以稻草為外加碳源的研究進(jìn)展

摘 要：我國(guó)生活污水具有低C/N的特點(diǎn)，碳源不足是限制污水反硝化的重要影響因素，外加碳源已成為增加脫氮效果的方法之一。稻草作為固體碳源可替代傳統(tǒng)工藝的反硝化碳源，并具有安全性和經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢(shì)日益成為研究熱點(diǎn)。文章論述了稻草的構(gòu)成成分、釋碳規(guī)律及反硝化特性研究的最新成果。

關(guān)鍵詞：稻草；固體碳源；低C/N；反硝化

水稻是世界主要糧食作物之一，20世紀(jì)末，年產(chǎn)量平均為4億噸左右，種植面積約為1.45億公頃。同時(shí)，稻草也是中國(guó)產(chǎn)量最高的農(nóng)作物秸稈種類，2009年全國(guó)稻草總產(chǎn)量為18443.04萬噸，其產(chǎn)量占全國(guó)農(nóng)作物秸稈總產(chǎn)量的1/5以上[1]。稻草中所含的纖維素和半纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在60%以上，其中碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)更是達(dá)到了 38.54%[2]。目前稻草可用來生產(chǎn)一次性餐具、造紙、加工板材、稻草編織等。而稻草作為固體碳源輔助微生物反硝化的研究卻鮮有報(bào)道。

傳統(tǒng)生物脫氮工藝處理低碳氮比污水時(shí)，低C/N限制了氮類污染物質(zhì)的去除效果，為此，可通過投加液體碳源如乙酸、甲醇、乙醇等提高C/N，為反硝化菌提供電子受體，提高脫氮率。但液體碳源存在運(yùn)輸不方便、具有一定毒性且易造成二次污染等缺點(diǎn)限制了液體碳源的繼續(xù)使用，固體碳源尤其是農(nóng)業(yè)廢棄物，受到了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。Boussaid[3]等在1988年首先將稻草和藻團(tuán)粒用于原位處理地下水；邵留等[4～6]以稻草為反硝化碳源和生物膜載體，硝態(tài)氮去除率達(dá)90%以上。蔣琦等[7～8]認(rèn)為稻草可作為理想的反硝化固體碳源和生物載體。

1 稻草的組成成分及浸出液分析

作為農(nóng)業(yè)廢棄物，稻草成分組成為纖維素（34.2%）、果膠（3.10%）、半纖維素（26.10%）、木質(zhì)素（11.71%）、灰分（17.11%）、以及少量的含氮化合物及其他物質(zhì)[9]。木質(zhì)素結(jié)構(gòu)是一種復(fù)雜的酚類聚合物，很難分解，它與纖維素和半纖維素交聯(lián)在一起，降低了纖維素酶與纖維素的接觸。

邵留等[4～5]取10g稻草，浸泡14d后，未能檢出Cu、Pb、Cd、Cr四種金屬元素的含量。各浸出液As含量均<0.5mg/L，安全性較好；經(jīng)30d浸泡后，浸出液中還含有Ca、K、Mg、Na、Si、P等微生物生長(zhǎng)所需的常量元素，可促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)。稻草作為反硝化碳源安全可行的。

2 稻草釋碳特性的研究

釋碳性能是衡量碳源輔助微生物反硝化的一個(gè)重要指標(biāo)，不僅要滿足微生物對(duì)有機(jī)物質(zhì)的需要，還不能短期大量釋碳造成有機(jī)物的污染與浪費(fèi)。邵留等[5，10]通過對(duì)稻草釋碳性能的分析發(fā)現(xiàn)，浸泡液中TC和TOC含量維持在130～170mg/L之間，TOC含量占TC的85%以上，且TOC濃度與時(shí)間存在良好的線性關(guān)系，釋碳過程滿足二級(jí)動(dòng)力學(xué)公式，擬合公式為1/c=0.1008/t+0.0213，R2=0.9335，Cm=46.95mg·（g·L）-1，K=11.22mg·（h·g·L）-1，t1/2=4.18h。宋愛紅等[11]研究稻草COD浸出速率時(shí)認(rèn)為：前8d，2、4、8g稻稈的COD平均浸出速率分別為27.23、24.4、23.41mg/（g·d）。

3 稻草輔助微生物反硝化

稻草擁有來源廣泛、經(jīng)濟(jì)安全、易生物降解等優(yōu)點(diǎn)，事實(shí)證明稻草適合作為外加碳源為微生物提供電子供體。曹文平等在稻草填充床實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)HRT為12h時(shí)，NO3--N去除率保持在75%以上，COD維持在50mg/L以下。宋愛紅[11]利用稻草處理分散養(yǎng)豬廢水時(shí)發(fā)現(xiàn)，NO3--N主要早稻草填充層被去除，去除率大于95%，且出水無明顯的NO2--N積累。邵留等[4]在反應(yīng)器內(nèi)填充稻草作為反硝化碳源及生物膜載體，NO3--N去除率超過90%，后期釋碳不足，但NO3--N去除率仍超過了50%。蔣琦[7]也認(rèn)為稻草具有較高的反硝化潛力，達(dá)到105.3mgNO3--N/g。

4 結(jié)束語

外加固體碳源是提高反硝化效率的一種途徑，具有經(jīng)濟(jì)安全來源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，添加稻草既可提供碳源，又可為微生物提供生長(zhǎng)載體，增大微生物與污水接觸面積。但稻草在使用過程中可能會(huì)釋碳不足，或是作為填料會(huì)變形甚至壓實(shí)，使填料層堵塞，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體無法排除等原因造成系統(tǒng)崩潰，故后期釋碳不足稻草的更換、材質(zhì)性能的強(qiáng)化等都亟待解決。

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作者簡(jiǎn)介：黃盼寧（1990-），男，在讀碩士研究生，主要從事水污染控制理論與技術(shù)研究。