傳統(tǒng)的城鎮(zhèn)污水處理廠經(jīng)過生物處理技術(shù)后，尾水中氮含量仍然較高，直接排入自然水體或是再利用，可能導(dǎo)致自然水體富營養(yǎng)化，降低水體透明度，破壞水體生態(tài)平衡；腐蝕輸水管道或是熱交換器，甚至損害設(shè)備。反硝化生物可以對污水處理廠的尾水進(jìn)行深度脫氮處理。為了提高有脫氮效率，需要向系統(tǒng)中投加碳源，與甲醇、乙酸鈉和一些低分子糖類的傳統(tǒng)的碳源相比。包括棉花、稻草、玉米芯、報(bào)紙、麥秸等；工業(yè)污水、生活污水及垃圾滲濾液等固態(tài)、液態(tài)廢棄物，可以作為反硝化過程中的外加碳源，具有節(jié)約資源和成本，去除氮的效率高等特點(diǎn)，可以作為新型碳源使用。
研究背景
根據(jù)中國近幾年的水資源公報(bào)顯示，我國水資源總量在2.4×1012～2.8×1012m3之間變動，人均占有水資源量約為1850～2200m3。由此可見，雖然我國水資源總量較多，但是人均占有水資源量較少，僅相當(dāng)于世界人均占有量25%左右。我國的水資源嚴(yán)重短缺，很大程度制約了國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。
人類的生活和經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展都離不開水，影響人們生活和制約社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的，不僅是水資源在水量上的匱乏，更重要的是由于水環(huán)境惡化而造成的水質(zhì)型缺水。我國農(nóng)村水環(huán)境問題日益突出，生活污染加劇，面源污染加重，工礦污染凸顯，飲水安全存在隱患，呈現(xiàn)出污染從城市向農(nóng)村轉(zhuǎn)移的態(tài)勢。
氮在水中主要以有機(jī)氮和無機(jī)氮兩種形態(tài)存在，來源于生活污水、農(nóng)業(yè)廢棄液、工業(yè)廢水等。含氮物質(zhì)可以通過自然過程和人類活動等途徑進(jìn)入水環(huán)境中，天然水體中的亞硝酸氮濃度很低，人類活動是引起氮含量過多的主要原因，主要通過面污染和點(diǎn)污染進(jìn)入水體。常見的面污染源有：農(nóng)業(yè)面源污染、城市雨水徑流污染、氣載污染物污染、水體流失和水產(chǎn)養(yǎng)殖等。常見的點(diǎn)污染源有：城市污水與工業(yè)廢水直接排放、污水處理廠的尾水排放、生活垃圾場和工業(yè)廢料場等。大量的氮污染物進(jìn)入水體會加速水體的富營養(yǎng)化，惡化水體質(zhì)量，影響漁業(yè)發(fā)展和危害人體健康，影響供水水質(zhì)和增加制水成本。
根據(jù)社會用水健康循環(huán)的基本策略，污水深度處理與再生利用是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是我國水環(huán)境恢復(fù)的切入點(diǎn)。如果在城市污水二級處理的基礎(chǔ)上深度處理和再生利用，可以將排放水變成再生水作為城市的第二水源，不但緩解了水資源的不足，還減輕了水環(huán)境的污染，對社會用水健康循環(huán)具有重要的戰(zhàn)略意義。因此，為了保護(hù)水環(huán)境，以及實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)污水廠污水二次利用，嚴(yán)格控制出水氮含量是極其必要的。
傳統(tǒng)生物脫氮工藝
在城市污水中，氮有多種存在形式，包括有機(jī)氮、氨氮、硝酸氮、亞硝酸氮和氣態(tài)氮等，并且它們在一定的條件下可以相互轉(zhuǎn)化。傳統(tǒng)生物法脫氮途徑一般包括三個(gè)階段：氨化作用、硝化作用和反硝化作用，這三個(gè)階段分別在氨化菌、硝化菌和反硝化菌的作用下完成，如下圖1所示。有機(jī)氮化合物在氨化菌的作用下，被分解轉(zhuǎn)化為氨氮，這一過程稱為氨化作用。在硝化菌和亞硝酸菌的作用下，氨氮進(jìn)一步分解氧化為亞硝酸氮，轉(zhuǎn)化為硝化氮，這個(gè)過程稱為硝化作用。然后，在生物反硝化系，反硝化菌利用碳源電子供體，亞硝酸氮、硝酸氮作為電子受體，將亞硝酸氮、硝酸氮還原為氣態(tài)氮，同時(shí)去除有機(jī)物和氮污染物。