不同固體碳源釋碳特征及其對反硝化脫氮效果研究

朱輝翔 ，張樹楠，彭英湘，肖金，劉鋒，肖潤林，戴桂金，朱小嬌

（1. 中國科學院亞熱帶農業生態研究所，亞熱帶農業生態過程重點實驗，長沙農業環境觀測研究站，湖南 長沙 410125；2. 中國科學院大學，北京 100049；3. 湖南省生態環境監測中心，國家環境保護重金屬污染監測重點實驗室，湖南 長沙410014；4. 湖南省鳳凰縣農業特色產業中心，湖南 鳳凰 416200；5. 大長江環境工程技術有限責任公司，湖北 武漢 430073）

碳源是生物脫氮工藝中重要的影響因素之一，它能在生物硝酸鹽的去除過程中提供電子供體，將硝酸鹽氮逐漸轉化為氮氣以實現脫氮，但是在反硝化過程中，普遍存在碳源不足的現象，因此需要額外投加碳源來提高脫氮效率[1-2]。傳統的外加碳源分為液體碳源（如甲醇、乙醇、乙酸等）和固體碳源（人工聚合物和農業廢棄物等）。液體碳源脫氮效果較好，但是甲醇等物質存在一定的毒性，且運輸成本高，難以控制，而固體碳源中，聚已酸內酯（PCL）、聚乳酸（PLA）等人工聚合物因成本高，難以實現廣泛應用[3-5]。因此，研究一種廉價、實用、安全且脫氮效果較好的外加碳源材料具有重要的現實意義。

農業廢棄物是農業作物在收獲和加工過程中產生的固體廢棄物質，是一種重要的生物質資源，被認為是地球上最豐富的可循環利用的有機物質[6-8]。近年來，基于安全性和經濟性等方面的考慮，以農業廢棄物作為反硝化脫氮外加碳源的研究已成為熱點[9-12]。農業廢棄物具有成本低廉、來源廣泛、生物降解性好等優點，其應用前景廣泛。目前，研究較多的農業廢棄物有稻草、稻殼、花生殼、秸稈、玉米芯、木屑和棉花等。邵留等[9]研究對比分析甘蔗渣、玉米芯、稻草、稻殼、花生殼和木屑6種農業廢棄物為反硝化碳源的釋碳和脫氮性能發現，玉米芯、稻草和稻殼具有較強的釋碳能力，且其硝酸鹽的去除率均達80%以上。Hua等[10]在研究用以木屑為碳源的反硝化生物濾池來處理農田地下水中的硝酸鹽時發現，當硝酸鹽氮濃度為20 mg/L、水力停留時間為6～24 h時，硝酸鹽的去除率可以達到53.5%～100%。Liang等[11]發現用稻草作為外加碳源對低硝酸鹽負荷的農業廢水有較好的脫氮效果。Volokita等[12]研究用原棉做碳源來去除飲用水中的硝酸鹽發現，當進水硝酸鹽濃度為100 mg/L時，其脫氮效果顯著，可以在短時間內完全去除其硝酸鹽。除了農業固體廢棄物外，近年來，水生植物因木質素、纖維素豐富也被逐漸作為反硝化外加碳源[13]。但目前有關水生植物的釋碳特性以及水生植物和農業廢棄物的反硝化脫氮效果比較的報道較少。

為了比較農業廢棄物和水生植物作為傳統碳源替代物的可行性，篩選出合適的外加碳源進行生物反硝化實驗，本研究選取廉價的農業廢棄物（稻草和鋸木屑）和水生植物（綠狐尾藻Myriophyllum aquaticum和梭魚草Pontederia cordata作為反硝化固體碳源，以其水解釋放的化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）作為衡量指標，比較各材料的碳釋放動力學特征；通過接種綠狐尾藻濕地活性污泥，分析水體COD、硝態氮（NO3--N）、亞硝酸鹽氮（NO2--N）、銨態氮（NH4+-N）和總氮（Total Nitrogen，TN）等動態變化，研究上述固體碳源的脫氮性能，為用農業廢棄物和水生植物替代傳統碳源來進行生物反硝化實驗提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究選取的稻草、綠狐尾藻和梭魚草取自中國科學院長沙農業環境觀測研究站的試驗地，鋸木屑取自當地農戶。稻草、綠狐尾藻、梭魚草剪成2 cm左右的長條，鋸木屑不作處理，將上述材料用去離子水洗凈后，65 ℃烘干至恒重，自然冷卻后，放入樣品袋中作備用。反硝化實驗使用的活性污泥取自養殖廢水綠狐尾藻濕地系統。

