不同碳源下反硝化亞硝酸鹽積累情況研究進展

殷同昕，操家順，張騰，張怡蕾，朱啟榮，楊竹雨

(1.河海大學 環境學院，江蘇 南京 210098；2.河海大學 淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；3.國河環境研究院(南京)有限公司，江蘇 南京 211599；4.中建水務環保有限公司，北京 100037)

近年來，我國城市化、工業化的發展推動了經濟發展，但同時也導致生活污水和工業廢水的排放量迅速增加[1-3]，氮化合物過度排放并在水體中大量積累，使受納水體氮負荷過高，出現富營養化現象，對水體生態環境構成了嚴重威脅[4]。

生物硝化反硝化是目前應用最為廣泛的污水脫氮工藝[5]，適用于處理碳源充足的廢水，但部分生活污水和食品制造、電鍍等行業產生的高氨氮、高硝酸鹽工業廢水[6]C/N較低，可生化性較差，若采用傳統的硝化反硝化工藝進行處理則必須大量曝氣和投加大量碳源，提高了能耗和運行成本。而厭氧氨氧化是一種全自養生物脫氮過程，厭氧氨氧化菌能在無需碳源的前提下[7]，在厭氧條件下以亞硝酸鹽為電子受體將氨氮氧化為氮氣，目前已被廣泛應用于高含氮廢水的處理中[8]，但大部分廢水中亞硝酸鹽濃度較低，必須依靠前處理工藝為厭氧氨氧化提供足夠的底物亞硝酸鹽。短程硝化是獲得亞硝酸鹽的常用途徑，以此為基礎開發的CANON等工藝已得到廣泛使用，但短程硝化難以穩定，且必須利用其他工藝來去除硝酸鹽。而反硝化過程中普遍存在亞硝酸鹽積累現象[9]，這表明反硝化能夠將硝酸鹽部分還原為厭氧氨氧化所需的亞硝酸鹽，在高氮低碳廢水的處理中具有良好的應用前景，因此，如何在反硝化過程中實現亞硝酸鹽的穩定高效積累成為了現階段研究的關鍵問題。

有機碳源是缺氧反硝化過程中必不可少的電子供體，也是維持異養反硝化菌生長繁殖的重要能量來源，不同碳源在微生物體內的代謝途徑不同，反硝化菌在利用不同碳源進行反硝化時的反應速率和碳源需求量存在差別，因此不同碳源下的反硝化過程和亞硝酸鹽積累情況各不相同[10]，選擇合適的有機碳源是實現亞硝酸鹽穩定高效積累的關鍵。

本文介紹了短程反硝化的原理及其在脫氮方面的應用價值，詳細闡述了不同碳源下的反硝化亞硝酸鹽積累情況，并從各有機碳源的理化性質、亞硝酸鹽積累情況、經濟效益這幾方面進行比較，評價其優缺點，為今后短程反硝化碳源的選擇提供參考。

1 短程反硝化的原理及應用價值

1.1 短程反硝化的原理

反硝化作用是指反硝化菌在缺氧條件下以有機物為電子供體，將污水中的硝酸鹽和亞硝酸鹽還原為氣態的N2或N2O、NO，從污水中去除的過程。反硝化反應可分為多個步驟，反硝化菌在硝酸鹽還原酶(Nar)、亞硝酸鹽還原酶(Nir)、一氧化氮還原酶(Nor)、一氧化二氮還原酶(Nos)的作用下，逐級將硝酸鹽還原為N2[11-12]，物質轉化途徑見圖1。

圖1 反硝化過程的物質轉化途徑Fig.1 Substance transformation pathway of denitrification

由圖1可知，反硝化過程中的亞硝酸鹽積累現象是反硝化進行到第一步，即硝酸鹽轉化為亞硝酸鹽的階段產生的，該過程又被稱為短程反硝化。

1.2 短程反硝化的應用價值

20世紀末厭氧氨氧化反應的發現為污水生物脫氮提供了新思路[13]。厭氧氨氧化能夠同時去除水中的氨氮和亞硝酸鹽，但大部分污水中氨氮濃度遠高于亞硝酸鹽濃度，因此要將厭氧氨氧化用于主流污水處理就必須要先通過前處理為厭氧氨氧化反應提供足夠的亞硝酸鹽，而反硝化過程中存在的亞硝酸鹽積累現象表明反硝化能夠作為厭氧氨氧化的前處理工藝為其提供亞硝酸鹽。

