固相碳源的制备及其释放能力探究

范天丽，曹潇丹

（昆明绿地环保工程咨询有限公司，云南 昆明 650100）

1 前言

1.1 项目背景

湿地系统通过多种机理去除进水中的氮，这些机理主要包括植物摄取、基质吸附、氨挥发、氨化和硝化/反硝化。湿地中的主要去氮机理是微生物硝化/反硝化，硝化/反硝化去氮量占氮去除总量的60%～86%。在生物反硝化系统中，反硝化菌可以利用碳源作为电子供体，和作为电子受体，将和还原为氮气，同时达到去除有机物的效果。由此可见，氮的去除主要是依靠反硝化作用的顺利进行，而有机碳是否充足是影响反硝化作用的重要因素。同时进水的C/N也是影响生物脱氮效果的重要因素。

吴振斌等采用复合垂直流人工湿地处理武汉东湖湖水，研究发现上行池有机碳的相对不足限制了反硝化作用（吴振斌，2002）。Kozub D D等采用人工湿地处理渗滤液，研究认为人工湿地可降解生物有机碳是否充足是系统能否有效脱氮的关键（Kozub D D，1999）。薛玉等利用以沸石为填料的人工湿地处理滇池流域暴雨径流。研究表明，滇池流域初期暴雨径流中COD平均80mg/L左右，后期则不足20mg/L，C/N比不足1.0。所以在应用时，普遍出现由于碳源不足而影响脱氮效率的问题。系统氨氮的去除以反硝化作用去除为主，且直接与原水中碳氮质量浓度比有关，碳源是否充足是系统能否有效除氮的关键（薛玉，2003）。赵建采用复合垂直流人工湿地处理镇江市古运河河水，研究发现，古运河污染较严重，其中有机物污染物浓度较低，氮磷污染物含量较高，全年碳氮比不足3.0。添加葡萄糖作为有机碳能够提高人工湿地脱氮效率，碳源是否充足成为限制脱氮效率的关键因素（赵建，2006）。由于进水中碳源不足，故考虑添外源碳源。

1.2 固相碳源的选择及原因

1.2.1 选用固相碳源的原因

外加液体碳源的成本较高，同时可能会带来水的二次污染，为了克服这些缺点，考虑到生物可降解作为生物膜载体和碳源在异样反硝化领域的研究较为广泛。由于反硝化工艺需要外加有机碳源作为电子供体，在进水水质波动情况下容易造成碳源投加不足或者过量，影响出水水质，同时碳源的大量消耗会带来很高的运行成本，因此部分研究者提出采用一些固体有机物作为碳源。Muller等提出使用BDPs作为固相碳源解决上述问题，并采用PHA作为固相碳源和生物膜载体去除水中的硝酸盐，并取得了很好的效果（Muller，1992）。

固相碳源作为液体碳源的替代品应用于反硝化过程中，这些固体碳源不会溶解到水中，能根据微生物对碳源需求提供碳源，并能作为生物附着载体，提高反硝化菌的密度和活性，该工艺被称为“固相反硝化”。这些固体物质包括一些纤维素物质（棉花、报纸和秸秆）等，利用纤维素类物质支持生物反硝化具有廉价、高效、材料广泛、易得、无二次污染、无生物毒性等优点。

1.2.2 碳源材料的选择

在1980年代中后期，纤维素类固态碳源就开始被人们在生物脱氮中使用。Boussaid 等人将地下水泵出，引入到一个装载着稻草和藻砾的生物反应器中，经过反硝化反应后，再通过土壤将其回灌入地下水中。该工艺可以短时间内获得10～20mg/L的硝酸盐去除量（Boussaid，1980）。

天然高分子载体一般对生物无毒性，传至性能好，但强度低，厌氧环境下易被微生物分解，寿命短。天然高分子降解材料主要包括淀粉、壳聚糖、蛋白质、纤维素、木质素、天然橡胶型高分子材料、海藻酸钙、琼脂和角叉菜胶等。淀粉作为一种高分子碳水化合物，其高含碳量使其成为反硝化固相碳源的首选。

