于 萍，于方田，張曉敏，陳 爽

[1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）化學(xué)化工學(xué)院，山東青島 266580；2.勝利油田分公司生產(chǎn)運(yùn)行管理中心，山東東營(yíng) 257097；3.山東勝利水務(wù)有限責(zé)任公司，山東東營(yíng) 257097]

近年來(lái)，隨著水污染的加劇，水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題嚴(yán)重，水生動(dòng)植物生命安全受到威脅，水體中總氮含量過(guò)高是造成此類問(wèn)題的主要原因之一[1]。當(dāng)前反硝化脫氮法工藝成熟，投資少，脫氮速率高，操作簡(jiǎn)單，是脫氮應(yīng)用中最廣泛的一種技術(shù)。但水體中C/N 比小，碳源不足是污水反硝化脫氮技術(shù)的主要瓶頸。需要添加外加碳源提高C/N 比，實(shí)現(xiàn)污水快速脫氮。外加碳源分傳統(tǒng)碳源和新型碳源。傳統(tǒng)碳源包括乙酸鈉、乙醇、葡萄糖等；新型碳源主要包括固態(tài)碳源、液態(tài)碳源。其中固態(tài)碳源有天然纖維素類物質(zhì)、人工合成可降解高分子材料等；液態(tài)碳源有工業(yè)廢水、餐廚廢棄物水解液等。隨著時(shí)代進(jìn)步，傳統(tǒng)碳源逐漸失去主流位置。探索開(kāi)發(fā)環(huán)境安全性能高、價(jià)格低廉、“以廢治廢”的新型外加碳源，成為研究的熱點(diǎn)。本文將對(duì)幾種代表性碳源進(jìn)行綜述，分析各種碳源反硝化效果及優(yōu)缺點(diǎn)，為反硝化脫氮外加碳源的研究應(yīng)用提供幫助。

1 傳統(tǒng)碳源

1.1 乙酸鈉

乙酸鈉作為低分子有機(jī)酸鹽，投加到水中不會(huì)生成難處理的中間物質(zhì)，可以直接被反硝化菌吸收利用。胡小宇等[1]以乙酸鈉、乙醇、葡萄糖及其兩兩混合物作為碳源對(duì)生活污水進(jìn)行生物反硝化脫氮實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明乙酸鈉的平均反硝化速率為6.9mg/（g·h），相比于其他兩種碳源，乙酸鈉反硝化速率最高。

熊子康等[2]分析甲醇、乙醇、乙酸和乙酸鈉的技術(shù)經(jīng)濟(jì)成本，結(jié)果顯示各碳源單位水量增加的成本分別為486.50、716.16、752.38和1 449.23元1萬(wàn)m-3，乙酸鈉的投加成本遠(yuǎn)高于其他碳源。對(duì)比其他低分子有機(jī)物碳源，乙酸鈉成本高，總體投加量大，且易發(fā)生亞硝酸氮積累現(xiàn)象，污泥產(chǎn)率高，限制了其進(jìn)一步使用。

1.2 乙醇

眾多醇類物質(zhì)中甲醇是最早用于生產(chǎn)實(shí)踐的反硝化碳源，但甲醇作為一種液體試劑，價(jià)格昂貴且劇毒，運(yùn)輸成本高，近年來(lái)逐漸被淘汰。乙醇作為結(jié)構(gòu)僅次于甲醇的簡(jiǎn)單醇類，其無(wú)毒無(wú)害，對(duì)環(huán)境影響小，反硝化速率高，成為取代甲醇應(yīng)用的一種碳源。

Peng 等比較甲醇、乙醇和乙酸三種外加碳源實(shí)現(xiàn)反硝化污水脫氮，結(jié)果表明反硝化效果顯著提高，其中乙醇、乙酸和甲醇的反硝化速率分別達(dá)到9.6、12和3.2mg/（g·h）。通過(guò)比較，乙醇是最佳的外部碳源[4]。

