以农业废弃物作为反硝化脱氮固体碳源的研究现状

罗继虹　王璐璐

摘要 综述利用农业废弃物作为反硝化固体碳源的国内外研究现状，结果表明，利用固态碳源作为碳源可以有效地去除硝态氮，反硝化效果明显，中间产物积累量不明显，而且其廉价易得，可长期使用。

关键词 固态碳源；反硝化；农业废弃物

中图分类号 X712 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2009）07-0248-01

近年来，由于人为活动不当，水体受氮素污染危害正日益严重。在众多的脱氮技术中，生物反硝化脱氮以其高效、安全、价廉、易于管理与操作、不会产生二次污染、可大范围应用等优点而广受关注。研究发现，碳源对反硝化除氮效果有重要影响，目前研究较多的是液态碳源，如甲醇、乙醇、葡萄糖等，但液态有机碳反应速度快，导致需要经常补充碳源，且未完全反应的液态有机碳也可能造成地下水污染，从而引起更多学者将目光转移到纤维素碳源的研究上。研究发现，纤维素物质固态有机碳有缓效释放的特点，且廉价易得；在其失去效能后，又较容易去除和处置，不会对环境产生二次污染。

1 国内研究现状

检索相关文献发现，目前国内关于利用农业废弃物作为反硝化固体碳源的研究较少。国内学者研究的有棉花、麦秆和棉花。棉花、麦秆因对环境无害，操作简单，廉价易得，使得在反硝化脱氮实际运用中成为可能。而稻壳含有大量的粗纤维、木质素、矿物质等，质地坚硬，具有大量毛细孔结构和细小孔隙，有较大的比表面积，易于微生物附着，耐降解，是一种良好的固定化载体，对应用于反硝化除氮工程较为适合。金赞芳等（2004）研究发现，以棉花为碳源的除氮反应器启动快。在室温（25±1）℃，进水硝酸盐氮浓度为22.6 mg/L、水力停留时间不小于9.8h时，硝酸盐氮可以完全去除，出水未检出亚硝酸盐。在反应进行过程中，棉花也被消耗掉。徐锁洪等（2001）以稻壳固定反硝化菌能有效去除水中的硝酸盐，降解率为5.9mg/L·h，去除率达到91.6%，稻壳培养反硝化菌的最适pH值和温度分别是7.6和30℃。刘江霞等（2008）研究了以麦秆为碳源去除地下水中硝酸盐的影响因素，发现反硝化反应受温度及水力停留时间影响大。28℃时氮的去除量约33℃的3倍。当室温为（27±1）℃、进水硝酸盐氮浓度为50mg/L、水力停留时间56.85h时，反应器对氮的去除率在94.64%以上；当水力停留时间为12h时，氮的去除率<50%。同时当pH值为6.7时，氮的去除率最高，达90%以上。麦秆在反硝化过程中可以逐渐完全被利用。

2 国外研究现状

相对于国内对于反硝化固体碳源的研究，国外对固体碳源的选择则较为多样，包括淀粉、蟹壳、植物残体以及植物提取液等，且针对不同碳源其研究内容也有所不同。

Willie Jones B等[1]比较了以廉价木屑和小麦秸秆作为反应介质与价格较高的Kaldnes塑料颗粒处理高氮废水的效果。在小麦秸秆和木屑反应器中其反硝化速率分别达到了（1 360±40）gN/m³·d和（1 360±80）gN/m³·d，而塑料颗粒中的脱氮效率仅为（1 330±70）gN/m³·d。出水氨氮浓度未检测到，亚硝态氮浓度大约为2.0mg/L。在140d的试验中，木屑和小麦秸秆分别消耗了总量的16.2%和37.7%。现今，根据固体碳源在水体中的溶解与否将固体碳源分为可溶性与不溶性固体碳源，像麦秆、木屑等就属于不溶性的，而像淀粉、蟹壳质等就是水溶性的，对于二者是否一样具有促进脱氮功能，Yong-seok kim等[2]以可溶解性淀粉作为碳源，结果发现，在碳∶氮在2.5~3.0之间时，反硝化可完成彻底。在碳∶氮=2.58、HRT=1h时，硝态氮的去除率达到99.5%。Mary Ann Robinson-Lora等（2008）发现，蟹壳质可以有效促进水体的反硝化作用。蟹壳质中的蛋白质会迅速降解，从而引起初始阶段氨氮和碳素的急剧释放，与此同时，蟹壳中的碳酸钙也在缓慢持续释放中，从而可以控制试验过程中pH值一直接近于9。批式试验中，反硝化速率达到了（24±0.2）mgN/L·d。由于它的颗粒小，无膨胀性，并且以浆状传输，因此利用蟹壳质作为地下水反硝化脱氮的电子供体具有现实可行性。

但是，可溶性固体碳源与不溶性固体碳源并不是绝对区分的，有研究者就将固体碳源转化为液体碳源后应用于脱氮试验研究。J.B.K.Park等[3]将未经预处理的植物废料萃取出富含有机碳的溶液，利用它作为有机碳源处理富氮废水（硝态氮含量大于300mg/L）。此时发现，碳∶氮对出水水质有影响。首先当有机碳与氮的使用量为3∶1，硝态氮去除率大于95%，出水硝态氮浓度一直低于20mg/L。但出水BOD5含量大于140mg/L。因此，试验选择了新的碳氮比2∶1，硝酸盐去除率达到85%，最终出水硝酸盐含量低于45mg/L，并且BOD5小于25mg/L。结果证明了该“固体”碳源对反硝化除氮是一种可靠的碳源，且控制碳源使用量可以降低水体BOD含量。

不管是何种碳源，当使用不当时就会产生并不期望的中间产物。一氧化二氮是反硝化作用不完全时的中间产物，该气体是与二氧化碳、甲烷一样的温室气体，如若碳源选择不好导致反硝化不完全产生大量的一氧化二氮，则会产生二次污染。Sami Ullah等[4]研究了棉花在增强反硝化活性以及控制释放气体中一氧化二氮∶氮气比率中的作用，结果发现：棉花修复区对反硝化速率的增强作用达到了自然完整森林土壤的水平。在修复区一氧化二氮∶氮气降低33%，与自然完整区的释放率之间的区别并不明显。修复区的反硝化速率比未修复区高出1~6倍。这个发现

表明，将棉花应用修复密西西比河低谷硝酸盐污染，可大大缩短修复时间。

3 展望

综上所述，某些农业废弃物因其独特的结构特性作为反硝化脱氮的碳源具有可观的应用前景。尽管使用固体碳源促进反硝化除氮有众多优点，但如果使用不当，则会造成水体中BOD含量超标，并容易引起反硝化中间产物积累，产生二次污染等问题。以后可进一步从以下几方面来展开研究：①选择固体碳源作为反硝化碳源的原因之一就是其不会像液体碳源一样需要时时添加；但是，不同种类固体碳源的使用寿命并不相同，且在不同水体环境中其损耗速率也不同，以后可着手研究不同种类、不同情况下固体碳源的使用寿命。②固体碳源使用过量时会造成水体BOD值升高，选择合适的使用量也是今后工作的一个方向。③如何控制DO含量，既有利于固体有机物分解，也有利于反硝化脱氮的条件要求。

4 参考文献

[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.