通過上述三個(gè)階段的反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)從廢水中脫氮的目的。當(dāng)然，氮的去除還包括微生物細(xì)胞的同化作用將氨轉(zhuǎn)化細(xì)胞原生質(zhì)成分。 人類的生活和經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展都離不開水，影響人們生活和制約社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的，不僅是水資源在水量上的匱乏，更重要的是由于水環(huán)境惡化而造成的水質(zhì)型缺水。我國農(nóng)村水環(huán)境問題日益突出，生活污染加劇，面源污染加重，工礦污染凸顯，飲水安全存在隱患，呈現(xiàn)出污染從城市向農(nóng)村轉(zhuǎn)移的態(tài)勢。
氮在水中主要以有機(jī)氮和無機(jī)氮兩種形態(tài)存在，來源于生活污水、農(nóng)業(yè)廢棄液、工業(yè)廢水等。含氮物質(zhì)可以通過自然過程和人類活動等途徑進(jìn)入水環(huán)境中，天然水體中的亞硝酸氮濃度很低，人類活動是引起氮含量過多的主要原因，主要通過面污染和點(diǎn)污染進(jìn)入水體。常見的面污染源有：農(nóng)業(yè)面源污染、城市雨水徑流污染、氣載污染物污染、水體流失和水產(chǎn)養(yǎng)殖等。常見的點(diǎn)污染源有：城市污水與工業(yè)廢水直接排放、污水處理廠的尾水排放、生活垃圾場和工業(yè)廢料場等。大量的氮污染物進(jìn)入水體會加速水體的富營養(yǎng)化，惡化水體質(zhì)量，影響漁業(yè)發(fā)展和危害人體健康，影響供水水質(zhì)和增加制水成本。
根據(jù)社會用水健康循環(huán)的基本策略，污水深度處理與再生利用是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是我國水環(huán)境恢復(fù)的切入點(diǎn)[7]。如果在城市污水二級處理的基礎(chǔ)上深度處理和再生利用，可以將排放水變成再生水作為城市的第二水源，不但緩解了水資源的不足，還減輕了水環(huán)境的污染，對社會用水健康循環(huán)具有重要的戰(zhàn)略意義。因此，為了保護(hù)水環(huán)境，以及實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)污水廠污水二次利用，嚴(yán)格控制出水氮含量是極其必要的。
傳統(tǒng)生物脫氮工藝
在城市污水中，氮有多種存在形式，包括有機(jī)氮、氨氮、硝酸氮、亞硝酸氮和氣態(tài)氮等，并且它們在一定的條件下可以相互轉(zhuǎn)化。傳統(tǒng)生物法脫氮途徑一般包括三個(gè)階段：氨化作用、硝化作用和反硝化作用，這三個(gè)階段分別在氨化菌、硝化菌和反硝化菌的作用下完成，如下圖1所示。有機(jī)氮化合物在氨化菌的作用下，被分解轉(zhuǎn)化為氨氮，這一過程稱為氨化作用。在硝化菌和亞硝酸菌的作用下，氨氮進(jìn)一步分解氧化為亞硝酸氮，轉(zhuǎn)化為硝化氮，這個(gè)過程稱為硝化作用。然后，在生物反硝化系，反硝化菌利用碳源電子供體，亞硝酸氮、硝酸氮作為電子受體，將亞硝酸氮、硝酸氮還原為氣態(tài)氮，同時(shí)去除有機(jī)物和氮污染物。通過上述三個(gè)階段的反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)從廢水中脫氮的目的。當(dāng)然，氮的去除還包括微生物細(xì)胞的同化作用將氨轉(zhuǎn)化細(xì)胞原生質(zhì)成分。
基于上述原理設(shè)計(jì)的脫氮工藝為前置反硝化生物脫氮工藝，即廣泛使用的A/O（缺氧/好氧）工藝，其運(yùn)行流程如圖2所示。在A/O工藝中，回流液中的大量硝酸鹽回流到缺氧池，從原污水中得到充足的有機(jī)物，使得反硝化脫氮充分進(jìn)行。目前，我國大部分污水處理廠普遍存在著碳源不足的問題，污水的碳氮比（C/N）偏低，多數(shù)城填污水的C/N僅為3～4，導(dǎo)致脫氮效率低，尤其進(jìn)入低溫季節(jié)，情況更為嚴(yán)重。因?yàn)楹醚醭刂械囊徊糠至髁繘]有回流到缺氧池而直接排放掉，所以該A/O工藝脫氮效果受到限制，致使許多污水處理廠二級出水中殘余總氮含量偏高，主要以硝酸氮形態(tài)出現(xiàn)。常規(guī)混凝-過濾-消毒的再生水處理工藝對氮的去除作用不明顯，因此反硝化生物脫氮成為再生水深度脫氮的首選工藝。為提高系統(tǒng)脫氮效率，可以向缺氧池中外加碳源。