1.2 碳源釋放試驗

本研究于2019年9月15日至10月15日在中國科學院長沙農業環境觀測研究站內進行，選取15個廣口瓶，洗凈并烘干，在廣口瓶中分別放入5 g稻草、鋸木屑、綠狐尾藻和梭魚草，加入1 L的去離子水浸泡，靜置釋碳，每個處理3次重復。另外設立1個對照組，即廣口瓶中直接加入1 L去離子水。為避免環境干擾物進入廣口瓶中，瓶口用瓶塞封住。取水樣前取下瓶塞，緩慢攪拌均勻，靜置30 min后用經去離子水洗凈的針孔注射器吸取上層清液50 mL于100 mL塑料瓶中，取樣后塞回瓶塞。自實驗開始第0.5、1、2、3、4、5、7、10、15、20、25和30 d采集各處理水樣，分析各樣品COD、NO3--N、NO2--N、NH4+-N和TN含量。

1.3 反硝化脫氮試驗

本研 究于2019年10月20日至11月19日 在中國科學院長沙農業環境觀測研究站內進行，選取15個廣口瓶，洗凈并烘干，在其中分別加入5 g上述試驗材料，另設1個CK，每個處理設置3次重復。每個廣口瓶中加入10 mL質量濃度10 g/L的活性污泥，加入500 mL由去離子水、硝酸鉀、磷酸二氫鉀配制含硝態氮100 mg/L、磷酸鹽5 mg/L的試驗溶液，塞上瓶塞使廣口瓶處于密封狀態，置于室溫下培養。取樣時取下瓶塞用經去離子水洗凈的針孔注射器吸取上層液體40 mL于100 mL塑料瓶中，取樣后塞回瓶塞繼續靜置培養。自試驗開始第0.25、0.5、1、2、3、5、7、10、15、20、25和30 d采集各處理水樣測其NO3--N、NO2--N、NH4+-N、TN、COD和pH值等指標。試驗溶液NO3--N、NO2--N、NH4+-N、TN和COD背景值分別為104.72 mg/L、0.01 mg/L、0.01 mg/L、110.64 mg/L和7.14 mg/L，pH值為7.01。

1.4 水樣測試方法

水樣以4 000 r/min的速度離心5 min，取上清液用于NO3--N、NO2--N和NH4+-N的測定，未離心的水樣用于pH值、TN和COD的測定。NO3--N、NO2--N和NH4+-N的濃度可以直接用AA3流動分析儀（Fir-star 5000，瑞士）測定；pH值通過臺式pH計測定，TN濃度先通過堿性過硫酸鉀消解，然后采用AA3流動分析儀測定；COD濃度測定采用重鉻酸鹽法（GB 11914—89）。

1.5 統計與分析

碳源材料的釋碳過程滿足二級動力學公式，釋放曲線呈現較好的雙倒數關系，即溶液中COD濃度（c）與時間（t）符合二級動力學關系[14]，其表達式為：

式中：cm為單位質量材料在溶液中釋放的飽和COD濃度（mg/(g·L)）；k為常數（h·g·L/mg）。

令K=1/k，則：

式中：K為傳質系數（mg/(h·L·g)），反映釋放阻力；t1/2是COD釋放濃度達飽和濃度一半時所用時間（h）。

采用Excel 2013對數據進行初步處理，數據作圖使用Excel 2013和Origin 2021，并用SPSS 26選取Duncan作為比較方法來對數據進行單因素方差分析（ANOVA），相關性分析用Preason相關系數。實驗數據在重復實驗中取平均值和標準誤。

2 結果與分析

2.1 不同固體碳源釋碳動力學特征

4種固體碳源擬合所得的各項特征參數見表1。可以看出，四種材料的釋碳擬合曲線均具有較高的相關系數，其釋碳過程都符合二級動力學公式。其中，cm越大，材料最終釋放COD濃度越高，表明材料釋碳能力越大；K越大，表明材料傳質阻力越小，有機碳越易于釋放；t1/2越小，有機碳釋放達平衡狀態進行越快。從cm值來比較，稻草＞梭魚草＞鋸木屑＞綠狐尾藻，稻草的cm值最大，為25.64 mg/(g·L)，綠狐尾藻的cm值最小，為20.45 mg/(g·L)，但其值相差不大，說明4種材料的供碳能力相差不大。從K值來比較，綠狐尾藻＞鋸木屑＞稻草＞梭魚草，說明綠狐尾藻受到的傳質阻力最小，最容易釋碳。從t1/2值來比較，梭魚草＞稻草＞鋸木屑＞綠狐尾藻，說明綠狐尾藻達到碳釋放平衡所需時間最短。綜合分析，4種材料釋碳能力相差不大，但綠狐尾藻能較快釋碳，可以作為快速碳源使用；其他三種材料釋碳相對緩慢，可以作為慢速碳源使用。

