不同碳源下反硝化亚硝酸盐积累情况研究进展

殷同昕，操家顺，张腾，张怡蕾，朱启荣，杨竹雨

(1.河海大学 环境学院，江苏 南京 210098；2.河海大学 浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 210098；3.国河环境研究院(南京)有限公司，江苏 南京 211599；4.中建水务环保有限公司，北京 100037)

近年来，我国城市化、工业化的发展推动了经济发展，但同时也导致生活污水和工业废水的排放量迅速增加[1-3]，氮化合物过度排放并在水体中大量积累，使受纳水体氮负荷过高，出现富营养化现象，对水体生态环境构成了严重威胁[4]。

生物硝化反硝化是目前应用最为广泛的污水脱氮工艺[5]，适用于处理碳源充足的废水，但部分生活污水和食品制造、电镀等行业产生的高氨氮、高硝酸盐工业废水[6]C/N较低，可生化性较差，若采用传统的硝化反硝化工艺进行处理则必须大量曝气和投加大量碳源，提高了能耗和运行成本。而厌氧氨氧化是一种全自养生物脱氮过程，厌氧氨氧化菌能在无需碳源的前提下[7]，在厌氧条件下以亚硝酸盐为电子受体将氨氮氧化为氮气，目前已被广泛应用于高含氮废水的处理中[8]，但大部分废水中亚硝酸盐浓度较低，必须依靠前处理工艺为厌氧氨氧化提供足够的底物亚硝酸盐。短程硝化是获得亚硝酸盐的常用途径，以此为基础开发的CANON等工艺已得到广泛使用，但短程硝化难以稳定，且必须利用其他工艺来去除硝酸盐。而反硝化过程中普遍存在亚硝酸盐积累现象[9]，这表明反硝化能够将硝酸盐部分还原为厌氧氨氧化所需的亚硝酸盐，在高氮低碳废水的处理中具有良好的应用前景，因此，如何在反硝化过程中实现亚硝酸盐的稳定高效积累成为了现阶段研究的关键问题。

有机碳源是缺氧反硝化过程中必不可少的电子供体，也是维持异养反硝化菌生长繁殖的重要能量来源，不同碳源在微生物体内的代谢途径不同，反硝化菌在利用不同碳源进行反硝化时的反应速率和碳源需求量存在差别，因此不同碳源下的反硝化过程和亚硝酸盐积累情况各不相同[10]，选择合适的有机碳源是实现亚硝酸盐稳定高效积累的关键。

本文介绍了短程反硝化的原理及其在脱氮方面的应用价值，详细阐述了不同碳源下的反硝化亚硝酸盐积累情况，并从各有机碳源的理化性质、亚硝酸盐积累情况、经济效益这几方面进行比较，评价其优缺点，为今后短程反硝化碳源的选择提供参考。

1 短程反硝化的原理及应用价值

1.1 短程反硝化的原理

反硝化作用是指反硝化菌在缺氧条件下以有机物为电子供体，将污水中的硝酸盐和亚硝酸盐还原为气态的N2或N2O、NO，从污水中去除的过程。反硝化反应可分为多个步骤，反硝化菌在硝酸盐还原酶(Nar)、亚硝酸盐还原酶(Nir)、一氧化氮还原酶(Nor)、一氧化二氮还原酶(Nos)的作用下，逐级将硝酸盐还原为N2[11-12]，物质转化途径见图1。

图1 反硝化过程的物质转化途径Fig.1 Substance transformation pathway of denitrification

由图1可知，反硝化过程中的亚硝酸盐积累现象是反硝化进行到第一步，即硝酸盐转化为亚硝酸盐的阶段产生的，该过程又被称为短程反硝化。

1.2 短程反硝化的应用价值

20世纪末厌氧氨氧化反应的发现为污水生物脱氮提供了新思路[13]。厌氧氨氧化能够同时去除水中的氨氮和亚硝酸盐，但大部分污水中氨氮浓度远高于亚硝酸盐浓度，因此要将厌氧氨氧化用于主流污水处理就必须要先通过前处理为厌氧氨氧化反应提供足够的亚硝酸盐，而反硝化过程中存在的亚硝酸盐积累现象表明反硝化能够作为厌氧氨氧化的前处理工艺为其提供亚硝酸盐。

