含氮废水处理中“微生物+生物炭”技术的应用分析

李贤扬

（山东君成环境检测有限公司，山东 临沂 276002）

引言

“微生物+生物炭”技术作为一种新兴的废水处理方法，逐渐引起了人们的关注和重视。该技术通过利用微生物的降解能力和生物炭的吸附作用，有效去除废水中的氮化合物。微生物菌群可以代谢废水中的氮化物，并将其转化为较低毒性的产物。同时，生物炭具有良好的吸附性能，可以去除废水中的有机物和氮化合物，同时能够提供微生物附着载体。这一综合应用有望改善含氮废水的处理效果，而且具备可持续发展的潜力。

1 含氮废水的危害

1.1 水体富营养化

含有高浓度氮化合物的废水排放到自然水体中，会通过催化作用加速水体的富营养化过程。氮化合物作为植物生长的限制性营养物质，会导致水体中藻类、浮游植物等生物的大量繁殖，从而形成赤潮、水华等现象，破坏水体的生态平衡。为了有效防止水体富营养化，减少含氮废水的影响，就需要对废水进行有效处理，以降低氮化合物的浓度。

1.2 水体缺氧

氮化合物在水体中被微生物分解的过程需要消耗氧气。当含氮废水排入水体后，氮化合物的降解会也消耗大量氧气，从而导致水体中溶解氧的浓度降低，造成水体缺氧。而缺氧环境不利于水生生物的生存，并可能引发鱼类和其他水生动物的大规模死亡。此外，缺氧环境还会影响水生生物的生长发育、繁殖能力和行为，从而对水生态系统的结构和功能造成不可逆的损害[1]。

1.3 水质污染

在一定条件下，含氮废水中的氮化合物会形成氧化亚氮和亚硝酸盐，而这些物质具有较高的毒性。当含氮废水排入周围水体后，这些有害物质会对水质造成污染，进而对水生生物产生伤害。当受污染的水体被用于饮用水源或直接接触水体时，水中的有害物质很可能会通过口腔、皮肤或呼吸道进入人体，从而引发人类的健康问题，例如引起人体呼吸系统疾病、消化系统问题，甚至会有致癌风险，从而对人类健康构成潜在风险。

1.4 土壤污染

当含氮废水进入土壤后，氮化合物会通过渗滤、土壤吸附等作用进入土壤中。高浓度的氮化合物会对土壤中的微生物群落及有机质的分解过程产生影响，从而抑制土壤中生物的活动和功能。另外，土壤污染还会降低土壤的肥力和作物产量，甚至对人类健康构成风险，例如可以通过食物链进入人体。氮化合物也可能通过土壤排泄至地下水层，进一步影响地下水的质量。

2 “微生物+生物炭”废水处理技术的特点

2.1 处理效率高

微生物是在废水处理中具有生物降解能力的关键因素。通过利用适宜的微生物菌种，可以有效地降解废水中的有机物和氮化合物[2]。同时，生物炭作为一种高效吸附剂，可以吸附废水中的有机物、重金属等污染物质。通过结合微生物和生物炭的作用，可以进一步实现对废水中多种污染物高效去除的目的。

2.2 抗冲击负荷能力强

由于微生物对废水中的有机物和氮化合物具有较好的自适应能力，因而在处理过程中能够适应废水负荷的波动。生物炭具有较高的比表面积和孔隙结构，能够提供丰富的吸附位置，因而具有较强的污染物吸附能力。因此，“微生物+生物炭”技术对于处理高浓度和波动负荷的废水具有较好的抗冲击负荷能力。

2.3 具有可再生性和经济性

微生物和生物炭都具有可再生性，可以通过适当地处理和再生手段重复使用。微生物可以通过增加菌种或调节生长条件来提高其活性和降解能力，而生物炭可以通过热解等方法进行再生。这种可再生性使得“微生物+生物炭”技术在长期运行过程中具有较低的运行成本和较好的经济性。

2.4 具有环境友好性

微生物处理和生物炭吸附都是相对环境友好的废水处理方法。微生物处理过程中产生的气体主要是二氧化碳和水，所以对环境几乎没有污染。生物炭作为一种天然材料，可以通过适当的处理方式进行回收和再利用，从而减少了其对环境的影响。

