降低脱氮成本的新型碳源与工艺研究概况

荆肇乾，彭英艳，何瑞，胡静，杨凯华

（南京林业大学土木工程学院，南京 ２１００３７）

摘要：为了减轻外加商业碳源给生物反硝化带来的经济负担，降低生物反硝化法的处理成本，需要寻找无毒且更为廉价的碳源以及探寻具有可持续发展前景的强化生物脱氮技术，以取消或减少外部碳源的添加。阐述了目前已投入使用的几种新型碳源以及无外加碳源的序批式生物膜反应器（ＳＢＢＲ）脱氮工艺、两级序批式反应器（ＳＢＲ）脱氮工艺和其他改进工艺。通过新型廉价碳源的合理利用及组合生物脱氮工艺技术的开发，可以在自有碳源有限的条件下提高生物脱氮效率。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：生物反硝化；新型碳源；无外加碳源；生物脱氮工艺

中图分类号：Ｘ７０３ 文献标识码：A 文章编号：0439－８114（２０15）03－0517-03

近年来，由于大量含氮生活污水和工业废水排入水体以及农用化肥的过度使用等原因，加速了河流、湖泊的富营养化。因此，开发有效的脱氮技术成为研究的热点。在众多的脱氮技术中，生物法是运用最为广泛的一种。传统的生物脱氮由硝化过程和反硝化过程两部分组成，而生物反硝化过程中往往存在缺少碳源的问题，为保证反硝化反应的顺利进行必须有充足的碳源提供，而依靠投加甲醇、乙醇等传统碳源，处理成本较高［１］。为了降低水体脱氮成本，一方面可以寻找无毒、廉价的新型碳源来代替传统碳源；另一方面需要研究无需外加碳源的脱氮工艺。

１ 新型碳源

低碳氮比污水因自身有机质不足导致脱氮效率较低。目前解决该问题的主要方法之一是外加部分碳源，如甲醇等，但由于添加的物质往往成本较高，有些还有毒性，在实际生产中难以广泛运用。所以如何以最低的代价提高脱氮率是低碳氮比污水生物脱氮面临的主要问题［２］，而寻找合适的新型外加碳源也成为目前关注的热点［３，４］。

新型碳源主要以一些价格低廉的天然固体有机物为主［５］。早在１９８８年，Ｂｏｕｓｓａｉｄ等［６］就首次将纤维素作为碳源运用到地下水修复当中，而近年来，富含纤维素类物质的天然固体有机物正逐渐用作外加碳源，至今已有研究的纤维素类天然固体有机物有甘草、芦苇、棉花等植物，植物秸秆和纸等。

１．１ 甘草、芦苇、棉花等植物

甘草、芦苇、棉花等植物的主要成分为纤维素，它们还拥有较大的比表面积能让更多的细菌附着，加快反硝化过程，这些特点使得甘草、芦苇、棉花等植物可作为菌群的生物载体和反硝化碳源。

Ｏｖｅｚ［７］利用序批式厌氧生物膜反应器，比较了Ｇｒａｃｉｌａｒｉａ ｖｅｒｒｕｃｏｓａ（一种在太平洋西北岸地区普遍生长的灌木）、萃取的甘草根、大型芦苇分别作为碳源的情况。结果表明，Ｇｒａｃｉｌａｒｉａ ｖｅｒｒｕｃｏｓａ因其营养物质蛋白质含量高，比表面积大，具有最好的反硝化脱氮效果。在Ｇｒａｃｉｌａｒｉａ ｖｅｒｒｕｃｏｓａ脱氮系统中，可溶性有机碳的含量最高，可生化性最好；硝酸盐氮在１４ ｄ完全被去除。

