緩釋碳源促進(jìn)生物反硝化脫氮技術(shù)研究進(jìn)展

過(guò)量的硝酸鹽可導(dǎo)致嬰兒高鐵血紅蛋白癥，也可形成高度致癌的亞硝胺或亞硝酰胺，世界衛(wèi)生組織（WHO）規(guī)定飲用水中的硝酸鹽氮（NO₃^?-N）濃度應(yīng)低于10 mg/L[1]。然而，由于施肥引起的硝酸鹽淋溶流失、污水處理過(guò)程中總氮（TN）去除不徹底、自然水體中氮素的不斷積累等原因，導(dǎo)致水體硝酸鹽污染已成為當(dāng)前重要的環(huán)境問(wèn)題之一[2]。在歐洲和美國(guó)，地下水中的NO₃^?-N濃度普遍達(dá)40～50 mg/L，部分地區(qū)甚至高達(dá)500～700 mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)WHO規(guī)定的濃度限值[3]。在我國(guó)118個(gè)大中城市中，有76個(gè)城市的自然水體中硝酸鹽污染嚴(yán)重，而在以地下水為主要供水水源的北方城市，硝酸鹽濃度超標(biāo)面積在200 km2以上的城市就有4個(gè)[4]。因此亟需通過(guò)科學(xué)合理的技術(shù)手段對(duì)水體中的硝酸鹽進(jìn)行高效去除。

水體硝酸鹽污染的治理技術(shù)主要有物理法、化學(xué)法和生物法[5-7]。從徹底消除硝酸鹽污染和降低經(jīng)濟(jì)成本的角度考慮，這些技術(shù)中以生物法的異養(yǎng)反硝化工藝最為合理[8-10]，其具有成本低廉、環(huán)境友好、應(yīng)用廣泛等優(yōu)勢(shì)[1]。從異養(yǎng)反硝化的脫氮工藝來(lái)看，水中的異養(yǎng)反硝化菌群可在合適的碳氮比（C/N）條件下將硝酸鹽還原為氮?dú)鈁11]，這一過(guò)程中有機(jī)碳源為電子供體，硝酸鹽為最終電子受體，因此有機(jī)碳源是這一作用過(guò)程的核心基質(zhì)[12]。

反硝化碳源主要包括系統(tǒng)碳源（也叫內(nèi)碳源）和外加碳源兩大類(lèi)[13]。在城鎮(zhèn)污水處理廠中，由于污水中的系統(tǒng)碳源濃度較低，加之現(xiàn)有工藝尚未充分發(fā)揮系統(tǒng)碳源的內(nèi)在價(jià)值，通常需采取外加碳源的方式來(lái)解決碳源不足導(dǎo)致的污水處理中總氮去除率偏低的難題[14]。城鎮(zhèn)污水處理廠傳統(tǒng)的外加碳源主要是甲醇、乙醇等液體碳源，以及易溶于水的乙酸鹽和葡萄糖，其一旦投加即與污水充分混合，較難根據(jù)污水水質(zhì)變化來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整投加量，以致產(chǎn)生成本較高、運(yùn)行維護(hù)繁瑣、出水TN或化學(xué)需氧量（COD）難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)等弊病[15-16]。為此，相關(guān)研究人員轉(zhuǎn)而采用成本低廉、性能良好的固體有機(jī)物作為異養(yǎng)反硝化的緩釋碳源，而緩釋碳源按照其來(lái)源又可分為天然緩釋碳源和人工合成緩釋碳源[11,17]。

目前，關(guān)于異養(yǎng)反硝化脫氮工藝所采用碳源的研究主要集中在系統(tǒng)碳源的深度開(kāi)發(fā)利用以及傳統(tǒng)外加碳源的精準(zhǔn)投加控制方面，而對(duì)于新興緩釋碳源促進(jìn)反硝化脫氮特性的研究及工程應(yīng)用報(bào)道較少。筆者結(jié)合國(guó)內(nèi)外有關(guān)緩釋碳源促進(jìn)反硝化脫氮的最新研究成果，從天然緩釋碳源和人工合成緩釋碳源的種類(lèi)與脫氮效果、天然緩釋碳源的改性方法、人工合成緩釋碳源促進(jìn)反硝化的影響因素與微生物作用機(jī)理及緩釋碳源表面生物膜特性等方面分別展開(kāi)論述，以期為緩釋碳源促進(jìn)生物反硝化脫氮的推廣和應(yīng)用提供參考借鑒，并結(jié)合緩釋碳源工程研究方面的難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，提出該領(lǐng)域后續(xù)發(fā)展的方向。

