污水反硝化脫氮工藝中外加碳源研究進展

熊子康，鄭懷禮，尚娟芳，蔣君怡，鐘政，趙瑞，胡雅丹

(1.重慶大學 環(huán)境與生態(tài)學院；重慶市水處理混凝劑工程技術研究中心，重慶 400045；2.宜賓職業(yè)技術學院，四川 宜賓 644000)

近年來，水體富營養(yǎng)化成為嚴重的環(huán)境問題，隨著中國“水十條”的發(fā)布，對污水廠脫氮處理提出了更高的要求。在眾多市政污水處理工藝中，生物法硝化反硝化工藝因其廉價高效的特點被廣泛應用于污水脫氮處理[1-2]。傳統的生物脫氮工藝主要分為硝化過程和反硝化過程，其中，反硝化過程指異養(yǎng)反硝化細菌以有機碳源為電子供體，在缺氧環(huán)境下將硝化過程中產生的亞硝酸氮和硝酸氮還原成氣態(tài)氮的過程。有機碳源是反硝化過程中的重要物質，其種類及C/N比影響著反硝化的效果[3-4]。只有保證水體中有充足的碳源才能讓反硝化過程順利進行，一般要求BOD/TKN>4[5]。在中國南方地區(qū)，碳源不足導致污水處理廠的出水水質很難達到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放“一級A”標準，現多采用向低碳氮比污水中投入外加碳源以保證反硝化脫氮，而不同碳源對反硝化的影響不同，尋求高效、廉價且環(huán)境友好型的外加碳源成為現在急需解決的問題。

筆者對現有的外加碳源進行了系統的歸納總結及應用探討，大體可分為兩大類：一是以低分子有機物和糖類等可溶性液體碳源為主的傳統碳源以及以其為原料的復合碳源；二是以天然纖維素植物及人工合成高聚物為主的新型固體碳源和以工業(yè)廢水、污泥水解液及垃圾滲濾液等為主的新型液體碳源。筆者不僅從反硝化效果、藥耗、速率方面對其進行了總結，還從反硝化微生物群落方面做了相關研究。

1 傳統碳源

目前被廣泛實際應用于污水廠反硝化脫氮的傳統外加碳源多采用可溶性的低分子有機物(如甲醇、乙酸、乙酸鈉)和糖類物質(葡萄糖、乳糖)，為改進單一碳源的脫氮效率和成本問題，部分研究也探討了混合傳統碳源對脫氮的影響。

1.1 低分子有機物

結構簡單的低分子有機物具有易生物降解、釋碳速率快且易被反硝化細菌利用等特點，成為污水反硝化脫氮工藝中外加碳源的首選[6]。

甲醇是最早被研究且被廣泛實際應用于反硝化脫氮的外加碳源，但因其毒性大、運輸成本高、安全性能差以及投加量難以掌控等因素，在越來越重視水環(huán)境安全性的當下，顯然不再適用。且有研究表明，甲醇作為外加碳源時，系統啟動時間長，污泥馴化期長，不能迅速響應進水水質的變化，不適合作為應急外加碳源[7]。因此，現在污水脫氮中往往選擇低分子醇、酸作為其替代品。張仲玲[8]考察了甲醇、乙酸、丙酸、丁酸和葡萄糖作為間歇式反硝化實驗外加碳源時的適宜碳氮比及反硝化速率，結果表明，在適宜碳氮比條件下，反硝化速率為甲醇、乙酸>丙酸、丁酸>葡萄糖。

作為外加碳源，低分子有機物具有眾多優(yōu)點而被廣泛應用于污水廠脫氮，但部分物質安全性差，且液體運輸成本高，投加量不能精準控制等因素限制了其進一步開發(fā)。

1.2 糖類

糖類(如葡萄糖、蔗糖、果糖、麥芽糖等)因其生產成本低廉、運輸方便、易生物降解等優(yōu)點而被越來越多的污水廠用作脫氮處理的外加碳源。

譚佑銘等[13]研究了外加葡萄糖、蔗糖、甲醇和乙酸對固定化反硝化菌脫氮的影響，結果表明，采用葡萄糖、蔗糖和乙酸的反硝化速率較快，脫氮率達96%以上。孫永利等[14]將乙酸鈉、葡萄糖和白砂糖作為A2/O工藝的外加碳源，發(fā)現葡萄糖和白砂糖的反硝化速率為乙酸鈉的1/2，但其釋碳的有效時間為乙酸鈉的2倍。糖類物質作為外加碳源主要問題為反硝化速率和效能不如乙酸等低分子有機物，出水存在亞硝酸鹽累積現象，且其較高的微生物生長量易使工藝出現堵塞現象[6]。