Ｖｏｌｏｋｉｔａ等［８］在实验室条件下，以原棉为碳源去除饮用水中的硝酸氮。在该研究中，棉花同时作为碳源和微生物生长的基质。试验结果表明，以棉花为碳源脱氮效果明显，进水中的硝酸盐能在较短时间内完全脱除，出水有机物含量低，无氮气堵塞问题和亚硝酸盐积累情况。金赞芳等［９］同样以棉花为外加碳源和细菌生长的载体，利用生物反应器去除了地下水中的硝酸盐。试验结果表明，在室温（２５±１） ℃，停留时间９．８ ｈ，进水２２．６ ｍｇ／Ｌ的ＮＯ３－－Ｎ完全被去除。棉花在反硝化过程中可以逐渐完全被利用，而且对环境无害，处置方便。

１．２ 植物秸秆

目前国内外已有利用植物秸秆作为反硝化碳源的试验研究报道，Ｉｎｇｅｒｓｏｌｌ等［１０］和Ｇｉｂｅｒｔ等［１１］研究了以香蒲茎叶等枯落物为有机碳源处理氮污染严重的地下水，结果表明反硝化脱氮效率明显提高。

魏星等［１２］将玉米、芦苇秆、树枝、稻壳４种植物秸秆材料添加在人工湿地系统中，结果表明，补充植物秸秆后，人工湿地系统的脱氮效果得到了显著强化，ＴＮ去除率从４４％左右提高到５３％～６６％，而植物秸秆的种类对湿地脱氮效果无显著影响，但是碳源补充在中层的脱氮效果好于碳源补充在表层的脱氮效果。

金赞芳［１３］采用装了麦秆的反应器来进行脱氮处理。反应器用麦秆、沙子和灰泥土的混合物填满，沙子和麦秆提供了一个稳定的反硝化环境。水力停留时间为２ ｈ，在３０ ｄ的工作时间中，硝酸盐的去除率达到１００％。

徐锁洪等［１４］进行了以稻壳为载体培养固定反硝化菌去除水中ＮＯ３－－Ｎ的试验。结果表明，以稻壳为载体培养的反硝化菌在ＮＯ３－－Ｎ初始浓度为０～１００ ｍｇ／Ｌ范围内，ＮＯ３－－Ｎ去除速率随着其浓度的升高而加快，ＮＯ３－－Ｎ平均去除速率为５．９ ｍｇ／（Ｌ·ｈ），去除率达９１．６％。邵留等［１５］进行了以稻草为碳源和生物膜载体去除水中的硝酸盐的试验，其去除率可达９０％以上。

１．３ 纸

纸的主要成分为纤维素、半纤维素、木质素等。Ｖｏｌｏｋｉｔａ等［１６］在实验室条件下，以报纸为碳源去除饮用水的硝酸氮，在该工艺中，报纸既是碳源，又是微生物生长的基质。试验结果表明，该工艺的脱氮效果明显，进水中质量浓度为１００ ｍｇ／Ｌ的硝酸盐能在较短时间内完全脱除，且出水有机物含量低，没有检测出色度和气味，且无亚硝酸盐积累情况。

金赞芳等［１７］对以纸为碳源和反应介质的生物反应器对水中硝酸盐的去除展开了研究。试验结果表明，以纸为碳源和反应介质的生物反应器能成功地去除地下水中的硝酸盐。反应器启动快，耐冲击，即使在较短的停留时间内也能保持很高的去除效率。

２ 无外加碳源的脱氮工艺

２．１ 无外加碳源ＳＢＢＲ脱氮工艺

序批式生物膜反应器ＳＢＢＲ（Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ ｂａｔｃｈ ｂｉｏｆｉｌｍ ｒｅａｃｔｏｒ）是通过向序批式反应器（ＳＢＲ）中添加载体而形成的一种新型污水处理工艺，采用其进行脱氮具有两个重要特点：微生物附着生长，易生成世代期长的硝化菌；在好氧阶段，ＳＢＢＲ中的生物膜能创造缺氧微环境并吸收、储存碳，降低了硝态氮的浓度。有利于在好氧情况下实现同步硝化反硝化［１８］。另外在缺氧阶段，可利用内碳源实现剩余硝态氮的反硝化，无需外加碳源［１９］。

