老齡垃圾滲濾液反硝化脫氮的補(bǔ)充碳源應(yīng)用進(jìn)展*

朱子晗 李 天 張瑞娜 歐陽創(chuàng) 趙由才 周 濤#

(1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；2.上海環(huán)境工程設(shè)計研究院有限公司，上海 200092)

不同碳源的反硝化脫氮效果、適用情況、影響因素等各不相同，目前缺少相應(yīng)的總結(jié)。因此，本研究總結(jié)了目前常見碳源的分類和應(yīng)用中的效果及優(yōu)缺點。此外，易腐有機(jī)垃圾(BOW)含有大量的有機(jī)物，若將其作為老齡垃圾滲濾液反硝化脫氮的碳源，不僅可以降低老齡垃圾滲濾液處理的成本，同時也符合可持續(xù)發(fā)展的理念，但其還處于初步研究階段，因此本研究也專門分析了BOW作為老齡垃圾滲濾液補(bǔ)充碳源的可行性。

1 反硝化脫氮補(bǔ)充碳源的分類

目前反硝化脫氮常用的補(bǔ)充碳源主要有液態(tài)碳源和固態(tài)碳源兩類，圖1總結(jié)了常見碳源的分類。

圖1 常見碳源的分類Fig.1 The types of common carbon sources

2 常見碳源的應(yīng)用

2.1 液態(tài)碳源的應(yīng)用

2.1.1 單一易降解有機(jī)物

單一易降解有機(jī)物是指能直接被微生物吸收利用的小分子有機(jī)物，如葡萄糖、乙酸、甲醇、乙酸鈉等。單一易降解有機(jī)物能在短時間內(nèi)為反硝化過程提供大量電子，具有良好的脫氮效果。ZHENG等[6]研究了乙酸鈉作為補(bǔ)充碳源的脫氮效果，發(fā)現(xiàn)馴化穩(wěn)定后的硝酸鹽氮和總氮的去除率分別達(dá)到了82.94%±5.39%、77.33%±5.70%，出水時質(zhì)量濃度均低于5 mg/L。

由于單一易降解有機(jī)物自身的可生化性較高，將其作為補(bǔ)充碳源會提高反硝化過程中的污泥產(chǎn)率，長時間運(yùn)行容易引起污泥堵塞。黃斯婷等[7]發(fā)現(xiàn)，與其他單一易降解有機(jī)物相比，葡萄糖由于能被多數(shù)微生物利用，因此易導(dǎo)致微生物大量繁殖。此外，反硝化過程中，單一易降解有機(jī)物作為補(bǔ)充碳源還容易引起亞硝酸鹽的積累，且積累濃度與有機(jī)物種類密切相關(guān)。馬勇等[8]824發(fā)現(xiàn)，甲醇作為補(bǔ)充碳源時，污泥產(chǎn)率和最大亞硝酸鹽積累濃度均低于乙醇和乙酸鈉作為補(bǔ)充碳源時，但其本身對不少微生物具有毒害作用。單一易降解有機(jī)物主要適用于低硝酸鹽負(fù)荷的老齡垃圾滲濾液處理。目前常見的單一易降解有機(jī)物中乙酸鈉、乙醇、葡萄糖的反硝化速率相對較快[8]821,[9]10。

2.1.2 復(fù)雜混合有機(jī)物

復(fù)雜混合有機(jī)物主要包括水解發(fā)酵液、新鮮垃圾滲濾液、有機(jī)工業(yè)廢水3大類。

水解發(fā)酵液是指污泥或秸稈等厭氧水解產(chǎn)生的發(fā)酵液，大分子有機(jī)物已基本被降解為易被反硝化菌利用的小分子有機(jī)物，如揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)、小分子醇類等。張苗等[10]發(fā)現(xiàn)，堿性污泥水解發(fā)酵液的反硝化性能優(yōu)于酸性污泥水解發(fā)酵液。何岳蘭等[11]也發(fā)現(xiàn)，pH為8.0條件下產(chǎn)生的污泥水解發(fā)酵液能在45 min內(nèi)完成硝酸鹽氮的全部去除，而pH為5.0條件下產(chǎn)生的污泥水解發(fā)酵液則需要1.5 h。黃胡林等[12]對玉米秸稈水解發(fā)酵液的反硝化性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)總氮去除率可以達(dá)到97.30%。目前，秸稈水解發(fā)酵液作為老齡垃圾滲濾液反硝化脫氮的補(bǔ)充碳源的研究還比較少，能否進(jìn)行工程應(yīng)用更是需進(jìn)一步論證。