1.3 復合碳源

產業(yè)鏈成熟且應用廣泛的商用碳源以傳統碳源及其改良的復合碳源為主，不同外加碳源的綜合成本不同，而運行成本是城市污水處理廠選擇外加碳源的一個重要指標。各外加碳源的經濟性分析見表1。由表1可以看出，復合碳源均能達到與乙酸鈉相當的反硝化速率，而單位水處理增加成本僅為乙酸鈉的50%～66%，大大減少了運行成本，例如，重慶大學與相關企業(yè)合作開發(fā)的新型復合碳源能有效地降低污水處理過程中的碳源投加成本。

表1 不同外加碳源的技術經濟分析Table 1 Technical and economic analysis of different external carbon sources

2 新型碳源

傳統碳源多為液態(tài)或可溶性物質，在實際投加過程中，因進水水質波動，容易造成投加不足或過剩的情況，從而導致出水水質不能穩(wěn)定達標。而增加投加系統會導致污水處理成本進一步增加。傳統碳源大多是可利用的能源物質，與當前新的污水處理理念相違背，近年來，許多研究者轉向開發(fā)環(huán)境安全性高、低廉、甚至“以廢治廢”的碳源研究。新型碳源主要分為以天然纖維素物質、人工合成高聚物、骨架型復合緩釋碳源為主的固體碳源和以工業(yè)廢水、污泥及餐廚廢棄物水解液、垃圾滲濾液為主的液體碳源。

2.1 固體新型碳源

2.1.1 天然纖維素物質 天然纖維素類固體碳源具有無生物毒性、較大的比表面積，在反硝化過程中，不僅可以作為外加碳源，還可以作為生物膜的載體，使反硝化高效進行。且其主要來源于農業(yè)廢棄物和園林凋落物，來源廣泛、成本低廉，將其用作外加碳源不僅能提高脫氮效能還能將廢棄物有效資源化。目前，研究和應用較多的為稻稈、玉米稈、麥稈等秸稈類[18-19]，花生殼、核桃殼等殼類[20]，玉米芯、絲瓜絡、甘蔗渣等纖維類[21-23]及蘆葦、梧桐樹等園林植物凋落物[24-25]。

具有穩(wěn)定結晶結構的天然纖維素影響了反硝化菌的分解利用，且其復雜的物質組成可能會造成水體的二次污染[29]，所以，研究者們研發(fā)了多種預處理技術以提高生物利用率，常見的有酸堿處理、超聲處理、生物酶降解、機械粉碎等。趙民[30]對蘆葦秸稈進行了不同預處理，包括簡單處理、超聲處理、堿洗處理及酸洗處理，實驗表明，經過堿處理之后，其內部纖維素含量大幅度增加，穩(wěn)定釋碳量增加，且TN、TP的釋放量維持在較低水平，可作為外加碳源。孫琳琳等[31]探究了酸堿處理對玉米芯釋碳能力的影響，酸堿處理均能提高其碳溶出速率，但堿處理的釋放速率更穩(wěn)定，更適合作為預處理方式。

天然纖維素固體作為外加碳源存在一些問題，如需要較長的水力停留時間，反硝化速率低，釋碳持續(xù)性差，出水水質易受溫度影響等。預處理方式的優(yōu)化、不同植物制作復合碳源等需要進一步研究。

2.1.2 人工合成可生物降解高聚物 人工合成可生物降解高聚物能被反硝化菌的胞外酶降解成小分子有機物被利用，其釋碳能力穩(wěn)定且脫氮效果顯著，適合作為反硝化的外加碳源。目前，作為反硝化外加碳源的高聚物主要有聚羥基脂肪酸酯(PHAs類多聚物，包括PHB、PHBV)[32-34]、聚己內酯(PCL)[35-36]、聚丁二酸丁二脂(PBS)[37]等。

雖然此類材料的長期釋碳能力穩(wěn)定，且能作為生物膜載體，脫氮效果良好。但其釋碳量低且化學成分單一，為了滿足反硝化菌的生長，往往需要另外投加微量元素，較高的價格成本也很大程度地限制了其應用。

2.1.3 骨架型復合緩釋碳源 骨架型復合緩釋碳源是利用人工合成高聚物作為基本骨架，將天然纖維素碳源包裹其中復合成的新型碳源，是近年來研究的熱點碳源。其結合了兩者的優(yōu)點，釋碳能力、穩(wěn)定性和持續(xù)時間得到了較大提升，基本骨架能為生物膜提供載體，且提升了復合碳源的結構強度。目前使用最為廣泛的基本骨架為聚乙烯醇(PVA)和聚已內酯(PCL)。

