不同碳源對微生物反硝化性能的影響

樓超楠， 韓昫身， 金 艷， 何 焱， 宋興福

（1.華東理工大學國家環(huán)境保護化工過程環(huán)境風險評價與控制重點實驗室, 上海 200237；2.蘇州聚智同創(chuàng)環(huán)?？萍加邢薰? 江蘇常熟 215513；3.四川長寧天然氣開發(fā)有限責任公司, 四川宜賓 644000）

近年來，隨著城市化、工業(yè)化的發(fā)展，生活污水和工業(yè)廢水的排放量迅速增加，2020 年中國生態(tài)環(huán)境統(tǒng)計年報[1]顯示，全國廢水中氨氮排放量為9.84×105t，總氮排放量為3.223×106t。氮氧化物過度排放及其在水體中的大量積累，導致水體富營養(yǎng)化，對生態(tài)環(huán)境造成嚴重威脅[2]。以厭氧/好氧（A/O）工藝為代表的硝化和反硝化技術是目前使用最普遍的生物脫氮方法。

在異養(yǎng)反硝化過程中，碳源作為電子供體直接影響反硝化速率和總氮去除率[3]。目前，中國大部分市政廢水[4]及部分工業(yè)廢水中碳氮含量比較低[5-6]，造成反硝化不徹底、出水總氮不達標的問題。為了提高反硝化效能，必須補充碳源[7]。在實際應用中，通常使用甲醇[8-9]、醋酸鹽[10]、甘油[11-12]和糖類[3,13]等大宗石油基或生物基化學品作為碳源。同時，隨著短程硝化和反硝化技術的出現(xiàn)，反硝化過程從硝酸鹽氮轉化為氮氣的過程縮短為亞硝酸鹽氮轉化為氮氣的過程，這兩種電子受體在反硝化過程的碳源消耗量及反應速率方面均有所差異，現(xiàn)有研究僅用單一碳源如甲醇[14]、葡萄糖[15]等比較兩種電子受體的反硝化過程，鮮有文獻比較不同的常見碳源對硝酸鹽氮及亞硝酸鹽氮去除效果的影響。

本文研究了5 種常用碳源（甲醇、乙酸鈉、乙二醇、丙三醇、葡萄糖）的最佳碳氮比（溶液中化學需氧量（COD）和總氮（TN）質量濃度之比）、比反應速率、總氮去除率、每噸水處理成本等因素，分析了不同碳源的優(yōu)缺點，為污水廠脫氮過程碳源優(yōu)選提供選擇依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置及污泥處理

實驗裝置采用5 組序批式（SBR）反應器，裝置直徑120 mm，高155 mm，有效容積1 L；采用溫控磁力攪拌器（中國，思樂T09-1S）進行混合攪拌。

實驗所用污泥取自華東理工大學生活污水處理站，污泥空曝1 d 后靜置過夜，用自來水清洗4～5 次后，用孔徑為0.2 mm 的篩網(wǎng)過濾。裝置啟動時，反應器內初始污泥質量濃度（MLSS）為3 000 mg/L，用1 mol/L 的HCl 或NaOH 調節(jié)pH 至7.0。

1.2 實驗水質

反應器進水為人工配水，分別以甲醇、乙酸鈉、乙二醇、丙三醇、葡萄糖為反硝化碳源，KNO3和NaNO2提供及。進水中（碳氮比為3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0）及（碳氮比為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0）質量濃度為50 mg/L，其他組分及其質量濃度如下：KH2PO419.35 mg/L、CaCl23.82 mg/L 、MgSO417.56 mg/L 、FeSO40.93 mg/L 及φ=0.2%的微量元素溶液（ CuSO410 mg/L、MnSO450 mg/L、H3BO340 mg/L、 ZnSO415 mg/L、KI 210 mg/L）。

