污水反硝化脫氮外加碳源應用前景

于 萍，于方田，張曉敏，陳 爽

[1.中國石油大學（華東）化學化工學院，山東青島 266580；2.勝利油田分公司生產運行管理中心，山東東營 257097；3.山東勝利水務有限責任公司，山東東營 257097]

近年來，隨著水污染的加劇，水體富營養化問題嚴重，水生動植物生命安全受到威脅，水體中總氮含量過高是造成此類問題的主要原因之一[1]。當前反硝化脫氮法工藝成熟，投資少，脫氮速率高，操作簡單，是脫氮應用中最廣泛的一種技術。但水體中C/N 比小，碳源不足是污水反硝化脫氮技術的主要瓶頸。需要添加外加碳源提高C/N 比，實現污水快速脫氮。外加碳源分傳統碳源和新型碳源。傳統碳源包括乙酸鈉、乙醇、葡萄糖等；新型碳源主要包括固態碳源、液態碳源。其中固態碳源有天然纖維素類物質、人工合成可降解高分子材料等；液態碳源有工業廢水、餐廚廢棄物水解液等。隨著時代進步，傳統碳源逐漸失去主流位置。探索開發環境安全性能高、價格低廉、“以廢治廢”的新型外加碳源，成為研究的熱點。本文將對幾種代表性碳源進行綜述，分析各種碳源反硝化效果及優缺點，為反硝化脫氮外加碳源的研究應用提供幫助。

1 傳統碳源

1.1 乙酸鈉

乙酸鈉作為低分子有機酸鹽，投加到水中不會生成難處理的中間物質，可以直接被反硝化菌吸收利用。胡小宇等[1]以乙酸鈉、乙醇、葡萄糖及其兩兩混合物作為碳源對生活污水進行生物反硝化脫氮實驗，實驗表明乙酸鈉的平均反硝化速率為6.9mg/（g·h），相比于其他兩種碳源，乙酸鈉反硝化速率最高。

熊子康等[2]分析甲醇、乙醇、乙酸和乙酸鈉的技術經濟成本，結果顯示各碳源單位水量增加的成本分別為486.50、716.16、752.38和1 449.23元1萬m-3，乙酸鈉的投加成本遠高于其他碳源。對比其他低分子有機物碳源，乙酸鈉成本高，總體投加量大，且易發生亞硝酸氮積累現象，污泥產率高，限制了其進一步使用。

1.2 乙醇

眾多醇類物質中甲醇是最早用于生產實踐的反硝化碳源，但甲醇作為一種液體試劑，價格昂貴且劇毒，運輸成本高，近年來逐漸被淘汰。乙醇作為結構僅次于甲醇的簡單醇類，其無毒無害，對環境影響小，反硝化速率高，成為取代甲醇應用的一種碳源。

Peng 等比較甲醇、乙醇和乙酸三種外加碳源實現反硝化污水脫氮，結果表明反硝化效果顯著提高，其中乙醇、乙酸和甲醇的反硝化速率分別達到9.6、12和3.2mg/（g·h）。通過比較，乙醇是最佳的外部碳源[4]。

乙醇作外加碳源，有很多優勢。但作為一種危險化學品，其運輸成本較高，當投加量不足時會引起亞硝態氮的累積，自身市場價格昂貴，嚴重制約其進一步應用。

1.3 葡萄糖

葡萄糖作為一種常見營養物質，反硝化效果較好，成本較低，是常用的傳統碳源之一。Liu 等[4]以葡萄糖為碳源進行研究，以硝酸鹽濃度為300.8mg/L 的天然地下水為實驗溶液，測定硝酸鹽去除率。發現反硝化的硝酸鹽去除率甚至達到98.53%。身為一種多分子碳源，葡萄糖的應用飽受爭議。葡萄糖做碳源極易造成細菌大量繁殖，引起污泥膨脹，給污水廠后處理帶來壓力。

受各種問題影響，傳統碳源的應用深受制約。研究開發由多種碳源共同結合的復合型碳源，利用單一碳源優點，補充單一碳源缺點，降低碳源成本，提高脫氮效率，是今后研究的重點。如乙酸鈉反硝化速率高，但成本高，產泥量高；葡萄糖為氮去除率高，脫氮效果較好，但反應時間長，亞硝酸鹽積累量大等；乙醇無毒無害，環境影響小，反硝化速率高，但價格昂貴，運輸成本較高（表1）。