２．２ 两级ＳＢＲ无外加碳源除磷脱氮工艺

龙北生等［２０］采用两个ＳＢＲ反应器串联运行，通过控制泥龄，成功地实现了将聚磷菌与硝化菌分别控制在两级反应器中优势生长。工艺运行模式如图１所示，在ＳＢＲ２中完成硝化反应后，再将其上清液一次性回流到ＳＢＲ１中，利用其富磷污泥中剩余的有机物［包括胞内的聚β－羟基丁酸盐（ＰＨＢ）］为电子供体进行反硝化脱氮，以达到最大限度地利用进水中的有机物，实现在无外加碳源的条件下完成除磷与脱氮功能。

曾薇等［２１］采用两级ＳＢＲ工艺处理化学需氧量（ＣＯＤ）与氮浓度较高的工业废水，并与传统ＳＢＲ法比较，发现两级ＳＢＲ工艺在无需外加碳源条件下，ＣＯＤ降解速率和硝化反应速率明显高于传统ＳＢＲ法，脱氮除磷效果较好。

罗固源等［２２］采用新型双泥生物反硝化除磷脱氮工艺（由两个不同功能的ＳＢＲ反应器组成）解决了硝化菌与聚磷菌的泥龄之争、反硝化与聚磷菌厌氧释磷的矛盾，使其硝化段、反硝化脱氮吸磷段和好氧吸磷段都处于较理想的反应条件下，改善了脱氮除磷效果。

２．３ 其他改进工艺

在城市污水处理中，应用反硝化除磷［２３］、短程硝化反硝化、同步硝化反硝化等技术研究结果表明，通过工艺技术优化和运行参数控制，城市污水中的有机物可同时满足生物除磷与脱氮过程的要求，取得良好的除磷脱氮效果。

胡学斌等［２４］采用ＳＢＲ工艺辅以污泥外循环厌氧释磷后排放富磷上清液的方法，对低碳源城市污水的脱氮除磷效果进行了研究，结果表明，在处理低Ｃ／Ｎ、Ｃ／Ｐ污水的过程中，对氨氮、总氮、总磷的平均去除率可分别达到８２％、６１％、９５％。王少坡等［２５］利用城市污水厂二沉池回流污泥的内碳源进行反硝化试验，发现采用短程内源反硝化，在去除亚硝酸盐的同时，不仅可以节省外加碳源，还可以减少剩余污泥的产量和污泥处置费用。刘智晓等［２６］进行了低碳源条件下利用侧流活性污泥水解技术强化生物脱氮除磷研究，在进水均值ＣＯＤ为１６５ ｍｇ／Ｌ、ＴＰ为３．３ ｍｇ／Ｌ、ＴＮ为３７．５ ｍｇ／Ｌ、ＣＯＤ／ＴＮ为４．４且无外加碳源的情况下，出水ＴＮ可稳定低于１５ ｍｇ／Ｌ。张波等［２７］采用倒置Ａ２／Ｏ的工艺处理城市污水，结果表明，倒置Ａ２／Ｏ工艺的反硝化速率可比常规Ａ２／Ｏ工艺高４０％～５０％，其氮磷脱除功能明显优于常规Ａ２／Ｏ工艺。

３ 结论

我国城市污水和水体脱氮面临的主要问题是进水碳源不足，直接影响了生物脱氮效果，为了满足达标要求往往不得不考虑采用外加商业碳源强化脱氮过程，但是外加碳源将导致运行成本提高和污泥产量的大幅增加，对于污水厂和水体治理设施的长期运行很不经济。本文介绍了几种无毒且更为廉价的新型碳源，如甘草、芦苇、棉花等植物，植物秸秆和纸等，并对几种无需外加碳源的强化生物脱氮除磷工艺，如ＳＢＢＲ脱氮工艺、两级ＳＢＲ除磷脱氮工艺和其他改进工艺进行了探讨。通过新型廉价碳源的合理利用，组合工艺中自有碳源的合理调配，可以使生物脱氮过程更加经济和有效。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献：

