOB）和Nitrospiraceae（亚硝酸盐氧化细菌NOB，在底部区域丰度增加至10%）则主要聚集在好氧区。此外，还检测到低丰度（~2%）的厌氧氨氧化（anammox）菌Candidatus Brocadia，表明可能存在硝化、反硝化和厌氧氨氧化的协同作用。主坐标分析（PCoA）显示，引入旁路系统（Phase II）是驱动微生物群落结构变化的关键因素，Phase II的样品明显聚集在一起。
3.4. 反应器中有机物和氮的去除性能
体积比的优化是性能提升的基础。将好氧区扩大至50%，为硝化菌提供了更充足的栖息地和反应空间，从而显著提高了硝化效率。同时保留的缺氧区和厌氧区（各25%）在虹吸管创造的缺氧条件下，为反硝化提供了场所。
3.5. 进水旁路系统对有机物和氮去除的影响
进水旁路系统是增强反硝化的关键。它将20%富含有机碳的原水直接引入反应器中部的缺氧区，有效解决了反硝化过程的碳源限制问题，确保了反硝化菌有足够的电子供体（碳源）将硝酸盐/亚硝酸盐还原为氮气。
3.6. 反应器的微生物群落分布
微生物群落分析证实了功能菌群的空间分层。好氧区富集硝化菌，缺氧/厌氧区富集反硝化菌和厌氧菌，这种空间上的协同布局优化了氮转化路径。
3.7. 进水旁路系统对微生物的影响
旁路系统通过改变底物和氧的分布，显著重塑了微生物群落，促进了如Xanthomonadales、Comamonadaceae等反硝化菌和异养菌（如Microscillaceae, Chitinophagaceae）的生长，这些菌群在利用旁路碳源进行反硝化和有机物降解中发挥了重要作用。
3.8. 成本效益分析
经济性分析表明，集成设计具有显著优势。虽然虹吸管和旁路系统使建设成本增加了约20%，但因其TN去除效率比传统好氧DHS反应器提高约一倍，使得单位重量TN的去除成本降低了45%（从1.02 USD/g TN降至0.57 USD/g TN）。全生命周期成本分析显示，集成设计的总成本仅比传统好氧DHS反应器高0.5%，却能提供更高效的脱氮性能，体现了其良好的成本效益。其能耗（约0.035 kWh/m³）仍远低于传统活性污泥法（0.12 kWh/m³），非常适合对成本敏感的分散式污水处理场景。
该研究通过巧妙的工程设计（体积比优化和进水旁路）与微生物生态调控的有机结合，成功突破了传统DHS反应器脱氮效率低的技术瓶颈。优化后的虹吸DHS反应器实现了高效的同步硝化-反硝化，TN去除率提升至传统DHS的三倍，同时保持了低能耗、低污泥产率的优点。微生物证据揭示了功能菌群按需分布是实现高效脱氮的内在驱动因素。这项研究不仅为DHS工艺的优化提供了具体可行的技术方案（体积比50:25:25，旁流比20%），证明了通过调控反应器内部环境和底物分布可以高效地协同硝化与反硝化过程，而且为开发经济、高效、可持续的分散式污水处理技术提供了强有力的理论和实践支持，对于应对全球，特别是发展中国家的水污染控制和资源回收挑战具有重要的现实意义。