表1 傳統碳源優缺點總結

2 新型碳源

2.1 固體碳源

2.1.1 天然纖維素類碳源

天然纖維素類物質如玉米秸稈、木屑、棉花等。得益于天然的結構特性優勢，具有豐富的孔道結構和較大的比表面積，為反硝化細菌提供大量的生存空間，是反硝化外加碳源優質來源。Xiao 等[5]向低C/N 比廢水中添加玉米芯固體碳源進行反硝化脫氮，通過顯微鏡觀察發現玉米芯表面存在大量微生物。但以玉米芯為代表的固體碳源釋碳周期較短，不能長期釋碳，機械強度較低，長時間在水中浸泡后會使纖維素載體軟化造成堵塞等問題。因此，應用天然纖維素類物質為固體緩釋碳源時，如何實現穩態釋碳是突破技術瓶頸也是實現工業應用的關鍵之一。

2.1.2 人工合成的高分子材料

考慮到天然纖維素類碳源，結構易坍塌，釋氮不穩定[5]等缺點，人工合成的高分子材料因結構穩定，成分確定，釋氮效果優良等優點，成為固體碳源的一種發展趨勢。常見人工合成高分子碳源材料有：聚乳酸（PLA）、聚己內酯（PCL）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）等。Xiong 等[6]對比PCL、PBS、花生殼、玉米芯和廢棄大米等多種人工合成高分子物質和農業廢物為碳源的反硝化效果，發現在脫氮方面，聚合物和農業廢棄物都能促進低C/N 比廢水脫氮，且人工合成高分子物質在釋放碳的可持續性方面具有優勢。

2.2 液體碳源

2.2.1 高濃度有機工業廢水

食品、農產品加工工業有機廢水具有較高的有機濃度，從經濟、環境和實用性的角度出發，可作為反硝化的潛在外加碳源。Fernández-Nava 等[7]測試了三種工業廢棄物：糖廠廢水、飲料廠殘渣和乳品廠殘渣為碳源時的反硝化脫氮效果。結果顯示，與傳統碳源甲醇作為碳源相比，三種碳源的反硝化速率均高于41mg/g·h，范圍在41.6～46.8mg/g·h 之間。工業廢水作為外加碳源，雖然能降低污水廠的脫氮成本，滿足“以廢治廢”的理念。但在實際應用中要考慮的因素過多，工業廢水的個體化差異大，在選擇其作為外加碳源時既要考慮成分是否會影響微生物的生長，也要考慮工廠分布、運輸成本、投加方式等。

2.2.2 餐廚廢棄物水解液

餐廚廢棄物厭氧消化產生的水解液含有大量揮發性脂肪酸（VFAs）。其毒副作用小，實現餐廚廢棄物有效資源化，是一種適合的潛在碳源。廚余垃圾發酵是獲得反硝化碳源的重要途徑，餐廚垃圾發酵液中的有機物（有機酸和可溶性碳水化合物）是易于生物降解的碳源。Tang 等[8]對以大米、蔬菜和肉類為主要組成的食物垃圾攪碎發酵，以SBR 運行，計算了脫氮的比反硝化速率、反硝化潛力、缺氧污泥產量和化學需氧量利用效率等。結果表明，該碳源極易被微生物吸收，能有增強反硝化作用，出水NO3-N 含量維持在2.5mg/L 以下，總氮去除率達85%以上，在長期廢水處理過程中實現高脫氮效率。但將餐廚廢棄物的水解液應用于實際污水脫氮，引入大量溶解性有機物和有機氮，增大了污水后期處理壓力，同時預處理費用也成為制約進一步發展的因素（表2）。

表2 新型碳源優缺點總結

3 總結與展望

1）開發其他潛在傳統碳源。實際上乙酸鈉、乙醇、葡萄糖等傳統碳源，因內在弊端逐漸被淘汰，使用性價比高的潛在碳源將成為一種趨勢。

2）現有新型碳源應用技術的改進。工業廢水、廚廢棄物水解液為代表的新型碳源，實現廢物再利用，滿足當今世界的環保理念，但此類新型碳源的的使用必須經過必要的預處理，且預處理過程復雜，價格昂貴，經濟不能得到保障。因此對其預處理工藝技術改進是急需解決的問題。

3）復合型碳源的制備開發。單一碳源存在某些方面的不足，將不同種碳源進行混合制備復合碳源，往往會產生優于單一碳源的效果。發揮不同碳源的優點，制備低成本，高反硝化脫氮效果的復合型碳源也是當今研究的重點。