利用緩釋碳源強化生物反硝化脫氮的研究進展

李 芳,于成志,張 唯,陳家斌,3,張亞雷,3,周雪飛,3,*

(1.同濟大學環境科學與工程學院,上海 200092;2.污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海 200092;3.農業農村部農村廁所與污水治理技術重點實驗室,北京 100125)

硝酸鹽污染是一類嚴重的環境問題,它會影響地表水和地下水的質量,進而威脅人類和生態系統的健康。調查數據顯示,2016年我國河水中硝酸鹽超標率達7.83%[1]。根據我國《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002),地表水的硝酸鹽質量濃度應低于45 mg/L,根據《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2022),地下水的硝酸鹽質量濃度應低于89 mg/L[2-3]。然而,近年來地表水和地下水受到的污染逐漸加劇,尤其是近十年來城市化、工業化的快速發展以及人口的增加,導致硝酸鹽含量持續升高[4]。沿海地區和內陸的地下水也遭受了不同程度的污染[5-6]。氮超標排放不僅會導致富營養化[7],還可能間接產生健康風險,如高鐵血紅蛋白血癥、胃腸道癌、不良妊娠現象、甲狀腺疾病以及神經管缺陷等[1,8-10]。硝酸鹽治理刻不容緩。

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緩釋碳源作為一種來源廣、價格低且能緩慢釋放有機碳的新型固體碳源,在近年來的研究中頗受歡迎。利用天然纖維素類碳源(天然碳源)和合成可生物降解碳源(合成碳源)作為反硝化電子供體,可以強化系統的脫氮效果[14-16]。本文總結了緩釋碳源的種類及反硝化效果、作用機制及微生物群落結構、協同處理及工藝耦合研究,并對其未來的發展趨勢進行展望,以期為緩釋碳源的脫氮效果研究提供參考。

1 緩釋碳源種類和特點

緩釋碳源按照其來源不同一般可以分為天然碳源、合成碳源以及混合碳源。

1.1 天然碳源

1.1.1 天然碳源的反硝化效果研究

天然碳源通常指天然木質纖維素材料,主要由纖維素(35%～55%)、木質素(15%～40%)和半纖維素(5%～25%)組成[17]。全球每年生產10億～500億t干木質纖維素,約占全球生物質產量的1/2[18]。天然碳源可以作為反硝化的電子供體,稻草、秸稈、玉米芯、木屑、大米等都是近年來研究的熱點[19-22]。表1列舉了不同種類的緩釋碳源對硝酸鹽的去除情況。天然碳源富含纖維素,在生物降解后可釋放溶解性有機碳源,能夠有效去除水中的硝態氮。序批式反應器(SBR)在添加玉米芯作為碳源后,總氮去除率從(45.46%±0.05%)提高到(70.32%±0.76%),脫氮優化效果顯著[20]。絲瓜絡、麥秸、玉米芯、稻草具有較好的碳釋放能力,作為外加碳源時也表現出良好的反硝化潛力(105.3～140.1 g N/g),膜生物反應器(MBR)在分別添加水稻秸稈、絲瓜絡和玉米芯后的脫氮效果均得到有效強化,與對照組相比,總氮去除率分別提高25.48%、19.53%和38.90%[21],說明利用天然纖維素類物質替代傳統反硝化碳源具有可行性。

表1 各類緩釋碳源反硝化系統的反硝化性能

1.1.2 改性天然碳源的反硝化效果研究

天然木質纖維素結構由木質素、纖維素和半纖維素鑲嵌而成,而木質素的復雜性和難降解性增加了其降解難度[23]。利用化學法(如酸處理、堿處理等[24-25])對天然碳源進行改性,可以改善其有機碳釋放能力[26-27]。化學改性可以去除木質素和/或半纖維素,并在較小程度上降低纖維素組分的聚合度和結晶度[23],提高纖維素的生物降解性。Li等[28]用2% NaOH溶液對絲瓜、玉米芯和秸稈進行改性后,其有機碳釋放量翻倍,反硝化潛力從112.04～157.94 mg/g增加到233.82～250.69 mg/g。不同植物對同種改性方法響應不同。美人蕉、蘆竹、香茅、香蒲在進行相同堿處理后的表面粗糙度、釋碳性能和反硝化性能均有所差異,香茅和蘆竹的表面粗糙度和有機碳釋放量最大,作為碳源的脫氮效果最佳,平均硝態氮去除率分別達到89.46%和90.52%[24]。堿處理能夠明顯減少天然纖維素碳源內的木質素含量[29]。堿的使用可以促使酯和糖苷側鏈降解,進而導致木質素結構改變、纖維素膨脹、纖維素部分消晶[30-31]和半纖維素部分溶劑化[25,32]。也有研究[33]發現,改性后的天然碳源雖然有機碳釋放量增大,但反硝化效果沒有明顯改善,且會釋放N2O。因此,如何適當應用改性方法需要進一步研究。

