不同碳源对微生物反硝化性能的影响

楼超楠， 韩昫身， 金 艳， 何 焱， 宋兴福

（1.华东理工大学国家环境保护化工过程环境风险评价与控制重点实验室, 上海 200237；2.苏州聚智同创环保科技有限公司, 江苏常熟 215513；3.四川长宁天然气开发有限责任公司, 四川宜宾 644000）

近年来，随着城市化、工业化的发展，生活污水和工业废水的排放量迅速增加，2020 年中国生态环境统计年报[1]显示，全国废水中氨氮排放量为9.84×105t，总氮排放量为3.223×106t。氮氧化物过度排放及其在水体中的大量积累，导致水体富营养化，对生态环境造成严重威胁[2]。以厌氧/好氧（A/O）工艺为代表的硝化和反硝化技术是目前使用最普遍的生物脱氮方法。

在异养反硝化过程中，碳源作为电子供体直接影响反硝化速率和总氮去除率[3]。目前，中国大部分市政废水[4]及部分工业废水中碳氮含量比较低[5-6]，造成反硝化不彻底、出水总氮不达标的问题。为了提高反硝化效能，必须补充碳源[7]。在实际应用中，通常使用甲醇[8-9]、醋酸盐[10]、甘油[11-12]和糖类[3,13]等大宗石油基或生物基化学品作为碳源。同时，随着短程硝化和反硝化技术的出现，反硝化过程从硝酸盐氮转化为氮气的过程缩短为亚硝酸盐氮转化为氮气的过程，这两种电子受体在反硝化过程的碳源消耗量及反应速率方面均有所差异，现有研究仅用单一碳源如甲醇[14]、葡萄糖[15]等比较两种电子受体的反硝化过程，鲜有文献比较不同的常见碳源对硝酸盐氮及亚硝酸盐氮去除效果的影响。

本文研究了5 种常用碳源（甲醇、乙酸钠、乙二醇、丙三醇、葡萄糖）的最佳碳氮比（溶液中化学需氧量（COD）和总氮（TN）质量浓度之比）、比反应速率、总氮去除率、每吨水处理成本等因素，分析了不同碳源的优缺点，为污水厂脱氮过程碳源优选提供选择依据。

1 实验部分

1.1 实验装置及污泥处理

实验装置采用5 组序批式（SBR）反应器，装置直径120 mm，高155 mm，有效容积1 L；采用温控磁力搅拌器（中国，思乐T09-1S）进行混合搅拌。

实验所用污泥取自华东理工大学生活污水处理站，污泥空曝1 d 后静置过夜，用自来水清洗4～5 次后，用孔径为0.2 mm 的筛网过滤。装置启动时，反应器内初始污泥质量浓度（MLSS）为3 000 mg/L，用1 mol/L 的HCl 或NaOH 调节pH 至7.0。

1.2 实验水质

反应器进水为人工配水，分别以甲醇、乙酸钠、乙二醇、丙三醇、葡萄糖为反硝化碳源，KNO3和NaNO2提供及。进水中（碳氮比为3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0）及（碳氮比为2.0、2.5、3.0、3.5、4.0）质量浓度为50 mg/L，其他组分及其质量浓度如下：KH2PO419.35 mg/L、CaCl23.82 mg/L 、MgSO417.56 mg/L 、FeSO40.93 mg/L 及φ=0.2%的微量元素溶液（ CuSO410 mg/L、MnSO450 mg/L、H3BO340 mg/L、 ZnSO415 mg/L、KI 210 mg/L）。