1. 天然緩釋碳源促進(jìn)生物脫氮技術(shù)

1.1 天然緩釋碳源的種類(lèi)及特性

我國(guó)諸多城鎮(zhèn)污水處理廠均面臨嚴(yán)重的進(jìn)水C/N較低的問(wèn)題，外加碳源是確保出水TN達(dá)標(biāo)不可避免的補(bǔ)救措施[18]。采用天然緩釋碳源作為傳統(tǒng)外加碳源的替代材料或污水深度處理單元（如反硝化生物濾池）的生物膜載體，既可補(bǔ)充碳源，又可提高微生物生物量，從而確保系統(tǒng)的反硝化效率[19]。天然緩釋碳源主要是指包括農(nóng)畜漁林廢物、餐廚垃圾、污水廠初沉污泥等在內(nèi)的有機(jī)固體廢物[20]，具有價(jià)格低廉、無(wú)生物毒性、比表面積大及疏松多孔等特性，是良好的有機(jī)物緩釋材料和生物膜載體[21]。近些年，研究較為廣泛的天然緩釋碳源主要有秸稈、棉花、泥炭、甘草、腐朽木、稻殼等[22]。

良好的天然緩釋碳源應(yīng)具有較好的可生物降解性、有機(jī)物釋放速率可控、無(wú)二次污染以及較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[23]等特性。目前已有的一些天然緩釋碳源尚不能完全滿足上述要求，例如農(nóng)業(yè)廢物中的纖維素被木質(zhì)素和半纖維素包裹著，而木質(zhì)素不易被微生物降解，造成有機(jī)物釋放較為困難[24]。因此纖維素分解困難和有機(jī)物釋放速率較低是限制天然緩釋碳源促進(jìn)反硝化效果提升的主要因素[25]。故采用天然緩釋碳源進(jìn)行反硝化脫氮時(shí)，往往需要對(duì)緩釋碳源進(jìn)行一定的改性處理，以提高天然緩釋碳源的綜合性能。

1.2 天然緩釋碳源對(duì)反硝化的促進(jìn)效果

國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究領(lǐng)域的學(xué)者對(duì)上述天然緩釋碳源促進(jìn)反硝化脫氮的效果和緩釋性能進(jìn)行了研究[26-29]。結(jié)果表明，采用秸稈、棉花等天然緩釋碳源的脫氮速率僅為1.0~1.7 mg/(L·d)（以氮計(jì)，全文同），而采用樹(shù)葉[23]、鋸屑[25]、植物油[30]和稻草[31]等作為緩釋碳源及生物膜載體的脫氮速率高達(dá)3.1~4.3 mg/(L·d)，天然緩釋碳源的有效使用壽命可達(dá)8~20 a。另外據(jù)報(bào)道，利用H2作為電子供體的生物膜電極反應(yīng)器的脫氮速率僅為0.23~0.43 mg/(L·d)[32-33]，相比之下天然緩釋碳源促進(jìn)反硝化的效率具有顯著優(yōu)勢(shì)。

Volokita等[26,34]以纖維素類(lèi)原棉和碎報(bào)紙作為天然緩釋碳源促進(jìn)生物處理系統(tǒng)的反硝化作用，結(jié)果表明，原棉可以在反硝化過(guò)程被徹底降解，但反硝化速率不足1.0 mg/(L·d)，以碎報(bào)紙為碳源時(shí)完全反硝化需要的處理時(shí)間比傳統(tǒng)外加碳源長(zhǎng)1.3~118倍?？梢?jiàn)，某些天然緩釋碳源促進(jìn)反硝化脫氮的效率不及傳統(tǒng)外加碳源，但該類(lèi)碳源在其他方面仍然具有使用優(yōu)勢(shì)。如徐洪鎖等[29]采用稻殼作為天然緩釋碳源去除廢水中的硝酸鹽，結(jié)果表明，稻殼比表面積較大，結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定，反硝化速率可以達(dá)到5.9 mg/(L·d)，且反硝化速率隨著進(jìn)水NO₃^?-N濃度的升高而增大，這表明天然緩釋碳源具有對(duì)氮污染負(fù)荷的自適應(yīng)能力，而這一特性卻是傳統(tǒng)外加碳源所不具備的。還有學(xué)者研究了以棉花為有機(jī)碳源和生物膜載體的生物反應(yīng)器去除污水中硝酸鹽的性能，結(jié)果表明，室溫下進(jìn)水硝酸鹽濃度為22.6 mg/L，水力停留時(shí)間（HRT）不小于9.8 h時(shí)，硝酸鹽的去除率接近100%，且沒(méi)有亞硝酸鹽的積累[27]。