短程反硝化和厭氧氨氧化的耦合主要有兩種形式：一種是兩段式，其耦合機理見圖2a，含有硝酸鹽和氨氮的廢水首先進入短程反硝化反應器，以外部碳源作為電子供體將硝酸鹽部分還原，完成亞硝酸鹽的積累，然后在厭氧氨氧化反應器中完成氨氮和亞硝酸鹽的去除；另一種是一體式，其耦合機理見圖2b，含有硝酸鹽和氨氮的廢水進入反應器，短程反硝化過程將廢水中的硝酸鹽原位轉化為厭氧氨氧化反應所需的亞硝酸鹽，又可以在厭氧氨氧化反應發生時原位去除其產生的硝酸鹽，從而在反應器中實現氨氮和硝酸鹽的同時去除。

圖2 短程反硝化-厭氧氨氧化工藝耦合機理[14]Fig.2 Mechanism of the integrated partial-denitrification andanammox processesa.兩段式；b.一體式

綜上所述，短程反硝化作為厭氧氨氧化的前處理工藝，一方面可以在去除污水中硝酸鹽的同時將其部分轉化為厭氧氨氧化反應需要的亞硝酸鹽，使耦合工藝達到良好的脫氮效果；另一方面由于硝酸鹽只需經過一步轉化，可以適當減少碳源的投加，因此將短程反硝化與厭氧氨氧化耦合是一種經濟有效的脫氮方式，在實現低C/N廢水的高效脫氮方面具有重大的應用價值。

2 不同碳源下的反硝化亞硝酸鹽積累情況

2.1 常規碳源

常見的用于反硝化的常規碳源有甲醇、乙醇、乙酸鈉等，這些碳源都屬于化學藥劑，成分單一。研究者大多選用單一碳源來進行反硝化亞硝酸鹽積累的研究，通過反應條件的控制，已在很多碳源的反硝化體系中實現了較穩定的亞硝酸鹽積累；而使用混合碳源的研究甚少，目前僅有個別研究者在用混合碳源研究反硝化脫氮時發現了短暫的亞硝酸鹽積累現象[15]。分別介紹以甲醇、乙醇、乙酸鈉、糖類、甘油為碳源進行反硝化時的亞硝酸鹽積累情況。

2.1.1 甲醇 甲醇是一種具有刺激性氣味的無毒有機物，用作碳源時污泥產量小且運行成本較低，是污水處理廠最常用的外加碳源之一。微生物對甲醇的響應時間長，投加甲醇后需要一段時間的適應期才能發揮全部效果，因此甲醇不適合用作應急投加碳源，同時甲醇的代謝產物具有毒性，長期用于污水處理也會對受納水體產生不利影響。

付昆明等[16]以甲醇為碳源，發現在14 ℃，pH=7.33的條件下，反硝化過程中出現了明顯的亞硝酸鹽積累現象，2.5 h時硝酸鹽基本消耗完畢，亞硝酸鹽積累率達到最大值43.2%，此后亞硝酸鹽濃度開始逐漸下降直到消耗完畢，由此推測亞硝酸鹽積累的原因是硝酸鹽的存在會抑制亞硝酸鹽的還原，之后Liu等[17]的發現也證明了這一點。牛萌等[18]以甲醇為碳源，在反硝化中實現了亞硝酸鹽的穩定積累，發現當C/N為2.5時亞硝酸鹽積累率最高，能達到89%，且基本不會下降，當C/N為3～5時，最大積累量沒有明顯差異，但積累到最大值后開始降低；同時pH也對亞硝酸鹽的積累有顯著影響，pH=7最有利于積累，在C/N為2.5，pH=7的條件下亞硝酸鹽能夠穩定高效積累，積累率最大能達到98.28%。

2.1.2 乙醇 乙醇屬于低毒類化學品，由于毒性較低且作為碳源時污泥產率與甲醇相似，實際運用中常作為甲醇的替代碳源，乙醇會先被降解為以乙酸為主的脂肪酸，再被反硝化菌進一步代謝。

孫洪偉等[19]在研究SBR反硝化脫氮時觀察到亞硝酸鹽積累現象并對此進行了深入研究，結果表明，在低溫下(13.9 ℃)以乙醇為碳源進行反硝化時，0～2 h內出現了明顯的亞硝酸鹽積累，最大積累率約為40%，此后亞硝酸鹽濃度逐漸降低。Du等[20]以乙醇為碳源構建了短程反硝化-厭氧氨氧化一體式工藝，并控制C/N為3，研究了該工藝運行過程中的亞硝酸鹽濃度變化，結果發現，反應開始 1 h 內出現了亞硝酸鹽積累現象，在20.1 ℃下最大積累率為73%，將溫度降低為15.5 ℃時，積累率降低到63%，但該研究中當亞硝酸鹽積累量達到最大后就在厭氧氨氧化反應中被去除，因此并未討論亞硝酸鹽積累的穩定性。以上研究說明，以乙醇為碳源的反硝化過程中存在明顯的亞硝酸鹽積累現象，在低溫下積累率會明顯下降。

