以稻草為外加碳源的研究進展

摘 要：我國生活污水具有低C/N的特點，碳源不足是限制污水反硝化的重要影響因素，外加碳源已成為增加脫氮效果的方法之一。稻草作為固體碳源可替代傳統工藝的反硝化碳源，并具有安全性和經濟性的優勢日益成為研究熱點。文章論述了稻草的構成成分、釋碳規律及反硝化特性研究的最新成果。

關鍵詞：稻草；固體碳源；低C/N；反硝化

水稻是世界主要糧食作物之一，20世紀末，年產量平均為4億噸左右，種植面積約為1.45億公頃。同時，稻草也是中國產量最高的農作物秸稈種類，2009年全國稻草總產量為18443.04萬噸，其產量占全國農作物秸稈總產量的1/5以上[1]。稻草中所含的纖維素和半纖維素的質量分數在60%以上，其中碳元素的質量分數更是達到了 38.54%[2]。目前稻草可用來生產一次性餐具、造紙、加工板材、稻草編織等。而稻草作為固體碳源輔助微生物反硝化的研究卻鮮有報道。

傳統生物脫氮工藝處理低碳氮比污水時，低C/N限制了氮類污染物質的去除效果，為此，可通過投加液體碳源如乙酸、甲醇、乙醇等提高C/N，為反硝化菌提供電子受體，提高脫氮率。但液體碳源存在運輸不方便、具有一定毒性且易造成二次污染等缺點限制了液體碳源的繼續使用，固體碳源尤其是農業廢棄物，受到了眾多學者的廣泛關注。Boussaid[3]等在1988年首先將稻草和藻團粒用于原位處理地下水；邵留等[4～6]以稻草為反硝化碳源和生物膜載體，硝態氮去除率達90%以上。蔣琦等[7～8]認為稻草可作為理想的反硝化固體碳源和生物載體。

1 稻草的組成成分及浸出液分析

作為農業廢棄物，稻草成分組成為纖維素（34.2%）、果膠（3.10%）、半纖維素（26.10%）、木質素（11.71%）、灰分（17.11%）、以及少量的含氮化合物及其他物質[9]。木質素結構是一種復雜的酚類聚合物，很難分解，它與纖維素和半纖維素交聯在一起，降低了纖維素酶與纖維素的接觸。

邵留等[4～5]取10g稻草，浸泡14d后，未能檢出Cu、Pb、Cd、Cr四種金屬元素的含量。各浸出液As含量均<0.5mg/L，安全性較好；經30d浸泡后，浸出液中還含有Ca、K、Mg、Na、Si、P等微生物生長所需的常量元素，可促進微生物的生長。稻草作為反硝化碳源安全可行的。

2 稻草釋碳特性的研究

釋碳性能是衡量碳源輔助微生物反硝化的一個重要指標，不僅要滿足微生物對有機物質的需要，還不能短期大量釋碳造成有機物的污染與浪費。邵留等[5，10]通過對稻草釋碳性能的分析發現，浸泡液中TC和TOC含量維持在130～170mg/L之間，TOC含量占TC的85%以上，且TOC濃度與時間存在良好的線性關系，釋碳過程滿足二級動力學公式，擬合公式為1/c=0.1008/t+0.0213，R2=0.9335，Cm=46.95mg·（g·L）-1，K=11.22mg·（h·g·L）-1，t1/2=4.18h。宋愛紅等[11]研究稻草COD浸出速率時認為：前8d，2、4、8g稻稈的COD平均浸出速率分別為27.23、24.4、23.41mg/（g·d）。

3 稻草輔助微生物反硝化

稻草擁有來源廣泛、經濟安全、易生物降解等優點，事實證明稻草適合作為外加碳源為微生物提供電子供體。曹文平等在稻草填充床實驗中發現，當HRT為12h時，NO3--N去除率保持在75%以上，COD維持在50mg/L以下。宋愛紅[11]利用稻草處理分散養豬廢水時發現，NO3--N主要早稻草填充層被去除，去除率大于95%，且出水無明顯的NO2--N積累。邵留等[4]在反應器內填充稻草作為反硝化碳源及生物膜載體，NO3--N去除率超過90%，后期釋碳不足，但NO3--N去除率仍超過了50%。蔣琦[7]也認為稻草具有較高的反硝化潛力，達到105.3mgNO3--N/g。

4 結束語

外加固體碳源是提高反硝化效率的一種途徑，具有經濟安全來源廣泛等優點，添加稻草既可提供碳源，又可為微生物提供生長載體，增大微生物與污水接觸面積。但稻草在使用過程中可能會釋碳不足，或是作為填料會變形甚至壓實，使填料層堵塞，反應產生的氣體無法排除等原因造成系統崩潰，故后期釋碳不足稻草的更換、材質性能的強化等都亟待解決。

參考文獻

[1]畢于運，王紅彥，王道龍，等.中國稻草資源量估算及其開發利用[J].中國農學通報，2011，27（15）：137-143.

[2]韓彬，周美華，榮達.稻草秸稈活性炭的制備及其表征[J].農業環境科學學報，2009，28（4）：828-832.

[3]Boussaid F， Martin G， et al. Denitrification in-situ of groundwaters with solid carbon matter[J]. Environmental Technology，1988，9（8）：803-816.

[4]邵留，徐祖信，金偉，等.以稻草為碳源和生物膜載體去除水中的硝酸鹽[J].環境科學，2009，30（5）：1414-1419.

[5]邵留，徐祖信，金偉，等.農業廢物反硝化固體碳源的優選[J].中國環境科學，2013，31（5）：748-754.

[6]XU Z. X.， SHAO L.，YIN H. L， et al.Biological denitrification using corncobs as a carbon source and bio-film carrier[J]. Water Environment Research， 2009，81（3）：242-247.

[7]蔣琦，杜麗君，楊小麗，等.農作物廢棄物作為固體碳源和生物膜載體選擇研究[A].中國環境科學學會 學術年會論文集[C].2013：5368-5372.

[8]Xiao-Li Yang，Qi Jiang，Hai-Liang Song，et al.Selection and application of agricultural wastes as solid carbon sources and biofilm carriers in MBR[J].Journal of Hazardous Materials， 2015：186-192.

[9]都占魁，趙金生，楊正宇.2005年中國生物質能技術與可持續發展研討會論文集，2005：354-368.

[10]邵留，徐祖信，王晟，等.新型反硝化固體碳源釋碳性能研究[J].環境科學，2011，32（8）：2323-2327.

[11]宋愛紅，沈志強，周岳溪，等.以稻稈為固體碳源處理分散養豬沖洗水的試驗研究[J].中國環境科學，2015，35（7）：2052-2058.

[12]曹文平，張雁秋.稻草碳源釋放特性及脫氮特征研究[J].節水灌溉，2014，4：39-41.

作者簡介：黃盼寧（1990-），男，在讀碩士研究生，主要從事水污染控制理論與技術研究。