3 含氮废水处理中“微生物+生物炭”技术的应用要点

3.1 微生物菌种及生物炭的选择

3.1.1 微生物菌种的选择

首先，“微生物+生物炭”应用于含氮废水处理中时，相关人员要注意不同废水所含有的氮化合物的组成和浓度不同，因此需要选择适宜的微生物菌种对其进行处理。此外，考虑到操作和维护的可行性，选择易于培养和管理的菌株也是工作人员需要重要的考虑因素。

常见的微生物菌种包括硝化细菌、反硝化细菌等，在降解氮化合物的过程中起着关键作用。菌种的选择还要基于废水的特性以及所需实现的处理效果。

（1）硝化细菌：对于含氮废水中的氨氮，选择能够进行硝化作用的硝化细菌非常重要。硝化细菌可以将废水中的氨氮氧化为硝酸盐，并释放出氮气。常见的硝化细菌包括亚硝化细菌（如亚硝酸杆菌）、硝化细菌（如硝化亚硝化杆菌）等。

（2）反硝化细菌：对于含氮废水中的硝酸盐，选择能够进行反硝化作用的反硝化细菌至关重要。反硝化细菌可以将废水中的硝酸盐还原为氮气，并释放出氮气和氧气。常见的反硝化细菌包括假单胞菌类（如假单胞菌属）、反硝化球菌类（如反硝酸盐球菌）等[3]。

（3）生物脱氮菌：由于部分废水中含有氮气，选择能够进行氮气还原的生物脱氮菌可以进一步去除氮污染。常见的生物脱氮菌包括反硝化细菌和正硝化细菌的一些特殊菌株，如好氧硝化细菌和反硝化细菌的共同菌株等。

（4）微生物合成菌株：有些微生物菌株能够通过吸附废水中的氨氮和硝酸盐，然后在固定相上进行微生物合成，并转化为蛋白质、微生物细胞等有价值的产物。选择适宜的微生物合成菌株可以将废水中的氮转化为有用物质。

3.1.2 生物炭的选择

在含氮废水处理中，“微生物+生物炭”技术中的生物炭的选择和应用非常重要。在选择生物炭时需要从比表面积、孔隙结构、碳氮比等方面入手，具体注意事项如下。

（1）比表面积和孔隙结构：选择具有较大比表面积和丰富孔隙结构的生物炭，可以增加其吸附液相氮化合物的能力。较大的比表面积提供了更多的吸附位点，而丰富的孔隙结构可以容纳更多的废水分子[4]。

（2）碳氮比：由于处理含氮废水需要选择碳氮比适宜的生物炭，通常，高碳氮比的生物炭有助于吸附废水中的氮化合物，同时为微生物的生长和代谢提供稳定的碳源供给。

（3）控制添加量和时间：在“微生物+生物炭”技术的实际应用过程中，工作人员需要控制生物炭的添加量和时间。添加适量的生物炭可以增加废水中氮化合物的吸附效果，但添加过多可能会阻碍微生物的接触和生长，从面可能降低微生物降解废水的效率。此外，生物炭的投加时间应结合废水处理过程的需求和生物降解的进程进行合理安排。

（4）微生物和生物炭的互补作用：生物炭不仅可以吸附废水中的氮化合物，还可以提供微生物生长的载体，因而可以形成微生物和生物炭的互补作用。微生物可以附着在生物炭表面，利用生物炭提供的微生物降解环境来降解废水中的氮化合物。

3.2 优化反应条件

反应条件的优化对于"微生物+生物炭"技术的应用非常重要，其中包括调整pH值、温度、水解负荷和溶氧含量等参数，以提供适宜微生物的生长环境和降解条件，促进微生物的降解活性，并保证生物炭的吸附效果。

首先，微生物的生长和降解能力受到pH值的影响。不同的微生物菌种对pH值的适应能力有所不同，因此在优化反应条件时，需要根据微生物菌种的酸碱适应范围来调节废水的pH值。一般来说，大多数微生物菌种在中性或微酸性条件下具有较好的生长和降解能力。其次，温度是微生物生长和降解活性的关键因素之一，合适的温度可以提供适宜的生长环境，从而促进微生物的降解活性。不同微生物菌株的温度适应范围也不同，因此需要工作人员根据菌株的要求来调节反应温度。一般来说，较为常见的微生物菌株的适宜温度一般在25～35 ℃之间。此外，应对水解负荷进行控制。水解负荷是指每单位时间内需要处理的废水量。过高的水解负荷可能导致微生物菌株过度累积或厌氧条件下的产物积累，从而降低处理效果。因此，需要合理控制水解负荷，确保微生物 菌株能够适应负荷的条件，并保持稳定的降解能力。最后，反应时间的合理安排，这里的反应时间是指微生物和生物炭对废水进行处理的时间。合理安排反应时间可以确保能够给予微生物充分的生长和降解废水的时间，同时还要保证生物炭能够充分发挥其吸附功能。考虑到微生物的生长速率和降解废水的需要，工作人员需要根据具体情况来确定合适的反应时间。