A/O生物脫氮工藝
碳源是反消化過程不可少的一種物質(zhì)。傳統(tǒng)的碳源物質(zhì)包括甲醇、乙酸和一些低分子糖類等，甲醇、乙酸等小分子液體碳源反硝化作用率高，脫氮效果好，但其投加量不易控制，運(yùn)輸和運(yùn)行成本較高，具有一定的毒性和危害[12-14]。研究者對外加碳源問題進(jìn)行了新的探索和嘗試研究，開始探索開發(fā)新型外加碳源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)碳源。
本文從固態(tài)、液態(tài)廢棄物兩個(gè)方面闡述新型碳源的研究，為以后的反硝化外加碳源的相關(guān)研究提供基礎(chǔ)支持。
固態(tài)碳源
固態(tài)碳源有纖維素碳源、人工合成可降解聚合物等（不溶于水的可生物降解聚合物（BDPs）作為反硝化的碳源和生物的載體。
纖維素類
纖維素在反硝化過程中既可以作為反硝化過程的碳源，也可以作為微生物的載體，促進(jìn)反硝化過程。纖維素沒有生物毒性，具有較大比表面積，能讓更多的細(xì)菌附著，可以用作反硝化碳源和生物膜載體。常見的纖維素碳源有棉花、稻草、玉米芯、報(bào)紙、麥秸等。李斌等以棉花、稻草、稻殼、玉米芯這4種農(nóng)業(yè)廢棄物作為反硝化碳源和微生物載體，通過對靜態(tài)碳數(shù)量和質(zhì)量、長期脫氮效果以及生物附著性能等方面的比較，結(jié)果顯示，玉米芯具有持續(xù)穩(wěn)定的釋碳和反硝化脫氮效率，且表面容易附著微生物，適宜作為反硝化生物濾池所需的反硝化碳源濾料，更適于再生水反硝化深度脫氮濾池的碳源濾料。邵留等人通過開展甘蔗渣、玉米芯、稻草、稻殼、花生殼、木屑6種農(nóng)業(yè)廢棄物浸出物質(zhì)元素分析、釋碳量的比較、脫氮效果、生物附著性能等方面的研究，篩選出來源方面、費(fèi)用低廉、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、脫氮效果好，副效應(yīng)低的碳源。試驗(yàn)初步優(yōu)選了玉米芯、稻草、稻殼可用做替代傳統(tǒng)液體碳源的固體碳源。木屑實(shí)驗(yàn)組由于碳釋放量不足、生物附著性能較差等原因?qū)е旅摰阅茌^差。
可生物降解聚合物
可生物降解聚合物（biodegradable polymers，BDPs）可以作為反硝化微生物的碳源，同時(shí)也是反硝化生物附著生長的良好載體。研究發(fā)現(xiàn)，PBS作為反硝化固體碳源與生物膜載體時(shí)，聚合物表面形成比較致密的微生物膜，對內(nèi)部的反硝化菌形成保護(hù)層，增強(qiáng)了微生物對進(jìn)水pH、DO等沖擊負(fù)荷的適應(yīng)能力，BDPs價(jià)格較高，阻礙了其廣泛應(yīng)用。
液態(tài)碳源
液態(tài)碳源主要是指工業(yè)廢水如啤酒廢水、食品廢水等和垃圾滲濾液；其他新型碳源有污泥水解揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）等。
工業(yè)廢水
工業(yè)廢水一般都是高碳源廢水，若能將它們作為生物反硝化過程的外加碳源，在降低碳源投加成本的同時(shí)，還可以節(jié)省工業(yè)廢水處理所消耗的資源。食品工業(yè)的廢水是相對理想的選擇，其內(nèi)容包括制糖、釀造、肉類、乳品加工等生產(chǎn)過程，所排出的廢水都含有機(jī)物，具有強(qiáng)的耗氧性。
