不同固体碳源释碳特征及其对反硝化脱氮效果研究

朱辉翔 ，张树楠，彭英湘，肖金，刘锋，肖润林，戴桂金，朱小娇

（1. 中国科学院亚热带农业生态研究所，亚热带农业生态过程重点实验，长沙农业环境观测研究站，湖南 长沙 410125；2. 中国科学院大学，北京 100049；3. 湖南省生态环境监测中心，国家环境保护重金属污染监测重点实验室，湖南 长沙410014；4. 湖南省凤凰县农业特色产业中心，湖南 凤凰 416200；5. 大长江环境工程技术有限责任公司，湖北 武汉 430073）

碳源是生物脱氮工艺中重要的影响因素之一，它能在生物硝酸盐的去除过程中提供电子供体，将硝酸盐氮逐渐转化为氮气以实现脱氮，但是在反硝化过程中，普遍存在碳源不足的现象，因此需要额外投加碳源来提高脱氮效率[1-2]。传统的外加碳源分为液体碳源（如甲醇、乙醇、乙酸等）和固体碳源（人工聚合物和农业废弃物等）。液体碳源脱氮效果较好，但是甲醇等物质存在一定的毒性，且运输成本高，难以控制，而固体碳源中，聚已酸内酯（PCL）、聚乳酸（PLA）等人工聚合物因成本高，难以实现广泛应用[3-5]。因此，研究一种廉价、实用、安全且脱氮效果较好的外加碳源材料具有重要的现实意义。

农业废弃物是农业作物在收获和加工过程中产生的固体废弃物质，是一种重要的生物质资源，被认为是地球上最丰富的可循环利用的有机物质[6-8]。近年来，基于安全性和经济性等方面的考虑，以农业废弃物作为反硝化脱氮外加碳源的研究已成为热点[9-12]。农业废弃物具有成本低廉、来源广泛、生物降解性好等优点，其应用前景广泛。目前，研究较多的农业废弃物有稻草、稻壳、花生壳、秸秆、玉米芯、木屑和棉花等。邵留等[9]研究对比分析甘蔗渣、玉米芯、稻草、稻壳、花生壳和木屑6种农业废弃物为反硝化碳源的释碳和脱氮性能发现，玉米芯、稻草和稻壳具有较强的释碳能力，且其硝酸盐的去除率均达80%以上。Hua等[10]在研究用以木屑为碳源的反硝化生物滤池来处理农田地下水中的硝酸盐时发现，当硝酸盐氮浓度为20 mg/L、水力停留时间为6～24 h时，硝酸盐的去除率可以达到53.5%～100%。Liang等[11]发现用稻草作为外加碳源对低硝酸盐负荷的农业废水有较好的脱氮效果。Volokita等[12]研究用原棉做碳源来去除饮用水中的硝酸盐发现，当进水硝酸盐浓度为100 mg/L时，其脱氮效果显著，可以在短时间内完全去除其硝酸盐。除了农业固体废弃物外，近年来，水生植物因木质素、纤维素丰富也被逐渐作为反硝化外加碳源[13]。但目前有关水生植物的释碳特性以及水生植物和农业废弃物的反硝化脱氮效果比较的报道较少。

为了比较农业废弃物和水生植物作为传统碳源替代物的可行性，筛选出合适的外加碳源进行生物反硝化实验，本研究选取廉价的农业废弃物（稻草和锯木屑）和水生植物（绿狐尾藻Myriophyllum aquaticum和梭鱼草Pontederia cordata作为反硝化固体碳源，以其水解释放的化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）作为衡量指标，比较各材料的碳释放动力学特征；通过接种绿狐尾藻湿地活性污泥，分析水体COD、硝态氮（NO3--N）、亚硝酸盐氮（NO2--N）、铵态氮（NH4+-N）和总氮（Total Nitrogen，TN）等动态变化，研究上述固体碳源的脱氮性能，为用农业废弃物和水生植物替代传统碳源来进行生物反硝化实验提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究选取的稻草、绿狐尾藻和梭鱼草取自中国科学院长沙农业环境观测研究站的试验地，锯木屑取自当地农户。稻草、绿狐尾藻、梭鱼草剪成2 cm左右的长条，锯木屑不作处理，将上述材料用去离子水洗净后，65 ℃烘干至恒重，自然冷却后，放入样品袋中作备用。反硝化实验使用的活性污泥取自养殖废水绿狐尾藻湿地系统。