短程反硝化和厌氧氨氧化的耦合主要有两种形式：一种是两段式，其耦合机理见图2a，含有硝酸盐和氨氮的废水首先进入短程反硝化反应器，以外部碳源作为电子供体将硝酸盐部分还原，完成亚硝酸盐的积累，然后在厌氧氨氧化反应器中完成氨氮和亚硝酸盐的去除；另一种是一体式，其耦合机理见图2b，含有硝酸盐和氨氮的废水进入反应器，短程反硝化过程将废水中的硝酸盐原位转化为厌氧氨氧化反应所需的亚硝酸盐，又可以在厌氧氨氧化反应发生时原位去除其产生的硝酸盐，从而在反应器中实现氨氮和硝酸盐的同时去除。

图2 短程反硝化-厌氧氨氧化工艺耦合机理[14]Fig.2 Mechanism of the integrated partial-denitrification andanammox processesa.两段式；b.一体式

综上所述，短程反硝化作为厌氧氨氧化的前处理工艺，一方面可以在去除污水中硝酸盐的同时将其部分转化为厌氧氨氧化反应需要的亚硝酸盐，使耦合工艺达到良好的脱氮效果；另一方面由于硝酸盐只需经过一步转化，可以适当减少碳源的投加，因此将短程反硝化与厌氧氨氧化耦合是一种经济有效的脱氮方式，在实现低C/N废水的高效脱氮方面具有重大的应用价值。

2 不同碳源下的反硝化亚硝酸盐积累情况

2.1 常规碳源

常见的用于反硝化的常规碳源有甲醇、乙醇、乙酸钠等，这些碳源都属于化学药剂，成分单一。研究者大多选用单一碳源来进行反硝化亚硝酸盐积累的研究，通过反应条件的控制，已在很多碳源的反硝化体系中实现了较稳定的亚硝酸盐积累；而使用混合碳源的研究甚少，目前仅有个别研究者在用混合碳源研究反硝化脱氮时发现了短暂的亚硝酸盐积累现象[15]。分别介绍以甲醇、乙醇、乙酸钠、糖类、甘油为碳源进行反硝化时的亚硝酸盐积累情况。

2.1.1 甲醇 甲醇是一种具有刺激性气味的无毒有机物，用作碳源时污泥产量小且运行成本较低，是污水处理厂最常用的外加碳源之一。微生物对甲醇的响应时间长，投加甲醇后需要一段时间的适应期才能发挥全部效果，因此甲醇不适合用作应急投加碳源，同时甲醇的代谢产物具有毒性，长期用于污水处理也会对受纳水体产生不利影响。

付昆明等[16]以甲醇为碳源，发现在14 ℃，pH=7.33的条件下，反硝化过程中出现了明显的亚硝酸盐积累现象，2.5 h时硝酸盐基本消耗完毕，亚硝酸盐积累率达到最大值43.2%，此后亚硝酸盐浓度开始逐渐下降直到消耗完毕，由此推测亚硝酸盐积累的原因是硝酸盐的存在会抑制亚硝酸盐的还原，之后Liu等[17]的发现也证明了这一点。牛萌等[18]以甲醇为碳源，在反硝化中实现了亚硝酸盐的稳定积累，发现当C/N为2.5时亚硝酸盐积累率最高，能达到89%，且基本不会下降，当C/N为3～5时，最大积累量没有明显差异，但积累到最大值后开始降低；同时pH也对亚硝酸盐的积累有显著影响，pH=7最有利于积累，在C/N为2.5，pH=7的条件下亚硝酸盐能够稳定高效积累，积累率最大能达到98.28%。

2.1.2 乙醇 乙醇属于低毒类化学品，由于毒性较低且作为碳源时污泥产率与甲醇相似，实际运用中常作为甲醇的替代碳源，乙醇会先被降解为以乙酸为主的脂肪酸，再被反硝化菌进一步代谢。

孙洪伟等[19]在研究SBR反硝化脱氮时观察到亚硝酸盐积累现象并对此进行了深入研究，结果表明，在低温下(13.9 ℃)以乙醇为碳源进行反硝化时，0～2 h内出现了明显的亚硝酸盐积累，最大积累率约为40%，此后亚硝酸盐浓度逐渐降低。Du等[20]以乙醇为碳源构建了短程反硝化-厌氧氨氧化一体式工艺，并控制C/N为3，研究了该工艺运行过程中的亚硝酸盐浓度变化，结果发现，反应开始 1 h 内出现了亚硝酸盐积累现象，在20.1 ℃下最大积累率为73%，将温度降低为15.5 ℃时，积累率降低到63%，但该研究中当亚硝酸盐积累量达到最大后就在厌氧氨氧化反应中被去除，因此并未讨论亚硝酸盐积累的稳定性。以上研究说明，以乙醇为碳源的反硝化过程中存在明显的亚硝酸盐积累现象，在低温下积累率会明显下降。