1.3 SBR 運行及實驗方案

5 個反應器中初始污泥質量濃度均為3 000 mg/L，第1 d 起采用上述進水，不同反應器分別投加甲醇、乙酸鈉、乙二醇、丙三醇、葡萄糖，使模擬廢水初始碳氮比為3.0，該條件下穩(wěn)定運行后，取樣測定周期內的及質量濃度變化，并提高初始碳氮比至4.0。每次系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，測定周期內各碳氮比穩(wěn)定時及質量濃度變化情況，并繼續(xù)重復上述操作，提高初始碳氮比至5.0、6.0、7.0、8.0。第39 d 清洗裝置內活性污泥，改變?yōu)檫M水，不同反應器分別投加甲醇、乙酸鈉、乙二醇、丙三醇、葡萄糖，使模擬廢水初始碳氮比為2.0，該條件下穩(wěn)定運行后，取樣測定周期內的質量濃度變化，并提高初始碳氮比至2.5。每次系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，測定周期內各碳氮比穩(wěn)定時質量濃度變化情況，并繼續(xù)重復上述操作，提高初始碳氮比至3.0、3.5、4.0。具體實驗階段及參數(shù)見表1。

表1 反應器運行各階段電子受體及碳氮比Table 1 Electron acceptors and carbon nitrogen ratios at each operation stage in five reactors

1.4 分析項目及方法

其中COD0為COD 的測定值。

1.5 反硝化理論碳氮比及反硝化速率計算

表2 不同碳源條件下反硝化理論碳氮比Table 2 Theoretical carbon nitrogen ratio of denitrification under different carbon sources

比反硝化速率是指單位生物量在特定時間（將體系內總氮素幾乎完全去除所需的時間）內的平均反硝化速率，按照式（2）進行計算[17]：

其中：V1為比反硝化速率，mg/(g·h)；ρ0為進水N 質量濃度，mg/L；ρ1為終點質量濃度（以相鄰兩個測定點同一氮素前后質量濃度波動值小于0.5 mg/L 時的第1 個點為終點進行計算），mg/L；ρMLSS為混合液體懸浮固體質量濃度，g/L；Δt為反應時間，h。

最大比反硝化速率是指反硝化反應前期單位生物量去除氮素速率的最大值，按照式（3）進行計算：

其中：V2為最大比反硝化速率，mg/(g·h)；Δρ為N 質量濃度變化值[18]（同一底物），mg/L。

2 結果與討論

2.1 甲醇為碳源的反硝化過程

圖1 不同碳氮比下甲醇在穩(wěn)定周期內對氮素的去除效果Fig.1 Effect of methanol on nitrogen removal at different carbon nitrogen ratios during stable period

在碳氮比為3.0～5.0 時，隨著碳氮比增大，TN 去除率逐漸提高至98.0%；在碳氮比為5.0 時，出水TN 質量濃度小于1 mg/L，的去除率提高后穩(wěn)定在99.8%，比反硝化速率加快；繼續(xù)提高碳氮比至6.0～7.0，相較于碳氮比為5.0 時，體系內的比反硝化速率變化較小，而最大比反硝化速率從11.8 mg/(g·h)提高到了15.3 mg/(g·h)。實驗結果表明，碳氮比較低時，增加碳源投加量可以提高氮素去除率和比反硝化速率；當TN 去除率接近100%時，繼續(xù)增加碳氮比能提高比反硝化速率，出水COD 也可維持在45.0 mg/L 以下。因此，以甲醇為碳源時，最佳碳氮比為5.0，此時出水COD 為20.6 mg/L。甲醇屬于單碳化合物，微生物的生長量較低，完成反硝化反應所需要的碳氮比較低，但由于實際運行中易受到溫度、溶解氧及pH等影響，多數(shù)實驗得到的最佳碳氮比在4.0～6.0[9,19]。

當碳氮比為2.0～3.0 時，隨著投加碳氮比的提高，體系中去除率和比反硝化速率逐漸提高，最大比反硝化速率從6.7 mg/(g·h)提高到8.7 mg/(g·h)；繼續(xù)提高進水中碳氮比至3.5 時，去除率維持不變，最大比反硝化速率提高至10.5 mg/(g·h)。實驗結果表明，以甲醇為碳源時，在電子受體體系中，最佳碳氮比為3.0，該條件下去除率接近100%，出水COD為23.7 mg/L；進一步提高碳氮比可以顯著提高最大比反硝化速率，出水COD 也維持在38.0 mg/L以下。在短程硝化出水的反硝化過程中，張攀等[20]發(fā)現(xiàn)甲醇為外加碳源時最佳碳氮比為2.5，低于全程硝化出水反硝化所需的碳氮比。