1.2 碳源释放试验

本研究于2019年9月15日至10月15日在中国科学院长沙农业环境观测研究站内进行，选取15个广口瓶，洗净并烘干，在广口瓶中分别放入5 g稻草、锯木屑、绿狐尾藻和梭鱼草，加入1 L的去离子水浸泡，静置释碳，每个处理3次重复。另外设立1个对照组，即广口瓶中直接加入1 L去离子水。为避免环境干扰物进入广口瓶中，瓶口用瓶塞封住。取水样前取下瓶塞，缓慢搅拌均匀，静置30 min后用经去离子水洗净的针孔注射器吸取上层清液50 mL于100 mL塑料瓶中，取样后塞回瓶塞。自实验开始第0.5、1、2、3、4、5、7、10、15、20、25和30 d采集各处理水样，分析各样品COD、NO3--N、NO2--N、NH4+-N和TN含量。

1.3 反硝化脱氮试验

本研 究于2019年10月20日至11月19日 在中国科学院长沙农业环境观测研究站内进行，选取15个广口瓶，洗净并烘干，在其中分别加入5 g上述试验材料，另设1个CK，每个处理设置3次重复。每个广口瓶中加入10 mL质量浓度10 g/L的活性污泥，加入500 mL由去离子水、硝酸钾、磷酸二氢钾配制含硝态氮100 mg/L、磷酸盐5 mg/L的试验溶液，塞上瓶塞使广口瓶处于密封状态，置于室温下培养。取样时取下瓶塞用经去离子水洗净的针孔注射器吸取上层液体40 mL于100 mL塑料瓶中，取样后塞回瓶塞继续静置培养。自试验开始第0.25、0.5、1、2、3、5、7、10、15、20、25和30 d采集各处理水样测其NO3--N、NO2--N、NH4+-N、TN、COD和pH值等指标。试验溶液NO3--N、NO2--N、NH4+-N、TN和COD背景值分别为104.72 mg/L、0.01 mg/L、0.01 mg/L、110.64 mg/L和7.14 mg/L，pH值为7.01。

1.4 水样测试方法

水样以4 000 r/min的速度离心5 min，取上清液用于NO3--N、NO2--N和NH4+-N的测定，未离心的水样用于pH值、TN和COD的测定。NO3--N、NO2--N和NH4+-N的浓度可以直接用AA3流动分析仪（Fir-star 5000，瑞士）测定；pH值通过台式pH计测定，TN浓度先通过碱性过硫酸钾消解，然后采用AA3流动分析仪测定；COD浓度测定采用重铬酸盐法（GB 11914—89）。

1.5 统计与分析

碳源材料的释碳过程满足二级动力学公式，释放曲线呈现较好的双倒数关系，即溶液中COD浓度（c）与时间（t）符合二级动力学关系[14]，其表达式为：

式中：cm为单位质量材料在溶液中释放的饱和COD浓度（mg/(g·L)）；k为常数（h·g·L/mg）。

令K=1/k，则：

式中：K为传质系数（mg/(h·L·g)），反映释放阻力；t1/2是COD释放浓度达饱和浓度一半时所用时间（h）。

采用Excel 2013对数据进行初步处理，数据作图使用Excel 2013和Origin 2021，并用SPSS 26选取Duncan作为比较方法来对数据进行单因素方差分析（ANOVA），相关性分析用Preason相关系数。实验数据在重复实验中取平均值和标准误。

2 结果与分析

2.1 不同固体碳源释碳动力学特征

4种固体碳源拟合所得的各项特征参数见表1。可以看出，四种材料的释碳拟合曲线均具有较高的相关系数，其释碳过程都符合二级动力学公式。其中，cm越大，材料最终释放COD浓度越高，表明材料释碳能力越大；K越大，表明材料传质阻力越小，有机碳越易于释放；t1/2越小，有机碳释放达平衡状态进行越快。从cm值来比较，稻草＞梭鱼草＞锯木屑＞绿狐尾藻，稻草的cm值最大，为25.64 mg/(g·L)，绿狐尾藻的cm值最小，为20.45 mg/(g·L)，但其值相差不大，说明4种材料的供碳能力相差不大。从K值来比较，绿狐尾藻＞锯木屑＞稻草＞梭鱼草，说明绿狐尾藻受到的传质阻力最小，最容易释碳。从t1/2值来比较，梭鱼草＞稻草＞锯木屑＞绿狐尾藻，说明绿狐尾藻达到碳释放平衡所需时间最短。综合分析，4种材料释碳能力相差不大，但绿狐尾藻能较快释碳，可以作为快速碳源使用；其他三种材料释碳相对缓慢，可以作为慢速碳源使用。