綜上，不同天然緩釋碳源對(duì)污水反硝化的促進(jìn)效果存在較大差異，這主要與緩釋碳源的比表面積、組成成分及有機(jī)物含量等因素有關(guān)。Ovez等[35]利用序批式厭氧生物膜反應(yīng)器，分別比較G.verrucosa（一種在太平洋西北岸地區(qū)普遍生長(zhǎng)的灌木）、甘草根和蘆葦作為碳源的應(yīng)用效果，結(jié)果表明，G.verrucosa比表面積較大，木質(zhì)素含量低，可溶性有機(jī)碳含量較高，在3種材料中的可生化性最好，可使污水中NO₃^?-N在14 d內(nèi)被完全降解，反硝化速率高達(dá)13.1 mg/(L·d)。李學(xué)堯等[11]選取5種合適的天然纖維素作為碳源研究缺氧狀態(tài)下硝酸鹽的去除效果，結(jié)果表明，利用固態(tài)香樟葉纖維素作為碳源去除NO₃^?-N的效果最明顯，其次為稻草。相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者對(duì)于不同天然緩釋碳源促進(jìn)反硝化的對(duì)比試驗(yàn)為工程應(yīng)用時(shí)設(shè)計(jì)人員選取合適碳源提供了參考依據(jù)。值得注意的是，采用天然緩釋碳源作為反硝化碳源時(shí)，出水一般無(wú)亞硝酸鹽積累，且溶解性有機(jī)碳的濃度較低，但色度和微生物含量通常較高，因此出水需要經(jīng)過(guò)砂濾和消毒才能達(dá)到相應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn)[26,34]。

天然緩釋碳源不僅能夠應(yīng)用于污水處理中，還能用于天然水體（包括地表水體和地下水體）的原位反硝化脫氮。考慮到天然水體的環(huán)境敏感性，由于天然緩釋碳源成分復(fù)雜，有機(jī)物釋放速率差異較大，故其應(yīng)用也存在一定的水質(zhì)污染風(fēng)險(xiǎn)[11]。因此，篩選合理可控的天然緩釋碳源已成為天然水體原位脫氮研究領(lǐng)域的重要內(nèi)容[1]。為了充分發(fā)揮天然緩釋碳源來(lái)源廣泛、成本低廉、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)天然緩釋碳源進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男蕴幚?，是提升其反硝化性能的有效途徑之一?/p>

1.3 天然緩釋碳源的改性處理方法及效果

為了彌補(bǔ)天然緩釋碳源釋碳難和促進(jìn)反硝化效果差的缺陷，天然緩釋碳源的改性處理已成為水體脫氮領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[36]。目前常用的改性處理方法主要包括物理和化學(xué)改性處理。王登敏[37]對(duì)玉米芯進(jìn)行了不同方法的改性處理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)NaOH改性處理的玉米芯反硝化效率明顯提高，維持在90%以上，COD釋放量在72 h時(shí)達(dá)到最高且滿足二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。李曉崴等[17]對(duì)人工濕地中收割的蘆葦、香蒲及玉米秸稈進(jìn)行改性處理，以期提高秸稈作為天然緩釋碳源的釋碳能力，結(jié)果表明，使蘆葦、香蒲和玉米秸稈具有較大有機(jī)物釋放量的最佳改性處理方法分別為堿液處理及粉碎，不同天然緩釋碳源所應(yīng)采取的改性處理方法各有差異。任琦[38]以2%的硫酸和1.5%的氫氧化鈉對(duì)玉米芯進(jìn)行改性處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，酸改性處理后的半纖維素組分含量下降了47.40%，而堿改性處理后纖維素組分含量提升了48.8%，同時(shí)木質(zhì)素組分含量下降51.2%，酸、堿改性處理后的釋碳能力分別提高30.93%、46.41%，反硝化潛能提高1倍。以上研究成果均表明，適當(dāng)?shù)奈锢砗突瘜W(xué)改性處理措施對(duì)于提升天然緩釋碳源的釋碳和反硝化性能均具有顯著的增益效果。表1總結(jié)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)天然緩釋碳源較為典型的改性處理方法及處理效果。

