含氮廢水處理中“微生物+生物炭”技術(shù)的應(yīng)用分析

李賢揚

（山東君成環(huán)境檢測有限公司，山東 臨沂 276002）

引言

“微生物+生物炭”技術(shù)作為一種新興的廢水處理方法，逐漸引起了人們的關(guān)注和重視。該技術(shù)通過利用微生物的降解能力和生物炭的吸附作用，有效去除廢水中的氮化合物。微生物菌群可以代謝廢水中的氮化物，并將其轉(zhuǎn)化為較低毒性的產(chǎn)物。同時，生物炭具有良好的吸附性能，可以去除廢水中的有機物和氮化合物，同時能夠提供微生物附著載體。這一綜合應(yīng)用有望改善含氮廢水的處理效果，而且具備可持續(xù)發(fā)展的潛力。

1 含氮廢水的危害

1.1 水體富營養(yǎng)化

含有高濃度氮化合物的廢水排放到自然水體中，會通過催化作用加速水體的富營養(yǎng)化過程。氮化合物作為植物生長的限制性營養(yǎng)物質(zhì)，會導(dǎo)致水體中藻類、浮游植物等生物的大量繁殖，從而形成赤潮、水華等現(xiàn)象，破壞水體的生態(tài)平衡。為了有效防止水體富營養(yǎng)化，減少含氮廢水的影響，就需要對廢水進行有效處理，以降低氮化合物的濃度。

1.2 水體缺氧

氮化合物在水體中被微生物分解的過程需要消耗氧氣。當(dāng)含氮廢水排入水體后，氮化合物的降解會也消耗大量氧氣，從而導(dǎo)致水體中溶解氧的濃度降低，造成水體缺氧。而缺氧環(huán)境不利于水生生物的生存，并可能引發(fā)魚類和其他水生動物的大規(guī)模死亡。此外，缺氧環(huán)境還會影響水生生物的生長發(fā)育、繁殖能力和行為，從而對水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能造成不可逆的損害[1]。

1.3 水質(zhì)污染

在一定條件下，含氮廢水中的氮化合物會形成氧化亞氮和亞硝酸鹽，而這些物質(zhì)具有較高的毒性。當(dāng)含氮廢水排入周圍水體后，這些有害物質(zhì)會對水質(zhì)造成污染，進而對水生生物產(chǎn)生傷害。當(dāng)受污染的水體被用于飲用水源或直接接觸水體時，水中的有害物質(zhì)很可能會通過口腔、皮膚或呼吸道進入人體，從而引發(fā)人類的健康問題，例如引起人體呼吸系統(tǒng)疾病、消化系統(tǒng)問題，甚至?xí)兄掳╋L(fēng)險，從而對人類健康構(gòu)成潛在風(fēng)險。

1.4 土壤污染

當(dāng)含氮廢水進入土壤后，氮化合物會通過滲濾、土壤吸附等作用進入土壤中。高濃度的氮化合物會對土壤中的微生物群落及有機質(zhì)的分解過程產(chǎn)生影響，從而抑制土壤中生物的活動和功能。另外，土壤污染還會降低土壤的肥力和作物產(chǎn)量，甚至對人類健康構(gòu)成風(fēng)險，例如可以通過食物鏈進入人體。氮化合物也可能通過土壤排泄至地下水層，進一步影響地下水的質(zhì)量。

2 “微生物+生物炭”廢水處理技術(shù)的特點

2.1 處理效率高

微生物是在廢水處理中具有生物降解能力的關(guān)鍵因素。通過利用適宜的微生物菌種，可以有效地降解廢水中的有機物和氮化合物[2]。同時，生物炭作為一種高效吸附劑，可以吸附廢水中的有機物、重金屬等污染物質(zhì)。通過結(jié)合微生物和生物炭的作用，可以進一步實現(xiàn)對廢水中多種污染物高效去除的目的。

