基于農業廢棄物強化生物反硝化效果研究

劉勇毅，禤倩茹，胡榮庭，劉楚源，黃冠

（桂林理工大學環境科學與工程學院，廣西 桂林 541004）

1 研究背景

隨著我國工業化和城鎮化進程的加快，農業中含氮化肥的廣泛施用，導致地下水硝酸鹽污染日益嚴重。據調查，我國華北5 省（自治區、直轄市）有45.0%的地下水存在硝酸鹽超標問題，河北省硝態氮最高濃度達26.5 mg/L[1]，北京市平原農區地下水硝態氮超標率38.7%、最高濃度達47.5 mg/L[2]。洞庭湖流域、珠江流域、鄱陽湖流域、太湖流域[3]、滇池流域[4-5]和漓江流域均存在地下水超標問題，長沙市城區周邊地下水硝態氮最高濃度77.5 mg/L[6]，桂林市東部農村地下水硝態氮超標率80%、最高濃度46.6 mg/L[7]，鄱陽湖流域內超過10.0%的地下水出現了硝酸鹽氮污染[8]。地下水是居民生活飲用水的重要水源，而長期飲用硝酸鹽濃度過高的水會產生極大危害。硝酸鹽在人體內會轉化為亞硝酸鹽，容易引起高血紅蛋白癥、地方性甲狀腺腫、呼吸道感染和免疫系統紊亂等疾病[9-10]。亞硝酸鹽與仲胺類物質反應會產生具有致癌性的亞硝胺類物質。為此，我國限定地下飲用水水源的硝酸鹽濃度不得高于20 mg/L。

生物脫氮技術具有去除效果好、易操作控制和成本低的特點，是當前硝酸鹽污染治理的主要方法。生物脫氮技術主要是基于異養缺氧型生物反硝化，采用有機物或無機物作為電子供體，將硝酸鹽逐級還原，最終轉化為氮氣[11-12]。大量硝酸鹽進入水體環境后難以通過自然凈化去除，主要是由于缺乏有機質碳源和缺氧環境。可通過添加有機質碳源強化反硝化作用，有效去除硝酸鹽。有機質碳源可分為溶解性和固體碳源。常見的溶解性碳源包括乙醇、乙酸、醋酸鈉和葡萄糖等，這類碳源具有反應速度快和投加簡便的優點。但是，溶解性碳源對投加量的控制要求較為苛刻，易出現投加量不足導致硝酸鹽和氧化亞氮等反硝化中間產物累積或者投加量過量而導致殘留有機物濃度較高的情況。

固體碳源可以有效地避免溶解性碳源的缺點，被廣泛研究和應用[13-14]。固體碳源不僅為微生物提供載體和能源，而且易形成缺氧環境進而促進反硝化，稱之為固相反硝化。固相反硝化可分為固體有機物水解和反硝化階段，這兩個階段分別由水解類和反硝化類微生物來完成。水解類微生物將固體有機物逐步進行水解，生成單糖、醇類和乙酸類等溶解性小分子有機物，然后供給反硝化生物進行脫氮。學者篩選了大量的固體有機質材料，如碎木、木屑、玉米芯、秸稈和堆肥材料等天然材料，也有人工合成的高分子聚合物。

據統計，我國每年產生大量農業廢棄物，對周邊環境造成了較大的影響。有學者利用常見的農業廢棄物作為反硝化碳源，用于治理硝酸鹽污染，以期達成“以廢治廢”的目標。張雯等（2017）篩選了數種常見農業廢棄物作為反硝化碳源，試驗結果表明，玉米秸稈、小麥秸稈和玉米芯均可作為理想的碳源材料。農業廢棄物作為一種常見的資源，用于強化生物反硝化作用，是解決當前突出的硝酸鹽污染問題的一種重要策略。

本研究選擇甘蔗渣、橘子皮和木屑作為反硝化碳源材料，設計3 種生物質在不同pH 值條件下的反硝化批量試驗，測定反硝化過程中硝酸鹽、亞硝酸鹽和銨態氮等指標，以期揭示在天然有機質條件下強化反硝化作用的規律，識別反硝化過程中的中間產物，為地下水硝酸鹽污染防治提供一定的參考依據。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

