基于农业废弃物强化生物反硝化效果研究

刘勇毅，禤倩茹，胡荣庭，刘楚源，黄冠

（桂林理工大学环境科学与工程学院，广西 桂林 541004）

1 研究背景

随着我国工业化和城镇化进程的加快，农业中含氮化肥的广泛施用，导致地下水硝酸盐污染日益严重。据调查，我国华北5 省（自治区、直辖市）有45.0%的地下水存在硝酸盐超标问题，河北省硝态氮最高浓度达26.5 mg/L[1]，北京市平原农区地下水硝态氮超标率38.7%、最高浓度达47.5 mg/L[2]。洞庭湖流域、珠江流域、鄱阳湖流域、太湖流域[3]、滇池流域[4-5]和漓江流域均存在地下水超标问题，长沙市城区周边地下水硝态氮最高浓度77.5 mg/L[6]，桂林市东部农村地下水硝态氮超标率80%、最高浓度46.6 mg/L[7]，鄱阳湖流域内超过10.0%的地下水出现了硝酸盐氮污染[8]。地下水是居民生活饮用水的重要水源，而长期饮用硝酸盐浓度过高的水会产生极大危害。硝酸盐在人体内会转化为亚硝酸盐，容易引起高血红蛋白症、地方性甲状腺肿、呼吸道感染和免疫系统紊乱等疾病[9-10]。亚硝酸盐与仲胺类物质反应会产生具有致癌性的亚硝胺类物质。为此，我国限定地下饮用水水源的硝酸盐浓度不得高于20 mg/L。

生物脱氮技术具有去除效果好、易操作控制和成本低的特点，是当前硝酸盐污染治理的主要方法。生物脱氮技术主要是基于异养缺氧型生物反硝化，采用有机物或无机物作为电子供体，将硝酸盐逐级还原，最终转化为氮气[11-12]。大量硝酸盐进入水体环境后难以通过自然净化去除，主要是由于缺乏有机质碳源和缺氧环境。可通过添加有机质碳源强化反硝化作用，有效去除硝酸盐。有机质碳源可分为溶解性和固体碳源。常见的溶解性碳源包括乙醇、乙酸、醋酸钠和葡萄糖等，这类碳源具有反应速度快和投加简便的优点。但是，溶解性碳源对投加量的控制要求较为苛刻，易出现投加量不足导致硝酸盐和氧化亚氮等反硝化中间产物累积或者投加量过量而导致残留有机物浓度较高的情况。

固体碳源可以有效地避免溶解性碳源的缺点，被广泛研究和应用[13-14]。固体碳源不仅为微生物提供载体和能源，而且易形成缺氧环境进而促进反硝化，称之为固相反硝化。固相反硝化可分为固体有机物水解和反硝化阶段，这两个阶段分别由水解类和反硝化类微生物来完成。水解类微生物将固体有机物逐步进行水解，生成单糖、醇类和乙酸类等溶解性小分子有机物，然后供给反硝化生物进行脱氮。学者筛选了大量的固体有机质材料，如碎木、木屑、玉米芯、秸秆和堆肥材料等天然材料，也有人工合成的高分子聚合物。

据统计，我国每年产生大量农业废弃物，对周边环境造成了较大的影响。有学者利用常见的农业废弃物作为反硝化碳源，用于治理硝酸盐污染，以期达成“以废治废”的目标。张雯等（2017）筛选了数种常见农业废弃物作为反硝化碳源，试验结果表明，玉米秸秆、小麦秸秆和玉米芯均可作为理想的碳源材料。农业废弃物作为一种常见的资源，用于强化生物反硝化作用，是解决当前突出的硝酸盐污染问题的一种重要策略。

本研究选择甘蔗渣、橘子皮和木屑作为反硝化碳源材料，设计3 种生物质在不同pH 值条件下的反硝化批量试验，测定反硝化过程中硝酸盐、亚硝酸盐和铵态氮等指标，以期揭示在天然有机质条件下强化反硝化作用的规律，识别反硝化过程中的中间产物，为地下水硝酸盐污染防治提供一定的参考依据。