Soares 等用麦秆进行反硝化实验，反应器稳定一周后出现最大硝化速率0.053NO3-N/（L*d），随后反硝化速率急剧下降。当补充新鲜麦秆后，反硝化性能逐渐恢复，其出水中有一定色度、DOC检出（Soares，1998）。

本次实验在外加碳源的选择上主要是以淀粉、稻壳、锯末为原料，它们在主反应时间上稍有差别，通过研究他们的不同配比的释放碳源的能力和持久性，找出最佳配比，即能在反应的前期、中期和后期都能持续不断地提供充足的碳源。

1.2.3 包裹材料的选择

利用生物可降解材料作为碳源及生物膜载体，只需少量加入可溶性有机物即可为反硝化菌群的生长繁殖补充营养物质，BDPs材料在微生物体内酶的作用下降解，为细菌提供碳源，可以解决传统工艺中外加碳源不易控制的弊端，给微生物创造一个稳定、易于维护的生存环境。此外，常见的BDPs材料对人体无害，在所给定的条件下不会向水中浸出有毒有害物质，不产生对人体有害的代谢副产物；且该工艺简单、易于操作、投资与运行费用低。

常见的有机合成高分子载体包括PHB、PHBV、聚乳酸、聚酯、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯醇、聚丙烯酰胺、聚砜、硅胶和光硬化树脂等。这类载体一般强度较高，化学稳定性好，但传至性能稍差。在进行包埋时对细胞的活性有影响，易造成细胞失活。

淀粉作为一种高分子碳水化合物，其高含碳量使其成为反硝化固相碳源的首选（CHU L B，2011）。但一些高分子淀粉物质（如谷类和薯类），若直接加工处理成粉状物投加至水中用于补充反硝化碳源，会出现投加量难以控制的局面，而将其与聚乙烯醇混合加工制备成具有缓慢释放特性的碳源材料后，则可有效地解决这个问题。综合考虑后，决定选用聚乙烯醇包裹选用的碳源。考虑到聚乙烯醇含量的多少可能会影响最终的实验结果，故考虑作对照实验（WANG X M等，2009）。

2 实验方案设计

2.1 实验装置

采用三角锥形瓶浸泡相应的材料来进行模拟，通过周期性的测试，找到前期、中期、后期均能提供稳定碳源的材料配比和某一阶段效果较为理想的材料配比。实验过程中，为防止实验水样落入空气中的杂物，影响实验结果，锥形瓶口均用纸包住，再用皮筋封口。共7个配比，还有3个不同含量的聚乙烯醇对照，一个不用聚乙烯醇包裹的对照，一共是11个水样。

2.2 实验具体安排

按表1中的具体配方制作相应的样品，待其自然风干。然后观察用聚乙烯醇包裹的相应样品确实可以成粒，而且用水浸泡后确实能保持颗粒状，以保证水力停留时间和去除率。

2.3 实验材料及方法

2.3.1 具体实验配比

本次实验主要是考虑淀粉、稻壳、锯末的不同配比在反硝化过程中所能提供碳源的能力以及用不同含量的聚乙烯醇包裹的差别。总共有11个样品，见表1。

表1 配比1～11的具体配方

2.3.2 固相碳源的制备

先把实验材料混合（具体混合方法如表1），聚乙烯醇按一定比例制成10%、15%、20%的溶液。混合后用高压灭菌锅加热到121℃，使之溶解，成为聚乙烯醇胶状物。加热后倒入实验材料中，充分混合均匀后，手工捏成颗粒状，直径约为5～6mm。自然晾干，之后装密封袋中备用，共11个样品。

2.3.3 实验水样的制备

分别称取配比1～11的颗粒材料各2g置于事先准备好的锥形瓶中，各加入160mL蒸馏水浸泡。锥形瓶上贴上相应的标签，锥形瓶口均用纸包住，再用皮筋封口。为保证浸泡时间的一致，每次实验采样时间均为上午9∶30，采完样后把锥形瓶中的水样倒掉，重新加入等量的蒸馏水，进入下一个周期。相应的测量周期为3d，即每3d测相应的COD值。