1.3 SBR 运行及实验方案

5 个反应器中初始污泥质量浓度均为3 000 mg/L，第1 d 起采用上述进水，不同反应器分别投加甲醇、乙酸钠、乙二醇、丙三醇、葡萄糖，使模拟废水初始碳氮比为3.0，该条件下稳定运行后，取样测定周期内的及质量浓度变化，并提高初始碳氮比至4.0。每次系统运行稳定后，测定周期内各碳氮比稳定时及质量浓度变化情况，并继续重复上述操作，提高初始碳氮比至5.0、6.0、7.0、8.0。第39 d 清洗装置内活性污泥，改变为进水，不同反应器分别投加甲醇、乙酸钠、乙二醇、丙三醇、葡萄糖，使模拟废水初始碳氮比为2.0，该条件下稳定运行后，取样测定周期内的质量浓度变化，并提高初始碳氮比至2.5。每次系统运行稳定后，测定周期内各碳氮比稳定时质量浓度变化情况，并继续重复上述操作，提高初始碳氮比至3.0、3.5、4.0。具体实验阶段及参数见表1。

表1 反应器运行各阶段电子受体及碳氮比Table 1 Electron acceptors and carbon nitrogen ratios at each operation stage in five reactors

1.4 分析项目及方法

其中COD0为COD 的测定值。

1.5 反硝化理论碳氮比及反硝化速率计算

表2 不同碳源条件下反硝化理论碳氮比Table 2 Theoretical carbon nitrogen ratio of denitrification under different carbon sources

比反硝化速率是指单位生物量在特定时间（将体系内总氮素几乎完全去除所需的时间）内的平均反硝化速率，按照式（2）进行计算[17]：

其中：V1为比反硝化速率，mg/(g·h)；ρ0为进水N 质量浓度，mg/L；ρ1为终点质量浓度（以相邻两个测定点同一氮素前后质量浓度波动值小于0.5 mg/L 时的第1 个点为终点进行计算），mg/L；ρMLSS为混合液体悬浮固体质量浓度，g/L；Δt为反应时间，h。

最大比反硝化速率是指反硝化反应前期单位生物量去除氮素速率的最大值，按照式（3）进行计算：

其中：V2为最大比反硝化速率，mg/(g·h)；Δρ为N 质量浓度变化值[18]（同一底物），mg/L。

2 结果与讨论

2.1 甲醇为碳源的反硝化过程

图1 不同碳氮比下甲醇在稳定周期内对氮素的去除效果Fig.1 Effect of methanol on nitrogen removal at different carbon nitrogen ratios during stable period

在碳氮比为3.0～5.0 时，随着碳氮比增大，TN 去除率逐渐提高至98.0%；在碳氮比为5.0 时，出水TN 质量浓度小于1 mg/L，的去除率提高后稳定在99.8%，比反硝化速率加快；继续提高碳氮比至6.0～7.0，相较于碳氮比为5.0 时，体系内的比反硝化速率变化较小，而最大比反硝化速率从11.8 mg/(g·h)提高到了15.3 mg/(g·h)。实验结果表明，碳氮比较低时，增加碳源投加量可以提高氮素去除率和比反硝化速率；当TN 去除率接近100%时，继续增加碳氮比能提高比反硝化速率，出水COD 也可维持在45.0 mg/L 以下。因此，以甲醇为碳源时，最佳碳氮比为5.0，此时出水COD 为20.6 mg/L。甲醇属于单碳化合物，微生物的生长量较低，完成反硝化反应所需要的碳氮比较低，但由于实际运行中易受到温度、溶解氧及pH等影响，多数实验得到的最佳碳氮比在4.0～6.0[9,19]。

当碳氮比为2.0～3.0 时，随着投加碳氮比的提高，体系中去除率和比反硝化速率逐渐提高，最大比反硝化速率从6.7 mg/(g·h)提高到8.7 mg/(g·h)；继续提高进水中碳氮比至3.5 时，去除率维持不变，最大比反硝化速率提高至10.5 mg/(g·h)。实验结果表明，以甲醇为碳源时，在电子受体体系中，最佳碳氮比为3.0，该条件下去除率接近100%，出水COD为23.7 mg/L；进一步提高碳氮比可以显著提高最大比反硝化速率，出水COD 也维持在38.0 mg/L以下。在短程硝化出水的反硝化过程中，张攀等[20]发现甲醇为外加碳源时最佳碳氮比为2.5，低于全程硝化出水反硝化所需的碳氮比。