生物質材料包括甘蔗渣、橘子皮和白楊木屑。原料購置于市場，經過洗滌、曬干和粉碎后，選用粒徑0.1～1.0 mm 的部分，水洗2～3次，60 ℃烘干后裝袋密封備用。

取菜園表層（0～20 cm）土樣和超純水充分混合，濃度為0.2 kg/L，靜置12 h后，用虹吸法取上部1/3 的清液作為反硝化接種液。

硝酸鹽模擬污水由KNO3和pH 值緩沖溶液配制，其中NO3--N 為100 mg/L。采用共軛酸堿配制pH 值緩沖溶液，pH 值為5.0 的緩沖液為4.0 g/L 的KH2PO4和0.11 g/L 的Na2HPO4·12H2O，pH 值為7.0 的緩沖液為2.697 g/L 的KH2PO4和9 g/L 的Na2HPO4·12H2O，pH 值為9.0 的緩沖溶液為0.9 g/L 的H3BO3和6.358 g/L 的Na2B4O7·10H2O。

2.2 試驗方法

選擇甘蔗渣、橘子皮和木屑分別作為碳源材料，分別在pH 值為5.0、7.0 和9.0 的條件下進行靜態反硝化批量試驗，以不投加碳源和pH 值為7.0 的條件作為對照組，共10 組試驗，每組設計兩個平行樣。

試驗步驟如下：稱取5.0 g 碳源材料加入500 mL玻璃瓶，添加395 mL 硝酸鹽模擬污水和5 mL 接種液；向瓶內通入20 min 的N2后用橡膠塞密封；試樣瓶在25 ℃恒溫培養箱內連續反應13 d，在第0、1、2、3、4、5、6、8、10、13 天采集水樣，取樣后補加同體積的pH 值緩沖溶液；水樣經0.45 μm 針頭濾膜過濾后，測定NO3--N、NO2--N 和NH4+-N 指標，測定方法依次為紫外分光光度法、N-（1-萘基）-乙二胺光度法和納氏試劑光度法。

2.3 對信息脫貧的長期性認識不足 現有的研究對信息貧困的長期性認識不足，從給出信息貧困成因的相應對策中，解決區域性的經濟貧困，只能說改善了當地信息貧困狀況。在解決信息貧困的對策中，政策制定有一定的儲備期，政策的落實有相當長的滯后期；信息貧困人群信息意識的培育也有一定周期；信息環境的改善和信息技術的普及也不是一蹴而就的，所以從諸多影響信息貧困的因素來理解，信息富集與信息貧困總是相對的，信息貧困人口總是會客觀存在，并會長期存在。

3 結果與分析

3.1 不同碳源材料強化反硝化的效能

3.1.1 硝酸鹽的去除效果

采用甘蔗渣、橘子皮和木屑作為反硝化碳源，在初始NO3--N 為100 mg/L 和pH 值為7.0 的條件下，反硝化過程中NO3--N 的累積去除率見圖1。由圖1 可知，3種碳源條件下均表現出了較好的NO3--N 去除效果，最終NO3--N 去除率在97.0%以上。甘蔗渣和橘子皮碳源條件下表現出NO3--N 快速去除，第3 天時NO3--N 的去除率分別為89.4%和90.5%。木屑碳源條件下，反應速率較慢，第3 天時NO3--N 的去除率僅為2.0%，在第13 天的NO3--N 去除率達到了97.8%。