2 材料与方法

2.1 试验材料

生物质材料包括甘蔗渣、橘子皮和白杨木屑。原料购置于市场，经过洗涤、晒干和粉碎后，选用粒径0.1～1.0 mm 的部分，水洗2～3次，60 ℃烘干后装袋密封备用。

取菜园表层（0～20 cm）土样和超纯水充分混合，浓度为0.2 kg/L，静置12 h后，用虹吸法取上部1/3 的清液作为反硝化接种液。

硝酸盐模拟污水由KNO3和pH 值缓冲溶液配制，其中NO3--N 为100 mg/L。采用共轭酸碱配制pH 值缓冲溶液，pH 值为5.0 的缓冲液为4.0 g/L 的KH2PO4和0.11 g/L 的Na2HPO4·12H2O，pH 值为7.0 的缓冲液为2.697 g/L 的KH2PO4和9 g/L 的Na2HPO4·12H2O，pH 值为9.0 的缓冲溶液为0.9 g/L 的H3BO3和6.358 g/L 的Na2B4O7·10H2O。

2.2 试验方法

选择甘蔗渣、橘子皮和木屑分别作为碳源材料，分别在pH 值为5.0、7.0 和9.0 的条件下进行静态反硝化批量试验，以不投加碳源和pH 值为7.0 的条件作为对照组，共10 组试验，每组设计两个平行样。

试验步骤如下：称取5.0 g 碳源材料加入500 mL玻璃瓶，添加395 mL 硝酸盐模拟污水和5 mL 接种液；向瓶内通入20 min 的N2后用橡胶塞密封；试样瓶在25 ℃恒温培养箱内连续反应13 d，在第0、1、2、3、4、5、6、8、10、13 天采集水样，取样后补加同体积的pH 值缓冲溶液；水样经0.45 μm 针头滤膜过滤后，测定NO3--N、NO2--N 和NH4+-N 指标，测定方法依次为紫外分光光度法、N-（1-萘基）-乙二胺光度法和纳氏试剂光度法。

2.3 对信息脱贫的长期性认识不足 现有的研究对信息贫困的长期性认识不足，从给出信息贫困成因的相应对策中，解决区域性的经济贫困，只能说改善了当地信息贫困状况。在解决信息贫困的对策中，政策制定有一定的储备期，政策的落实有相当长的滞后期；信息贫困人群信息意识的培育也有一定周期；信息环境的改善和信息技术的普及也不是一蹴而就的，所以从诸多影响信息贫困的因素来理解，信息富集与信息贫困总是相对的，信息贫困人口总是会客观存在，并会长期存在。

3 结果与分析

3.1 不同碳源材料强化反硝化的效能

3.1.1 硝酸盐的去除效果

采用甘蔗渣、橘子皮和木屑作为反硝化碳源，在初始NO3--N 为100 mg/L 和pH 值为7.0 的条件下，反硝化过程中NO3--N 的累积去除率见图1。由图1 可知，3种碳源条件下均表现出了较好的NO3--N 去除效果，最终NO3--N 去除率在97.0%以上。甘蔗渣和橘子皮碳源条件下表现出NO3--N 快速去除，第3 天时NO3--N 的去除率分别为89.4%和90.5%。木屑碳源条件下，反应速率较慢，第3 天时NO3--N 的去除率仅为2.0%，在第13 天的NO3--N 去除率达到了97.8%。