2.3.4 实验测定方法及实验条件的确定

本次实验主要是测量水体中的COD值，测量采用国标GB11914-89重铬酸钾滴定法。实验计算公式：

碳源材料的释放有机质原理为溶解和扩散，碳源材料中有机质在水体中扩散分为两个阶段，在实验初期，附着在表面的小分子物质，以及随着碳源材料的溶胀而逐渐脱出的内部小分子物质，快速溶解到水溶液中，导致水体COD 释放量迅速升高；之后缓慢地释放、溶解到水体中，并逐渐达到扩散平衡。在生物反硝化的过程中，反硝化细菌利用释放的有机质作为能源、碳源后，水体中的有机质不断被消耗，水体中的有机质浓度过低会抑制反硝化的进行。如果添加的碳源材料起不到持续供碳的作用，则此种碳源材料不具有控释性。为了研究碳源材料长期有机质释放效果，也为了了解此类材料能否进一步释放有机质，经过初期释放后，更换水溶液，注入新鲜去离子水，用检测COD 的变化情况考察材料是否具有继续释放有机质的能力。故本次实验采用三角锥形瓶浸泡相应的材料配比来进行模拟，每次采完样后把锥形瓶中的水样倒掉，重新加入等量的蒸馏水，进入下一个周期。

金赞芳等研究发现，水力停留时间和水温是生物反硝化主要的影响因素。25℃下的生物反硝化比是14℃下的1.7倍，这是因为多数纤维素分解菌是中温菌，低温不利于其生长和繁殖。在水温25℃、进水硝酸盐为45.2mg/L的情况下，当水力停留时间为8.6h时，系统硝酸盐的去除率为99%，而当水力停留时间为7.2h时，总氮去除率仅为50%（金赞芳，2004）。故本次实验的实验装置不采用其他特殊处理手段，而是置于常温的实验室内静置。

3 结果分析及讨论

本次实验主要观察用聚乙烯醇包裹的相应样品，确定其是否可以成粒，而且在水中浸泡后仍能保持颗粒状。之后将各样品分别用水浸泡后，定期测量其水中的COD值。在具体实验中设置了对照，以确定实验结果的可靠性。

3.1 成粒实验

在按表1中的具体配方制作样品完成后，发现用聚乙烯醇包裹的样品自然晾干后确实可以成粒，直径约为5～6mm，颜色为黄褐色，大体成球形。它在水中浸泡的期间，按相应周期定期换水，经过60d仍能保持颗粒状。

3.2 配比COD 的变化趋势

3.2.1 配比1～7 的COD 变化趋势

在本次实验中，配比1～7相同点是它们在第3d的时候所释放出的COD值都最高，大约在2000～3000mg/L；COD值最低的是配比3，为1944mg/L，最高的是配比7，为3378mg/L。除了配比6和配比7外，配比1～5都是在第3d的时候释放的COD值最高，第6d的时候约减少一半，之后再降低，从第9d开始就一直在大约50～300 mg/L波动。而配比6和配比7在第3d的时候释放的COD值也是最高的，但从第6d开始就大幅降低，之后再持续降低，但它们都是在第15d的时候突然高于它们30～650 mg/L的波动范围，之后再在30～650 mg/L的范围内波动。

配比1的COD值除了第3d和第6d的数据之外，第9d到第21d的COD值均保持在一个相对稳定的范围内，即203～250mg/L；到第24d的时候，再降低到115mg/L。配比2的COD第3d时为2106mg/L，到第6d就降到了333mg/L，从第9d开始，它的COD值就保持在52～157mg/L波动。配比3也是从第9d开始，就保持在83～177mg/L的范围内波动。配比4 从第9d开始，就保持在93～202mg/L波动。配比5从第9d开始，就保持在157～302 mg/L波动。配比6、配比7的COD值相对稳定，除了第15d的数值高于近期的波动范围。

3.2.2 配比8～11 的COD 变化趋势

综合图2和本次实验结果来看，除了配比11比较稳定外，配比8～10都是第3d的COD值最高，然后大幅降低，最后保持一个相对稳定的状态。其中最高的是配比8，为5517mg/L。具体来看，配比11的COD值是最稳定的，在前期、中期均保持在1000左右，到后期则逐渐降低。配比8、9、10都是在第3d时的COD值最高，然后一直在一个范围内波动，到第15d突然增高，然后再降低。其中，除特殊点外，配比8的波动范围为：426～723 mg/L；配比9的波动范围为：93～421 mg/L；配比10的波动范围为：36～382 mg/L；配比11的波动范围为：411～1600 mg/L。