現(xiàn)在國內(nèi)外有許多研究者已經(jīng)開始了這方面的探索。在我國啤酒生產(chǎn)耗水量大，排出大量的啤酒廢水對環(huán)境造成嚴(yán)重的威脅。一般每生產(chǎn)1t啤酒的耗水量為10～15t，在我國每生產(chǎn)1t啤酒的廢水排放量是10～30 t。啤酒廢水COD一般為1500～2500mg/L，BOD5為700～1400mg/L，pH為5.5～7.0，不含有毒有害成分，具有良好的可生化性能等特點(diǎn)，由于其具有較高的含碳量，可以把啤酒廢水作為處理的補(bǔ)充碳源具有了一定可行性。由于啤酒廢水不僅含有啤酒殘液，還含有食物殘?jiān)退橥潦任镔|(zhì)，因此啤酒廢水作為外加碳源的投加會促使水水質(zhì)產(chǎn)生較大的波動。特別是當(dāng)高濃度的啤酒廢水進(jìn)入到生活污水處理系統(tǒng)時(shí)，導(dǎo)致菌膠團(tuán)迅速生長，多余的碳源被菌膠團(tuán)轉(zhuǎn)化為胞外聚合物，降低系統(tǒng)內(nèi)污泥的沉降性能，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)污泥膨脹，會影響生活污水COD去除率及水處理效果，甚至使出水惡化。
Fernándeznava Y[26]等利用SBR反應(yīng)器對比糖果廠廢水、軟飲料廠廢水和奶制品廠廢水作為處加碳源進(jìn)行反硝化試驗(yàn)，結(jié)果表明，糖果廠廢水的最佳C/N比為6.5，當(dāng)水力停留時(shí)間（HRT）為6 h時(shí)，最大比反硝化速率為41.6mgNO3-N/（gVSS•h）；軟飲料廠廢水的最佳C/N比為6.5，當(dāng)水力停留時(shí)間（HRT）為4 h時(shí)，最大比反硝化速率為44.1mgNO3-N/（gVSS•h）；奶制品廠廢水的最佳C/N比為4.6，當(dāng)水力停留時(shí)間（HRT）為6 h時(shí)，最大比反硝化速率為41.6mgNO3-N/（gVSS•h）。反應(yīng)過程中沒有出現(xiàn)亞硝酸鹽的積累，且出水COD也很低，獲得了很好的處理效果。
以合適的工業(yè)廢水作為反硝化過程的外加碳源，微生物種群適應(yīng)了該廢水的特殊生長環(huán)境，一定程度上能獲得較高的反硝化速率，提高反硝化效果。但由于其來源受到諸多因素的限制，對其廣泛應(yīng)用有很大制約。
生活污水
生活污水主要是城市中使用的各種洗滌劑和污水、垃圾、糞便等，其中含有大量的有機(jī)物，如纖維素、淀粉、糖類和脂肪等。殷芳芳[27]在試驗(yàn)中用經(jīng)化糞池厭氧發(fā)酵后的生活污水進(jìn)行反硝化反應(yīng)。其中易降解的TOC絕大部份都是VFAs，比反硝化速率為3.63mg/（g•h），高于甲醇、乙醇和葡萄糖的比反硝化速率。李巍巍[28]以廚余垃圾的厭氧發(fā)酵產(chǎn)生（廚余發(fā)酵液）作為外加碳源，對進(jìn)水COD、NH4-N的去除率達(dá)96%以上。對污水的TN的脫氮率高達(dá)78.5%，可以有效的去除污水中的污染物質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，廚余垃圾發(fā)酵液更容易被微生物用于反硝化，脫氮速率和能力比較高，系統(tǒng)內(nèi)的污泥好氧微生物活性和硝化能力都較高。通過研究發(fā)現(xiàn)，以絮凝污泥水解酸化液作為低碳氮比生活污水補(bǔ)充碳源，可顯著提高前置BAF生物脫氮性能，從而實(shí)現(xiàn)絮凝污泥的資源化與減量化。
與傳統(tǒng)的污水處理方法相比，在對污水處理廠處理后的尾水進(jìn)行生物反硝化處理前可以向系統(tǒng)中投加一定量的外加碳源（固態(tài)、液態(tài)碳源：乙酸鈉液體），在一定程度上提高污水處理的脫氮效果，增強(qiáng)污水的出水水質(zhì)。但是，碳源的投加必然會影響和改變系統(tǒng)的進(jìn)水水質(zhì)，在水處理的過程中，進(jìn)水水質(zhì)的變化會影響到系統(tǒng)內(nèi)微生物的新陳代謝及其活性，進(jìn)而降低系統(tǒng)的處理效果，給系統(tǒng)帶來不同程度的沖擊。結(jié)合要處理的污水的特性，及污水處理出水水質(zhì)要求，適當(dāng)?shù)剡x擇合適的外加碳源，控制外加碳源的投加量，達(dá)到既保證污水處理廠的氮的去除，節(jié)約資源和成本，實(shí)現(xiàn)廢物的資源化利用的目的。而對固態(tài)碳源、液態(tài)碳源的選擇首先應(yīng)該遵循以廢治廢的原則，根據(jù)要處理的水質(zhì)特點(diǎn)，因地制宜，優(yōu)先選擇可以利用的固態(tài)或是液態(tài)的廢棄物，達(dá)到提高污水處理效果，又減少廢棄物產(chǎn)生的雙重目的。