2. 人工合成碳源促進(jìn)生物脫氮技術(shù)

2.1 人工合成緩釋碳源的種類(lèi)及特性

人工合成緩釋碳源是指通過(guò)一定的化工合成技術(shù)制造的生物可降解聚合物（BDP）[45]。目前，應(yīng)用到異養(yǎng)反硝化中的BDP主要有聚羥基乳酸酯（PHA）、聚己內(nèi)酯（PCL）、聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚β-羥基丁酸酯（PHB）、脂肪族聚酯（Bionolle）和淀粉基共混物[46-48]。王允等[49-50]分別以聚乳酸和淀粉為原料，聚乙烯醇（PVA）為載體，采用共混技術(shù)為反硝化原位反應(yīng)處理制備人工合成緩釋碳源，均取得了良好的脫氮效果。張大奕等[51]選擇玉米淀粉作為碳源原料，PVA為骨架載體，通過(guò)濕法共混/低溫凍膠技術(shù)成型制作人工合成緩釋碳源，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)特性、釋碳性能和反硝化脫氮能力評(píng)估，證實(shí)該碳源在水體氮污染修復(fù)方面具有良好的工程應(yīng)用前景。

更多研究案例表明，將BDP作為反硝化碳源是可行且有效的[52]。BDP在污水中會(huì)緩慢溶解并向外釋放易于被微生物降解的有機(jī)物，因此與天然緩釋碳源一樣，BDP表面也會(huì)附著一層生物膜，而其向外釋放的有機(jī)物會(huì)及時(shí)被生物膜上的異養(yǎng)微生物利用，從而在為生物膜中的微生物營(yíng)造穩(wěn)定生境的同時(shí)，也避免了過(guò)量碳源流失到水中，這一特性較好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)外加碳源投加量難以控制和容易產(chǎn)生二次污染的弊端。綜合而言，以BDP為緩釋碳源的反硝化工藝具有簡(jiǎn)便易行、投資較低、無(wú)二次污染等顯著優(yōu)勢(shì)[11]。

此外，人工合成緩釋碳源在工程應(yīng)用方面的難點(diǎn)問(wèn)題主要是低溫會(huì)嚴(yán)重影響反硝化反應(yīng)體系的正常運(yùn)行[53]。所以如何利用人工合成緩釋碳源提高寒冷地區(qū)低C/N污水的脫氮效率，已成為國(guó)內(nèi)外研究的重要課題。對(duì)此，相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)家學(xué)者已競(jìng)相開(kāi)展研究并解決了關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，目前已通過(guò)降低運(yùn)行負(fù)荷、增加保溫或加溫措施、馴化耐受低溫條件的反硝化細(xì)菌等技術(shù)手段推進(jìn)緩釋碳源促進(jìn)低溫脫氮工藝不斷向前發(fā)展。

2.2 人工合成緩釋碳源對(duì)反硝化的促進(jìn)效果

近年來(lái)，相關(guān)研究人員已將BDP用于城鎮(zhèn)污水處理廠的深度處理以及天然水體的原位脫氮，并取得了良好的脫氮效果。如Zheng等[54]通過(guò)投加PBS來(lái)促進(jìn)人工濕地的脫氮效率，發(fā)現(xiàn)PBS的加入為人工濕地中的微生物提供了更多的生長(zhǎng)及代謝場(chǎng)所，增加了微生物物種豐度，并明顯提高了反硝化效率（TN去除率由20.6%提高到90.4%），較好地解決了污水深度處理段C/N低的問(wèn)題。Boley等[55]以PHB、PCL、黏結(jié)共混聚合物為人工合成緩釋碳源和生物膜載體去除養(yǎng)魚(yú)池循環(huán)水中的硝酸鹽，結(jié)果表明，出水的TN濃度均穩(wěn)定在0.3 mg/L以下，證實(shí)了上述人工合成緩釋碳源可有效提升反硝化性能。周海紅等[56-57]利用PBS去除水中的硝酸鹽，發(fā)現(xiàn)PBS反硝化系統(tǒng)耐受pH沖擊負(fù)荷的能力優(yōu)于傳統(tǒng)生物膜載體填料，這表明人工合成緩釋碳源為其表面的生物膜提供了較為穩(wěn)定的生存環(huán)境，能夠有效提升生物處理系統(tǒng)的耐沖擊負(fù)荷。