图2 配比8～11的COD释放碳源能力的变化（第9～24d）

3.2.3 关于实验中的COD 变化趋势的解释

实验中发现，配比4、配比6、配比7、配比8、配比9、配比10的COD值都在第15d突增，究其原因，应该是淀粉在浸泡到第15d的时候碳源释放达到最高值。任洪艳等利用不同的淀粉质有机物进行摇瓶反硝化降解实验中发现，木薯和马铃薯合成碳源材料分别在第12d和第16d达到最高释放量（任洪艳等，2011）。由于实验采用的是玉米淀粉，所以它和其它物质组成的固相碳源的碳源释放达到最高值的浸泡时间也与木薯和马铃薯的碳源释放达到最高值的时间有所差异。

实验中发现，不同配比的碳源释放都是第3d的值最高，然后有一个下降的趋势，再到某一个范围内波动。孙雅丽等利用腐朽木作为固相反硝化碳源的过程中发现，腐朽木在微生物作用下所释放出的有机物（COD）不断减少，与此同时伴随着硝酸盐去除速率的下降和部分亚硝酸盐浓度的积累（孙雅丽，2010）。S.Aslan 等利用不同的纤维素物质作为固相反硝化碳源时也发现了同样的现象；分析其原因是：固相反硝化进行初期，纤维素物质中容易释放的物质先被释放和利用，随着反硝化过程的不断进行，也伴随着容易降解部分的耗尽，使固体纤维素物质中可释放的碳源越来越少，以致碳源供应不足而使反硝化过程受阻（S.Aslan，2005）。所以综合来看，配比1和配比11逐渐减少就是因为随着的固相碳源中容易被释放的物质先被释放，伴随着容易降解部分的耗尽，使固体纤维素物质中可释放的碳源越来越少，呈现一个逐渐减少的趋势。而配比11因为没用聚乙烯醇包裹，碳源释放下降的趋势较配比1幅度更大，而且释放的COD值一直偏高，难以在实际应用中采用；配比1的下降幅度稍缓，且相对来说较稳定，更有实际研究价值和应用价值。

3.2.4 实验中的配比配方讨论

实验运行中水温差距较小，水温基本上都处在20℃以上，处在维持较高生物活性的温度下，忽略温度的变化对实验造成的影响。

对比配比2和配比3，发现除了实验初期外，从第9d的数据开始，配比3的变化趋势和配比2的一样，且在数值上一直大于配比2 。分析他们的配比后发现，相同重量的配比2 和配比3，配比2 的锯末含量高于配比3，稻壳含量低于配比3，淀粉含量一样。考虑到配比2 和配比3其他变量都一样，初步得出稻壳的释放碳源的能力略大于锯末。再对比配比6和配比7，发现除了实验初期和第12d的数值外，从第6d开始，配比7的COD值基本大于配比6 ；还发现相同重量的配比6和配比7，配比6的锯末含量高于配比7，稻壳含量低于配比7，淀粉含量一样。考虑到配比6和配比7其他实验条件都一样，再结合配比2 和配比3也是一样的情况，得出稻壳的释放碳源能力在中后期大于锯末的释放能力。

对比配比3和配比5，发现除了第18d的两个配比的数值相对接近外，配比5的COD值明显大于配比3。分析它们的配比之后发现，相同重量的配比3 和配比5，配比3的稻壳含量高于配比5，淀粉含量低于配比5，锯末含量一样。考虑到配比3 和配比5其他实验条件都一样，初步得出淀粉的释放碳源能力大于稻壳的释放碳源的能力。