2.2 乙酸钠为碳源的反硝化过程

图2 不同碳氮比下乙酸钠在稳定周期内对氮素的去除效果Fig.2 Effect of sodium acetate on nitrogen removal at different carbon nitrogen ratios during stable period

在碳氮比为3.0～5.0 时，随着碳氮比的提高，TN 和的去除率逐渐提高，比反硝化速率增加至7.7 mg/(g·h)；当碳氮比继续增加至6.0 和7.0 时，相较于碳氮比为5.0 时，最大比反硝化速率稍有提升，说明在本实验中，当碳源足量时，最大比反硝化速率随碳氮比的增加变化不明显，此时出水COD 能维持在30.1 mg/L以下。因此以乙酸钠为碳源时，最佳碳氮比为5.0，该条件下出水TN 小于1 mg/L，出水COD 为11.0 mg/L。能利用乙酸钠作为碳源的微生物种类十分广泛，在彭永臻等[19]、吴代顺等[21]的研究中发现，乙酸钠的最佳碳氮比在5.0 左右，对应的菌属在反硝化过程中呈现较强的竞争优势。

在碳氮比为2.0～3.0 时，随着碳氮比的提高，体系中的去除率和比反硝化速率逐渐提高，最大比反硝化速率从5.5 mg/(g·h)提高到7.3 mg/(g·h)；继续提高进水碳氮比至3.5，去除率维持不变，比反硝化速率和最大比反硝化速率分别提高至7.1 mg/(g·h)和8.4 mg/(g·h)。实验结果表明，以乙酸钠为碳源时，在电子受体体系中，最佳碳氮比为3.0，该条件下去除率接近100%，出水COD 为30.0 mg/L，提高碳氮比可以适当提高比反硝化速率和最大比反硝化速率，此时，出水COD 也可维持在36.0 mg/L 以下。彭永臻等[22]探究了垃圾渗滤液短程脱氮工艺，短程出水投加碳氮比为3.0 的乙酸钠后可以实现良好的反硝化效率。

2.3 乙二醇为碳源的反硝化过程

图3 不同碳氮比下乙二醇在稳定周期内对氮素的去除效果Fig.3 Effect of glycol on nitrogen removal at different carbon nitrogen ratios during stable period

在碳氮比为3.0～7.0 时，随着碳氮比的提高，TN 和的去除率逐渐提高，比反硝化速率从2.9 mg/(g·h)提高到4.4 mg/(g·h)，最大比反硝化速率从7.3 mg/(g·h)提高到了9.2 mg/(g·h)。以乙二醇为碳源时，最佳碳氮比为7.0，此时出水TN 值小于1 mg/L，出水COD值为30.1 mg/L。Chen 等[11]投加碳氮比为4.7（废水中5 日生化需氧量BOD5与N 的质量浓度之比约为0.3）的乙二醇时，过程中控制运行温度（21±1）℃，可以去除混合废水中97%的总氮，证明乙二醇是一种有效的外加碳源。

在碳氮比为2.0～3.5 时，随着碳氮比的提高，体系中的去除率和比反硝化速率逐渐提高，最大比反硝化速率从4.2 mg/(g·h)提高到6.5 mg/(g·h)。实验结果表明，以乙二醇为碳源，在电子受体体系中，最佳碳氮比为3.5，此条件下去除率接近100%，出水COD 为23.2 mg/L，提高碳氮比可以适当提高比反硝化速率和最大比反硝化速率，且出水COD 能维持在31.0 mg/L 以下。

2.4 丙三醇为碳源的反硝化过程

图4 不同碳氮比下丙三醇在稳定周期内对氮素的去除效果Fig.4 Effect of glycerol on nitrogen removal at different carbon nitrogen ratios during stable period