2.2 乙酸鈉為碳源的反硝化過程

圖2 不同碳氮比下乙酸鈉在穩(wěn)定周期內對氮素的去除效果Fig.2 Effect of sodium acetate on nitrogen removal at different carbon nitrogen ratios during stable period

在碳氮比為3.0～5.0 時，隨著碳氮比的提高，TN 和的去除率逐漸提高，比反硝化速率增加至7.7 mg/(g·h)；當碳氮比繼續(xù)增加至6.0 和7.0 時，相較于碳氮比為5.0 時，最大比反硝化速率稍有提升，說明在本實驗中，當碳源足量時，最大比反硝化速率隨碳氮比的增加變化不明顯，此時出水COD 能維持在30.1 mg/L以下。因此以乙酸鈉為碳源時，最佳碳氮比為5.0，該條件下出水TN 小于1 mg/L，出水COD 為11.0 mg/L。能利用乙酸鈉作為碳源的微生物種類十分廣泛，在彭永臻等[19]、吳代順等[21]的研究中發(fā)現(xiàn)，乙酸鈉的最佳碳氮比在5.0 左右，對應的菌屬在反硝化過程中呈現(xiàn)較強的競爭優(yōu)勢。

在碳氮比為2.0～3.0 時，隨著碳氮比的提高，體系中的去除率和比反硝化速率逐漸提高，最大比反硝化速率從5.5 mg/(g·h)提高到7.3 mg/(g·h)；繼續(xù)提高進水碳氮比至3.5，去除率維持不變，比反硝化速率和最大比反硝化速率分別提高至7.1 mg/(g·h)和8.4 mg/(g·h)。實驗結果表明，以乙酸鈉為碳源時，在電子受體體系中，最佳碳氮比為3.0，該條件下去除率接近100%，出水COD 為30.0 mg/L，提高碳氮比可以適當提高比反硝化速率和最大比反硝化速率，此時，出水COD 也可維持在36.0 mg/L 以下。彭永臻等[22]探究了垃圾滲濾液短程脫氮工藝，短程出水投加碳氮比為3.0 的乙酸鈉后可以實現(xiàn)良好的反硝化效率。

2.3 乙二醇為碳源的反硝化過程

圖3 不同碳氮比下乙二醇在穩(wěn)定周期內對氮素的去除效果Fig.3 Effect of glycol on nitrogen removal at different carbon nitrogen ratios during stable period

在碳氮比為3.0～7.0 時，隨著碳氮比的提高，TN 和的去除率逐漸提高，比反硝化速率從2.9 mg/(g·h)提高到4.4 mg/(g·h)，最大比反硝化速率從7.3 mg/(g·h)提高到了9.2 mg/(g·h)。以乙二醇為碳源時，最佳碳氮比為7.0，此時出水TN 值小于1 mg/L，出水COD值為30.1 mg/L。Chen 等[11]投加碳氮比為4.7（廢水中5 日生化需氧量BOD5與N 的質量濃度之比約為0.3）的乙二醇時，過程中控制運行溫度（21±1）℃，可以去除混合廢水中97%的總氮，證明乙二醇是一種有效的外加碳源。

在碳氮比為2.0～3.5 時，隨著碳氮比的提高，體系中的去除率和比反硝化速率逐漸提高，最大比反硝化速率從4.2 mg/(g·h)提高到6.5 mg/(g·h)。實驗結果表明，以乙二醇為碳源，在電子受體體系中，最佳碳氮比為3.5，此條件下去除率接近100%，出水COD 為23.2 mg/L，提高碳氮比可以適當提高比反硝化速率和最大比反硝化速率，且出水COD 能維持在31.0 mg/L 以下。

2.4 丙三醇為碳源的反硝化過程

圖4 不同碳氮比下丙三醇在穩(wěn)定周期內對氮素的去除效果Fig.4 Effect of glycerol on nitrogen removal at different carbon nitrogen ratios during stable period