［１］ 周海红，王建龙．利用可生物降解聚合物同时作为反硝化微生物的碳源和附着载体研究［Ｊ］．中国生物工程杂志，２００６，２６（２）：９５－９８．

［２］ 高景峰，彭永臻，王淑莹．有机碳源对低碳氮比生活污水好氧脱氮的影响［Ｊ］．安全与环境学报，２００５，５（６）：１１－１５．

［３］ 汤 兵，王五洲，石太宏．低碳源条件下反硝化同步除磷脱氮的研究［Ｊ］．工业水处理，２００７，２７（１２）：４９－５１．

［４］ Ａ Ｓ， ＫＡＲＡＨＡＮ ?魻， ＯＲＨＯＮ Ｄ． Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｈｉｇｈ ｎｉｔｒａｔｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｎ ＰＨＢ ｓｔｏｒａｇｅ ｉｎ ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ ｂａｔｃｈ ｒｅａｃｔｏｒ ｕｎｄｅｒ ａｎｏｘｉｃ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ［Ｊ］． Ｂｉｏｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２００９，１００（３）：１３７６－１３８２．

［５］ 邵 留，徐祖信，尹海龙．污染水体脱氮工艺中外加碳源的研究进展［Ｊ］．工业水处理，２００７，２７（１２）：１０－１４．

［６］ ＢＯＵＳＳＡＩＤ Ｆ， ＭＡＲＴＩＮ Ｇ， ＭＯＲＶＡＮ Ｊ． Ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ－ｓｉｔｕ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｗｉｔｈ ｓｏｌｉｄ ｃａｒｂｏｎ ｍａｔｔｅｒ［Ｊ］． Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔ， １９８８，９：８０３－８１６．

［７］ ＯＶＥＺ Ｂ． Ｂａｔｃｈ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ Ａｒｕｎｄｏ ｄｏｎａｘ， Ｇｌｙｃｙｒｒｈｉｚａ ｇｌａｂｒａ， ａｎｄ Ｇｒａｃｉｌａｒｉａ ｖｅｒｒｕｃｏｓａ ａｓ ｃａｒｂｏｎ ｓｏｕｒｃｅ［Ｊ］． Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， ２００６，４１（６）：１２８９－１２９５．

［８］ ＶＯＬＯＫＩＴＡ Ｍ， ＡＢＥＬＩＯＶＩＣＨ Ａ， ＳＯＡＲＥＳ Ｍ Ｉ Ｍ． Ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｕｓｉｎｇ ｃｏｔｔｏｎ ａｓ ｅｎｅｒｇｙ ｓｏｕｒｃｅ［Ｊ］． Ｗａｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， １９９６，３４（１）：３７９－３８５．

［９］ 金赞芳，陈英旭，小仓纪雄．以棉花为碳源去除地下水硝酸盐的研究［Ｊ］．农业环境科学学报，２００４，２３（３）：５１２－５１５．

［１０］ ＩＮＧＥＲＳＯＬＬ Ｔ Ｌ， ＢＡＫＥＲ Ｌ Ａ． Ｎｉｔｒａｔｅ ｒｅｍｏｖａｌ ｉｎ ｗｅｔｌａｎｄ ｍｉｃｒｏｃｏｓｍｓ［Ｊ］． Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， １９９８，３２（３）：６７７－６８４．

［１１］ ＧＩＢＥＲＴ Ｏ， ＰＯＭＩＥＲＮＹ Ｓ， ＲＯＷＥ Ｉ， ｅｔ ａｌ． Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｏｒｇａｎｉｃ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ ａｓ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ ｕｓｅ ｉｎ ａ ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｐｅｒｍｅａｂｌｅ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｂａｒｒｉｅｒ （ＰＲＢ）［Ｊ］． Ｂｉｏｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２００８，９９（１６）：７５８７－７５９６．

