污水反硝化脱氮外加碳源应用前景

于 萍，于方田，张晓敏，陈 爽

[1.中国石油大学（华东）化学化工学院，山东青岛 266580；2.胜利油田分公司生产运行管理中心，山东东营 257097；3.山东胜利水务有限责任公司，山东东营 257097]

近年来，随着水污染的加剧，水体富营养化问题严重，水生动植物生命安全受到威胁，水体中总氮含量过高是造成此类问题的主要原因之一[1]。当前反硝化脱氮法工艺成熟，投资少，脱氮速率高，操作简单，是脱氮应用中最广泛的一种技术。但水体中C/N 比小，碳源不足是污水反硝化脱氮技术的主要瓶颈。需要添加外加碳源提高C/N 比，实现污水快速脱氮。外加碳源分传统碳源和新型碳源。传统碳源包括乙酸钠、乙醇、葡萄糖等；新型碳源主要包括固态碳源、液态碳源。其中固态碳源有天然纤维素类物质、人工合成可降解高分子材料等；液态碳源有工业废水、餐厨废弃物水解液等。随着时代进步，传统碳源逐渐失去主流位置。探索开发环境安全性能高、价格低廉、“以废治废”的新型外加碳源，成为研究的热点。本文将对几种代表性碳源进行综述，分析各种碳源反硝化效果及优缺点，为反硝化脱氮外加碳源的研究应用提供帮助。

1 传统碳源

1.1 乙酸钠

乙酸钠作为低分子有机酸盐，投加到水中不会生成难处理的中间物质，可以直接被反硝化菌吸收利用。胡小宇等[1]以乙酸钠、乙醇、葡萄糖及其两两混合物作为碳源对生活污水进行生物反硝化脱氮实验，实验表明乙酸钠的平均反硝化速率为6.9mg/（g·h），相比于其他两种碳源，乙酸钠反硝化速率最高。

熊子康等[2]分析甲醇、乙醇、乙酸和乙酸钠的技术经济成本，结果显示各碳源单位水量增加的成本分别为486.50、716.16、752.38和1 449.23元1万m-3，乙酸钠的投加成本远高于其他碳源。对比其他低分子有机物碳源，乙酸钠成本高，总体投加量大，且易发生亚硝酸氮积累现象，污泥产率高，限制了其进一步使用。

1.2 乙醇

众多醇类物质中甲醇是最早用于生产实践的反硝化碳源，但甲醇作为一种液体试剂，价格昂贵且剧毒，运输成本高，近年来逐渐被淘汰。乙醇作为结构仅次于甲醇的简单醇类，其无毒无害，对环境影响小，反硝化速率高，成为取代甲醇应用的一种碳源。

Peng 等比较甲醇、乙醇和乙酸三种外加碳源实现反硝化污水脱氮，结果表明反硝化效果显著提高，其中乙醇、乙酸和甲醇的反硝化速率分别达到9.6、12和3.2mg/（g·h）。通过比较，乙醇是最佳的外部碳源[4]。

乙醇作外加碳源，有很多优势。但作为一种危险化学品，其运输成本较高，当投加量不足时会引起亚硝态氮的累积，自身市场价格昂贵，严重制约其进一步应用。

1.3 葡萄糖

葡萄糖作为一种常见营养物质，反硝化效果较好，成本较低，是常用的传统碳源之一。Liu 等[4]以葡萄糖为碳源进行研究，以硝酸盐浓度为300.8mg/L 的天然地下水为实验溶液，测定硝酸盐去除率。发现反硝化的硝酸盐去除率甚至达到98.53%。身为一种多分子碳源，葡萄糖的应用饱受争议。葡萄糖做碳源极易造成细菌大量繁殖，引起污泥膨胀，给污水厂后处理带来压力。

受各种问题影响，传统碳源的应用深受制约。研究开发由多种碳源共同结合的复合型碳源，利用单一碳源优点，补充单一碳源缺点，降低碳源成本，提高脱氮效率，是今后研究的重点。如乙酸钠反硝化速率高，但成本高，产泥量高；葡萄糖为氮去除率高，脱氮效果较好，但反应时间长，亚硝酸盐积累量大等；乙醇无毒无害，环境影响小，反硝化速率高，但价格昂贵，运输成本较高（表1）。