表2對(duì)比了常見(jiàn)人工合成緩釋碳源和天然緩釋碳源的反硝化速率。由表2可見(jiàn)，PHB和PCL的反硝化速率遠(yuǎn)高于其他緩釋碳源，且人工合成緩釋碳源的反硝化速率均高于天然緩釋碳源，表明人工合成緩釋碳源在有機(jī)物釋放方面具有更佳的優(yōu)勢(shì)，且無(wú)需改性處理就可以取得較為穩(wěn)定的反硝化促進(jìn)效果。

2.3 人工合成緩釋碳源促進(jìn)脫氮的影響因素

人工合成緩釋碳源的釋碳量和穩(wěn)定性是決定其促進(jìn)反硝化效率的主要因素，其釋碳過(guò)程受到很多因素影響，這不僅與其自身的物化性質(zhì)有關(guān)，還受到各種環(huán)境因素（溫度、pH等）、工藝參數(shù)（填充率、HRT等）以及生物因素（菌群結(jié)構(gòu)、代謝活性等）的影響[60-61]。

對(duì)于人工合成緩釋碳源的自身物化特性而言，其種類(lèi)和組成的差異決定了有機(jī)物釋放速率的差異。封羽濤等[47]通過(guò)對(duì)比PBS和PCL的促進(jìn)反硝化性能發(fā)現(xiàn)，采用PBS為緩釋碳源的反硝化系統(tǒng)具有更高的脫氮效率，可以更好地充當(dāng)反硝化碳源。楊帆等[62]從碳源與骨架2種主要原料的篩選入手，選取可生物降解（PBS、PLA）和不可生物降解（PE）的材料，采用共混、造粒技術(shù)制備了5種緩釋碳源復(fù)合材料（HB20、HB40、HE40、HLE和HBE），結(jié)果表明，HB20和HB40的靜態(tài)釋碳能力一般，分別為5.42和12.83 mg/L；HE40的動(dòng)態(tài)脫氮效果不佳，硝酸鹽氮去除率在20%左右。可見(jiàn)，人工合成緩釋碳源的組成及結(jié)構(gòu)對(duì)于有機(jī)物釋放性能和促進(jìn)反硝化效果具有決定性作用。

就人工合成緩釋碳源應(yīng)用的環(huán)境因素而言，溫度和pH對(duì)其反硝化速率影響較大。李彭等[52]研究發(fā)現(xiàn)，溫度為30 ℃，pH為7.8時(shí)，人工合成緩釋碳源的反硝化速率最高，且反硝化速率與NO₃^?-N濃度之間的關(guān)系符合Monod方程。工藝參數(shù)也是影響人工合成緩釋碳源反硝化效果的重要因素之一。張立秋等[58]探究了填充率和HRT對(duì)PCL促進(jìn)生物膜反應(yīng)器脫氮性能的影響，結(jié)果表明：填充率由20%提高到60%后，反硝化效率出現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，最佳脫氮效率對(duì)應(yīng)的填充率為40%；將HRT由2 h延長(zhǎng)至22 h，系統(tǒng)的氮去除率在HRT為4 h時(shí)達(dá)到峰值，其后維持在90%以上的穩(wěn)定水平，表明較短的HRT會(huì)導(dǎo)致污染物與微生物反應(yīng)不完全，而過(guò)長(zhǎng)的HRT并未顯著提高系統(tǒng)的反硝化效率。因此，選取合適的工藝參數(shù)對(duì)于人工合成緩釋碳源在促進(jìn)反硝化脫氮方面的應(yīng)用具有重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)參考價(jià)值。

在人工合成緩釋碳源的生物影響因素方面，相關(guān)研究表明，采用PHA顆粒作為碳源和微生物載體時(shí)，PHA顆粒在去離子水中的總有機(jī)碳（TOC）釋放速率僅為0.030 mg/(g·d)，遠(yuǎn)低于其在含有硝酸鹽的污水中的釋放速率〔進(jìn)水NO₃^?-N濃度為30 mg/L時(shí)，TOC釋放速率為0.533 mg/(g·d)〕，表明水中的微生物在PHA顆粒表面形成的生物膜促進(jìn)了碳源的釋放。由此可見(jiàn)，在人工合成緩釋碳源促進(jìn)脫氮的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，不僅應(yīng)關(guān)注碳源本身的材料特性，還應(yīng)注重環(huán)境因素、工藝參數(shù)及生物因素的調(diào)控，從而最大限度地發(fā)揮人工合成緩釋碳源的應(yīng)用價(jià)值。