1.1.3 天然碳源二次污染物的釋放

天然碳源的成分復雜,有機碳、氮、磷和色度的釋放機制不明晰,其在降解或釋放過程中可能會產生二次污染,對污水處理造成不利影響。多項研究[34-36]表明,秸稈類碳源(如小麥秸稈、玉米秸稈、稻草秸稈等)在反硝化過程中普遍會有色度的產生,稻草秸稈的總氮釋放量可達(20.77±1.67)mg/(g·d)[34]。在實際應用中,外加碳源釋放的過量總氮可能會對反硝化產生不利影響[20],產生的色度對后續工藝也提出了額外要求[35]。除此之外,緩釋碳源的使用也可能會造成溫室氣體的排放。玉米芯、麥秸和綠色廢棄物雖然具有較好的反硝化脫氮效果,但在反應過程中均有N2O產生,其中玉米芯還會釋放大量總有機碳(TOC)和CH4[37]。因此,在實際生產中應用天然碳源作為反硝化碳源和生物膜載體時,除了要關注其有機碳釋放特性和反硝化效果,也要充分考慮二次污染物的產生。天然碳源釋放的有機物占總質量的主要為大分子有機物以及含雙鍵有機物,其主要成分為色氨酸、黃腐酸及少量蛋白質,在后續的反硝化過程中被全部降解利用[38]。而未浸出的組分以木質素及含木質素的纖維素為主,由于不含硫元素,天然木質素在消毒過程中不會產生有害副產物[39]。

1.2 合成碳源

1.2.1 合成碳源的反硝化效果研究

合成碳源是指人工合成可生物降解聚合物,其特點是不溶于水,容易被微生物降解,可為反硝化恒定提供有效碳源[40]。聚羥基鏈烷酸酯(PHA)、聚3-羥基丁酸酯(PHB)、聚己內酯(PCL)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、3-羥基丁酸酯-共-3-羥基戊酸酯(PHBV)等常被用于固相反硝化研究[41-49],且具有較好的脫氮效果。PHA和PHB是微生物自身的儲存物質,容易被自然界存在的微生物代謝[50],綠色塑料PHBV表面含有C-O、C=O等親水基團,有利于微生物附著生長和降解利用,其作為電子供體和微生物載體的反應系統,反硝化啟動快、有機物出水剩余濃度低、反硝化速率高、脫氮效果持續穩定[41,45,51]。PCL的反硝化效果雖不及PHBV[47],但因經濟優勢也常被用作固相反硝化研究[52]。PCL作為固相反硝化生物濾池的過濾介質和碳源處理污水處理廠二級出水,反硝化速率最大可以達到3.80 g N/(L·d),且在8 ℃的低溫環境下反硝化速率依舊能保持在1.2 g N/(L·d),脫氮效果頗佳[47]。

1.2.2 合成碳源的經濟成本分析

脫氮工藝的成本主要由技術設備成本、維修成本和基質價格決定[50]。與甲醇、乙酸鈉等常用的傳統碳源相比,PCL和PHB的藥劑成本相對較高[53],但對設備和裝置的要求較少。在運行階段,合成碳源的有機碳釋放是隨微生物對電子供體的需求降解產生,不需要對其進行額外的過程控制和水質連續監測操作,因此,雖然合成碳源的生產成本略高,但其在設備成本、運維操作上更為簡單,且在運輸和運行過程中基本不存在易燃性和毒性等安全風險[47]。然而由于缺乏實際應用數據,無法準確地對使用合成碳源的脫氮工藝進行成本計算。未來隨著可生物降解聚合物合成工藝的發展優化,合成碳源可能會逐漸實現量化生產,生產成本會日益降低,其經濟性將會得到極大的提高,在反硝化處理中的應用將會愈發廣泛[40]。

1.3 混合碳源

為了在經濟成本和脫氮效率方面取得平衡,研究人員將具有優越反硝化性能的合成碳源與經濟有效的天然碳源共混,制備新型環保經濟可生物降解復合物。由PHBV/竹粉混合物支撐的反硝化系統能夠快速啟動,硝酸鹽去除率高,過程中幾乎無亞硝態氮積累,并且混合物的使用可以降低基質成本,是一種經濟且高效的碳源選擇[54]。Yang等[55]的研究發現聚乳酸(PLA)/淀粉共混物在質量比為1∶1時反硝化速率最大為4.608 g N/(L·d),出水TOC的累積較少,具有良好的環境適應性和脫氮性能。混合碳源能夠結合天然碳源和合成碳源的優點,降低二者的不良影響,具有廣闊的發展前景。