2.1.3 乙酸钠 乙酸钠是一种无毒的小分子有机酸盐，能够被反硝化菌快速利用，能立即响应反硝化过程，适合用作应急投加碳源，是污水处理厂的常用碳源之一。但其价格昂贵，用作碳源时污泥产量高，会给污泥处置带来一定压力。

Du等[21]将实验温度控制在23.6～28.8 ℃，以乙酸钠为碳源，分别在SBR和USB反应器中研究了进水硝酸盐浓度对短程反硝化的影响：依次调节SBR的进水硝酸盐浓度为30，100，400 mg/L，控制对应的C/N为3，2.75，2.5，发现亚硝酸盐积累率分别为63.2%，64.6%，74.4%，在进水硝酸盐浓度为400 mg/L、C/N为2.5的条件下，积累率达到最大；依次调节USB的进水硝酸盐浓度为30，100，400 mg/L，控制C/N为3，发现亚硝酸盐积累率分别为36.9%，51.4%，67.9%，这说明较高的硝酸盐进水浓度有利于USB中亚硝酸盐的积累，当进水硝酸盐浓度为400 mg/L时积累率达到最大，在整个实验过程中都实现了亚硝酸盐的稳定积累。董晓莹等[22]在25 ℃下，以乙酸钠为碳源，通过批式实验研究了不同C/N对反硝化过程中亚硝酸盐积累的影响，结果表明，当C/N为1和2.5时均能实现亚硝酸盐的稳定积累，平均积累率分别为88%和95%；当C/N为4时，亚硝酸盐不能稳定积累，达到最大积累量后浓度逐渐降低，反应结束时积累率仅有65%，因此C/N为2.5时积累率最大。总结以上研究结果，以乙酸钠为碳源能在反硝化过程中实现亚硝酸盐的稳定高效积累，因此乙酸钠极为适合被用作短程反硝化碳源。

2.1.4 糖类 糖类是多分子化合物，能被大多数微生物细胞利用，易引起细菌的大量繁殖，用作碳源时易导致污泥膨胀，影响污水处理厂出水水质。微生物对糖类的代谢过程较为复杂，需要先将多糖水解为单糖，然后单糖经过糖酵解分解成丙酮酸，再经脱氢酶进入三羧酸循环才能被反硝化菌利用[23]。有研究发现以糖类为碳源的反硝化过程中更易出现亚硝酸盐积累现象，推测其原因是糖类与其他低分子有机物相比具有更为复杂的分解代谢过程[24]。

葡萄糖和蔗糖是较为常用的糖类外加碳源。由于葡萄糖是最简单的糖，所以目前相关研究较多。葛士建等[23]控制反应温度为22 ℃，通过批式实验考察了葡萄糖为碳源时的反硝化亚硝酸盐积累情况，控制C/N分别为1.41，7.60，11.7，17.5和 29.3，结果表明，各C/N下均出现了亚硝酸盐积累现象；C/N为7.60时实现了较稳定的积累，最大积累率为37%；当C/N为11.7和17.5时亚硝酸盐积累量更大，但达到最大积累量后浓度迅速降低。刘琦[25]以葡萄糖为碳源，研究了C/N为1.1，3.4，4.6和5.7时的反硝化亚硝酸盐积累情况，结果表明在各C/N下亚硝酸盐均能稳定积累，C/N为5.7时积累率最大；此外，积累率也会受到温度的影响，18 ℃下最大积累率为32.2%，而28 ℃下可达到68.2%。蔗糖作为反硝化碳源时降解较慢，有研究表明，相比于葡萄糖和乙酸钠，以蔗糖为碳源的反硝化过程中更容易出现亚硝酸盐积累现象[26]，但蔗糖价格昂贵，相关研究较少，目前尚未有在蔗糖为碳源的反硝化过程中实现亚硝酸盐稳定积累的研究。此外，相比于甲醇和乙醇，以蔗糖为碳源的反硝化体系受到溶解氧的影响更大[27]，因此反应过程中需要对溶解氧精准调控，稳定运行难度大。