3. 緩釋碳源作用機(jī)理及表面生物膜特性

緩釋碳源促進(jìn)反硝化的機(jī)理與傳統(tǒng)外加碳源類(lèi)似，其釋放的有機(jī)物仍作為異養(yǎng)反硝化菌群代謝所需的電子供體[63]。但區(qū)別在于，無(wú)論是天然緩釋碳源還是人工合成緩釋碳源，其在水中的緩釋和降解過(guò)程均受到微生物代謝過(guò)程的控制，這一作用特點(diǎn)使緩釋碳源不易在反硝化過(guò)程中產(chǎn)生碳源不足或過(guò)量釋放的問(wèn)題[13]。又由于緩釋碳源在污水中能夠維持較長(zhǎng)時(shí)間的固體形態(tài)，故其還可作為生物載體，為微生物生長(zhǎng)提供附著場(chǎng)所，由此提升系統(tǒng)的微生物富集量，從而提升反硝化效率。因此，緩釋碳源參加的固相反硝化比傳統(tǒng)以添加液體碳源或易溶性碳源為主的液相反硝化更具有安全性和穩(wěn)定性，且能夠持續(xù)提供異養(yǎng)反硝化菌群所需的有機(jī)物[63]。

緩釋碳源促進(jìn)反硝化的過(guò)程依賴(lài)于其表面的生物膜。相關(guān)研究表明，反硝化相關(guān)菌屬能夠在緩釋碳源表面附著并發(fā)展出致密的生物膜，其中以球菌和桿菌為主，也有少量的弧菌，且生物密度較大，并具有良好的分層結(jié)構(gòu)[60-61]。生物膜的這種分層結(jié)構(gòu)使得反硝化系統(tǒng)具有較強(qiáng)的耐沖擊負(fù)荷，即當(dāng)進(jìn)水的pH、水溫等環(huán)境條件出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，生物膜表層生長(zhǎng)的耐pH變化、極端溫度及不良環(huán)境條件的微生物能夠保護(hù)生物膜內(nèi)部的反硝化相關(guān)菌屬進(jìn)行正常生長(zhǎng)和代謝[64]。

在緩釋碳源表面生物膜的微生物群落組成研究方面，王登敏[37]將以玉米芯為載體的天然緩釋碳源應(yīng)用于污水生物處理系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)碳源表面生物膜中的優(yōu)勢(shì)菌群以擬桿菌門(mén)（Bacteroidetes）、厚壁菌門(mén)（Phylum Firmicutes）和變形菌門(mén)（Proteobacteria）為主。張立秋等[58]采用人工合成緩釋碳源處理地下水硝酸鹽污染，發(fā)現(xiàn)表面微生物以叢毛單胞菌屬（Comamonassp.）、熱單胞菌屬（Thermomonassp.）、固氮螺菌屬（Azospirasp.）和長(zhǎng)繩菌屬（Longilineasp.）為主，其相對(duì)豐度的總和占70%，這與王登敏[37]的研究結(jié)果差異較大，表明天然緩釋碳源與人工合成緩釋碳源的生物膜微生物群落組成具有顯著差異。同時(shí)，不同人工合成緩釋碳源表面微生物的群落組成也具有較大差異，相關(guān)學(xué)者發(fā)現(xiàn)以PCL為微生物載體時(shí)，碳源表面的優(yōu)勢(shì)菌屬為湖沼菌屬（Limnohabitanssp.，占比為57.8%）和單胞菌屬（Simplicispirasp.，占比為9.5%）；而以PHA為載體時(shí)，優(yōu)勢(shì)菌屬為山岡單胞菌屬（Collimonassp.，占比為24.4%）、湖沼菌屬（Limnohabitanssp.，占比為13.2%）和葉黃素單胞菌屬（Luteimonassp.，占比為11.7%）[52]。李彭等[59]研究發(fā)現(xiàn)，以PCL為緩釋碳源的脫氮系統(tǒng)微生物OUT基因序列主要集中在β-變形菌綱（占比為70%）和γ-變形菌綱（占比為27%）下（圖1），且采用緩釋碳源PCL作為載體時(shí)，表面生物膜Shannon指數(shù)的微生物多樣性高于以甲醇為碳源的反硝化濾池，但低于以乙酸鈉為碳源和氫自養(yǎng)的反硝化濾池。這表明采用人工合成緩釋碳源作為微生物載體時(shí)，其表面微生物群落多樣性與傳統(tǒng)外加碳源和自養(yǎng)反硝化濾池載體表面的微生物多樣性存在顯著差異，可見(jiàn)緩釋碳源的加入對(duì)于生物脫氮系統(tǒng)的微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了根本性影響。