表1 4種固體碳源的釋碳特征對比分析Table 1 Comparative analysis of carbon release characteristics of 4 solid carbon sources

圖1為固體碳源材料水解釋放的COD/TN圖。可以看到4種材料水解釋放的COD/TN值大小為鋸木屑＞稻草＞梭魚草＞綠狐尾藻，鋸木屑COD/TN值高達148.75，而其他三種材料的平均COD/TN值為10～21之間。鋸木屑與對照組之間無顯著差異，而其他三種材料較對照組均顯著降低。四種材料釋放的COD濃度相差不大，其平均濃度處于90～110 mg/L之間，但鋸木屑釋放的氮素最少，其平均TN濃度僅為0.73 mg/L，而其他三種材料釋放的平均TN濃度均大于5 mg/L。

2.2 不同固體碳源的反硝化脫氮效果比較

4種固體碳源處理后水體硝態氮濃度隨時間均呈下降趨勢（圖2），其中稻草、綠狐尾藻和梭魚草均取得較好的處理效果：去除率均達到99%以上。稻草和梭魚草實驗組下降的非常迅速，稻草在第3天便降至2.88 mg/L，去除率達到97.25%，梭魚草在第5天降至0.41 mg/L，去除率達到99.61%；綠狐尾藻則在第15天降至0.18 mg/L，去除率達到99.83%。鋸木屑的靜態脫氮效果較另3種材料差，第30天，鋸木屑的硝態氮濃度仍有20.03 mg/L，去除率僅為80.87%。

4種材料的NO2--N、NH4+-N和TN濃度隨時間變化結果顯示，稻草、綠狐尾藻和梭魚草的亞硝氮均在第1天時達到最大積累，積累量超過15 mg/L，稻草與梭魚草均從第5天開始幾乎檢測不到亞硝氮，綠狐尾藻從第15天開始幾乎檢測不到亞硝氮（圖3），這與其硝氮去除率在第5天和第15天達到99%以上的結果相符。鋸木屑從第2天開始出現亞硝氮的積累，一直到第30天都可以檢測到亞硝酸鹽的存在，這可能與鋸木屑反硝化反應進行的不順利有關。試驗進行到后期，4種材料與對照組間均無顯著差異。

4種材料處理的氨氮濃度都有不同程度的升高（圖3）。稻草和綠狐尾藻都是一個先升高后降低的過程，其中，稻草在前兩天有氨氮的積累，達到5.33 mg/L，第3天開始降低；綠狐尾藻則在前7天一直有氨氮的積累，達到13.71 mg/L，第10天開始降低。鋸木屑在整個試驗期間氨氮濃度都比較低，與對照組無顯著差異。梭魚草則是一個先增加（0～3 d）后降低（5～15 d）最后又迅速增加（20～30 d）的過程，增長到了84.20 mg/L，這與其釋放的COD濃度存在顯著性相關（P＜0.05）。試驗進行到后期，4種材料除梭魚草外均與對照組無顯著差異，梭魚草較對照組顯著增加。

比較4種材料的總氮濃度可以看出，在試驗初期，4種材料總氮濃度均呈上升趨勢，其中，鋸木屑的總氮濃度上升的比較少，與對照組無顯著差異，而其他三種材料上升的比較大，較對照組顯著增加（圖3），這是因為鋸木屑水解釋放的氮素較少，而其他三種材料水解會釋放較多氮素。隨著試驗繼續進行，4種材料總氮濃度均開始下降，其中稻草下降的最快，第3天便降至24.47 mg/L，鋸木屑和綠狐尾藻總氮濃度下降的較慢，而梭魚草在試驗后期總氮濃度開始迅速增加，第30天增長至180.06 mg/L，這與其積累了大量的氨氮有關。到試驗后期，稻草、鋸木屑和綠狐尾藻均較對照組顯著降低，而梭魚草較對照組顯著增加。