乙醇作外加碳源，有很多優(yōu)勢(shì)。但作為一種危險(xiǎn)化學(xué)品，其運(yùn)輸成本較高，當(dāng)投加量不足時(shí)會(huì)引起亞硝態(tài)氮的累積，自身市場(chǎng)價(jià)格昂貴，嚴(yán)重制約其進(jìn)一步應(yīng)用。

1.3 葡萄糖

葡萄糖作為一種常見(jiàn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，反硝化效果較好，成本較低，是常用的傳統(tǒng)碳源之一。Liu 等[4]以葡萄糖為碳源進(jìn)行研究，以硝酸鹽濃度為300.8mg/L 的天然地下水為實(shí)驗(yàn)溶液，測(cè)定硝酸鹽去除率。發(fā)現(xiàn)反硝化的硝酸鹽去除率甚至達(dá)到98.53%。身為一種多分子碳源，葡萄糖的應(yīng)用飽受爭(zhēng)議。葡萄糖做碳源極易造成細(xì)菌大量繁殖，引起污泥膨脹，給污水廠后處理帶來(lái)壓力。

受各種問(wèn)題影響，傳統(tǒng)碳源的應(yīng)用深受制約。研究開(kāi)發(fā)由多種碳源共同結(jié)合的復(fù)合型碳源，利用單一碳源優(yōu)點(diǎn)，補(bǔ)充單一碳源缺點(diǎn)，降低碳源成本，提高脫氮效率，是今后研究的重點(diǎn)。如乙酸鈉反硝化速率高，但成本高，產(chǎn)泥量高；葡萄糖為氮去除率高，脫氮效果較好，但反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，亞硝酸鹽積累量大等；乙醇無(wú)毒無(wú)害，環(huán)境影響小，反硝化速率高，但價(jià)格昂貴，運(yùn)輸成本較高（表1）。

表1 傳統(tǒng)碳源優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)

2 新型碳源

2.1 固體碳源

2.1.1 天然纖維素類碳源

天然纖維素類物質(zhì)如玉米秸稈、木屑、棉花等。得益于天然的結(jié)構(gòu)特性優(yōu)勢(shì)，具有豐富的孔道結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，為反硝化細(xì)菌提供大量的生存空間，是反硝化外加碳源優(yōu)質(zhì)來(lái)源。Xiao 等[5]向低C/N 比廢水中添加玉米芯固體碳源進(jìn)行反硝化脫氮，通過(guò)顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)玉米芯表面存在大量微生物。但以玉米芯為代表的固體碳源釋碳周期較短，不能長(zhǎng)期釋碳，機(jī)械強(qiáng)度較低，長(zhǎng)時(shí)間在水中浸泡后會(huì)使纖維素載體軟化造成堵塞等問(wèn)題。因此，應(yīng)用天然纖維素類物質(zhì)為固體緩釋碳源時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)釋碳是突破技術(shù)瓶頸也是實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵之一。

2.1.2 人工合成的高分子材料

考慮到天然纖維素類碳源，結(jié)構(gòu)易坍塌，釋氮不穩(wěn)定[5]等缺點(diǎn)，人工合成的高分子材料因結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，成分確定，釋氮效果優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，成為固體碳源的一種發(fā)展趨勢(shì)。常見(jiàn)人工合成高分子碳源材料有：聚乳酸（PLA）、聚己內(nèi)酯（PCL）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）等。Xiong 等[6]對(duì)比PCL、PBS、花生殼、玉米芯和廢棄大米等多種人工合成高分子物質(zhì)和農(nóng)業(yè)廢物為碳源的反硝化效果，發(fā)現(xiàn)在脫氮方面，聚合物和農(nóng)業(yè)廢棄物都能促進(jìn)低C/N 比廢水脫氮，且人工合成高分子物質(zhì)在釋放碳的可持續(xù)性方面具有優(yōu)勢(shì)。

