老龄垃圾渗滤液反硝化脱氮的补充碳源应用进展*

朱子晗 李 天 张瑞娜 欧阳创 赵由才 周 涛#

(1.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092；2.上海环境工程设计研究院有限公司，上海 200092)

不同碳源的反硝化脱氮效果、适用情况、影响因素等各不相同，目前缺少相应的总结。因此，本研究总结了目前常见碳源的分类和应用中的效果及优缺点。此外，易腐有机垃圾(BOW)含有大量的有机物，若将其作为老龄垃圾渗滤液反硝化脱氮的碳源，不仅可以降低老龄垃圾渗滤液处理的成本，同时也符合可持续发展的理念，但其还处于初步研究阶段，因此本研究也专门分析了BOW作为老龄垃圾渗滤液补充碳源的可行性。

1 反硝化脱氮补充碳源的分类

目前反硝化脱氮常用的补充碳源主要有液态碳源和固态碳源两类，图1总结了常见碳源的分类。

图1 常见碳源的分类Fig.1 The types of common carbon sources

2 常见碳源的应用

2.1 液态碳源的应用

2.1.1 单一易降解有机物

单一易降解有机物是指能直接被微生物吸收利用的小分子有机物，如葡萄糖、乙酸、甲醇、乙酸钠等。单一易降解有机物能在短时间内为反硝化过程提供大量电子，具有良好的脱氮效果。ZHENG等[6]研究了乙酸钠作为补充碳源的脱氮效果，发现驯化稳定后的硝酸盐氮和总氮的去除率分别达到了82.94%±5.39%、77.33%±5.70%，出水时质量浓度均低于5 mg/L。

由于单一易降解有机物自身的可生化性较高，将其作为补充碳源会提高反硝化过程中的污泥产率，长时间运行容易引起污泥堵塞。黄斯婷等[7]发现，与其他单一易降解有机物相比，葡萄糖由于能被多数微生物利用，因此易导致微生物大量繁殖。此外，反硝化过程中，单一易降解有机物作为补充碳源还容易引起亚硝酸盐的积累，且积累浓度与有机物种类密切相关。马勇等[8]824发现，甲醇作为补充碳源时，污泥产率和最大亚硝酸盐积累浓度均低于乙醇和乙酸钠作为补充碳源时，但其本身对不少微生物具有毒害作用。单一易降解有机物主要适用于低硝酸盐负荷的老龄垃圾渗滤液处理。目前常见的单一易降解有机物中乙酸钠、乙醇、葡萄糖的反硝化速率相对较快[8]821,[9]10。

2.1.2 复杂混合有机物

复杂混合有机物主要包括水解发酵液、新鲜垃圾渗滤液、有机工业废水3大类。

水解发酵液是指污泥或秸秆等厌氧水解产生的发酵液，大分子有机物已基本被降解为易被反硝化菌利用的小分子有机物，如挥发性脂肪酸(VFAs)、小分子醇类等。张苗等[10]发现，碱性污泥水解发酵液的反硝化性能优于酸性污泥水解发酵液。何岳兰等[11]也发现，pH为8.0条件下产生的污泥水解发酵液能在45 min内完成硝酸盐氮的全部去除，而pH为5.0条件下产生的污泥水解发酵液则需要1.5 h。黄胡林等[12]对玉米秸秆水解发酵液的反硝化性能进行了研究，发现总氮去除率可以达到97.30%。目前，秸秆水解发酵液作为老龄垃圾渗滤液反硝化脱氮的补充碳源的研究还比较少，能否进行工程应用更是需进一步论证。

新鲜垃圾渗滤液是指填埋垃圾中的水分刚经过垃圾层和覆土层后形成的有机废水，碳氮比(质量比，下同)在6.5左右，BOD/COD大约为0.6，具有良好的可生化性。JOSEP等[13]发现新鲜垃圾渗滤液作为补充碳源时，亚硝酸盐氮的还原速率可以达到0.16 g/(g·d)。徐晨璐等[14]发现，新鲜垃圾渗滤液作为补充碳源，硝酸盐氮去除率超过97%，总氮去除率可提高约10%。利用新鲜垃圾渗滤液处理老龄垃圾渗滤液符合“以废治废”的理念，但问题是其中含有的大量重金属离子等污染物会极大影响反硝化菌的正常活性。

有机工业废水是指食品加工、造纸等行业排出的具有高浓度有机物(COD>2 000 mg/L)、易于生物降解的废水。陈宏来[15]发现，聚酯废水在连续投加方式下反硝化速率可以达到2.43 mg/(g·h)，出水总氮低于20 mg/L。RODRIGUEZ等[16]研究了番茄加工废水和马铃薯加工废水作为补充碳源时的反硝化速率，分别为2.70、4.10 mg/(g·h)。有机工业废水作为老龄垃圾渗滤液反硝化脱氮补充碳源可以在一定程度上解决有机工业废水的排放和处理问题，但同样存在着有毒有害污染物影响反硝化菌正常活性的问题。

总体而言，水解发酵液或新鲜垃圾渗滤液作为补充碳源时的反硝化速率会大于有机工业废水，与单一易降解有机物相比最大亚硝酸盐积累浓度略低，这可能是由于其中多种易降解有机物的协同作用[9]12。此外，使用复杂混合有机物的成本也较低，但存在污染问题，在合适的场景才能使用。