在碳氮比為3.0～7.0 時，隨著碳氮比的提高，TN的去除率逐漸提高至98.0%，的去除率逐漸提高至穩(wěn)定，比反硝化速率不斷增加至4.0 mg/(g·h)，最大比反硝化速率從4.4 mg/(g·h)提高到了8.4 mg/(g·h)。以丙三醇為碳源時，最佳碳氮比為7.0，此時出水TN 值小于1 mg/L，出水COD 值為25.5 mg/L。Cyplik等[12]對炸藥生產(chǎn)廢水中硝酸鹽氮經(jīng)過投加甘油進行反硝化，接種波蘭喀爾巴阡山脈地區(qū)分離出的DNC4 微生物群落，得到碳氮比為3 時可以完全去除體系內的總氮。Chen 等[11]使用純甘油作為補充碳源添加到混合廢水中，維持pH=7.1 和溫度（21±2）℃，發(fā)現(xiàn)當投加碳氮比為5.4（廢水中BOD5與N 的質量濃度之比約為0.3）時，脫氮（總氮）率達到90%，與本實驗結果存在一定差距，其原因可能是甘油作為碳源時，接種的微生物、溫度、pH 對其影響較大。

在碳氮比為2.0～4.0 時，隨著碳氮比的提高，體系中的去除率和比反硝化速率均逐漸提高。最大比反硝化速率從3.8 mg/(g·h)提高到7.1 mg/(g·h)。實驗結果表明，以丙三醇為碳源，在電子受體體系中，最佳碳氮比為4.0，該條件下去除率接近100%，出水COD 為32.0 mg/L，提高碳氮比可以顯著提高最大比反硝化速率。

國內研究大體呈現(xiàn)出以下局面：一、相關的學術文章數(shù)量少；二、介紹性文章居多，并主要集中在對西方翻譯詩學的介紹；三、更注重翻譯詩學的外圍解釋力，脫離詩歌翻譯語境；四、對我們國家的翻譯詩學理論關注不夠。雖然田傳茂、丁青（2006：64）對扎根于傳統(tǒng)和實踐沃土的中國當代譯論話語進行了梳理，但也屬于介紹性研究，所以他們在文中語重心長地指出，“原創(chuàng)性研究正是當前我國翻譯理論研究所欠缺的?！?/p>

2.5 葡萄糖為碳源的反硝化過程

圖5 不同碳氮比下葡萄糖在穩(wěn)定周期內對氮素的去除效果Fig.5 Effect of glucose on nitrogen removal at different carbon nitrogen ratios during stable period

在碳氮比為3.0～8.0 時，隨著碳氮比的提高，TN 和的去除率均逐漸提高，比反硝化速率不斷加快。在此過程中，最大比反硝化速率從碳氮比為3.0 時的3.9 mg/(g·h)提升至碳氮比為8.0 時的6.7 mg/(g·h)，有明顯的變化。說明在本實驗中，隨著碳氮比的增加，體系內最大比反硝化速率逐漸增加。以葡萄糖為碳源時，最佳碳氮比為8.0，該條件下出水TN 值小于1 mg/L，出水COD 值為25.7 mg/L。大多數(shù)研究[15,23]使用葡萄糖作為外加碳源，最佳碳氮比一般在6.5～10.0，這主要是因為葡萄糖是多碳有機物，微生物生長量大，實際反硝化運行所需碳氮比較高。

2.6 不同碳源投加量下各反應器中反硝化速率情況

表3 示出了不同碳源、不同碳氮比時不同電子受體的比反硝化速率。結果表明，在相同電子受體體系中，隨著碳氮比的增加，比反硝化速率逐步上升，到達最佳碳氮比附近趨于平穩(wěn)，而最大比反硝化速率繼續(xù)上升。對于不同碳源而言，在相同碳氮比下，整體反應的比反應速率差距較大，兩種電子受體情況下比反硝化速率由快到慢基本為甲醇、乙酸鈉、乙二醇、丙三醇和葡萄糖。此外，在碳源及碳氮比一致的情況下，體系的平均比反硝化速率高于體系。