2.2 液體碳源

2.2.1 高濃度有機(jī)工業(yè)廢水

食品、農(nóng)產(chǎn)品加工工業(yè)有機(jī)廢水具有較高的有機(jī)濃度，從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和實(shí)用性的角度出發(fā)，可作為反硝化的潛在外加碳源。Fernández-Nava 等[7]測(cè)試了三種工業(yè)廢棄物：糖廠廢水、飲料廠殘?jiān)腿槠窂S殘?jiān)鼮樘荚磿r(shí)的反硝化脫氮效果。結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)碳源甲醇作為碳源相比，三種碳源的反硝化速率均高于41mg/g·h，范圍在41.6～46.8mg/g·h 之間。工業(yè)廢水作為外加碳源，雖然能降低污水廠的脫氮成本，滿足“以廢治廢”的理念。但在實(shí)際應(yīng)用中要考慮的因素過(guò)多，工業(yè)廢水的個(gè)體化差異大，在選擇其作為外加碳源時(shí)既要考慮成分是否會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)，也要考慮工廠分布、運(yùn)輸成本、投加方式等。

2.2.2 餐廚廢棄物水解液

餐廚廢棄物厭氧消化產(chǎn)生的水解液含有大量揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）。其毒副作用小，實(shí)現(xiàn)餐廚廢棄物有效資源化，是一種適合的潛在碳源。廚余垃圾發(fā)酵是獲得反硝化碳源的重要途徑，餐廚垃圾發(fā)酵液中的有機(jī)物（有機(jī)酸和可溶性碳水化合物）是易于生物降解的碳源。Tang 等[8]對(duì)以大米、蔬菜和肉類為主要組成的食物垃圾攪碎發(fā)酵，以SBR 運(yùn)行，計(jì)算了脫氮的比反硝化速率、反硝化潛力、缺氧污泥產(chǎn)量和化學(xué)需氧量利用效率等。結(jié)果表明，該碳源極易被微生物吸收，能有增強(qiáng)反硝化作用，出水NO3-N 含量維持在2.5mg/L 以下，總氮去除率達(dá)85%以上，在長(zhǎng)期廢水處理過(guò)程中實(shí)現(xiàn)高脫氮效率。但將餐廚廢棄物的水解液應(yīng)用于實(shí)際污水脫氮，引入大量溶解性有機(jī)物和有機(jī)氮，增大了污水后期處理壓力，同時(shí)預(yù)處理費(fèi)用也成為制約進(jìn)一步發(fā)展的因素（表2）。

表2 新型碳源優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)

3 總結(jié)與展望

1）開(kāi)發(fā)其他潛在傳統(tǒng)碳源。實(shí)際上乙酸鈉、乙醇、葡萄糖等傳統(tǒng)碳源，因內(nèi)在弊端逐漸被淘汰，使用性價(jià)比高的潛在碳源將成為一種趨勢(shì)。

2）現(xiàn)有新型碳源應(yīng)用技術(shù)的改進(jìn)。工業(yè)廢水、廚廢棄物水解液為代表的新型碳源，實(shí)現(xiàn)廢物再利用，滿足當(dāng)今世界的環(huán)保理念，但此類新型碳源的的使用必須經(jīng)過(guò)必要的預(yù)處理，且預(yù)處理過(guò)程復(fù)雜，價(jià)格昂貴，經(jīng)濟(jì)不能得到保障。因此對(duì)其預(yù)處理工藝技術(shù)改進(jìn)是急需解決的問(wèn)題。

3）復(fù)合型碳源的制備開(kāi)發(fā)。單一碳源存在某些方面的不足，將不同種碳源進(jìn)行混合制備復(fù)合碳源，往往會(huì)產(chǎn)生優(yōu)于單一碳源的效果。發(fā)揮不同碳源的優(yōu)點(diǎn)，制備低成本，高反硝化脫氮效果的復(fù)合型碳源也是當(dāng)今研究的重點(diǎn)。