表1 传统碳源优缺点总结

2 新型碳源

2.1 固体碳源

2.1.1 天然纤维素类碳源

天然纤维素类物质如玉米秸秆、木屑、棉花等。得益于天然的结构特性优势，具有丰富的孔道结构和较大的比表面积，为反硝化细菌提供大量的生存空间，是反硝化外加碳源优质来源。Xiao 等[5]向低C/N 比废水中添加玉米芯固体碳源进行反硝化脱氮，通过显微镜观察发现玉米芯表面存在大量微生物。但以玉米芯为代表的固体碳源释碳周期较短，不能长期释碳，机械强度较低，长时间在水中浸泡后会使纤维素载体软化造成堵塞等问题。因此，应用天然纤维素类物质为固体缓释碳源时，如何实现稳态释碳是突破技术瓶颈也是实现工业应用的关键之一。

2.1.2 人工合成的高分子材料

考虑到天然纤维素类碳源，结构易坍塌，释氮不稳定[5]等缺点，人工合成的高分子材料因结构稳定，成分确定，释氮效果优良等优点，成为固体碳源的一种发展趋势。常见人工合成高分子碳源材料有：聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）等。Xiong 等[6]对比PCL、PBS、花生壳、玉米芯和废弃大米等多种人工合成高分子物质和农业废物为碳源的反硝化效果，发现在脱氮方面，聚合物和农业废弃物都能促进低C/N 比废水脱氮，且人工合成高分子物质在释放碳的可持续性方面具有优势。

2.2 液体碳源

2.2.1 高浓度有机工业废水

食品、农产品加工工业有机废水具有较高的有机浓度，从经济、环境和实用性的角度出发，可作为反硝化的潜在外加碳源。Fernández-Nava 等[7]测试了三种工业废弃物：糖厂废水、饮料厂残渣和乳品厂残渣为碳源时的反硝化脱氮效果。结果显示，与传统碳源甲醇作为碳源相比，三种碳源的反硝化速率均高于41mg/g·h，范围在41.6～46.8mg/g·h 之间。工业废水作为外加碳源，虽然能降低污水厂的脱氮成本，满足“以废治废”的理念。但在实际应用中要考虑的因素过多，工业废水的个体化差异大，在选择其作为外加碳源时既要考虑成分是否会影响微生物的生长，也要考虑工厂分布、运输成本、投加方式等。

2.2.2 餐厨废弃物水解液

餐厨废弃物厌氧消化产生的水解液含有大量挥发性脂肪酸（VFAs）。其毒副作用小，实现餐厨废弃物有效资源化，是一种适合的潜在碳源。厨余垃圾发酵是获得反硝化碳源的重要途径，餐厨垃圾发酵液中的有机物（有机酸和可溶性碳水化合物）是易于生物降解的碳源。Tang 等[8]对以大米、蔬菜和肉类为主要组成的食物垃圾搅碎发酵，以SBR 运行，计算了脱氮的比反硝化速率、反硝化潜力、缺氧污泥产量和化学需氧量利用效率等。结果表明，该碳源极易被微生物吸收，能有增强反硝化作用，出水NO3-N 含量维持在2.5mg/L 以下，总氮去除率达85%以上，在长期废水处理过程中实现高脱氮效率。但将餐厨废弃物的水解液应用于实际污水脱氮，引入大量溶解性有机物和有机氮，增大了污水后期处理压力，同时预处理费用也成为制约进一步发展的因素（表2）。

表2 新型碳源优缺点总结

3 总结与展望

1）开发其他潜在传统碳源。实际上乙酸钠、乙醇、葡萄糖等传统碳源，因内在弊端逐渐被淘汰，使用性价比高的潜在碳源将成为一种趋势。

2）现有新型碳源应用技术的改进。工业废水、厨废弃物水解液为代表的新型碳源，实现废物再利用，满足当今世界的环保理念，但此类新型碳源的的使用必须经过必要的预处理，且预处理过程复杂，价格昂贵，经济不能得到保障。因此对其预处理工艺技术改进是急需解决的问题。

3）复合型碳源的制备开发。单一碳源存在某些方面的不足，将不同种碳源进行混合制备复合碳源，往往会产生优于单一碳源的效果。发挥不同碳源的优点，制备低成本，高反硝化脱氮效果的复合型碳源也是当今研究的重点。