2.1.3 乙酸鈉 乙酸鈉是一種無毒的小分子有機酸鹽，能夠被反硝化菌快速利用，能立即響應反硝化過程，適合用作應急投加碳源，是污水處理廠的常用碳源之一。但其價格昂貴，用作碳源時污泥產量高，會給污泥處置帶來一定壓力。

Du等[21]將實驗溫度控制在23.6～28.8 ℃，以乙酸鈉為碳源，分別在SBR和USB反應器中研究了進水硝酸鹽濃度對短程反硝化的影響：依次調節SBR的進水硝酸鹽濃度為30，100，400 mg/L，控制對應的C/N為3，2.75，2.5，發現亞硝酸鹽積累率分別為63.2%，64.6%，74.4%，在進水硝酸鹽濃度為400 mg/L、C/N為2.5的條件下，積累率達到最大；依次調節USB的進水硝酸鹽濃度為30，100，400 mg/L，控制C/N為3，發現亞硝酸鹽積累率分別為36.9%，51.4%，67.9%，這說明較高的硝酸鹽進水濃度有利于USB中亞硝酸鹽的積累，當進水硝酸鹽濃度為400 mg/L時積累率達到最大，在整個實驗過程中都實現了亞硝酸鹽的穩定積累。董曉瑩等[22]在25 ℃下，以乙酸鈉為碳源，通過批式實驗研究了不同C/N對反硝化過程中亞硝酸鹽積累的影響，結果表明，當C/N為1和2.5時均能實現亞硝酸鹽的穩定積累，平均積累率分別為88%和95%；當C/N為4時，亞硝酸鹽不能穩定積累，達到最大積累量后濃度逐漸降低，反應結束時積累率僅有65%，因此C/N為2.5時積累率最大。總結以上研究結果，以乙酸鈉為碳源能在反硝化過程中實現亞硝酸鹽的穩定高效積累，因此乙酸鈉極為適合被用作短程反硝化碳源。

2.1.4 糖類 糖類是多分子化合物，能被大多數微生物細胞利用，易引起細菌的大量繁殖，用作碳源時易導致污泥膨脹，影響污水處理廠出水水質。微生物對糖類的代謝過程較為復雜，需要先將多糖水解為單糖，然后單糖經過糖酵解分解成丙酮酸，再經脫氫酶進入三羧酸循環才能被反硝化菌利用[23]。有研究發現以糖類為碳源的反硝化過程中更易出現亞硝酸鹽積累現象，推測其原因是糖類與其他低分子有機物相比具有更為復雜的分解代謝過程[24]。

葡萄糖和蔗糖是較為常用的糖類外加碳源。由于葡萄糖是最簡單的糖，所以目前相關研究較多。葛士建等[23]控制反應溫度為22 ℃，通過批式實驗考察了葡萄糖為碳源時的反硝化亞硝酸鹽積累情況，控制C/N分別為1.41，7.60，11.7，17.5和 29.3，結果表明，各C/N下均出現了亞硝酸鹽積累現象；C/N為7.60時實現了較穩定的積累，最大積累率為37%；當C/N為11.7和17.5時亞硝酸鹽積累量更大，但達到最大積累量后濃度迅速降低。劉琦[25]以葡萄糖為碳源，研究了C/N為1.1，3.4，4.6和5.7時的反硝化亞硝酸鹽積累情況，結果表明在各C/N下亞硝酸鹽均能穩定積累，C/N為5.7時積累率最大；此外，積累率也會受到溫度的影響，18 ℃下最大積累率為32.2%，而28 ℃下可達到68.2%。蔗糖作為反硝化碳源時降解較慢，有研究表明，相比于葡萄糖和乙酸鈉，以蔗糖為碳源的反硝化過程中更容易出現亞硝酸鹽積累現象[26]，但蔗糖價格昂貴，相關研究較少，目前尚未有在蔗糖為碳源的反硝化過程中實現亞硝酸鹽穩定積累的研究。此外，相比于甲醇和乙醇，以蔗糖為碳源的反硝化體系受到溶解氧的影響更大[27]，因此反應過程中需要對溶解氧精準調控，穩定運行難度大。