表3 不同碳源投加量下各SBR 反應器內比反硝化速率Table 3 Specific denitrification rates obtained with different carbon sources in SBR reactors

綜上所述，小分子酸類的比反硝化速率最快，其次是單碳醇類，糖類最慢，主要是代謝途徑差異，有機碳源代謝途徑越復雜，碳源的消耗速率和系統(tǒng)反硝化速率也越低[24]。乙酸鈉可通過β-氧化直接轉化為乙酰輔酶A 進入三羧酸（TCA）循環(huán)[25]，為反硝化過程提供能量，所以反硝化速率快；而糖和醇類需要被分解為小分子有機物，或者轉化為對應的揮發(fā)性脂肪酸才能被反硝化菌快速利用，例如，葡萄糖需先轉化為丙酮酸，與輔酶A 形成乙酰輔酶A 再進入TCA 循環(huán)，最終被異養(yǎng)菌利用。而甲醇則是先轉化為甲醛，由甲醛進一步轉化為絲氨酸/乙醛酸，最后轉化為乙酰輔酶A 進入TCA 循環(huán)。有研究發(fā)現(xiàn)甲醇經(jīng)過一段“滯后期”后甲醇營養(yǎng)型細菌的積累可以使系統(tǒng)的反硝化能力不斷提高，從而使甲醇反硝化速率在穩(wěn)定后可以接近乙酸鈉的反硝化速率[26]。

本文中5 種碳源的最佳碳氮比均高于其理論值，究其原因主要有以下幾點：（1）局部溶氧較高區(qū)域異養(yǎng)菌對碳源的消耗；（2）局部厭氧區(qū)域發(fā)生異化性硝酸鹽還原（本研究出水氨氮質量分數(shù)接近0）；（3）同化合成細胞或轉化成細胞貯存物（如PHB（Poly-βhydroxybutyrate））[27]；（4）生物熱等能量耗散。不同碳源最佳碳氮比之間存在明顯的差異，就本文研究的5 種碳源而言，甲醇和乙酸鈉的最佳碳氮比最低（表4），而葡萄糖的最佳碳氮比最高，主要原因是有機物在發(fā)生氧化時部分轉化為細胞物質，轉化為細胞物質的比例與碳源自身有很大的關系。一般來說，單碳化合物如甲醇的微生物生長量低，轉化為細胞物質的量少，完成反硝化反應所需的真實碳氮比??；乙酸鈉次之；而作為高碳化合物的葡萄糖，其微生物生長量相對較高，完成對應反硝化反應所需要的碳氮比就更高[21]。

表4 不同碳源在最佳碳氮比下的成本分析表Table 4 Cost of carbon sources at corresponding optimal carbon nitrogen ratio for nitrogen removal

2.7 經(jīng)濟性分析

表4 示出了不同碳源在最佳碳氮比下的成本分析。由表4 可知，在分別處理50 mg/L 的和時，其成本從低到高依次為甲醇、葡萄糖、乙酸鈉、乙二醇、丙三醇和甲醇、葡萄糖、乙二醇、乙酸鈉、丙三醇?？紤]到化學品價格的波動，可根據(jù)表4做出實際負荷情況的推測，以降低廢水處理廠運行成本。

雖然兩種電子受體下，甲醇的成本都最低，脫氮效果較好，但甲醇屬于易燃易爆的液態(tài)化學品，其運輸、儲存和投加均有特殊要求，前期基建成本較高，且易因管理不當發(fā)生爆炸事故；其次，高濃度甲醇對于人體和微生物均有毒害作用[28]，在實際運用中存在風險。葡萄糖的成本也相對較低，但是其比反硝化速率僅為乙酸鈉的50%～67%。乙二醇的投加成本與乙酸鈉基本一致，但其比反硝化速率僅為乙酸鈉的62%～90%。綜上所述，若已投建的城鎮(zhèn)污水處理廠占地面積較大，廢水進水氮負荷較小，推薦使用葡萄糖作為外加碳源；若投建的污水處理廠占地面積較小，廢水進水氮負荷較高，需要在較短時間內完成處理，推薦使用乙酸鈉；推薦乙二醇作為乙酸鈉價格上浮時的替補碳源。

3 結 論