图1 在天然生物质碳源条件下反硝化过程中硝酸盐累积去除率变化曲线

甘蔗渣和橘子皮碳源条件下，表现出快速去除NO3--N 的效果，主要是因为这两种生物质材料中含有较多的小分子有机物，如有机酸、单糖、脂类和蛋白等。这些小分子有机物能够快速释放，为反硝化生物提供了容易利用的溶解性有机质碳源，使得反硝化能够快速进行。白杨木屑的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，碳释放量较低，主要是因为高木质素含量和天然结构特征。木质素是由苯丙基烷结构单元通过碳-碳键连接而成的疏水性高分子聚合物，几乎不被微生物分解利用。木质素在纤维素与半纤维素周围形成致密保护层，阻碍了溶解性有机碳的释放。总之，甘蔗渣和橘子皮可作为快速释放碳源，能实现快速去除NO3--N的目的，木屑去除NO3--N 的速率缓慢但能维持长期的反硝化效果。

3.1.2 反硝化产物

分别采用甘蔗渣、橘子皮和木屑作为反硝化碳源，在初始NO3--N 为100 mg/L 和pH 值为7.0 的条件下，反硝化过程中的NO2--N 和NH4+-N 的浓度变化见图2。由图2（a）可知，木屑碳源条件下的NO2--N 未出现大量积累。橘子皮和甘蔗渣作为碳源时，分别在第1 天和第2 天出现了NO2--N 峰值，分别达到59.4 mg/L和72.8 mg/L。由图2（b）可知，以甘蔗渣和木屑为碳源时，均未出现NH4+-N 的累积，而橘子皮碳源条件下出现了较高的NH4+-N 累积，在第4 天后趋于平稳，约为28.6 mg/L。

图2 天然生物质碳源条件下反硝化过程中亚硝酸盐和铵态氮浓度变化曲线

木屑作为碳源时，整个反硝化过程中未出现NO2--N和NH4+-N 的明显累积，这与类似研究结果一致。木质碳源条件下释放的溶解性有机物较为复杂，参与水解和反硝化的微生物多样性较高，使得副产物的产量较低。甘蔗渣作为碳源时，产生了较高NO2--N 累积，主要是因为大量小分子有机物促进了亚硝酸盐还原酶活性，并且高于亚硝酸盐还原酶的活性，造成两种还原酶的反应速率存在差值。橘子皮作为碳源时，反应过程中产生了大量的NH4+-N，可能是发生了异化硝酸盐还原为铵作用（DNRA）和有机氮氨化作用。DNRA 作用一般发生于高有机质环境中，使得NO3--N 被微生物直接还原为NH4+-N。另外，橘子皮中部分有机氮类物质在微生物作用下转化为NH4+-N。

3.2 pH 值对生物质碳源反硝化过程的影响

3.2.1 甘蔗渣碳源

图3 各pH 值条件下甘蔗渣碳源反硝化过程中硝酸盐累积去除率和亚硝酸盐浓度变化曲线

在pH 值为7.0 条件下，甘蔗渣表现出较好的硝酸盐去除效果，这与徐亚同（1994）的研究结果相符，反硝化适宜pH 值为中性环境。一般认为，反硝化过程是指硝酸盐依次在硝酸盐、亚硝酸盐、一氧化氮和氧化亚氮还原酶的作用下进行逐级还原，最终转化为氮气。当pH 值过低时，会抑制硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶的活力，进而限制了NO3--N 的去除。与硝酸盐还原酶相比，亚硝酸盐还原酶对外界条件变化更为敏感，受到抑制更为明显，进而造成了NO2--N 的积累。另外，反硝化属于一种产碱的生物化学过程，反应体系pH 值过高会抑制生化反应的进行，使pH 值为9.0 条件下的反硝化速率较低，且NO3--N 大量转化为NO2--N，发生了不完全的反硝化反应。