对比配比2、配比3、配比5，发现配比5的COD值除了第18d，其它的COD值均大于配比2和配比3 。而配比3除了第3d外，它的COD值均大于配比2 。分析它们的配比差异后发现，相同重量的配比2、配比3、配比5，按份数来算，总共4份。配比2 的淀粉占1份，稻壳占一份，锯末占2份。配比3的淀粉占1份，稻壳占2份，锯末占1份。配比5的淀粉占2份，稻壳占1份，锯末占1份。淀粉含量稍多的配比5所释放出的碳源高于稻壳含量稍多的配比3，配比3又高于锯末含量稍高的配比2 。再结合李斌通过对玉米芯、稻草、稻壳、棉花这4种农业废弃物的研究发现，玉米芯初期可溶有机物较多，易于微生物的附着和生长；且比其它3种碳源表现出更好的长期反硝化效果，2.5kg玉米芯在46d累计去除了284.544g的硝氮。棉花、稻草前期处理效果较好，但长期反硝化能力不如玉米芯；稻壳的处理效果最差，几乎不能被微生物有效利用（李斌，郝瑞霞，2014）。还有邵留等选出玉米芯、稻壳、稻草、木屑4种农业废弃物作为反硝化碳源和生物膜载体，研究了4种碳源物质的释碳规律及外界因子对其释碳能力的影响。结果表明，4种碳源材料的释碳过程均满足二级动力学方程；比较而言，稻草的有机物释放量最大，释放速率也最快。24h内COD浓度就超过了30mg/L；木屑的有机物释放量最少，木屑的释碳能力是4种材料中最差的，整个研究过程中溶液COD浓度始终未超过17mg/L（邵留等，2011）。综上所述，可以得出：淀粉的释放碳源的能力＞稻壳的释放碳源的能力＞锯末的释放碳源的能力。

张大奕等对高分子缓释碳源材料的结构和功能特性进行了深入的研究，研究表明，由淀粉和聚乙烯醇合成的高分子材料内部存在较强的化学相互作用，构成一定晶体结构，并可缓慢释放用于反硝化的高分子有机物。有机物释放满足一级反应动力学，释放速度可由材料配比控制（张大奕等，2006）。观察图2可以发现，用10%的聚乙烯醇包裹的材料释放碳源的量除第15d外均高于15%和20%，且比用15%的聚乙烯醇包裹的材料和20%的聚乙烯醇包裹的材料更稳定；而用15%的聚乙烯醇包裹的材料和用20%的聚乙烯醇包裹的材料之间没有明显的高低之分，但用15%的聚乙烯醇包裹的材料比用20%的聚乙烯醇包裹的材料更稳定。王允等在对原位生物脱氮的缓释碳源材料性能研究中发现，在以不同比例的淀粉与聚乙烯醇共混制备的碳源材料中，2种物质相态结构会发生转换：在高淀粉材料中，聚乙烯醇可起到增韧增强的填充物作用（王允，2008）。因此，聚乙烯醇不仅有包裹固相碳源的作用，还与淀粉相互作用控制碳源的释放。

在实验前期，用10%的聚乙烯醇包裹的材料可以在水中浸泡60d仍然保持颗粒状，没有变软。研究需要包裹材料能在水中浸泡180d仍然不会变软，保持颗粒状，故考虑用15%的聚乙烯醇包裹的材料或者用20%的聚乙烯醇包裹的材料。研究发现，用15%的聚乙烯醇包裹的材料和用20%的聚乙烯醇包裹的材料在碳源释放的过程中差异不大。但用15%的聚乙烯醇包裹的材料更经济节约，所以决定采用15%的聚乙烯醇包裹的材料进行进一步的研究。

以乙酸钠、甲醇废液和啤酒废水为碳源进行生物滤池深度脱氮除磷实验，结果表明，当补充乙酸纳浓度为39mgCOD/L时，生物滤池出水中TN和TP浓度分别低于1.5mg/L和0.34 mg/L；当补充甲醇废液浓度为30mg COD/L时，生物滤池出水中TP和TP浓度分别低于1.2mg/L和0.13mg/L；当补充啤酒废水浓度为70mg COD/L时，生物滤池出水中TN和TP浓度均低于2.60mg/L和0.13mg/L，可见补充以上碳源生物滤池均可以达到较好的脱氮除磷效果，因此将以上浓度作为各种碳源的较佳补充浓度（袁敏，2008）。上述液体碳源的投加确实可以有效提高人工湿地的反硝化速率，但是，以低分子碳水化合物作为碳源时，微生物的氧化作用也会增强，从而消耗更多的碳源，降低碳源的有效利用率。且甲醇等液体碳源通常为水溶性物质，很容易随水流失，影响出水水质；而甲醇本身具有毒性，处理不好会带来二次污染。