在碳氮比为3.0～7.0 时，随着碳氮比的提高，TN的去除率逐渐提高至98.0%，的去除率逐渐提高至稳定，比反硝化速率不断增加至4.0 mg/(g·h)，最大比反硝化速率从4.4 mg/(g·h)提高到了8.4 mg/(g·h)。以丙三醇为碳源时，最佳碳氮比为7.0，此时出水TN 值小于1 mg/L，出水COD 值为25.5 mg/L。Cyplik等[12]对炸药生产废水中硝酸盐氮经过投加甘油进行反硝化，接种波兰喀尔巴阡山脉地区分离出的DNC4 微生物群落，得到碳氮比为3 时可以完全去除体系内的总氮。Chen 等[11]使用纯甘油作为补充碳源添加到混合废水中，维持pH=7.1 和温度（21±2）℃，发现当投加碳氮比为5.4（废水中BOD5与N 的质量浓度之比约为0.3）时，脱氮（总氮）率达到90%，与本实验结果存在一定差距，其原因可能是甘油作为碳源时，接种的微生物、温度、pH 对其影响较大。

在碳氮比为2.0～4.0 时，随着碳氮比的提高，体系中的去除率和比反硝化速率均逐渐提高。最大比反硝化速率从3.8 mg/(g·h)提高到7.1 mg/(g·h)。实验结果表明，以丙三醇为碳源，在电子受体体系中，最佳碳氮比为4.0，该条件下去除率接近100%，出水COD 为32.0 mg/L，提高碳氮比可以显著提高最大比反硝化速率。

国内研究大体呈现出以下局面：一、相关的学术文章数量少；二、介绍性文章居多，并主要集中在对西方翻译诗学的介绍；三、更注重翻译诗学的外围解释力，脱离诗歌翻译语境；四、对我们国家的翻译诗学理论关注不够。虽然田传茂、丁青（2006：64）对扎根于传统和实践沃土的中国当代译论话语进行了梳理，但也属于介绍性研究，所以他们在文中语重心长地指出，“原创性研究正是当前我国翻译理论研究所欠缺的。”

2.5 葡萄糖为碳源的反硝化过程

图5 不同碳氮比下葡萄糖在稳定周期内对氮素的去除效果Fig.5 Effect of glucose on nitrogen removal at different carbon nitrogen ratios during stable period

在碳氮比为3.0～8.0 时，随着碳氮比的提高，TN 和的去除率均逐渐提高，比反硝化速率不断加快。在此过程中，最大比反硝化速率从碳氮比为3.0 时的3.9 mg/(g·h)提升至碳氮比为8.0 时的6.7 mg/(g·h)，有明显的变化。说明在本实验中，随着碳氮比的增加，体系内最大比反硝化速率逐渐增加。以葡萄糖为碳源时，最佳碳氮比为8.0，该条件下出水TN 值小于1 mg/L，出水COD 值为25.7 mg/L。大多数研究[15,23]使用葡萄糖作为外加碳源，最佳碳氮比一般在6.5～10.0，这主要是因为葡萄糖是多碳有机物，微生物生长量大，实际反硝化运行所需碳氮比较高。

2.6 不同碳源投加量下各反应器中反硝化速率情况

表3 示出了不同碳源、不同碳氮比时不同电子受体的比反硝化速率。结果表明，在相同电子受体体系中，随着碳氮比的增加，比反硝化速率逐步上升，到达最佳碳氮比附近趋于平稳，而最大比反硝化速率继续上升。对于不同碳源而言，在相同碳氮比下，整体反应的比反应速率差距较大，两种电子受体情况下比反硝化速率由快到慢基本为甲醇、乙酸钠、乙二醇、丙三醇和葡萄糖。此外，在碳源及碳氮比一致的情况下，体系的平均比反硝化速率高于体系。