2.1.5 甘油 甘油是一種無毒的有機化合物，對環境無污染。目前我國的甘油大部分都是以天然油脂為原料生產的，即從生物柴油、動植物脂制皂等工業生產的副產物中回收并做后續處理。將副產物簡單處理得到的粗甘油價格較低，但成分復雜，以粗甘油為碳源的反硝化脫氮效果尚不清楚；而將粗甘油純化的處理成本較高[28]，雖然已有研究發現在以甘油為碳源的間歇曝氣反應器中反硝化脫氮效率平均能夠達到91%[29]，但較高的成本限制了甘油在實際污水處理中的應用。

Bernat等[30]投加甘油為碳源，用反硝化工藝處理水中的亞硝酸鹽，發現在C/N為2時有32%的亞硝酸鹽不能被還原，這間接說明在較低的C/N下進行反硝化時，會出現亞硝酸鹽積累現象。Baideme等[31]在20～23 ℃的條件下，以甘油為碳源，研究了進水C/N對反硝化亞硝酸鹽積累的影響，結果表明，在進水C/N為2.5，2.6，2.8的條件下，亞硝酸鹽均能穩定積累，根據文獻報道的實驗數據可以計算出亞硝酸鹽積累率分別為 43.8%，41.8%，48.8%，這說明當C/N在2.5～2.8之間時亞硝酸鹽積累率變化不大，穩定在40%～50%，積累效果一般，但該研究的C/N范圍過于局限，在其他C/N條件下以甘油為碳源是否能實現更高的亞硝酸鹽積累率還有待進一步研究。

2.2 非常規碳源

生產工藝中產生的部分廢棄物和工業廢水中的一部分難降解有機物也可作為碳源，一些研究者投加這類非常規碳源，在反硝化過程中也發現了明顯的亞硝酸鹽積累現象。分別介紹將污泥發酵液、秸稈浸出液、黃水、含氮雜環化合物作為碳源進行反硝化時的亞硝酸鹽積累情況。

2.2.1 污泥發酵液 將污泥厭氧發酵上清液中的揮發性脂肪酸(VFAs)作為反硝化碳源是一種經濟的方式，該碳源可以直接由污水處理廠內部提供，在實現污泥減量的同時還能解決碳源運輸的問題。但污泥發酵液成分復雜，不同的水解發酵條件下產生的污泥發酵液的成分各有差別，用作碳源時的反硝化速率也會有所不同。此外，污泥的水解發酵過程會伴隨有氮磷的釋放，若以碳源的形式將這部分氮磷投加到污水中，會導致污水廠氮磷負荷升高，這是將污泥發酵液用作碳源時必然存在的問題。

王淑瑩等[32]在25 ℃下以污泥發酵液為碳源進行反硝化，考察了C/N為1，2，3，4時的亞硝酸鹽積累情況，發現在C/N<4時，亞硝酸鹽的最大積累量隨C/N的增加而增大，亞硝酸鹽積累率分別為 13.9%，28%，41.2%，47.5%，其中C/N為1和2時積累較穩定，而C/N為3和4時不能實現穩定積累，此外還發現分次投加碳源有利于保持穩定的亞硝酸鹽積累。何岳蘭等[33]發現，在25 ℃下，以酸性條件產生的污泥發酵液作為碳源進行反硝化時，硝酸鹽還原速率小于亞硝酸鹽還原速率，因此不會發生亞硝酸鹽積累現象；以堿性條件產生的污泥發酵液作為碳源時會出現亞硝酸鹽積累現象，其中用pH=10的堿性條件下產生的污泥發酵液作碳源時，亞硝酸鹽積累率最大，可以達到82.5%，且能實現穩定積累。

2.2.2 秸稈浸出液 秸稈浸出液是將農業廢棄物秸稈經過中溫浸泡等簡單處理后得到的，主要成分是丁酸、蛋白質、乙酸等，將其用作碳源有利于實現農業廢棄物的資源化利用。但秸稈浸出液成分復雜，相關研究尚不充分。

劉琦[25]以秸稈浸出液作為反硝化碳源，研究了18 ℃時不同C/N條件下的亞硝酸鹽積累情況，結果表明，當C/N為2.2，5.2，7.0，11.0時，亞硝酸鹽積累率分別為 14.17%，43.99%，55.51%，52.71%，其中當C/N為11.0時，亞硝酸鹽積累濃度達到最大值后便迅速下降；其余C/N條件下都實現了較穩定的亞硝酸鹽積累，C/N為7.0的條件下亞硝酸鹽積累量達到最大時，剩余的COD濃度較高，因此綜合考慮污染物的去除效果，C/N為5.2最為合適。