2.2 抗沖擊負(fù)荷能力強

由于微生物對廢水中的有機物和氮化合物具有較好的自適應(yīng)能力，因而在處理過程中能夠適應(yīng)廢水負(fù)荷的波動。生物炭具有較高的比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)，能夠提供豐富的吸附位置，因而具有較強的污染物吸附能力。因此，“微生物+生物炭”技術(shù)對于處理高濃度和波動負(fù)荷的廢水具有較好的抗沖擊負(fù)荷能力。

2.3 具有可再生性和經(jīng)濟性

微生物和生物炭都具有可再生性，可以通過適當(dāng)?shù)靥幚砗驮偕侄沃貜?fù)使用。微生物可以通過增加菌種或調(diào)節(jié)生長條件來提高其活性和降解能力，而生物炭可以通過熱解等方法進行再生。這種可再生性使得“微生物+生物炭”技術(shù)在長期運行過程中具有較低的運行成本和較好的經(jīng)濟性。

2.4 具有環(huán)境友好性

微生物處理和生物炭吸附都是相對環(huán)境友好的廢水處理方法。微生物處理過程中產(chǎn)生的氣體主要是二氧化碳和水，所以對環(huán)境幾乎沒有污染。生物炭作為一種天然材料，可以通過適當(dāng)?shù)奶幚矸绞竭M行回收和再利用，從而減少了其對環(huán)境的影響。

3 含氮廢水處理中“微生物+生物炭”技術(shù)的應(yīng)用要點

3.1 微生物菌種及生物炭的選擇

3.1.1 微生物菌種的選擇

首先，“微生物+生物炭”應(yīng)用于含氮廢水處理中時，相關(guān)人員要注意不同廢水所含有的氮化合物的組成和濃度不同，因此需要選擇適宜的微生物菌種對其進行處理。此外，考慮到操作和維護的可行性，選擇易于培養(yǎng)和管理的菌株也是工作人員需要重要的考慮因素。

常見的微生物菌種包括硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌等，在降解氮化合物的過程中起著關(guān)鍵作用。菌種的選擇還要基于廢水的特性以及所需實現(xiàn)的處理效果。

（1）硝化細(xì)菌：對于含氮廢水中的氨氮，選擇能夠進行硝化作用的硝化細(xì)菌非常重要。硝化細(xì)菌可以將廢水中的氨氮氧化為硝酸鹽，并釋放出氮氣。常見的硝化細(xì)菌包括亞硝化細(xì)菌（如亞硝酸桿菌）、硝化細(xì)菌（如硝化亞硝化桿菌）等。

（2）反硝化細(xì)菌：對于含氮廢水中的硝酸鹽，選擇能夠進行反硝化作用的反硝化細(xì)菌至關(guān)重要。反硝化細(xì)菌可以將廢水中的硝酸鹽還原為氮氣，并釋放出氮氣和氧氣。常見的反硝化細(xì)菌包括假單胞菌類（如假單胞菌屬）、反硝化球菌類（如反硝酸鹽球菌）等[3]。

（3）生物脫氮菌：由于部分廢水中含有氮氣，選擇能夠進行氮氣還原的生物脫氮菌可以進一步去除氮污染。常見的生物脫氮菌包括反硝化細(xì)菌和正硝化細(xì)菌的一些特殊菌株，如好氧硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的共同菌株等。

（4）微生物合成菌株：有些微生物菌株能夠通過吸附廢水中的氨氮和硝酸鹽，然后在固定相上進行微生物合成，并轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)、微生物細(xì)胞等有價值的產(chǎn)物。選擇適宜的微生物合成菌株可以將廢水中的氮轉(zhuǎn)化為有用物質(zhì)。

3.1.2 生物炭的選擇

在含氮廢水處理中，“微生物+生物炭”技術(shù)中的生物炭的選擇和應(yīng)用非常重要。在選擇生物炭時需要從比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)、碳氮比等方面入手，具體注意事項如下。

（1）比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)：選擇具有較大比表面積和豐富孔隙結(jié)構(gòu)的生物炭，可以增加其吸附液相氮化合物的能力。較大的比表面積提供了更多的吸附位點，而豐富的孔隙結(jié)構(gòu)可以容納更多的廢水分子[4]。