Xiong等[38]將性能互補的聚己內酯(PCL)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)和玉米芯(CC)、花生殼(PS)兩兩組合為內部碳源，采用冷凍-交聯法包覆到PVA-SA中，制備成骨架型復合緩釋碳源，其相對組成材料釋碳穩(wěn)定性和持久性得到優(yōu)化。將PCL/CC-PVA-SA應用于反硝化脫氮過程后，TN去除率提高60%以上，且活性污泥物種豐度、多樣性均有所提升。趙民[30]以蘆葦秸稈為原材料，經堿洗處理后與不同分子量的PCL物理共混，再采用共混擠壓工藝擠壓成固體緩釋碳源，制備的碳源比表面積越大，穩(wěn)定釋碳量越多，溶出率也越高。Jiang等[39]將淀粉和聚己內酯(PCL)混合板(S-PCL)作為碳源和生物膜載體應用于立式折流式固相反硝化反應器(VBSDR)，在處理低C/N比廢水時，可達到高反硝化率(DR) [0.33 gN/(L·d)]，反硝化細菌Acidovorax和水解酸化細菌Flavobacterium成為VBSDR生物膜屬水平上最占優(yōu)勢的功能細菌。趙文莉等[40]以堿處理玉米芯、Fe0和活性炭作為復合碳源填充到聚乙烯懸浮球中制成復合緩釋碳源，并將其應用于DN/AF組合工藝中，結果表明，其脫氮效率始終維持在90%以上，出水NO2-—N無明顯積累現象，且微生物數量大、密度高。

骨架型復合緩釋碳源具有較強機械強度、釋碳穩(wěn)定性強、可塑性強及投加可控性強等優(yōu)點，作為反硝化外加碳源具有廣泛的工程應用前景。

2.2 液體新型碳源

2.2.1 高濃度有機工業(yè)廢水 食品、農產品加工工業(yè)有機廢水[41-42]具有較高的有機濃度(含大量的糖類、蛋白質、脂肪等)、良好的可生化性、毒副作用小且氮磷釋放量小等特點，從經濟、環(huán)境和實用性的角度出發(fā)，其可作為反硝化的潛在外加碳源。

常作為反硝化外加碳源研究的工業(yè)廢水總結如表2。

表2 以不同工業(yè)廢水為外加碳源的反硝化速率Table 2 Denitrification rates with different industrial wastewater as carbon source

2.2.2 污泥水解液 剩余污泥水解過程中會產生大量易生物降解的有機物和揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)，其中以乙酸、丙酸為主的VFAs能作為反硝化菌優(yōu)先利用的碳源，有研究表明，使用污泥發(fā)酵液作為生物脫氮的外加碳源不僅可以提高溶解無機氮(DIN)的去除率，而且可以降低污水的溶解有機氮(DON)，提高DON的生物利用度[47]。其反硝化速率要高于傳統碳源，能有效提高脫氮效率。將污泥水解酸化液作為外加碳源，不僅能降低脫氮成本，還能實現污泥的資源化，是近年來的研究熱點。污泥微生物的半剛性細胞壁使其較難直接厭氧水解產酸，對污泥進行預處理從而破壞污泥的絮體結構和細胞壁，可水解產生大量VFAs[48]。目前，超聲波法、生物法和酸堿法為廣泛研究的預處理方法。

圖1 鳥糞石沉淀技術回收污泥水解液中氮磷原理Fig.1 Principle of recovery of nitrogen and phosphorus in sludge hydrolysate by struvite precipitation

污泥水解液的有效利用還受到污泥來源、預處理工況、投配比、工藝條件等因素的制約，還需進一步研究，才能廣泛應用于反硝化脫氮。

2.2.3 垃圾滲濾液 垃圾滲濾液中含有高濃度可生物降解的有機物和VFAs，其中，新鮮垃圾滲濾液的COD可達70 900 mg/L，BOD/COD約為0.40～0.75，可生化性高，且垃圾滲濾液往往含有較高堿度，能穩(wěn)定反硝化的pH值，提供良好的反應環(huán)境[58]。將其作為反硝化的外加碳源，不僅能降低脫氮成本，也能為處理垃圾滲濾液提供新的思路。