［１２］ 魏 星，朱 伟，赵联芳，等．植物秸秆作补充碳源对人工湿地脱氮效果的影响［Ｊ］．湖泊科学，２０１０，２２（６）：９１６－９２２．

［１３］ 金赞芳．城市（杭州）地下水污染源解析与修复技术研究［Ｄ］．杭州：浙江大学，２００４．

［１４］ 徐锁洪，施 巍．以稻壳为载体培养反硝化菌及硝酸盐氮的去除［Ｊ］．大连铁道学院学报，２００１，２２（４）：９８－１０１．

［１５］ 邵 留，徐祖信，金 伟，等．以稻草为碳源和生物膜载体去除水中的硝酸盐［Ｊ］．环境科学，２００９，３０（５）：１４１４－１４１９．

［１６］ ＶＯＬＯＫＩＴＡ Ｍ， ＢＥＬＫＩＮ Ｓ， ＡＢＥＬＩＯＶＩＣＨ Ａ， ｅｔ ａｌ． Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｒｉｎｋｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｕｓｉｎｇ ｎｅｗｓｐａｐｅｒ［Ｊ］． Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， １９９６，３０（４）：９６５－９７１．

［１７］ 金赞芳，陈英旭，小仓纪雄．以纸为碳源去除地下水硝酸盐的研究［Ｊ］．应用生态学报，２００４，１５（１２）：２３５９－２３６３．

［１８］ ＷＩＬＤＥＲＥＲ Ｐ Ａ， ＩＲＶＩＮＥ Ｌ Ｒ， ＧＯＲＯＮＳＺＹ Ｍ Ｃ． Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ Ｂａｔｃｈ Ｒｅａｃｔｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｍ］． Ｌｏｎｄｏｎ： Ｉ ＷＡ Ｐｕｂｉｓｈｉｎｇ， ２００１．

［１９］ 李 军，彭永臻，顾国维，等．无外加碳源ＳＢＢＲ脱氮工艺及其控制方法研究［Ｊ］．中国给水排水，２００６，２２（７）：１７－２１．

［２０］ 龙北生，吴富平，陈丽丽，等．两级ＳＢＲ无外加碳源除磷脱氮的运行模式［Ｊ］．长春工程学院学报（自然科学版），２００７，８（３）：５０－５３．

［２１］ 曾 薇，黄文春，朱卫方，等．两级ＳＢＲ与传统ＳＢＲ工艺的对比研究［Ｊ］．环境污染治理技术与设备，２００５，６（１１）：１－４．

［２２］ 罗固源，罗 宁，吉芳英，等．新型双泥生物反硝化除磷脱氮工艺［Ｊ］．中国给水排水，２００２，１８（９）：４－７．

［２３］ 王亚宜，彭永臻，甘一萍，等．Ａ２Ｎ反硝化除磷脱氮系统处理生活污水研究［Ｊ］．高技术通讯，２００４（１）：８３－８８．

［２４］ 胡学斌，杨 柳，吉芳英，等．低碳源城市污水的低氧同步脱氮除磷研究［Ｊ］．中国给水排水，２００９，２５（１３）：１６－１９，２３．

［２５］ 王少坡，彭永臻，于德爽，等．常温短程内源反硝化生物脱氮［Ｊ］．北京工业大学学报，２００５，３１（３）：２９８－３０２．

［２６］ 刘智晓，ＰＥＴＥＲＳＥＮ Ｇ，张 伟，等．低碳源条件下利用侧流活性污泥水解技术强化生物脱氮除磷［Ｊ］．给水排水，２０１３， ３９（１）：５３－５７．

［２７］ 张 波，苏玉民．倒置Ａ２／Ｏ工艺的氮磷脱除功能［Ｊ］．环境工程，１９９９，１７（２）：７－１０．