2.2.3 黃水 黃水是白酒釀造過程中產生的副產物，含有大量的醇、醛、酯、有機酸、還原糖等[34]，COD可達25 000～40 000 mg/L，BOD可達25 000～30 000 mg/L[35]。將黃水用作反硝化碳源能夠實現資源的再利用，但黃水的pH僅有3.0～3.5，工藝運行過程中必須注意pH的調控。

程靜等[36]研究了以黃水為碳源的反硝化過程，實驗過程中控制溫度為25 ℃，pH為6.5～7.5，依次調節C/N為7，6.5，6，5，4.5，4，3，結果發現在不同C/N下，反應初期都出現了亞硝酸鹽積累現象，當C/N為4.5時亞硝酸鹽積累量最大，最大積累率約為47.6%；其余C/N條件下亞硝酸鹽的積累率明顯較低，僅有9.5%～21.4%。

2.2.4 含氮雜環化合物 含氮雜環化合物(NHCs)主要存在于焦化廢水、印染廢水中，喹啉、吡啶和吲哚是其中的典型化合物，這幾種物質都屬于致癌、致畸、致突變類物質，毒性強，而且難以生物降解[37]。將含有這類物質的有機工業廢水作為碳源能夠實現有害物質的資源化利用，但工業廢水成分復雜，里面含有的其他物質會對工藝運行產生怎樣的影響尚不清楚。

白凡玉等[38]在30 ℃、C/N=4的條件下，分別以吡啶、喹啉和吲哚作為碳源研究了反硝化亞硝酸鹽積累情況，實驗結果表明，以吡啶和喹啉為碳源的反硝化過程中，亞硝酸鹽的最大積累率分別可達53.4%和16.4%；而以吲哚為碳源時亞硝酸鹽積累現象不明顯，最大積累率不超過4%，整個實驗過程中均沒有實現亞硝酸鹽的穩定積累。田建強等[39]分別用喹啉和吲哚作為碳源，研究了 23 ℃ 時不同C/N條件下的反硝化亞硝酸鹽積累情況，結果表明，以喹啉為碳源時，不同C/N下均出現了明顯的亞硝酸鹽積累現象，C/N為2.5時亞硝酸鹽積累率最大，可以達到94%，且實現了穩定積累，此后最大積累率隨C/N的增大而降低；以吲哚為碳源時，在各C/N下亞硝酸鹽積累率都極低，C/N為5.1時積累率最大，僅有4.7%。總結以上研究可知，以典型含氮雜環化合物喹啉、吡啶和吲哚為碳源進行反硝化，除了吲哚外均出現了明顯的亞硝酸鹽積累現象。

2.3 各有機碳源比較與優缺點評價

從上述各有機碳源的理化性質、亞硝酸鹽積累情況、經濟效益這幾方面進行比較，評價其優缺點，以期為今后短程反硝化碳源的選擇提供參考。比較與評價結果見表1。

表1 有機碳源比較及優缺點評價表Table 1 Comparison of organic carbon sources and evaluation of advantages and disadvantages

3 總結與展望

在反硝化過程中實現亞硝酸鹽的穩定高效積累在耦合厭氧氨氧化工藝實現低C/N廢水高效脫氮方面具有重大的應用價值，而不同碳源下的反硝化亞硝酸鹽積累情況各不相同，因此選擇合適的碳源對實現亞硝酸鹽穩定高效積累至關重要。使用甲醇、乙醇、乙酸鈉、糖類、甘油這幾種常規碳源進行反硝化時，通過工藝條件的控制大多都能實現亞硝酸鹽的穩定積累，但將化學藥劑用于大規模污水處理中時運行成本較高；使用非常規碳源進行反硝化時也能觀察到亞硝酸鹽的積累現象，這些非常規碳源多為生產工藝中的廢棄物或廢水中的有機污染物，如果能在反硝化亞硝酸鹽積累方面得到有效利用，就能夠減少廢物排放并節約運行成本，但它們的組成普遍較為復雜，目前的研究尚不完善，離實際應用還有一定的距離。此外，部分碳源具有毒性，對微生物具有一定的毒害作用，不利于脫氮工藝的長期穩定運行，殘余的有毒物質排入環境水體后在水體中積累，會導致水體污染和生物死亡，破壞水體生態環境。

考慮到將以上碳源應用于短程反硝化時存在的不足，今后的研究方向為：①改進常規碳源的生產工藝，進一步降低生產成本；②深入分析各種非常規碳源的成分與特點，探索將其作為反硝化碳源并實現亞硝酸鹽穩定積累的潛力，實現資源的再利用；③研究和開發廉價、安全、高效的新型碳源用于短程反硝化，實現亞硝酸鹽的穩定高效積累，為耦合厭氧氨氧化工藝并將其應用于主流污水處理奠定基礎。