3.2.2 橘子皮碳源

采用橘子皮作为反硝化碳源时，在各pH 值条件下生物反硝化过程中NO3--N、NO2--N 和NH4+-N 的变化见图4。由图4（a）可知，与pH 值为7.0 条件下的NO3--N 快速去除相比，pH 值在5.0 和9.0 条件下的NO3--N 去除速率较为缓慢，在第13 天的NO3--N 去除率分别为76.6%和93.9%。由图4（b）可知，在pH 值为7.0 和9.0 条件下分别在第1 天和第8 天出现了NO2--N累积峰值，分别达到59.4 mg/L 和56.1 mg/L。在pH 值为5.0 的条件下，NO2--N 在第3 天后的累积趋于平缓，约为20.0 mg/L。由图4（c）可知，在pH 值为5.0、7.0 和9.0 条件下都出现了较高的NH4+-N 积累，在第13 天分别达到了14.2 mg/L、27.5 mg/L 和12.7 mg/L。

图4 各pH 值条件下橘子皮碳源反硝化过程中硝酸盐累积去除率、亚硝酸盐浓度和铵态氮浓度变化曲线

在橘子皮碳源条件下，较高和较低的pH 值均会限制反硝化速率，主要是因为这两种pH 值条件下均不利于反硝化生物的繁殖代谢。在pH 值为5.0 和9.0 条件下产生NH4+-N 的累积量低于pH 值为7.0 条件下产生NH4+-N 的累积量，这可能是因为前两种条件下的NO3--N 去除量较低，进而通过DNRA 作用转化为NH4+-N 的浓度也较低。总之，橘子皮不适合作为生物反硝化的碳源材料，因为pH 值对反应产物的影响较大，且会出现比NO3--N 毒性更大的NO2--N 和NH4+-N累积。

3.2.3 木屑碳源

在各pH 值条件下，木屑碳源反硝化过程中的NO3--N 和NO2--N 变化见图5。由图5（a）可知，木屑碳源的反硝化速率受pH 值条件影响明显，NO3--N 去除速率由高至低的pH 值条件依次为7.0、5.0 和9.0。在第13天，pH 值为7.0、5.0 和9.0 条件下NO3--N 的去除率分别为97.8%、61.4%和22.5%。在图5（b）中，木屑碳源在pH 值为7.0 的条件下未出现明显NO2--N 的累积现象；在pH 值为5.0 和9.0 的条件下，出现了较高浓度的NO2--N 累积，在第13 天分别达到4.45 mg/L和11.5 mg/L，占NO3--N 去除量的7.2%和51.1%。

图5 各pH 值条件下木屑碳源反硝化过程中硝酸盐累积去除率和亚硝酸盐浓度变化曲线

反硝化微生物在中性条件下能够较快进行繁殖代谢，发生了较为完整的反硝化过程，因此在pH 值7.0条件下硝酸盐得以快速地去除，并且产生的累积量也较低。在pH 值为5.0 条件下，微生物的代谢作用受到限制，过量的H+与NO2-反应生成了游离的亚硝酸，进一步对反硝化微生物尤其是对NO2-还原的微生物产生了毒性，造成了较高NO2--N 累积。在pH 值为9.0 条件下，由于碱性环境抑制了反硝化生物化学反应，发生不完全反硝化过程，使得反应停留在NO3--N 向NO2--N转化的阶段。

4 结论

采用甘蔗渣、橘子皮和木屑作为反硝化碳源，在初始NO3--N 浓度为100 mg/L 和pH 值为7.0 的条件下，NO3--N 的去除率均在97.0%以上。甘蔗渣和橘子皮碳源条件下，NO3--N 去除速率明显高于木屑碳源条件。但是，甘蔗渣和橘子皮碳源易出现毒性更强的产物，在反硝化过程中出现了NO2--N 累积峰值，尤其是橘子皮碳源条件下的NH4+-N 约占去除NO3-N 的29.0%。

pH 值对天然生物质碳源条件下的反硝化过程具有明显影响。在pH 值为7.0 条件下，3 种碳源均表现出较高的NO3-N 去除率。甘蔗渣碳源在pH 值为9.0条件下的NO3-N 去除率仅为43.1%，且有45.3%转化为NO2--N。木屑碳源条件下NO3-N 的去除速率较为缓慢，反应副产物NH4+-N 的累积量较低，但在pH 值为9.0的条件下出现了较高NO2--N 累积量。