廢棄農作物緩釋碳源強化污水脫氮效果研究

孫國正

(河津市水利發展中心，山西 河津 043300)

近年來，氮素污染物超標排放誘發的水體富營養化問題日趨嚴重，對水生生物和人類的生存環境造成了巨大威脅，高效脫氮成為污水處理的關鍵目標。然而，當污水中碳源不足時，生物脫氮的反硝化過程將由于缺少有機碳源而受阻，導致脫氮工藝效率低[1]。因此，探尋強化低碳源污水脫氮效果的方法具有重要意義。

針對低碳源污水脫氮效率低的問題，多數學者通過投加分子量較低的液體碳源物質來進行強化[2]，反硝化菌能較好的利用這些物質，但它們通常成本較高、投加量不易控制，特別是甲醇本身具有毒性，極可能因進水水質波動而引起二次污染，不宜規?；茝V。此外，在脫氮工藝中添加適量葡萄糖也能提高硝態氮的去除率[3]，但是易發生堵塞。為此，國內外學者開始探尋新的可替代碳源。韓露等采用熱水解污泥的濾液充當SBR反應器的補給碳源，考察了SBR系統在該碳源補給條件下的脫氮效率，研究結果表明，出水TN濃度可減少到7.98mg/L，TN去除率在80%以上[4]。趙淑蘭等運用酶法處理餐廚固渣，將得到的碳源回收液進行分析，結果表明BOD在溶液中的濃度超過76g/L，BOD/N比值則高達51.2，作為污水碳源具有十分大的應用潛力[5]。徐晨璐等采用垃圾滲濾液作為城鎮污水廠的外加碳源，考察了其強化脫氮的效果，混入垃圾滲濾液后的城鎮污水TN去除率升高了10%左右[6]。LUO等采用超聲/堿處理豬糞的聯合方法得到了豬糞碳源應用于強化污水脫氮，研究結果表明，在加入1.78%豬糞碳源的后續生物處理中，TN去除率比沒有添加碳源的情況下高出62.29%[7]。我國農村地區普遍存在大量纖維素類廢棄農作物，因其取材容易、二次污染小的優點，可以作為碳源與充當微生物載體[8]，逐漸成為研究焦點。

本文將考察不同類型廢棄農作物在不同預處理方法下的釋碳效果，篩選出最優碳源類型及最佳預處理方法，以期實現廢棄物的再利用，為提高低碳源污水的脫氮效能、降低脫氮成本提供綠色碳源。

1 材料與方法

1.1 緩釋碳源的預處理

選取常見的廢棄農作物稻草、玉米芯、絲瓜絡作為緩釋碳源，剔除雜質或變質材料，清洗后放到烘箱內85℃烘干，粉碎或剪碎后分別進行高壓蒸汽(121℃高壓蒸汽鍋中蒸20min)、酸熱(每10g樣品中加入400mL質量分數為2%的硫酸溶液，加熱煮沸20min)、堿熱(每10g樣品中加入400mL質量分數為2%的氫氧化鈉溶液，加熱煮沸20min)預處理。冷卻后沖洗干凈再烘干，即完成緩釋碳源的預處理。

1.2 浸出液組分分析

在一系列離心管內放入樣品各1g，注入40mL去離子水，蓋好，浸泡11d，濾掉殘渣，將浸出液搖勻、離心后，經微孔濾膜過濾，檢測浸出液pH及金屬元素、N、P含量。

1.3 靜態釋碳效果分析

稱取堿熱預處理后的玉米芯、絲瓜絡各5g放入錐形瓶內，注入去離子水150mL，密封后靜置于(25±1)℃恒溫培養箱中，每天定時換水，水樣經微孔濾膜過濾后，測浸出液中COD、BOD5的含量。

1.4 強化脫氮實驗

1.5 分析方法

水質指標依據《水和廢水監測分析方法(第四版)》進行測定。

2 結果與討論

2.1 預處理前后質量損失情況

預處理后的質量損失率如圖1所示，反映了不同預處理方法對質量損失的影響。廢棄農作物中的(半)纖維素能被微生物較有效的降解，但卻很難降解分子量較大的木質素，其存在將阻礙(半)纖維素發生水解。因此，必須先對稻草、玉米芯、絲瓜絡進行預處理，一方面使纖維素、半纖維素能更有效地與水接觸，增大釋碳能力；另一方面則是改善碳源材料的表面結構，提高與微生物之間的可接觸性，增強反硝化潛能[9]。

圖1 預處理后的質量損失率

從預處理方法來看，質量損失率：堿熱處理>酸熱處理>高壓蒸汽處理>對照組。堿溶液中的OH-能破壞木質素的醚鍵，同時能和半纖維素與木質素之間的酯鍵發生皂化反應，使木質素大部分被溶解，同時也能溶解部分半纖維素，故堿熱預處理后的稻草、玉米芯、絲瓜絡質量損失率均達到最大，分別為38.2%、19.7%、9.9%；酸僅能破壞木質素和纖維素之間的連接，溶解部分半纖維素，因而酸熱預處理后質量損失率均小于堿熱預處理；高壓蒸汽對木質素和纖維素的影響較小，處理后的質量損失率均低于1%。從廢棄農作物類型來看，質量損失率：稻草>玉米芯>絲瓜絡，這是由于稻草、玉米芯、絲瓜絡中木質素的含量不同，其中稻草中木質素含量僅為10%～18%，對酸或堿水解作用的阻礙能力相對較弱，特別是經堿熱處理后發生嚴重形變。由此可見，堿熱預處理更有利于釋放廢棄農作物的釋碳潛能。

