以農業廢棄物作為反硝化脫氮固體碳源的研究現狀

羅繼虹　王璐璐

摘要 綜述利用農業廢棄物作為反硝化固體碳源的國內外研究現狀，結果表明，利用固態碳源作為碳源可以有效地去除硝態氮，反硝化效果明顯，中間產物積累量不明顯，而且其廉價易得，可長期使用。

關鍵詞 固態碳源；反硝化；農業廢棄物

中圖分類號 X712 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2009）07-0248-01

近年來，由于人為活動不當，水體受氮素污染危害正日益嚴重。在眾多的脫氮技術中，生物反硝化脫氮以其高效、安全、價廉、易于管理與操作、不會產生二次污染、可大范圍應用等優點而廣受關注。研究發現，碳源對反硝化除氮效果有重要影響，目前研究較多的是液態碳源，如甲醇、乙醇、葡萄糖等，但液態有機碳反應速度快，導致需要經常補充碳源，且未完全反應的液態有機碳也可能造成地下水污染，從而引起更多學者將目光轉移到纖維素碳源的研究上。研究發現，纖維素物質固態有機碳有緩效釋放的特點，且廉價易得；在其失去效能后，又較容易去除和處置，不會對環境產生二次污染。

1 國內研究現狀

檢索相關文獻發現，目前國內關于利用農業廢棄物作為反硝化固體碳源的研究較少。國內學者研究的有棉花、麥稈和棉花。棉花、麥稈因對環境無害，操作簡單，廉價易得，使得在反硝化脫氮實際運用中成為可能。而稻殼含有大量的粗纖維、木質素、礦物質等，質地堅硬，具有大量毛細孔結構和細小孔隙，有較大的比表面積，易于微生物附著，耐降解，是一種良好的固定化載體，對應用于反硝化除氮工程較為適合。金贊芳等（2004）研究發現，以棉花為碳源的除氮反應器啟動快。在室溫（25±1）℃，進水硝酸鹽氮濃度為22.6 mg/L、水力停留時間不小于9.8h時，硝酸鹽氮可以完全去除，出水未檢出亞硝酸鹽。在反應進行過程中，棉花也被消耗掉。徐鎖洪等（2001）以稻殼固定反硝化菌能有效去除水中的硝酸鹽，降解率為5.9mg/L·h，去除率達到91.6%，稻殼培養反硝化菌的最適pH值和溫度分別是7.6和30℃。劉江霞等（2008）研究了以麥稈為碳源去除地下水中硝酸鹽的影響因素，發現反硝化反應受溫度及水力停留時間影響大。28℃時氮的去除量約33℃的3倍。當室溫為（27±1）℃、進水硝酸鹽氮濃度為50mg/L、水力停留時間56.85h時，反應器對氮的去除率在94.64%以上；當水力停留時間為12h時，氮的去除率<50%。同時當pH值為6.7時，氮的去除率最高，達90%以上。麥稈在反硝化過程中可以逐漸完全被利用。

2 國外研究現狀

相對于國內對于反硝化固體碳源的研究，國外對固體碳源的選擇則較為多樣，包括淀粉、蟹殼、植物殘體以及植物提取液等，且針對不同碳源其研究內容也有所不同。

Willie Jones B等[1]比較了以廉價木屑和小麥秸稈作為反應介質與價格較高的Kaldnes塑料顆粒處理高氮廢水的效果。在小麥秸稈和木屑反應器中其反硝化速率分別達到了（1 360±40）gN/m³·d和（1 360±80）gN/m³·d，而塑料顆粒中的脫氮效率僅為（1 330±70）gN/m³·d。出水氨氮濃度未檢測到，亞硝態氮濃度大約為2.0mg/L。在140d的試驗中，木屑和小麥秸稈分別消耗了總量的16.2%和37.7%。現今，根據固體碳源在水體中的溶解與否將固體碳源分為可溶性與不溶性固體碳源，像麥稈、木屑等就屬于不溶性的，而像淀粉、蟹殼質等就是水溶性的，對于二者是否一樣具有促進脫氮功能，Yong-seok kim等[2]以可溶解性淀粉作為碳源，結果發現，在碳∶氮在2.5~3.0之間時，反硝化可完成徹底。在碳∶氮=2.58、HRT=1h時，硝態氮的去除率達到99.5%。Mary Ann Robinson-Lora等（2008）發現，蟹殼質可以有效促進水體的反硝化作用。蟹殼質中的蛋白質會迅速降解，從而引起初始階段氨氮和碳素的急劇釋放，與此同時，蟹殼中的碳酸鈣也在緩慢持續釋放中，從而可以控制試驗過程中pH值一直接近于9。批式試驗中，反硝化速率達到了（24±0.2）mgN/L·d。由于它的顆粒小，無膨脹性，并且以漿狀傳輸，因此利用蟹殼質作為地下水反硝化脫氮的電子供體具有現實可行性。