4. 結(jié)論與展望

從緩釋碳源開(kāi)發(fā)的必要性出發(fā)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新研究進(jìn)展全面分析了天然緩釋碳源和人工合成緩釋碳源的種類(lèi)、促進(jìn)反硝化效果，天然緩釋碳源的改性方法、人工合成緩釋碳源實(shí)現(xiàn)反硝化的影響因素、緩釋碳源促進(jìn)脫氮的作用機(jī)理及其表面生物膜特性，以期為推進(jìn)緩釋碳源在生物脫氮中的工程應(yīng)用提供借鑒。

對(duì)于天然緩釋碳源而言，其在污水中釋放有機(jī)物的能力有限，而采用物化改性處理可有效提高天然緩釋碳源的緩釋性能和促進(jìn)反硝化效率。人工合成緩釋碳源有效彌補(bǔ)了天然緩釋碳源有機(jī)物釋放量不易控制的缺陷，同時(shí)通過(guò)環(huán)境條件、工藝參數(shù)及生物因素的合理調(diào)控有效提升綜合性能。緩釋碳源表面附著和生長(zhǎng)的生物膜是實(shí)現(xiàn)反硝化作用的重要因素。不同類(lèi)型緩釋碳源的表面生物膜的微生物群落結(jié)構(gòu)雖然差異較大，但一般都呈現(xiàn)良好的分層結(jié)構(gòu)，生物膜外層生長(zhǎng)的抗逆能力較強(qiáng)的微生物有效保護(hù)了其內(nèi)層的反硝化相關(guān)菌群，維持了反硝化作用在水質(zhì)波動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定進(jìn)行。但不同于傳統(tǒng)液體碳源在脫氮體系中微生物群落分布的均質(zhì)性，隨著緩釋碳源在污水中的不斷溶解和釋放，其表面附著和生長(zhǎng)的生物膜也呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致緩釋碳源促進(jìn)生物反硝化作用機(jī)理的研究仍存在一定難點(diǎn)。為此，相關(guān)領(lǐng)域的研究人員愈加著重于研究不斷變化的固液兩相界面上微生物群落的演替過(guò)程，以及該演替過(guò)程中微生物和污水中各類(lèi)污染物的傳質(zhì)變化過(guò)程。另外，緩釋碳源具有改變污水生物處理系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)菌群結(jié)構(gòu)的潛力，該領(lǐng)域的深入研究有希望實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)生物脫氮工藝的革新。

對(duì)緩釋碳源的后續(xù)研究和推廣應(yīng)用提出展望：1）從緩釋碳源促進(jìn)生物脫氮反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度研究該過(guò)程的限速步驟，深入揭示緩釋碳源在各種外界因素影響下緩釋有機(jī)物協(xié)同反硝化作用的反應(yīng)機(jī)理，并明確中間產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化情況，從而為進(jìn)一步提高緩釋碳源的脫氮效率提供理論依據(jù)；2）從新型復(fù)合高分子聚合物材料合成工藝的角度研發(fā)新型緩釋碳源，優(yōu)化新型緩釋碳源骨架材料與有機(jī)物緩釋材料的空間架構(gòu)，使其更有益于生物膜的附著、生長(zhǎng)及代謝，從而為進(jìn)一步豐富緩釋碳源的選擇范圍提供物質(zhì)基礎(chǔ)；3）從結(jié)構(gòu)形式、工藝參數(shù)、運(yùn)行條件優(yōu)化的角度開(kāi)發(fā)適用于緩釋碳源的新型生物脫氮工藝，通過(guò)多參數(shù)反饋和多模式運(yùn)行實(shí)時(shí)調(diào)控系統(tǒng)的物化指標(biāo)，使得緩釋碳源動(dòng)態(tài)適應(yīng)污水的水量和水質(zhì)變化，從而為進(jìn)一步推進(jìn)緩釋碳源的工程化應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

作者肖艷

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