徐晨璐等[59]研究了垃圾滲濾液及其在不同pH值條件下產生的水解液作為碳源時的反硝化效果。結果表明，垃圾滲濾液為碳源時反硝化速率最高達8.8 mg·(g·h)-1，為乙酸鈉的1.7倍；垃圾滲濾液中性和堿性水解液為碳源時的反硝化效果相差不大，最大反硝化速率為4.5～4.8 mg·(g·h)-1。戴蘭華[60]采用混凝/沉淀/過濾/吹脫聯合工藝對垃圾滲濾液進行預處理，再將其與城市生活污水按1∶200混合后，污水的COD/TN值和COD/TP值分別由2.4和27.7提高到3.7和46.4，可作為反硝化的外加碳源。

但是，垃圾滲濾液中氨氮含量高，且含有一些對污泥微生物生長不利的金屬離子和有毒物質，目前對其進行預處理的效果有限且成本高，其投加量需精準控制，否則會造成污水的二次污染，這是今后需要攻克的研究難點。

2.2.4 餐廚廢棄物水解液 對餐廚廢棄物厭氧消化產生的水解酸化液同樣含有大量可生物降解的有機物和揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)，不同于其他新型液體碳源，其可生化性更好，毒副作用更小，更適合作為反硝化的潛在碳源。將其用于反硝化脫氮，不僅更改善脫氮效率，還能對餐廚廢棄物進行有效資源化。

將餐廚廢棄物的水解液應用于實際污水脫氮，關鍵在于解決水解所額外產生的費用，物理化學水解法費用昂貴，生物水解法將增加反應器的體積。且水解的時間需要較好地控制，過長的停留時間會使產甲烷菌將揮發(fā)性脂肪酸轉化成甲烷和二氧化碳，影響其碳源利用率。不同餐廚水解物的成分差異大，實際應用前還需實驗確定水解條件、投加C/N比等。

3 外加碳源對反硝化菌群落的影響

為了研究在實際污水處理廠長期使用單一傳統碳源和復合碳源對反硝化菌微生物種群結構的影響，筆者以重慶市3個不同生活污水處理廠厭氧區(qū)污泥中的反硝化微生物為研究對象，探討了不同外加碳源(甲醇、新型復合碳源、葡萄糖)對反硝化菌的豐富度、多樣性以及群落結構的影響。反硝化反應是多級反應，每級反應由不同基因和酶控制，如圖2所示。由亞硝酸鹽轉化為氧化氮的過程是反硝化反應有別于其他硝酸鹽代謝的標志性反應，是反硝化過程中最重要的限速步驟，亞硝酸鹽還原酶(Nir)是催化此反應的限速酶。

圖2 反硝化反應中氮變化圖及其相關基因和酶Fig.2 Diagram of nitrogen changes in denitrification and

筆者采用NirS基因的引物(cd3aF/R3cd)，引物名稱和引物序列為cd3aF (5′-GTSAACGTSAAGGARACSGG-3′) 和806R (5′-GASTTCGGRTGSGTCTTGA-3′ )，通過Illumina MiSeq平臺對3個污泥樣品進行高通量測序，其基本信息如表3所示。

表3 污泥樣本基本信息Table 3 Basic information of sludge sample

通過對各污泥樣本的序列信息進行OTU聚類分析和Alpha多樣性分析反映反硝化菌群落的豐度和多樣性，各樣本Alpha多樣性指數見表4。從表中各樣本的實際值(sobs)可以看出，使用新型復合碳源的榮昌污水廠反硝化細菌的種類最多。從群落豐富度指數(chao、ace)看，W2>W3>W1，也說明使用復合碳源的污水廠反硝化細菌的豐富度明顯要高。從群落多樣性指數(shannon、simpson)看，W3略大于W2，兩者均明顯大于W1，說明使用新型復合碳源、葡萄糖為外加碳源在反硝化菌物種的多樣性上要好于使用甲醇。

表4 污泥樣本Alpha多樣性指數表Table 4 Alpha diversity index table of sludge samples

為了更進一步分析各樣本中反硝化菌的差異，在目水平上對反硝化菌的群落豐富度進行分析，結果如圖3所示。

圖3 污泥樣本微生物群落相對豐度柱形圖Fig.3 Histogram of relative abundance of microbial

從圖3可以看出，未分類_c__β-變形菌目、紅環(huán)菌目、伯克霍爾德氏菌目、未分類_p__變形菌目、未分類_k__norank_d__細菌目是3個樣品平均相對豐度同時大于1%的5個優(yōu)勢菌目。對數據進行顯著性分析，結果表明，W2的紅環(huán)菌目、伯克霍爾德氏菌目的相對豐度顯著高于W1和W3。從圖中可以明顯看出，W2、W3的群落結構大致相同，但與W1有明顯區(qū)別，說明外加碳源的不同改變了反硝化菌群落的多樣性，碳源對反硝化菌群落豐富度的影響為：新型復合碳源>葡萄糖>甲醇。