表1 4种固体碳源的释碳特征对比分析Table 1 Comparative analysis of carbon release characteristics of 4 solid carbon sources

图1为固体碳源材料水解释放的COD/TN图。可以看到4种材料水解释放的COD/TN值大小为锯木屑＞稻草＞梭鱼草＞绿狐尾藻，锯木屑COD/TN值高达148.75，而其他三种材料的平均COD/TN值为10～21之间。锯木屑与对照组之间无显著差异，而其他三种材料较对照组均显著降低。四种材料释放的COD浓度相差不大，其平均浓度处于90～110 mg/L之间，但锯木屑释放的氮素最少，其平均TN浓度仅为0.73 mg/L，而其他三种材料释放的平均TN浓度均大于5 mg/L。

2.2 不同固体碳源的反硝化脱氮效果比较

4种固体碳源处理后水体硝态氮浓度随时间均呈下降趋势（图2），其中稻草、绿狐尾藻和梭鱼草均取得较好的处理效果：去除率均达到99%以上。稻草和梭鱼草实验组下降的非常迅速，稻草在第3天便降至2.88 mg/L，去除率达到97.25%，梭鱼草在第5天降至0.41 mg/L，去除率达到99.61%；绿狐尾藻则在第15天降至0.18 mg/L，去除率达到99.83%。锯木屑的静态脱氮效果较另3种材料差，第30天，锯木屑的硝态氮浓度仍有20.03 mg/L，去除率仅为80.87%。

4种材料的NO2--N、NH4+-N和TN浓度随时间变化结果显示，稻草、绿狐尾藻和梭鱼草的亚硝氮均在第1天时达到最大积累，积累量超过15 mg/L，稻草与梭鱼草均从第5天开始几乎检测不到亚硝氮，绿狐尾藻从第15天开始几乎检测不到亚硝氮（图3），这与其硝氮去除率在第5天和第15天达到99%以上的结果相符。锯木屑从第2天开始出现亚硝氮的积累，一直到第30天都可以检测到亚硝酸盐的存在，这可能与锯木屑反硝化反应进行的不顺利有关。试验进行到后期，4种材料与对照组间均无显著差异。

4种材料处理的氨氮浓度都有不同程度的升高（图3）。稻草和绿狐尾藻都是一个先升高后降低的过程，其中，稻草在前两天有氨氮的积累，达到5.33 mg/L，第3天开始降低；绿狐尾藻则在前7天一直有氨氮的积累，达到13.71 mg/L，第10天开始降低。锯木屑在整个试验期间氨氮浓度都比较低，与对照组无显著差异。梭鱼草则是一个先增加（0～3 d）后降低（5～15 d）最后又迅速增加（20～30 d）的过程，增长到了84.20 mg/L，这与其释放的COD浓度存在显著性相关（P＜0.05）。试验进行到后期，4种材料除梭鱼草外均与对照组无显著差异，梭鱼草较对照组显著增加。

比较4种材料的总氮浓度可以看出，在试验初期，4种材料总氮浓度均呈上升趋势，其中，锯木屑的总氮浓度上升的比较少，与对照组无显著差异，而其他三种材料上升的比较大，较对照组显著增加（图3），这是因为锯木屑水解释放的氮素较少，而其他三种材料水解会释放较多氮素。随着试验继续进行，4种材料总氮浓度均开始下降，其中稻草下降的最快，第3天便降至24.47 mg/L，锯木屑和绿狐尾藻总氮浓度下降的较慢，而梭鱼草在试验后期总氮浓度开始迅速增加，第30天增长至180.06 mg/L，这与其积累了大量的氨氮有关。到试验后期，稻草、锯木屑和绿狐尾藻均较对照组显著降低，而梭鱼草较对照组显著增加。