2.1.5 甘油 甘油是一种无毒的有机化合物，对环境无污染。目前我国的甘油大部分都是以天然油脂为原料生产的，即从生物柴油、动植物脂制皂等工业生产的副产物中回收并做后续处理。将副产物简单处理得到的粗甘油价格较低，但成分复杂，以粗甘油为碳源的反硝化脱氮效果尚不清楚；而将粗甘油纯化的处理成本较高[28]，虽然已有研究发现在以甘油为碳源的间歇曝气反应器中反硝化脱氮效率平均能够达到91%[29]，但较高的成本限制了甘油在实际污水处理中的应用。

Bernat等[30]投加甘油为碳源，用反硝化工艺处理水中的亚硝酸盐，发现在C/N为2时有32%的亚硝酸盐不能被还原，这间接说明在较低的C/N下进行反硝化时，会出现亚硝酸盐积累现象。Baideme等[31]在20～23 ℃的条件下，以甘油为碳源，研究了进水C/N对反硝化亚硝酸盐积累的影响，结果表明，在进水C/N为2.5，2.6，2.8的条件下，亚硝酸盐均能稳定积累，根据文献报道的实验数据可以计算出亚硝酸盐积累率分别为 43.8%，41.8%，48.8%，这说明当C/N在2.5～2.8之间时亚硝酸盐积累率变化不大，稳定在40%～50%，积累效果一般，但该研究的C/N范围过于局限，在其他C/N条件下以甘油为碳源是否能实现更高的亚硝酸盐积累率还有待进一步研究。

2.2 非常规碳源

生产工艺中产生的部分废弃物和工业废水中的一部分难降解有机物也可作为碳源，一些研究者投加这类非常规碳源，在反硝化过程中也发现了明显的亚硝酸盐积累现象。分别介绍将污泥发酵液、秸秆浸出液、黄水、含氮杂环化合物作为碳源进行反硝化时的亚硝酸盐积累情况。

2.2.1 污泥发酵液 将污泥厌氧发酵上清液中的挥发性脂肪酸(VFAs)作为反硝化碳源是一种经济的方式，该碳源可以直接由污水处理厂内部提供，在实现污泥减量的同时还能解决碳源运输的问题。但污泥发酵液成分复杂，不同的水解发酵条件下产生的污泥发酵液的成分各有差别，用作碳源时的反硝化速率也会有所不同。此外，污泥的水解发酵过程会伴随有氮磷的释放，若以碳源的形式将这部分氮磷投加到污水中，会导致污水厂氮磷负荷升高，这是将污泥发酵液用作碳源时必然存在的问题。

王淑莹等[32]在25 ℃下以污泥发酵液为碳源进行反硝化，考察了C/N为1，2，3，4时的亚硝酸盐积累情况，发现在C/N<4时，亚硝酸盐的最大积累量随C/N的增加而增大，亚硝酸盐积累率分别为 13.9%，28%，41.2%，47.5%，其中C/N为1和2时积累较稳定，而C/N为3和4时不能实现稳定积累，此外还发现分次投加碳源有利于保持稳定的亚硝酸盐积累。何岳兰等[33]发现，在25 ℃下，以酸性条件产生的污泥发酵液作为碳源进行反硝化时，硝酸盐还原速率小于亚硝酸盐还原速率，因此不会发生亚硝酸盐积累现象；以碱性条件产生的污泥发酵液作为碳源时会出现亚硝酸盐积累现象，其中用pH=10的碱性条件下产生的污泥发酵液作碳源时，亚硝酸盐积累率最大，可以达到82.5%，且能实现稳定积累。

2.2.2 秸秆浸出液 秸秆浸出液是将农业废弃物秸秆经过中温浸泡等简单处理后得到的，主要成分是丁酸、蛋白质、乙酸等，将其用作碳源有利于实现农业废弃物的资源化利用。但秸秆浸出液成分复杂，相关研究尚不充分。

刘琦[25]以秸秆浸出液作为反硝化碳源，研究了18 ℃时不同C/N条件下的亚硝酸盐积累情况，结果表明，当C/N为2.2，5.2，7.0，11.0时，亚硝酸盐积累率分别为 14.17%，43.99%，55.51%，52.71%，其中当C/N为11.0时，亚硝酸盐积累浓度达到最大值后便迅速下降；其余C/N条件下都实现了较稳定的亚硝酸盐积累，C/N为7.0的条件下亚硝酸盐积累量达到最大时，剩余的COD浓度较高，因此综合考虑污染物的去除效果，C/N为5.2最为合适。