新鮮垃圾滲濾液是指填埋垃圾中的水分剛經(jīng)過垃圾層和覆土層后形成的有機(jī)廢水，碳氮比(質(zhì)量比，下同)在6.5左右，BOD/COD大約為0.6，具有良好的可生化性。JOSEP等[13]發(fā)現(xiàn)新鮮垃圾滲濾液作為補(bǔ)充碳源時，亞硝酸鹽氮的還原速率可以達(dá)到0.16 g/(g·d)。徐晨璐等[14]發(fā)現(xiàn)，新鮮垃圾滲濾液作為補(bǔ)充碳源，硝酸鹽氮去除率超過97%，總氮去除率可提高約10%。利用新鮮垃圾滲濾液處理老齡垃圾滲濾液符合“以廢治廢”的理念，但問題是其中含有的大量重金屬離子等污染物會極大影響反硝化菌的正?；钚浴?/p>

有機(jī)工業(yè)廢水是指食品加工、造紙等行業(yè)排出的具有高濃度有機(jī)物(COD>2 000 mg/L)、易于生物降解的廢水。陳宏來[15]發(fā)現(xiàn)，聚酯廢水在連續(xù)投加方式下反硝化速率可以達(dá)到2.43 mg/(g·h)，出水總氮低于20 mg/L。RODRIGUEZ等[16]研究了番茄加工廢水和馬鈴薯加工廢水作為補(bǔ)充碳源時的反硝化速率，分別為2.70、4.10 mg/(g·h)。有機(jī)工業(yè)廢水作為老齡垃圾滲濾液反硝化脫氮補(bǔ)充碳源可以在一定程度上解決有機(jī)工業(yè)廢水的排放和處理問題，但同樣存在著有毒有害污染物影響反硝化菌正?；钚缘膯栴}。

總體而言，水解發(fā)酵液或新鮮垃圾滲濾液作為補(bǔ)充碳源時的反硝化速率會大于有機(jī)工業(yè)廢水，與單一易降解有機(jī)物相比最大亞硝酸鹽積累濃度略低，這可能是由于其中多種易降解有機(jī)物的協(xié)同作用[9]12。此外，使用復(fù)雜混合有機(jī)物的成本也較低，但存在污染問題，在合適的場景才能使用。

2.2 固態(tài)碳源的應(yīng)用

固態(tài)碳源作為液態(tài)碳源的替代物，除了提供碳源外，還可為微生物提供生長載體，更利于系統(tǒng)的穩(wěn)定調(diào)控[17]。

2.2.1 纖維素類

纖維素類主要包括秸稈、花生殼、稻殼、蘆葦、木屑等固態(tài)物質(zhì)，價格低廉，方便易得。纖維素類孔隙多、比表面積大，除具有固態(tài)碳源的基本作用外，還能吸附一定的污染物。纖維素類的問題是細(xì)胞壁上的具有復(fù)雜生理形態(tài)結(jié)構(gòu)的纖維素聚合物，如半纖維素和木質(zhì)素等，較難酶解[18]，不易釋放出易降解有機(jī)物，因此反硝化速率相對較低，需要經(jīng)過馴化。也正是因為纖維素類的生物可降解性較差，所以其處理效果波動性較大，需要進(jìn)行深度處理。TROIS等[19]發(fā)現(xiàn)，松樹皮等纖維素類處理老齡垃圾滲濾液后出水COD高達(dá)1 500 mg/L，氨氮高達(dá)80 mg/L，需要進(jìn)一步處理。張雯等[20]研究了大豆秸稈、稻殼、楊樹枝等6種纖維素類的反硝化效果，發(fā)現(xiàn)硝酸鹽氮去除率均在80%以上，但去除速率僅為1.00～2.00 mg/(L·h)。范軍輝等[21]發(fā)現(xiàn)，纖維素類的脫氮效果受溫度影響較為顯著，當(dāng)溫度從15 ℃提升至30 ℃，玉米芯作為補(bǔ)充碳源的總氮去除率由78.88%提升至92.70%，這是因為纖維素類的降解微生物隨溫度升高而活性增強(qiáng)。此外，纖維素類的脫氮效果還與水力停留時間、預(yù)處理方式等因素有關(guān)[22-23]。

纖維素類作為補(bǔ)充碳源時，雖然硝酸鹽氮去除速率低，但通過條件控制仍可實現(xiàn)硝酸鹽氮或總氮的完全去除。FAN等[24]用小麥秸稈作為補(bǔ)充碳源，硝酸鹽氮去除率就達(dá)到了100%。

2.2.2 BDPs

BDPs是指在分子鏈上具有生物可降解的酯類基團(tuán)的聚合物，是近年來廣受關(guān)注的一類固態(tài)碳源。BDPs與纖維素類相比，更易釋放出小分子有機(jī)物[25]。目前常見的BDPs主要有PBS、PLA、PCL、PHBV等，它們對人體基本無害，也幾乎不會產(chǎn)生對人體有害的副產(chǎn)物[26]。而且，BDPs可實現(xiàn)完全降解，同時降解速率較為穩(wěn)定，不會因殘留而造成浪費(fèi)[27]。封羽濤等[28]探究了PBS作為補(bǔ)充碳源的脫氮效果，發(fā)現(xiàn)總氮去除率達(dá)到94.93%，出水硝酸鹽氮質(zhì)量濃度可控制在1 mg/L以內(nèi)。