不同固體碳源對水體COD的濃度變化具有顯著影響（P＜0.05）。圖4為4種固體碳源分解釋放的COD質量濃度隨時間變化曲線，結果顯示，隨時間的推移，各試驗材料釋碳量都出現不同程度的增加，且都經歷了一個初期迅速增加后趨于平緩的過程。稻草整體上是一個先增加后穩定的過程，前7天增加至1 276.68 mg/L，后趨于穩定，穩定在1 200～1 300 mg/L之間。鋸木屑的釋碳量相對較少，前期整體處于增長趨勢，第15天增加至254.31 mg/L，之后開始下降，這可能是鋸木屑釋碳的速率開始跟不上微生物消耗碳的速率導致。綠狐尾藻的釋碳量在前5天迅速增加，達到1 292.25 mg/L，之后出現下降趨勢，隨著時間增加趨于穩定，穩定在1 000 mg/L左右。梭魚草的釋碳量在前3天是一個增加的過程，第3天增長至943.70 mg/L，第3～7天出現下降，之后再次增加并趨于穩定，穩定在1 500 mg/L左右。比較4種材料的釋碳情況，稻草相較于其他3種材料是比較穩定的增長，其他材料的變化波動都比較大。稻草供碳充足，釋碳范圍從初期的562.59 mg/L穩定增長到后期的1 200 mg/L左右；鋸木屑的釋碳范圍變化比較小，為10.07～254.31 mg/L；綠狐尾藻組的COD濃度在試驗的中后期出現波浪式前進；梭魚草水解釋放的COD的釋碳濃度變化較大，分別在第3、7和20天出現極大（943.70 mg/L）、極小（379.64 mg/L）和極大值（1 571.42 mg/L）。

3 討論

3.1 不同固體碳源的碳源釋放特征

植物水解釋碳的過程一般分為三個階段[15-16]：前期植物表層的糖類、有機酸、蛋白質和易溶性無機鹽等水溶性物質快速分解；中期微生物對部分難溶但易分解的有機物開始分解利用；后期植物體內木質素、纖維素等難分解物質開始分解，分解速率緩慢。本研究4種碳源材料的釋碳過程基本符合上述的三個階段：前期迅速釋碳，后期緩慢釋碳直至平衡。試驗初期，稻草這類秸稈類農業廢棄物釋放的COD較多，這可能是因為秸稈材料表面含有較多的可溶性有機碳和易脫落的有機顆粒物[17]，這些物質溶解于水中釋放有機碳，這類有機碳釋放完后，稻草內部的纖維素開始分解，隨著反應的進行，難降解纖維不斷積累，稻草分解受到抑制，導致后期釋碳緩慢直至平衡。而鋸木屑相較于稻草含有更多的木質素，木質素是一類更難降解的物質，其可以與半纖維素結合，將纖維素包裹其中阻礙其與微生物接觸，從而導致鋸木屑降解的更加緩慢[18]。綠狐尾藻和梭魚草等水生植物的干物質表面富含淀粉和其他碳水化合物，這些物質在試驗初期迅速水解釋碳，之后體內難降解的粗纖維開始水解，導致其釋碳緩慢直至平衡。

4種材料平均釋碳量大小依次為：稻草（110.23 mg/L）＞梭魚草（98.99 mg/L）＞鋸木屑（98.20 mg/L）＞綠狐尾藻（96.22 mg/L）。趙聯芳等[19]研究得出稻殼與木屑的釋碳速率較為穩定，且稻殼的釋碳量高于木屑，這與本研究結果是一致的。方遠航和劉昱迪[20]研究稻桿等6種農業廢棄物的釋碳性能發現，單位質量稻桿在溶液中釋放的飽和COD濃度高達217.39 mg/(g·L)，傳質系數高達83.33 mg/(g·L·h)，而邵留等[14]研究稻草、稻殼等的釋碳性能發現，單位質量稻草在溶液中釋放的飽和COD濃度為46.95 mg/(g·L)，傳質系數為11.22 mg/(g·L·h)，單位質量稻殼在溶液中釋放的飽和COD濃度為46.72 mg/(g·L)，傳質系數為3.25 mg/(g·L·h)，本研究得出的稻草在溶液中釋放的飽和COD濃度為25.64 mg/(g·L)，傳質系數為2.36 mg/(g·L·h)，這可能是因為本研究采用的固液比為1∶200，而邵留等[14]采用的固液比為1∶80，方遠航和劉昱迪[20]采用的固液比為1∶50。鐘勝強等[21]認為固液比顯著影響植物的釋碳，單位質量材料在溶液中釋放的飽和COD濃度值和傳質系數值會隨固液比的增大而增大。