2.2.3 黄水 黄水是白酒酿造过程中产生的副产物，含有大量的醇、醛、酯、有机酸、还原糖等[34]，COD可达25 000～40 000 mg/L，BOD可达25 000～30 000 mg/L[35]。将黄水用作反硝化碳源能够实现资源的再利用，但黄水的pH仅有3.0～3.5，工艺运行过程中必须注意pH的调控。

程静等[36]研究了以黄水为碳源的反硝化过程，实验过程中控制温度为25 ℃，pH为6.5～7.5，依次调节C/N为7，6.5，6，5，4.5，4，3，结果发现在不同C/N下，反应初期都出现了亚硝酸盐积累现象，当C/N为4.5时亚硝酸盐积累量最大，最大积累率约为47.6%；其余C/N条件下亚硝酸盐的积累率明显较低，仅有9.5%～21.4%。

2.2.4 含氮杂环化合物 含氮杂环化合物(NHCs)主要存在于焦化废水、印染废水中，喹啉、吡啶和吲哚是其中的典型化合物，这几种物质都属于致癌、致畸、致突变类物质，毒性强，而且难以生物降解[37]。将含有这类物质的有机工业废水作为碳源能够实现有害物质的资源化利用，但工业废水成分复杂，里面含有的其他物质会对工艺运行产生怎样的影响尚不清楚。

白凡玉等[38]在30 ℃、C/N=4的条件下，分别以吡啶、喹啉和吲哚作为碳源研究了反硝化亚硝酸盐积累情况，实验结果表明，以吡啶和喹啉为碳源的反硝化过程中，亚硝酸盐的最大积累率分别可达53.4%和16.4%；而以吲哚为碳源时亚硝酸盐积累现象不明显，最大积累率不超过4%，整个实验过程中均没有实现亚硝酸盐的稳定积累。田建强等[39]分别用喹啉和吲哚作为碳源，研究了 23 ℃ 时不同C/N条件下的反硝化亚硝酸盐积累情况，结果表明，以喹啉为碳源时，不同C/N下均出现了明显的亚硝酸盐积累现象，C/N为2.5时亚硝酸盐积累率最大，可以达到94%，且实现了稳定积累，此后最大积累率随C/N的增大而降低；以吲哚为碳源时，在各C/N下亚硝酸盐积累率都极低，C/N为5.1时积累率最大，仅有4.7%。总结以上研究可知，以典型含氮杂环化合物喹啉、吡啶和吲哚为碳源进行反硝化，除了吲哚外均出现了明显的亚硝酸盐积累现象。

2.3 各有机碳源比较与优缺点评价

从上述各有机碳源的理化性质、亚硝酸盐积累情况、经济效益这几方面进行比较，评价其优缺点，以期为今后短程反硝化碳源的选择提供参考。比较与评价结果见表1。

表1 有机碳源比较及优缺点评价表Table 1 Comparison of organic carbon sources and evaluation of advantages and disadvantages

3 总结与展望

在反硝化过程中实现亚硝酸盐的稳定高效积累在耦合厌氧氨氧化工艺实现低C/N废水高效脱氮方面具有重大的应用价值，而不同碳源下的反硝化亚硝酸盐积累情况各不相同，因此选择合适的碳源对实现亚硝酸盐稳定高效积累至关重要。使用甲醇、乙醇、乙酸钠、糖类、甘油这几种常规碳源进行反硝化时，通过工艺条件的控制大多都能实现亚硝酸盐的稳定积累，但将化学药剂用于大规模污水处理中时运行成本较高；使用非常规碳源进行反硝化时也能观察到亚硝酸盐的积累现象，这些非常规碳源多为生产工艺中的废弃物或废水中的有机污染物，如果能在反硝化亚硝酸盐积累方面得到有效利用，就能够减少废物排放并节约运行成本，但它们的组成普遍较为复杂，目前的研究尚不完善，离实际应用还有一定的距离。此外，部分碳源具有毒性，对微生物具有一定的毒害作用，不利于脱氮工艺的长期稳定运行，残余的有毒物质排入环境水体后在水体中积累，会导致水体污染和生物死亡，破坏水体生态环境。

考虑到将以上碳源应用于短程反硝化时存在的不足，今后的研究方向为：①改进常规碳源的生产工艺，进一步降低生产成本；②深入分析各种非常规碳源的成分与特点，探索将其作为反硝化碳源并实现亚硝酸盐稳定积累的潜力，实现资源的再利用；③研究和开发廉价、安全、高效的新型碳源用于短程反硝化，实现亚硝酸盐的稳定高效积累，为耦合厌氧氨氧化工艺并将其应用于主流污水处理奠定基础。