3.3 控制微生物的生长和降解

在含氮废水处理过程中，控制微生物的生长和降解过程是确保“微生物+生物炭”技术有效应用的关键要点。微生物的生长速率与废水中的氮化合物浓度和其他环境因素密切相关。在废水处理过程中，需要适当调节废水中的氮化合物浓度，以控制微生物的生长速率，目标是实现微生物的健康生长及其降解活性的最大化。此外，维持适当的碳氮比有助于促进微生物的生长并提高其降解能力。一般来说，较高的碳氮比有助于提供足够的碳源来支持微生物的生长和降解过程。因此，通过调整废水中的碳源供应，可以维持合适的碳氮比[5]。最后，废水处理人员要结合实际情调况制定合理的供碳策略，并向废水中提供适量的碳源，从而进一步促进微生物的生长，使降解过程有效进行。常见的供碳策略包括添加有机物、调整废水的碳氮比、使用外部碳源等。根据废水的特性和微生物的需求，选择合适的供碳策略可以实现微生物的健康生长和降解能力的最大化。此外，在条件允许的情况下，要尽量调控微生物群落的结构（微生物群落结构是指废水处理系统中存在的各种微生物菌株的比例和相互作用关系）。合理的微生物群落结构有助于提高其降解效率和系统的稳定性。通过合适的操作方法、增减菌种和生物种群等控制措施，可以调节微生物群落结构以适应废水处理的需求。

3.4 开展废水处理的监测与控制

在废水处理过程中，相关工作人员需要对处理过程进行实时监测和控制，以确保废水处理的效果和稳定性，其中包括监测废水中氮化合物的浓度、微生物菌群结构的变化、生物炭的吸附容量等指标，并根据监测结果进行反馈控制，通过调整操作参数达到良好的处理效果。

首先，废水中的氮化合物包括氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐等。监测废水中氮化合物浓度的变化可以帮助工作人员评估废水的处理效果和微生物的降解活性。常用的监测方法包括化学分析、光谱分析和传感器技术等。此外，监测微生物菌群结构的变化还可以反映微生物群落的健康状况和处理效果。通过监测微生物菌群结构的变化，可以及时发现异常情况，如微生物群落失衡或异养微生物的增长。常用的监测方法包括扩增子测序技术和实时荧光定量PCR等。

其次，要监测生物炭的吸附容量。生物炭是一种吸附剂，用于去除废水中的有机物和氮化合物。监测生物炭的吸附容量可以帮助工作人员评估其使用寿命和效果。常用的监测方法包括批量吸附实验和动态吸附实验等。以动态吸附试验为例，动态吸附实验模拟了实际废水处理过程中的吸附过程，因而更接近实际应用情况。在动态吸附实验中，废水流经装置中的生物炭床，在一定的流量和时间下，测量进出床的溶液中污染物浓度变化。通过监测进出床上污染物浓度的变化，可以计算出生物炭对污染物的吸附容量。

最后，根据监测结果，进行反馈控制和调整操作参数是确保污水处理效果和稳定性的重要步骤。例如，污水处理人员根据氮化合物浓度的变化，可以调整供碳策略和微生物群落结构，从而进一步提高污水中氮的降解效率，并根据微生物菌群结构的变化，可以调整操作条件，并通过添加抑制物质来降低异养微生物的影响。

4 结语

综上所述，“微生物+生物炭”技术作为一种处理含氮废水的方法，具有许多优点和应用前景。这种组合技术结合了微生物的降解能力和生物炭的吸附作用，能够高效地降解和去除废水中的氮化合物。但是需要注意的是微生物的活性对温度、pH值和氧气供应等因素较为敏感，因此需要对处理过程进行严格的操作和控制。目前，"微生物+生物炭"技术在水处理领域具有越来越重要的作用，为解决含氮废水问题提供了一种可行的解决方案。