BDPs的另一優(yōu)勢是具有良好的碳緩釋性能，可多次使用，既能保證脫氮效果，又可避免釋放的有機(jī)物過量而使出水COD過高。朱擎等[29]研究發(fā)現(xiàn)，PHBV/PLA的復(fù)合固態(tài)碳源碳緩釋現(xiàn)象明顯，出水溶解有機(jī)碳質(zhì)量濃度在16 mg/L以內(nèi)。

BDPs還可以在自身表面形成比較致密的微生物膜，抵御某些外界條件波動的影響。周海紅等[30]用PBS作為補(bǔ)充碳源，當(dāng)pH和DO分別在4.5～9.5、1.4～8.5 mg/L波動時，反硝化速率穩(wěn)定在0.48～0.70、0.63～0.68 mg/(g·d)。

研究表明，BDPs與其他物質(zhì)混合可提高硝酸鹽氮的去除速率，如與淀粉混合能協(xié)同提高生物膜中反硝化菌的豐度[31-32]。

3 BOW作為老齡垃圾滲濾液補(bǔ)充碳源的可行性分析

BOW主要分為餐廚垃圾和果蔬垃圾兩大類，兩者均具有很高的碳氮比，含有大量易降解有機(jī)物，在厭氧條件下能被發(fā)酵為大量小分子有機(jī)物。YAN等[33]研究發(fā)現(xiàn)，餐廚垃圾發(fā)酵液的碳氮比大于45，VFAs占到COD質(zhì)量的一半左右。KATSOU等[34]1856研究發(fā)現(xiàn)，果蔬垃圾發(fā)酵液的VFAs中小分子乙酸質(zhì)量占比超過90%。由此可見，BOW易被生物降解，釋放的易降解有機(jī)物有利于反硝化作用的進(jìn)行[35]1427。

BOW的反硝化脫氮特性與其發(fā)酵時間有密切關(guān)系。唐嘉陵等[35]1430發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)發(fā)酵的餐廚垃圾硝酸鹽氮去除率僅為68.20%，反硝化速率也很低，而經(jīng)過72 h發(fā)酵后，硝酸鹽氮去除率可超過99%，反硝化速率提高至6.1 mg/(g·h)。這是因為餐廚垃圾本身分子量較大，不利于微生物的利用，而經(jīng)過一定時間的發(fā)酵后，易降解有機(jī)物就會釋放出來。綜上所述，BOW作老齡垃圾滲濾液反硝化脫氮的補(bǔ)充碳源是可行的，但需要采用發(fā)酵等預(yù)處理手段進(jìn)行預(yù)處理。

此外，KATSOU等[34]1856研究表明，餐廚垃圾作為補(bǔ)充碳源的總氮去除速率是果蔬垃圾作為補(bǔ)充碳源的兩倍。

4 常見碳源的優(yōu)缺點總結(jié)

補(bǔ)充碳源種類直接關(guān)系到老齡垃圾滲濾液反硝化脫氮的處理效果和經(jīng)濟(jì)效益。表1總結(jié)了常見碳源的優(yōu)缺點。單一易降解有機(jī)物脫氮速率快、污泥產(chǎn)率低，但成本較高、運(yùn)輸條件苛刻，可能出現(xiàn)亞硝酸鹽積累，部分有機(jī)物還可能具有一定的生物毒性。復(fù)雜混合有機(jī)物成本較低，可以實現(xiàn)以廢治廢，但其存在的N、P、重金屬等污染物影響不容忽視。纖維素類來源豐富、成本低廉，還具有吸附性能，并且可為微生物生長提供載體，但脫氮速率較慢，出水水質(zhì)容易波動，受溫度影響較為顯著。BDPs也可為微生物生長提供載體，對人體基本無害，而且具有良好的碳緩釋性能。BOW成本低廉，而且碳氮比和易降解有機(jī)物含量高，但需要經(jīng)過發(fā)酵。因此尋找低成本、高效能的優(yōu)質(zhì)補(bǔ)充碳源是老齡垃圾滲濾液反硝化脫氮研究的重要內(nèi)容。

表1 常見碳源的優(yōu)缺點

5 結(jié) 語

尋找性價比更高的老齡垃圾滲濾液反硝化脫氮碳源應(yīng)朝著以廢治廢、低碳高效、可持續(xù)發(fā)展的方向前進(jìn)，BOW符合這樣的理念。BOW已被證實具有作為老齡垃圾滲濾液反硝化脫氮補(bǔ)充碳源的可行性，應(yīng)進(jìn)一步研究BOW的最佳發(fā)酵配比以及合適的發(fā)酵環(huán)境條件。