表3 不同碳源投加量下各SBR 反应器内比反硝化速率Table 3 Specific denitrification rates obtained with different carbon sources in SBR reactors

综上所述，小分子酸类的比反硝化速率最快，其次是单碳醇类，糖类最慢，主要是代谢途径差异，有机碳源代谢途径越复杂，碳源的消耗速率和系统反硝化速率也越低[24]。乙酸钠可通过β-氧化直接转化为乙酰辅酶A 进入三羧酸（TCA）循环[25]，为反硝化过程提供能量，所以反硝化速率快；而糖和醇类需要被分解为小分子有机物，或者转化为对应的挥发性脂肪酸才能被反硝化菌快速利用，例如，葡萄糖需先转化为丙酮酸，与辅酶A 形成乙酰辅酶A 再进入TCA 循环，最终被异养菌利用。而甲醇则是先转化为甲醛，由甲醛进一步转化为丝氨酸/乙醛酸，最后转化为乙酰辅酶A 进入TCA 循环。有研究发现甲醇经过一段“滞后期”后甲醇营养型细菌的积累可以使系统的反硝化能力不断提高，从而使甲醇反硝化速率在稳定后可以接近乙酸钠的反硝化速率[26]。

本文中5 种碳源的最佳碳氮比均高于其理论值，究其原因主要有以下几点：（1）局部溶氧较高区域异养菌对碳源的消耗；（2）局部厌氧区域发生异化性硝酸盐还原（本研究出水氨氮质量分数接近0）；（3）同化合成细胞或转化成细胞贮存物（如PHB（Poly-βhydroxybutyrate））[27]；（4）生物热等能量耗散。不同碳源最佳碳氮比之间存在明显的差异，就本文研究的5 种碳源而言，甲醇和乙酸钠的最佳碳氮比最低（表4），而葡萄糖的最佳碳氮比最高，主要原因是有机物在发生氧化时部分转化为细胞物质，转化为细胞物质的比例与碳源自身有很大的关系。一般来说，单碳化合物如甲醇的微生物生长量低，转化为细胞物质的量少，完成反硝化反应所需的真实碳氮比小；乙酸钠次之；而作为高碳化合物的葡萄糖，其微生物生长量相对较高，完成对应反硝化反应所需要的碳氮比就更高[21]。

表4 不同碳源在最佳碳氮比下的成本分析表Table 4 Cost of carbon sources at corresponding optimal carbon nitrogen ratio for nitrogen removal

2.7 经济性分析

表4 示出了不同碳源在最佳碳氮比下的成本分析。由表4 可知，在分别处理50 mg/L 的和时，其成本从低到高依次为甲醇、葡萄糖、乙酸钠、乙二醇、丙三醇和甲醇、葡萄糖、乙二醇、乙酸钠、丙三醇。考虑到化学品价格的波动，可根据表4做出实际负荷情况的推测，以降低废水处理厂运行成本。

虽然两种电子受体下，甲醇的成本都最低，脱氮效果较好，但甲醇属于易燃易爆的液态化学品，其运输、储存和投加均有特殊要求，前期基建成本较高，且易因管理不当发生爆炸事故；其次，高浓度甲醇对于人体和微生物均有毒害作用[28]，在实际运用中存在风险。葡萄糖的成本也相对较低，但是其比反硝化速率仅为乙酸钠的50%～67%。乙二醇的投加成本与乙酸钠基本一致，但其比反硝化速率仅为乙酸钠的62%～90%。综上所述，若已投建的城镇污水处理厂占地面积较大，废水进水氮负荷较小，推荐使用葡萄糖作为外加碳源；若投建的污水处理厂占地面积较小，废水进水氮负荷较高，需要在较短时间内完成处理，推荐使用乙酸钠；推荐乙二醇作为乙酸钠价格上浮时的替补碳源。

3 结 论