圖1 在天然生物質碳源條件下反硝化過程中硝酸鹽累積去除率變化曲線

甘蔗渣和橘子皮碳源條件下，表現出快速去除NO3--N 的效果，主要是因為這兩種生物質材料中含有較多的小分子有機物，如有機酸、單糖、脂類和蛋白等。這些小分子有機物能夠快速釋放，為反硝化生物提供了容易利用的溶解性有機質碳源，使得反硝化能夠快速進行。白楊木屑的主要成分為纖維素、半纖維素和木質素，碳釋放量較低，主要是因為高木質素含量和天然結構特征。木質素是由苯丙基烷結構單元通過碳-碳鍵連接而成的疏水性高分子聚合物，幾乎不被微生物分解利用。木質素在纖維素與半纖維素周圍形成致密保護層，阻礙了溶解性有機碳的釋放。總之，甘蔗渣和橘子皮可作為快速釋放碳源，能實現快速去除NO3--N的目的，木屑去除NO3--N 的速率緩慢但能維持長期的反硝化效果。

3.1.2 反硝化產物

分別采用甘蔗渣、橘子皮和木屑作為反硝化碳源，在初始NO3--N 為100 mg/L 和pH 值為7.0 的條件下，反硝化過程中的NO2--N 和NH4+-N 的濃度變化見圖2。由圖2（a）可知，木屑碳源條件下的NO2--N 未出現大量積累。橘子皮和甘蔗渣作為碳源時，分別在第1 天和第2 天出現了NO2--N 峰值，分別達到59.4 mg/L和72.8 mg/L。由圖2（b）可知，以甘蔗渣和木屑為碳源時，均未出現NH4+-N 的累積，而橘子皮碳源條件下出現了較高的NH4+-N 累積，在第4 天后趨于平穩，約為28.6 mg/L。

圖2 天然生物質碳源條件下反硝化過程中亞硝酸鹽和銨態氮濃度變化曲線

木屑作為碳源時，整個反硝化過程中未出現NO2--N和NH4+-N 的明顯累積，這與類似研究結果一致。木質碳源條件下釋放的溶解性有機物較為復雜，參與水解和反硝化的微生物多樣性較高，使得副產物的產量較低。甘蔗渣作為碳源時，產生了較高NO2--N 累積，主要是因為大量小分子有機物促進了亞硝酸鹽還原酶活性，并且高于亞硝酸鹽還原酶的活性，造成兩種還原酶的反應速率存在差值。橘子皮作為碳源時，反應過程中產生了大量的NH4+-N，可能是發生了異化硝酸鹽還原為銨作用（DNRA）和有機氮氨化作用。DNRA 作用一般發生于高有機質環境中，使得NO3--N 被微生物直接還原為NH4+-N。另外，橘子皮中部分有機氮類物質在微生物作用下轉化為NH4+-N。

3.2 pH 值對生物質碳源反硝化過程的影響

3.2.1 甘蔗渣碳源

圖3 各pH 值條件下甘蔗渣碳源反硝化過程中硝酸鹽累積去除率和亞硝酸鹽濃度變化曲線

在pH 值為7.0 條件下，甘蔗渣表現出較好的硝酸鹽去除效果，這與徐亞同（1994）的研究結果相符，反硝化適宜pH 值為中性環境。一般認為，反硝化過程是指硝酸鹽依次在硝酸鹽、亞硝酸鹽、一氧化氮和氧化亞氮還原酶的作用下進行逐級還原，最終轉化為氮氣。當pH 值過低時，會抑制硝酸鹽還原酶和亞硝酸鹽還原酶的活力，進而限制了NO3--N 的去除。與硝酸鹽還原酶相比，亞硝酸鹽還原酶對外界條件變化更為敏感，受到抑制更為明顯，進而造成了NO2--N 的積累。另外，反硝化屬于一種產堿的生物化學過程，反應體系pH 值過高會抑制生化反應的進行，使pH 值為9.0 條件下的反硝化速率較低，且NO3--N 大量轉化為NO2--N，發生了不完全的反硝化反應。