3.2 外加固體碳源對反硝化性能的影響

微生物反硝化過程中需要碳源，并且需要維持一定比例的C/N比，C/N比是影響反硝化的重要因素之一[22-24]。鐘勝強等[21]研究發現，在廢水反硝化實驗中，當投加的固體碳源使水體中C/N比達到9時，便可實現高效脫氮。反硝化脫氮試驗中碳源材料水解液的平均COD/TN比依次為：稻草（33.67）＞ 綠狐尾藻（19.04）＞梭魚草（10.07）＞鋸木屑（1.57）＞CK（0.17），除鋸木屑外的3種材料水解液的C/N比均大于9，其反硝化效果也非常好，稻草在第3天硝氮去除率便達到97.25%，梭魚草在第5天硝氮去除率達到99.61%，綠狐尾藻的硝氮去除效果相對較差，到第15天去除率才達到99%以上。鋸木屑的去除效果最差，直到第30天，其去除率才達到80.87%，這可能是因為鋸木屑供碳緩慢，且鋸木屑表面光滑，不易于微生物的附著[9]，微生物活動較少，其對硝酸鹽的利用較低，但隨著實驗的進行，其去除率一直在增加，說明鋸木屑在持續緩慢的釋碳，能夠作為緩釋碳源使用。Moorman等[25]通過場地運行實驗對木屑反硝化長達 9 年的監測中也發現，木屑具有持久的反硝化性能。本研究中4種碳源材料對硝酸鹽的去除均達到80%以上，這也與張雯等[26]研究的甘蔗渣、玉米秸稈、稻殼、小麥秸稈、玉米棒和木屑對硝酸鹽去除率達到80%以上的結果相似。

4種材料除鋸木屑外，亞硝氮濃度均在第1天時達到最大積累，這與Aslan和Türkman[27]的研究結果相符。有研究表明，在相同條件下，亞硝酸鹽還原氮氣所需的自由能（-41.45 kJ/mol）要高于硝酸鹽還原成亞硝酸鹽所需的自由能（-30.75 kJ/mol），反應中會優先發生硝酸鹽的還原反應，而亞硝酸鹽在一定時間內還難以還原從而導致亞硝酸鹽的積累[28]，且不同的碳源會導致其NO3--N和NO2--N還原速率不同[29]。在本研究中，稻草與梭魚草均從第5天開始幾乎檢測不到亞硝氮，綠狐尾藻從第15天開始幾乎檢測不到亞硝氮，鋸木屑從第2天開始出現亞硝氮的積累，一直到第30天都可以檢測到亞硝酸鹽的存在。NO2-是反硝化過程中的中間產物[30]，NO2-的積累與碳源的供給量有很大的關系[31]。鋸木屑實驗組的亞硝氮濃度與COD濃度相關性顯著（P＜0.05），其試驗后期仍可檢測到亞硝氮可能是因為鋸木屑釋碳緩慢，供碳不足導致反硝化反應進行的不完全。但是可以看到鋸木屑第30天亞硝氮的含量明顯低于第25天的，且趨向于零，這說明隨著反應的進行，亞硝氮的積累會降低至趨向于零，這與Xie等[32]的試驗結果一致。

植物水解釋碳的同時也會向水體釋放許多氮素和磷素[33-35]，導致試驗初期總氮含量有所增加。Pettit等[36]研究表明稻草分解會釋放出體內的氮素導致水中各形態氮含量升高。張雯等[26]研究發現木屑在水中會分解釋放出少量的各形態氮素。童雄等[37]研究綠狐尾藻分解過程中碳氮磷的釋放特征發現綠狐尾藻分解釋放的氮素主要以有機氮和氨氮為主。梭魚草在試驗后期出現了氨氮的大量積累，這可能是因為在試驗后期，梭魚草釋放出大量的COD，在碳源充足或硝氮含量過高的厭氧環境下，易發生硝酸根異化還原而導致氨氮濃度相對升高[38]。

4 結論

1）4種材料均能作為外加碳源的備選材料，能穩定的釋放大量有機碳，同時釋放的氮素含量相對較低。農業廢棄物和水生植物等木質纖維素類有機廢物因其結構性質富含單糖等易分解有機物質而能較好的釋碳，但其含有的木質素纖維素等難分解物質的釋碳過程還有待進一步研究。

2）4種材料均能實現高效脫氮，稻草、綠狐尾藻和梭魚草的硝態氮去除率高達99%以上，鋸木屑的硝態氮去除率也達到80%以上。但梭魚草在試驗后期會出現氨氮的大量積累，會造成水體二次污染。不同碳源材料在微生物作用下的釋碳過程不盡相同，其造成的脫氮效果也千差萬別。農業廢棄物和水生植物在微生物作用下所釋放的碳源性質還需進一步研究。

3）通過對4種材料釋碳脫氮的對比分析認為，稻草、鋸木屑和綠狐尾藻可以作為外加碳源使用，具有較好的實用價值和應用意義。但在實際應用中，投加碳源的方式優化如碳源投加量、碳源投加位置等研究有待進一步開展。