（2）碳氮比：由于處理含氮廢水需要選擇碳氮比適宜的生物炭，通常，高碳氮比的生物炭有助于吸附廢水中的氮化合物，同時為微生物的生長和代謝提供穩(wěn)定的碳源供給。

（3）控制添加量和時間：在“微生物+生物炭”技術(shù)的實際應(yīng)用過程中，工作人員需要控制生物炭的添加量和時間。添加適量的生物炭可以增加廢水中氮化合物的吸附效果，但添加過多可能會阻礙微生物的接觸和生長，從面可能降低微生物降解廢水的效率。此外，生物炭的投加時間應(yīng)結(jié)合廢水處理過程的需求和生物降解的進程進行合理安排。

（4）微生物和生物炭的互補作用：生物炭不僅可以吸附廢水中的氮化合物，還可以提供微生物生長的載體，因而可以形成微生物和生物炭的互補作用。微生物可以附著在生物炭表面，利用生物炭提供的微生物降解環(huán)境來降解廢水中的氮化合物。

3.2 優(yōu)化反應(yīng)條件

反應(yīng)條件的優(yōu)化對于"微生物+生物炭"技術(shù)的應(yīng)用非常重要，其中包括調(diào)整pH值、溫度、水解負(fù)荷和溶氧含量等參數(shù)，以提供適宜微生物的生長環(huán)境和降解條件，促進微生物的降解活性，并保證生物炭的吸附效果。

首先，微生物的生長和降解能力受到pH值的影響。不同的微生物菌種對pH值的適應(yīng)能力有所不同，因此在優(yōu)化反應(yīng)條件時，需要根據(jù)微生物菌種的酸堿適應(yīng)范圍來調(diào)節(jié)廢水的pH值。一般來說，大多數(shù)微生物菌種在中性或微酸性條件下具有較好的生長和降解能力。其次，溫度是微生物生長和降解活性的關(guān)鍵因素之一，合適的溫度可以提供適宜的生長環(huán)境，從而促進微生物的降解活性。不同微生物菌株的溫度適應(yīng)范圍也不同，因此需要工作人員根據(jù)菌株的要求來調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度。一般來說，較為常見的微生物菌株的適宜溫度一般在25～35 ℃之間。此外，應(yīng)對水解負(fù)荷進行控制。水解負(fù)荷是指每單位時間內(nèi)需要處理的廢水量。過高的水解負(fù)荷可能導(dǎo)致微生物菌株過度累積或厭氧條件下的產(chǎn)物積累，從而降低處理效果。因此，需要合理控制水解負(fù)荷，確保微生物 菌株能夠適應(yīng)負(fù)荷的條件，并保持穩(wěn)定的降解能力。最后，反應(yīng)時間的合理安排，這里的反應(yīng)時間是指微生物和生物炭對廢水進行處理的時間。合理安排反應(yīng)時間可以確保能夠給予微生物充分的生長和降解廢水的時間，同時還要保證生物炭能夠充分發(fā)揮其吸附功能。考慮到微生物的生長速率和降解廢水的需要，工作人員需要根據(jù)具體情況來確定合適的反應(yīng)時間。

3.3 控制微生物的生長和降解

在含氮廢水處理過程中，控制微生物的生長和降解過程是確?！拔⑸?生物炭”技術(shù)有效應(yīng)用的關(guān)鍵要點。微生物的生長速率與廢水中的氮化合物濃度和其他環(huán)境因素密切相關(guān)。在廢水處理過程中，需要適當(dāng)調(diào)節(jié)廢水中的氮化合物濃度，以控制微生物的生長速率，目標(biāo)是實現(xiàn)微生物的健康生長及其降解活性的最大化。此外，維持適當(dāng)?shù)奶嫉扔兄诖龠M微生物的生長并提高其降解能力。一般來說，較高的碳氮比有助于提供足夠的碳源來支持微生物的生長和降解過程。因此，通過調(diào)整廢水中的碳源供應(yīng)，可以維持合適的碳氮比[5]。最后，廢水處理人員要結(jié)合實際情調(diào)況制定合理的供碳策略，并向廢水中提供適量的碳源，從而進一步促進微生物的生長，使降解過程有效進行。常見的供碳策略包括添加有機物、調(diào)整廢水的碳氮比、使用外部碳源等。根據(jù)廢水的特性和微生物的需求，選擇合適的供碳策略可以實現(xiàn)微生物的健康生長和降解能力的最大化。此外，在條件允許的情況下，要盡量調(diào)控微生物群落的結(jié)構(gòu)（微生物群落結(jié)構(gòu)是指廢水處理系統(tǒng)中存在的各種微生物菌株的比例和相互作用關(guān)系）。合理的微生物群落結(jié)構(gòu)有助于提高其降解效率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過合適的操作方法、增減菌種和生物種群等控制措施，可以調(diào)節(jié)微生物群落結(jié)構(gòu)以適應(yīng)廢水處理的需求。