2.2 浸出液組分分析

碳源浸出液可能酸堿性不宜或含有毒有害的金屬元素，存在潛在危害；同時，隨著植物體的分解，N、P可能被溶出，引起水質惡化[10]。為此，考察了上述廢棄農作物材料浸出液的pH值，當pH值為6～8時通常具有較高的反硝化速率。對照組的稻草、玉米芯、絲瓜絡浸出液pH值分別為4.4、6.4、5.0，高壓蒸汽預處理后的稻草、玉米芯、絲瓜絡浸出液pH值分別為4.8、6.4、6.0，酸熱預處理后的稻草、玉米芯、絲瓜絡浸出液pH值分別為2.6、2.6、6.0，堿熱預處理后的稻草、玉米芯、絲瓜絡浸出液pH值分別為6.9、7.1、6.5。由此可見，堿熱預處理后的碳源材料較為有利于反硝化的進行。

圖2 碳源材料浸出液組分分析

絲瓜絡浸出液中未檢測到金屬元素；稻草浸出液中檢出了As、Zn，但它們的含量按照對照組、高壓蒸汽預處理、酸熱預處理、堿熱預處理的順序依次降低；玉米芯浸出液相比對照組和高壓蒸汽預處理后的浸出液中多檢出了少量As，而浸出液中Zn含量則按照高壓蒸汽預處理、酸熱預處理、堿熱預處理的順序依次降低?？紤]到實際應用中，進水流量和流速大于實驗設定值，或水力停留時間小于實驗設定值，因此將絲瓜絡、酸熱或堿熱預處理過的玉米芯作為反硝化碳源時，基本不會對環境安全造成影響。另外，浸出液中的微量金屬元素還能在一定程度上為反硝化增效。從N、P釋放量來看，稻草釋放的N、P最多，TN、TP釋放量分別為0.958～1.612mg/g、0.767～1.231mg/g，這與稻草生長過程中具有較強的N、P吸收能力且在水中浸泡后分解較快有關，這些物質的大量釋放將增加水體中的N、P含量，不利于水體中N、P的去除。相比之下，玉米芯和絲瓜絡的N、P釋放量較低，這與玉米芯和絲瓜絡中所含N、P元素較少有關，堿熱預處理后的玉米芯和絲瓜絡浸出液中未檢出N、P，對反硝化的影響可忽略。

綜合來看，堿熱預處理后的玉米芯、絲瓜絡的二次污染低、環境友好度高，作為反硝化碳源和生物膜載體具有一定的安全可行性[11]。因此，選擇它們進行清水釋碳實驗，以期選出最適合的碳源材料。

2.3 靜態釋碳效果分析

堿熱預處理后玉米芯、絲瓜絡的釋碳能力如圖3所示。

圖3 堿熱預處理玉米芯和絲瓜絡的碳釋情況

由圖3可知，玉米芯在前3d的COD釋放量相對較高，從第5d開始下降，第5d到第25d期間趨于穩定，維持在30mg/g左右，從第27d開始再次下降，這是因為玉米芯在初期分解較快、中期分解較為緩和、后期分解變得緩慢，平均釋碳量達到17.3mg COD/(g·d)。BOD5釋放規律與COD較為一致。絲瓜絡僅在前2天有一定的釋碳能力，隨著浸泡時間的延長，浸出液中未能檢測到COD和BOD5，可見絲瓜絡在短間隔時間內的釋碳能力較弱，穩定期間產生的碳源不足以供給反硝化所需[12]。

BOD5/COD比值可反映水體的可生化性，即廢水中有機污染物能否可以被微生物利用以及被利用的程度[13]，通常當BOD5/COD>0.45時，可生化性較好。采用堿熱預處理的玉米芯釋碳穩定期，BOD5/COD均高于0.5，碳源可大部分被微生物利用。因此，相比之下，堿熱預處理后的玉米芯最適合作為緩釋碳源材料。

2.4 強化污水脫氮效果分析

圖4 COD去除情況

圖去除情況

圖6 TN去除情況

3 結論

針對低碳源污水脫氮效率低的問題，選取常見廢棄農作物作為緩釋碳源進行了預處理，探索了其應用于強化污水脫氮的可行性，得到如下結論：

(1)堿熱預處理后的玉米芯質量損失率為19.7%，浸出液pH為7.1，Cu、Pb、Cd、Cr、As、Zn、N、P含量均處于較低水平，具有良好的安全性。

(2)與絲瓜絡相比，堿熱預處理后的玉米芯平均釋碳量可達到17.3mg COD/(g·d)，BOD5/COD比高于0.5，可生化性較好，更適合作為緩釋碳源材料。