3.2.2 橘子皮碳源

采用橘子皮作為反硝化碳源時，在各pH 值條件下生物反硝化過程中NO3--N、NO2--N 和NH4+-N 的變化見圖4。由圖4（a）可知，與pH 值為7.0 條件下的NO3--N 快速去除相比，pH 值在5.0 和9.0 條件下的NO3--N 去除速率較為緩慢，在第13 天的NO3--N 去除率分別為76.6%和93.9%。由圖4（b）可知，在pH 值為7.0 和9.0 條件下分別在第1 天和第8 天出現了NO2--N累積峰值，分別達到59.4 mg/L 和56.1 mg/L。在pH 值為5.0 的條件下，NO2--N 在第3 天后的累積趨于平緩，約為20.0 mg/L。由圖4（c）可知，在pH 值為5.0、7.0 和9.0 條件下都出現了較高的NH4+-N 積累，在第13 天分別達到了14.2 mg/L、27.5 mg/L 和12.7 mg/L。

圖4 各pH 值條件下橘子皮碳源反硝化過程中硝酸鹽累積去除率、亞硝酸鹽濃度和銨態氮濃度變化曲線

在橘子皮碳源條件下，較高和較低的pH 值均會限制反硝化速率，主要是因為這兩種pH 值條件下均不利于反硝化生物的繁殖代謝。在pH 值為5.0 和9.0 條件下產生NH4+-N 的累積量低于pH 值為7.0 條件下產生NH4+-N 的累積量，這可能是因為前兩種條件下的NO3--N 去除量較低，進而通過DNRA 作用轉化為NH4+-N 的濃度也較低。總之，橘子皮不適合作為生物反硝化的碳源材料，因為pH 值對反應產物的影響較大，且會出現比NO3--N 毒性更大的NO2--N 和NH4+-N累積。

3.2.3 木屑碳源

在各pH 值條件下，木屑碳源反硝化過程中的NO3--N 和NO2--N 變化見圖5。由圖5（a）可知，木屑碳源的反硝化速率受pH 值條件影響明顯，NO3--N 去除速率由高至低的pH 值條件依次為7.0、5.0 和9.0。在第13天，pH 值為7.0、5.0 和9.0 條件下NO3--N 的去除率分別為97.8%、61.4%和22.5%。在圖5（b）中，木屑碳源在pH 值為7.0 的條件下未出現明顯NO2--N 的累積現象；在pH 值為5.0 和9.0 的條件下，出現了較高濃度的NO2--N 累積，在第13 天分別達到4.45 mg/L和11.5 mg/L，占NO3--N 去除量的7.2%和51.1%。

圖5 各pH 值條件下木屑碳源反硝化過程中硝酸鹽累積去除率和亞硝酸鹽濃度變化曲線

反硝化微生物在中性條件下能夠較快進行繁殖代謝，發生了較為完整的反硝化過程，因此在pH 值7.0條件下硝酸鹽得以快速地去除，并且產生的累積量也較低。在pH 值為5.0 條件下，微生物的代謝作用受到限制，過量的H+與NO2-反應生成了游離的亞硝酸，進一步對反硝化微生物尤其是對NO2-還原的微生物產生了毒性，造成了較高NO2--N 累積。在pH 值為9.0 條件下，由于堿性環境抑制了反硝化生物化學反應，發生不完全反硝化過程，使得反應停留在NO3--N 向NO2--N轉化的階段。

4 結論

采用甘蔗渣、橘子皮和木屑作為反硝化碳源，在初始NO3--N 濃度為100 mg/L 和pH 值為7.0 的條件下，NO3--N 的去除率均在97.0%以上。甘蔗渣和橘子皮碳源條件下，NO3--N 去除速率明顯高于木屑碳源條件。但是，甘蔗渣和橘子皮碳源易出現毒性更強的產物，在反硝化過程中出現了NO2--N 累積峰值，尤其是橘子皮碳源條件下的NH4+-N 約占去除NO3-N 的29.0%。

pH 值對天然生物質碳源條件下的反硝化過程具有明顯影響。在pH 值為7.0 條件下，3 種碳源均表現出較高的NO3-N 去除率。甘蔗渣碳源在pH 值為9.0條件下的NO3-N 去除率僅為43.1%，且有45.3%轉化為NO2--N。木屑碳源條件下NO3-N 的去除速率較為緩慢，反應副產物NH4+-N 的累積量較低，但在pH 值為9.0的條件下出現了較高NO2--N 累積量。