在高污染负荷（CODCr浓度为138～190mL/L），CODCr负荷的消解主要在碳氧化阶段，碳氧化阶段完成的CODCr负荷消解占总消解量的84.17%，而对于氨氮负荷的消解主要在硝化阶段，在硝化阶段完成的氨氮负荷消解占总消解量的84.17%。在低污染负荷（CODCr浓度为65～78mg/L），CODCr氨氮负荷的消解并未呈现其在高污染负荷下的规律，而是呈现在碳氧化阶段、硝化阶段消解较为均衡的状况，两种污染物在两个阶段同时平衡地下降（郭洪源，2012）。配比11没用聚乙烯醇包裹，它释放碳源的能力一直比较稳定，但是因为它不成颗粒状，无形中延长了水力停留时间，降低了去除率，而且它还比较容易堵塞实验装置；COD值一直偏高，容易在治理过程中造成2次污染。所以配比11不适合作为硝化阶段的碳源供体。

从图1和图2可以看出，配比1～5相对较稳定，且由于它们的COD值是3d的一个积累结果，所释放的COD值适合于低污染负荷的污水处理；而配比8的COD值释放一直很高，比较适合于高污染负荷的污水处理；且发现配比1～10均具有缓释性能，随着时间的推移，可以不断地向水体释放有机质，可以考虑作为湿地反硝化过程的外加碳源。配比11没用聚乙烯醇包裹，它释放碳源的能力一直比较稳定，但是因为它不成颗粒状，无形中延长了水力停留时间，降低了去除率，而且它还比较容易堵塞实验装置；COD值一直偏高，容易在治理过程中造成2次污染。所以配比11不适合作为硝化阶段的碳源供体。配比6、7在碳源释放的过程中表现得不太稳定，在反应过程中不好控制，故不采用其作为湿地反硝化过程的外加碳源。配比1～5都是用含量为15%的聚乙烯醇包裹的，而配比8是用10%的聚乙烯醇包裹的，这也再次证明了聚乙烯醇不仅有包裹固相碳源的作用，还与淀粉相互作用控制碳源的释放。

图1 配比1～7的释放碳源能力的变化（第9～24d）

综上所述，得出聚乙烯醇不仅有包裹固相碳源的作用，还与淀粉相互作用控制碳源的释放；本次实验制备的固相碳源配比1～5具有缓释性能，随着时间的推移，可以不断地向水体释放有机质，且碳源释放较稳定，可以考虑作为湿地反硝化过程的外加碳源。

3.2.5 实验中的优势和存在的问题

在本次实验中，着重研究了各种配比的固相碳源的碳释放能力及稳定性，没有直接加入污水看实验效果，主要是考虑到配比较多，且影响反硝化的因素较多，难以顾全全局，故先看哪些配比的碳源释放效果较好且稳定，再进行进一步的实验。

虽然在实验中固相碳源有着一些不好控制的因素，但是以植物生物质作为外加碳源时，由于生物质受到附着态微生物的制约，可解决传统工艺中使用可溶性有机碳源所带来的外加碳源难以控制的弊端，给反硝化生物创造一个稳定、易于维护的生存环境。并且植物生物质大部分为高分子有机物，在充当反硝化碳源的同时可以作为反硝化细菌的生长载体，增加系统中微生物的数量和活性，从而提高湿地的反硝化速率，在实际应用中具有广阔的应用前景。

4 结论

（1）淀粉释放碳源的能力＞稻壳释放碳源的能力＞锯末释放碳源的能力。

（2）聚乙烯醇不仅有包裹固相碳源的作用，还与淀粉相互作用控制碳源的释放。

（3）本次实验制备的固相碳源配比1～5具有缓释性能，随着时间的推移，可以不断地向水体释放有机质，且碳源释放较稳定，可以考虑作为湿地反硝化过程的外加碳源。