2.2 固态碳源的应用

固态碳源作为液态碳源的替代物，除了提供碳源外，还可为微生物提供生长载体，更利于系统的稳定调控[17]。

2.2.1 纤维素类

纤维素类主要包括秸秆、花生壳、稻壳、芦苇、木屑等固态物质，价格低廉，方便易得。纤维素类孔隙多、比表面积大，除具有固态碳源的基本作用外，还能吸附一定的污染物。纤维素类的问题是细胞壁上的具有复杂生理形态结构的纤维素聚合物，如半纤维素和木质素等，较难酶解[18]，不易释放出易降解有机物，因此反硝化速率相对较低，需要经过驯化。也正是因为纤维素类的生物可降解性较差，所以其处理效果波动性较大，需要进行深度处理。TROIS等[19]发现，松树皮等纤维素类处理老龄垃圾渗滤液后出水COD高达1 500 mg/L，氨氮高达80 mg/L，需要进一步处理。张雯等[20]研究了大豆秸秆、稻壳、杨树枝等6种纤维素类的反硝化效果，发现硝酸盐氮去除率均在80%以上，但去除速率仅为1.00～2.00 mg/(L·h)。范军辉等[21]发现，纤维素类的脱氮效果受温度影响较为显著，当温度从15 ℃提升至30 ℃，玉米芯作为补充碳源的总氮去除率由78.88%提升至92.70%，这是因为纤维素类的降解微生物随温度升高而活性增强。此外，纤维素类的脱氮效果还与水力停留时间、预处理方式等因素有关[22-23]。

纤维素类作为补充碳源时，虽然硝酸盐氮去除速率低，但通过条件控制仍可实现硝酸盐氮或总氮的完全去除。FAN等[24]用小麦秸秆作为补充碳源，硝酸盐氮去除率就达到了100%。

2.2.2 BDPs

BDPs是指在分子链上具有生物可降解的酯类基团的聚合物，是近年来广受关注的一类固态碳源。BDPs与纤维素类相比，更易释放出小分子有机物[25]。目前常见的BDPs主要有PBS、PLA、PCL、PHBV等，它们对人体基本无害，也几乎不会产生对人体有害的副产物[26]。而且，BDPs可实现完全降解，同时降解速率较为稳定，不会因残留而造成浪费[27]。封羽涛等[28]探究了PBS作为补充碳源的脱氮效果，发现总氮去除率达到94.93%，出水硝酸盐氮质量浓度可控制在1 mg/L以内。

BDPs的另一优势是具有良好的碳缓释性能，可多次使用，既能保证脱氮效果，又可避免释放的有机物过量而使出水COD过高。朱擎等[29]研究发现，PHBV/PLA的复合固态碳源碳缓释现象明显，出水溶解有机碳质量浓度在16 mg/L以内。

BDPs还可以在自身表面形成比较致密的微生物膜，抵御某些外界条件波动的影响。周海红等[30]用PBS作为补充碳源，当pH和DO分别在4.5～9.5、1.4～8.5 mg/L波动时，反硝化速率稳定在0.48～0.70、0.63～0.68 mg/(g·d)。

研究表明，BDPs与其他物质混合可提高硝酸盐氮的去除速率，如与淀粉混合能协同提高生物膜中反硝化菌的丰度[31-32]。

3 BOW作为老龄垃圾渗滤液补充碳源的可行性分析

BOW主要分为餐厨垃圾和果蔬垃圾两大类，两者均具有很高的碳氮比，含有大量易降解有机物，在厌氧条件下能被发酵为大量小分子有机物。YAN等[33]研究发现，餐厨垃圾发酵液的碳氮比大于45，VFAs占到COD质量的一半左右。KATSOU等[34]1856研究发现，果蔬垃圾发酵液的VFAs中小分子乙酸质量占比超过90%。由此可见，BOW易被生物降解，释放的易降解有机物有利于反硝化作用的进行[35]1427。

BOW的反硝化脱氮特性与其发酵时间有密切关系。唐嘉陵等[35]1430发现，未经发酵的餐厨垃圾硝酸盐氮去除率仅为68.20%，反硝化速率也很低，而经过72 h发酵后，硝酸盐氮去除率可超过99%，反硝化速率提高至6.1 mg/(g·h)。这是因为餐厨垃圾本身分子量较大，不利于微生物的利用，而经过一定时间的发酵后，易降解有机物就会释放出来。综上所述，BOW作老龄垃圾渗滤液反硝化脱氮的补充碳源是可行的，但需要采用发酵等预处理手段进行预处理。

此外，KATSOU等[34]1856研究表明，餐厨垃圾作为补充碳源的总氮去除速率是果蔬垃圾作为补充碳源的两倍。

4 常见碳源的优缺点总结

补充碳源种类直接关系到老龄垃圾渗滤液反硝化脱氮的处理效果和经济效益。表1总结了常见碳源的优缺点。单一易降解有机物脱氮速率快、污泥产率低，但成本较高、运输条件苛刻，可能出现亚硝酸盐积累，部分有机物还可能具有一定的生物毒性。复杂混合有机物成本较低，可以实现以废治废，但其存在的N、P、重金属等污染物影响不容忽视。纤维素类来源丰富、成本低廉，还具有吸附性能，并且可为微生物生长提供载体，但脱氮速率较慢，出水水质容易波动，受温度影响较为显著。BDPs也可为微生物生长提供载体，对人体基本无害，而且具有良好的碳缓释性能。BOW成本低廉，而且碳氮比和易降解有机物含量高，但需要经过发酵。因此寻找低成本、高效能的优质补充碳源是老龄垃圾渗滤液反硝化脱氮研究的重要内容。

表1 常见碳源的优缺点

5 结 语

寻找性价比更高的老龄垃圾渗滤液反硝化脱氮碳源应朝着以废治废、低碳高效、可持续发展的方向前进，BOW符合这样的理念。BOW已被证实具有作为老龄垃圾渗滤液反硝化脱氮补充碳源的可行性，应进一步研究BOW的最佳发酵配比以及合适的发酵环境条件。