新型復合碳源從脫氮效果、微生物物種豐富度及多樣性、投加成本、環(huán)境安全性等多方面都優(yōu)于單一的傳統碳源，作為可以普遍商業(yè)化應用的外加碳源，具有較高的發(fā)展前景，但現在對于復合碳源的研究還不多，其優(yōu)化配方、作用效果及最優(yōu)工況還需進一步深入研究。重慶大學與重慶藍潔自來水材料有限公司關于新型高效復合碳源的研究在中國率先取得突破，為產學研一體化發(fā)展做出了有益的探索。

4 外加碳源的優(yōu)缺點及研究方向展望

為了對不同碳源進行綜合對比，其優(yōu)缺點及研究進展的縱向對比總結見表5。

表5 不同外加碳源的種類、優(yōu)缺點及應用現狀Table 5 The types, advantages, disadvantages and application status of different external carbon sources

以小分子有機物、糖類物質為主的傳統碳源依舊是目前城市污水廠應用最多的反硝化碳源。它們的分子量較小，簡化了反硝化菌胞外水解酶的水解過程，部分能直接被反硝化菌分解利用，其較高的利用率能顯著提高反硝化速率。但它們又存在一些缺點，如甲醇有生物毒性、污泥自適應能力差；液體乙酸運輸不便，運行成本高；乙酸鈉價格昂貴、投加量大；葡萄糖反硝化速率低。另外，可溶性的傳統外加碳源普遍存在投加量不容易掌握，運輸成本高等問題。為克服這些缺點，以傳統碳源為主要原料的復合碳源成為目前最具廣泛應用潛力的外加碳源，其能使脫氮系統的處理效果、成本投入、管理運營等多個方面得到優(yōu)化，是一個能夠實現快速廣泛應用的研究方向，值得關注。

但傳統碳源都是資源型物質，與現在的污水治理理念相斥，近年來許多研究者轉向開發(fā)環(huán)境安全性高、低廉、甚至“以廢治廢”的碳源研究。以農業(yè)廢棄和園林凋落物為主的天然纖維素類固體碳源，不僅能釋放碳源還能為生物膜提供載體，且廉價、運輸方便、釋碳緩慢持久，但脫氮效果易受外界條件影響，容易造成二次污染。而昂貴的價格則限制了人工合成高聚物的應用。以兩者為基礎研發(fā)的骨架型復合緩釋碳源，結合了兩者的優(yōu)點，是目前研究的熱點，但其實際應用研究還需進一步探討。

以工業(yè)廢水、污泥和餐廚廢棄物水解液、垃圾滲濾液為主的新型液體碳源都是基于廢棄物開發(fā)的，不僅具有良好的脫氮效果，而且為其處理提供了新的資源化思路，實現了經濟效益和環(huán)境效益的兼顧，但其應用依然受到一定限制，還需發(fā)展完善。理想的外加碳源必須滿足廉價、綠色環(huán)保、脫氮效果優(yōu)良的特點。因此，未來外加碳源的研究可以考慮骨架型復合緩釋碳源、基于廢物開發(fā)的新型液體碳源，如何有效地將其實際應用在污水廠值得深入探究。

5 結論與建議

目前，被實際用于污水廠反硝化脫氮的外加碳源種類眾多，且總體上均能強化對低碳氮比污水的反硝化脫氮效果，但不同的外加碳源均有一定缺陷，限制了其廣泛應用。長期投加碳源也會增加大量的脫氮成本和管理難度，選擇脫氮高效且經濟可行的外加碳源是污水廠面臨的焦點。

結合上述總結的各類外加碳源的優(yōu)缺點，對城市污水處理廠選擇外加碳源的建議如下：

1)對于短期低碳氮比污水，可以選擇乙酸鈉作為反硝化外加碳源，污泥自適應能力強，脫氮效果顯著。

2)對于長期低碳氮比污水，可以選擇以傳統碳源為基礎開發(fā)的新型復合碳源、天然纖維素固體碳源和骨架型復合緩釋碳源，且針對相應問題進行改善。

3)對于有條件的污水廠，可根據進水水質特點選擇新型液體碳源，降低脫氮成本的同時實現廢棄物資源化，符合新污水治理理念。

4)應用各種新型碳源時，不僅需要考慮其高效、低耗、價廉，更應注意新型碳源的環(huán)境安全性、可靠性，堅決防止和杜絕二次污染。