3.4 開展廢水處理的監(jiān)測與控制

在廢水處理過程中，相關(guān)工作人員需要對處理過程進行實時監(jiān)測和控制，以確保廢水處理的效果和穩(wěn)定性，其中包括監(jiān)測廢水中氮化合物的濃度、微生物菌群結(jié)構(gòu)的變化、生物炭的吸附容量等指標(biāo)，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進行反饋控制，通過調(diào)整操作參數(shù)達到良好的處理效果。

首先，廢水中的氮化合物包括氨氮、亞硝酸鹽和硝酸鹽等。監(jiān)測廢水中氮化合物濃度的變化可以幫助工作人員評估廢水的處理效果和微生物的降解活性。常用的監(jiān)測方法包括化學(xué)分析、光譜分析和傳感器技術(shù)等。此外，監(jiān)測微生物菌群結(jié)構(gòu)的變化還可以反映微生物群落的健康狀況和處理效果。通過監(jiān)測微生物菌群結(jié)構(gòu)的變化，可以及時發(fā)現(xiàn)異常情況，如微生物群落失衡或異養(yǎng)微生物的增長。常用的監(jiān)測方法包括擴增子測序技術(shù)和實時熒光定量PCR等。

其次，要監(jiān)測生物炭的吸附容量。生物炭是一種吸附劑，用于去除廢水中的有機物和氮化合物。監(jiān)測生物炭的吸附容量可以幫助工作人員評估其使用壽命和效果。常用的監(jiān)測方法包括批量吸附實驗和動態(tài)吸附實驗等。以動態(tài)吸附試驗為例，動態(tài)吸附實驗?zāi)M了實際廢水處理過程中的吸附過程，因而更接近實際應(yīng)用情況。在動態(tài)吸附實驗中，廢水流經(jīng)裝置中的生物炭床，在一定的流量和時間下，測量進出床的溶液中污染物濃度變化。通過監(jiān)測進出床上污染物濃度的變化，可以計算出生物炭對污染物的吸附容量。

最后，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，進行反饋控制和調(diào)整操作參數(shù)是確保污水處理效果和穩(wěn)定性的重要步驟。例如，污水處理人員根據(jù)氮化合物濃度的變化，可以調(diào)整供碳策略和微生物群落結(jié)構(gòu)，從而進一步提高污水中氮的降解效率，并根據(jù)微生物菌群結(jié)構(gòu)的變化，可以調(diào)整操作條件，并通過添加抑制物質(zhì)來降低異養(yǎng)微生物的影響。

4 結(jié)語

綜上所述，“微生物+生物炭”技術(shù)作為一種處理含氮廢水的方法，具有許多優(yōu)點和應(yīng)用前景。這種組合技術(shù)結(jié)合了微生物的降解能力和生物炭的吸附作用，能夠高效地降解和去除廢水中的氮化合物。但是需要注意的是微生物的活性對溫度、pH值和氧氣供應(yīng)等因素較為敏感，因此需要對處理過程進行嚴(yán)格的操作和控制。目前，"微生物+生物炭"技術(shù)在水處理領(lǐng)域具有越來越重要的作用，為解決含氮廢水問題提供了一種可行的解決方案。