但是，可溶性固體碳源與不溶性固體碳源并不是絕對區分的，有研究者就將固體碳源轉化為液體碳源后應用于脫氮試驗研究。J.B.K.Park等[3]將未經預處理的植物廢料萃取出富含有機碳的溶液，利用它作為有機碳源處理富氮廢水（硝態氮含量大于300mg/L）。此時發現，碳∶氮對出水水質有影響。首先當有機碳與氮的使用量為3∶1，硝態氮去除率大于95%，出水硝態氮濃度一直低于20mg/L。但出水BOD5含量大于140mg/L。因此，試驗選擇了新的碳氮比2∶1，硝酸鹽去除率達到85%，最終出水硝酸鹽含量低于45mg/L，并且BOD5小于25mg/L。結果證明了該“固體”碳源對反硝化除氮是一種可靠的碳源，且控制碳源使用量可以降低水體BOD含量。

不管是何種碳源，當使用不當時就會產生并不期望的中間產物。一氧化二氮是反硝化作用不完全時的中間產物，該氣體是與二氧化碳、甲烷一樣的溫室氣體，如若碳源選擇不好導致反硝化不完全產生大量的一氧化二氮，則會產生二次污染。Sami Ullah等[4]研究了棉花在增強反硝化活性以及控制釋放氣體中一氧化二氮∶氮氣比率中的作用，結果發現：棉花修復區對反硝化速率的增強作用達到了自然完整森林土壤的水平。在修復區一氧化二氮∶氮氣降低33%，與自然完整區的釋放率之間的區別并不明顯。修復區的反硝化速率比未修復區高出1~6倍。這個發現

表明，將棉花應用修復密西西比河低谷硝酸鹽污染，可大大縮短修復時間。

3 展望

綜上所述，某些農業廢棄物因其獨特的結構特性作為反硝化脫氮的碳源具有可觀的應用前景。盡管使用固體碳源促進反硝化除氮有眾多優點，但如果使用不當，則會造成水體中BOD含量超標，并容易引起反硝化中間產物積累，產生二次污染等問題。以后可進一步從以下幾方面來展開研究：①選擇固體碳源作為反硝化碳源的原因之一就是其不會像液體碳源一樣需要時時添加；但是，不同種類固體碳源的使用壽命并不相同，且在不同水體環境中其損耗速率也不同，以后可著手研究不同種類、不同情況下固體碳源的使用壽命。②固體碳源使用過量時會造成水體BOD值升高，選擇合適的使用量也是今后工作的一個方向。③如何控制DO含量，既有利于固體有機物分解，也有利于反硝化脫氮的條件要求。

4 參考文獻

[1] WILLIE JONES B SALILING，PHILIP W WESTERMAN，THOMAS M LOSORDO.Wood chips and wheat straw as alternative biofilter media for denitrification reactors treating aquaculture and other wasterwater with high nitrate concentrations[J].Aquacultural Engineering，2007（37）：222-233.

[2] KIM YONG-SEOK，NAKNO KAZUNORI，LEE TAE-JONG，et al.On-site Nitrate Removal of Groundwater by an Immobilized Psychrophilic Denitrifier Using Soluble Starch as a Carbon Source[J].Journal of Bioseience and Bioengineering，2002，93（3）：303-308.

[3] J B K PARK，R J CRAGGS，J P S SUKIAS.Treatment of hydroponic wastewater by denitrification filters using plant prunings as the organic carbon source[J]. Bioresource Technology，2008（9）：2711-2716.

[4] SAMI ULLAH，STEPHEN P FAULKNER.Use of cotton gin trash to enhance denitrification in restored forested wetlands[J].Forest Ecology and Management，2006（37）：557-563.