不同固体碳源对水体COD的浓度变化具有显著影响（P＜0.05）。图4为4种固体碳源分解释放的COD质量浓度随时间变化曲线，结果显示，随时间的推移，各试验材料释碳量都出现不同程度的增加，且都经历了一个初期迅速增加后趋于平缓的过程。稻草整体上是一个先增加后稳定的过程，前7天增加至1 276.68 mg/L，后趋于稳定，稳定在1 200～1 300 mg/L之间。锯木屑的释碳量相对较少，前期整体处于增长趋势，第15天增加至254.31 mg/L，之后开始下降，这可能是锯木屑释碳的速率开始跟不上微生物消耗碳的速率导致。绿狐尾藻的释碳量在前5天迅速增加，达到1 292.25 mg/L，之后出现下降趋势，随着时间增加趋于稳定，稳定在1 000 mg/L左右。梭鱼草的释碳量在前3天是一个增加的过程，第3天增长至943.70 mg/L，第3～7天出现下降，之后再次增加并趋于稳定，稳定在1 500 mg/L左右。比较4种材料的释碳情况，稻草相较于其他3种材料是比较稳定的增长，其他材料的变化波动都比较大。稻草供碳充足，释碳范围从初期的562.59 mg/L稳定增长到后期的1 200 mg/L左右；锯木屑的释碳范围变化比较小，为10.07～254.31 mg/L；绿狐尾藻组的COD浓度在试验的中后期出现波浪式前进；梭鱼草水解释放的COD的释碳浓度变化较大，分别在第3、7和20天出现极大（943.70 mg/L）、极小（379.64 mg/L）和极大值（1 571.42 mg/L）。

3 讨论

3.1 不同固体碳源的碳源释放特征

植物水解释碳的过程一般分为三个阶段[15-16]：前期植物表层的糖类、有机酸、蛋白质和易溶性无机盐等水溶性物质快速分解；中期微生物对部分难溶但易分解的有机物开始分解利用；后期植物体内木质素、纤维素等难分解物质开始分解，分解速率缓慢。本研究4种碳源材料的释碳过程基本符合上述的三个阶段：前期迅速释碳，后期缓慢释碳直至平衡。试验初期，稻草这类秸秆类农业废弃物释放的COD较多，这可能是因为秸秆材料表面含有较多的可溶性有机碳和易脱落的有机颗粒物[17]，这些物质溶解于水中释放有机碳，这类有机碳释放完后，稻草内部的纤维素开始分解，随着反应的进行，难降解纤维不断积累，稻草分解受到抑制，导致后期释碳缓慢直至平衡。而锯木屑相较于稻草含有更多的木质素，木质素是一类更难降解的物质，其可以与半纤维素结合，将纤维素包裹其中阻碍其与微生物接触，从而导致锯木屑降解的更加缓慢[18]。绿狐尾藻和梭鱼草等水生植物的干物质表面富含淀粉和其他碳水化合物，这些物质在试验初期迅速水解释碳，之后体内难降解的粗纤维开始水解，导致其释碳缓慢直至平衡。

4种材料平均释碳量大小依次为：稻草（110.23 mg/L）＞梭鱼草（98.99 mg/L）＞锯木屑（98.20 mg/L）＞绿狐尾藻（96.22 mg/L）。赵联芳等[19]研究得出稻壳与木屑的释碳速率较为稳定，且稻壳的释碳量高于木屑，这与本研究结果是一致的。方远航和刘昱迪[20]研究稻杆等6种农业废弃物的释碳性能发现，单位质量稻杆在溶液中释放的饱和COD浓度高达217.39 mg/(g·L)，传质系数高达83.33 mg/(g·L·h)，而邵留等[14]研究稻草、稻壳等的释碳性能发现，单位质量稻草在溶液中释放的饱和COD浓度为46.95 mg/(g·L)，传质系数为11.22 mg/(g·L·h)，单位质量稻壳在溶液中释放的饱和COD浓度为46.72 mg/(g·L)，传质系数为3.25 mg/(g·L·h)，本研究得出的稻草在溶液中释放的饱和COD浓度为25.64 mg/(g·L)，传质系数为2.36 mg/(g·L·h)，这可能是因为本研究采用的固液比为1∶200，而邵留等[14]采用的固液比为1∶80，方远航和刘昱迪[20]采用的固液比为1∶50。钟胜强等[21]认为固液比显著影响植物的释碳，单位质量材料在溶液中释放的饱和COD浓度值和传质系数值会随固液比的增大而增大。

3.2 外加固体碳源对反硝化性能的影响

微生物反硝化过程中需要碳源，并且需要维持一定比例的C/N比，C/N比是影响反硝化的重要因素之一[22-24]。钟胜强等[21]研究发现，在废水反硝化实验中，当投加的固体碳源使水体中C/N比达到9时，便可实现高效脱氮。反硝化脱氮试验中碳源材料水解液的平均COD/TN比依次为：稻草（33.67）＞ 绿狐尾藻（19.04）＞梭鱼草（10.07）＞锯木屑（1.57）＞CK（0.17），除锯木屑外的3种材料水解液的C/N比均大于9，其反硝化效果也非常好，稻草在第3天硝氮去除率便达到97.25%，梭鱼草在第5天硝氮去除率达到99.61%，绿狐尾藻的硝氮去除效果相对较差，到第15天去除率才达到99%以上。锯木屑的去除效果最差，直到第30天，其去除率才达到80.87%，这可能是因为锯木屑供碳缓慢，且锯木屑表面光滑，不易于微生物的附着[9]，微生物活动较少，其对硝酸盐的利用较低，但随着实验的进行，其去除率一直在增加，说明锯木屑在持续缓慢的释碳，能够作为缓释碳源使用。Moorman等[25]通过场地运行实验对木屑反硝化长达 9 年的监测中也发现，木屑具有持久的反硝化性能。本研究中4种碳源材料对硝酸盐的去除均达到80%以上，这也与张雯等[26]研究的甘蔗渣、玉米秸秆、稻壳、小麦秸秆、玉米棒和木屑对硝酸盐去除率达到80%以上的结果相似。

4种材料除锯木屑外，亚硝氮浓度均在第1天时达到最大积累，这与Aslan和Türkman[27]的研究结果相符。有研究表明，在相同条件下，亚硝酸盐还原氮气所需的自由能（-41.45 kJ/mol）要高于硝酸盐还原成亚硝酸盐所需的自由能（-30.75 kJ/mol），反应中会优先发生硝酸盐的还原反应，而亚硝酸盐在一定时间内还难以还原从而导致亚硝酸盐的积累[28]，且不同的碳源会导致其NO3--N和NO2--N还原速率不同[29]。在本研究中，稻草与梭鱼草均从第5天开始几乎检测不到亚硝氮，绿狐尾藻从第15天开始几乎检测不到亚硝氮，锯木屑从第2天开始出现亚硝氮的积累，一直到第30天都可以检测到亚硝酸盐的存在。NO2-是反硝化过程中的中间产物[30]，NO2-的积累与碳源的供给量有很大的关系[31]。锯木屑实验组的亚硝氮浓度与COD浓度相关性显著（P＜0.05），其试验后期仍可检测到亚硝氮可能是因为锯木屑释碳缓慢，供碳不足导致反硝化反应进行的不完全。但是可以看到锯木屑第30天亚硝氮的含量明显低于第25天的，且趋向于零，这说明随着反应的进行，亚硝氮的积累会降低至趋向于零，这与Xie等[32]的试验结果一致。

植物水解释碳的同时也会向水体释放许多氮素和磷素[33-35]，导致试验初期总氮含量有所增加。Pettit等[36]研究表明稻草分解会释放出体内的氮素导致水中各形态氮含量升高。张雯等[26]研究发现木屑在水中会分解释放出少量的各形态氮素。童雄等[37]研究绿狐尾藻分解过程中碳氮磷的释放特征发现绿狐尾藻分解释放的氮素主要以有机氮和氨氮为主。梭鱼草在试验后期出现了氨氮的大量积累，这可能是因为在试验后期，梭鱼草释放出大量的COD，在碳源充足或硝氮含量过高的厌氧环境下，易发生硝酸根异化还原而导致氨氮浓度相对升高[38]。

4 结论

1）4种材料均能作为外加碳源的备选材料，能稳定的释放大量有机碳，同时释放的氮素含量相对较低。农业废弃物和水生植物等木质纤维素类有机废物因其结构性质富含单糖等易分解有机物质而能较好的释碳，但其含有的木质素纤维素等难分解物质的释碳过程还有待进一步研究。

2）4种材料均能实现高效脱氮，稻草、绿狐尾藻和梭鱼草的硝态氮去除率高达99%以上，锯木屑的硝态氮去除率也达到80%以上。但梭鱼草在试验后期会出现氨氮的大量积累，会造成水体二次污染。不同碳源材料在微生物作用下的释碳过程不尽相同，其造成的脱氮效果也千差万别。农业废弃物和水生植物在微生物作用下所释放的碳源性质还需进一步研究。

3）通过对4种材料释碳脱氮的对比分析认为，稻草、锯木屑和绿狐尾藻可以作为外加碳源使用，具有较好的实用价值和应用意义。但在实际应用中，投加碳源的方式优化如碳源投加量、碳源投加位置等研究有待进一步开展。