2 緩釋碳源促進反硝化脫氮機制

2.1 有機碳底物轉化機制

緩釋碳源不溶于水,能夠通過胞外水解酶降解產生可溶性有機單體或低聚物,以供反硝化作用利用,具體過程如圖1所示。天然碳源水解可生成葡萄糖、阿拉伯半乳糖、木糖等低分子有機化合物[67],乙酸、丙酸和丁酸等短鏈脂肪酸則是合成碳源降解后產生的主要有效碳源[41,65,68]。大部分降解生成的底物可以作為電子供體,為反硝化過程所用,改善污水中硝態氮的去除效果,也有部分碳源被用于厭氧消化產甲烷[37]或好氧生物降解[69]。

圖1 緩釋碳源固相反硝化[53]

2.2 硝酸鹽轉化機制

注:NXR為亞硝酸鹽氧化還原酶;NO-D為一氧化氮歧化酶;HH為肼水解酶;HZO為肼氧化酶;HAO為羥胺氧化還原酶;HOX為羥胺氧化酶;AMO為氨單加氧酶;pMMO為微粒甲烷單加氧酶;MoFe為鉬鈦固氮酶;FeFe為鐵鐵固氮酶;VFe為釩鐵固氮酶;CYN為氰酶;URE為脲酶。

3 緩釋碳源反硝化系統中微生物群落變化

緩釋碳源是一種替代傳統碳源的新型固體碳源,通過微生物的降解釋放可溶性有機碳,為反硝化細菌提供電子。

3.1 反硝化菌群變化

緩釋碳源的加入會改變微生物群落的豐富度,但大部分系統中變形菌門依舊占據主導地位,且呈現增加趨勢。在傳統的污水處理系統中,微生物的優勢菌門一般為變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、放線菌門(Actinobacteria)和綠彎菌門(Chloroflexi),其中變形菌是幾乎所有反硝化研究中的優勢菌門[77]。表2列舉了不同固相反硝化體系中的微生物組成情況,緩釋碳源的加入為微生物提供了獨特的附著生存環境,導致系統微生物群落結構發生變化,不同碳源主導的系統中菌群類型差異大,但優勢菌門依舊是具有反硝化作用的變形菌。PCL作為碳源應用于生物濾池三級脫氮處理后,其表面生物膜中微生物群落發生演替,微生物多樣性有所下降,初始接種污泥中的Thauera、Nitrospira、Arenimonas、Dechloromonas等在碳源生物膜中幾乎消失殆盡,而具有反硝化效果的變形菌相對豐度變大[47]。在以玉米芯為碳源的反硝化體系中,擬桿菌、變形桿菌和厚壁菌是系統的主要菌門,占每個樣本總豐度的50.60%～89.48%,且隨反應的進行,系統中的微生物結構呈現動態變化,隸屬于擬桿菌門的Prevotella_9在反應結束時幾乎消失,相對豐度從49.31%降為0.33%,而隸屬于變形菌門的Dechloromonas、Denitratisoma和Bdellovibrio則普遍呈現增加的趨勢[20]。

表2 固相反硝化系統中主要的反硝化細菌

3.2 降解類微生物菌群變化

具備可以降解可生物降解聚酯的細菌是緩釋碳源降解的基礎。綠彎菌門可以將溶解性微生物產物(SMP)降解成碳水化合物和細胞材料,破壞蛋白質、多糖、纖維素等一些大分子物質[79],在以PBS作為碳源的反應系統中比例有所增加[80]。叢枝孢科亦被認為具有降解可生物降解聚酯能力,在PCL固相反硝化系統中占據優勢地位,相對豐度為79.1%～73.3%[47]。隸屬于根瘤菌目的Devosia、Agrobacterium、Polymorphum和Bradyrhizobium被認為具有發酵纖維素、半纖維素等復雜有機物的能力,Acidovorax、Simplicispira和Dechloromonas可以直接降解木質纖維素,經常在固相脫氮系統中被檢測到[29]。這些微生物的存在可以促進緩釋碳源的分解,從而為反硝化過程提供充足的有效碳源。

3.3 微生物群落隨環境因素變化

微生物群落結構隨環境條件(溫度、溶解氧、pH、底物可利用性等)變化而不同。一般情況下,微生物對于系統中pH的變化會進行應激反應,可以在一定程度上維持pH的穩定性,且在污水處理過程中,一般會人為調控,使pH維持在一個合理范圍內,所以pH對于微生物種群的影響相對較小。而溫度、溶解氧、反應底物常常會隨著季節、工藝、運行成本控制等因素影響,發生比較大的變化。當溫度從30 ℃下降至13 ℃時,以PCL為碳源的中試反應器硝態氮去除率降低37%,不同溫度下系統富集的微生物存有較大的差異,低溫系統富集了更多的Desulfomicrobium、Desulfoicrobium和Meganema,而高溫條件下富集有Simplicispira、Aquabacium和Acidovoraxa[81]。溶解氧對于微生物的種群影響是最明顯的。文獻[82]表明,好氧條件下(DO質量濃度大于0.5 mg/L),促進碳源分解的主要是綠灣菌門(chloroflexi),相應的反硝化細菌為變形菌門,具體菌屬包括Methyloversatilis(16.6%)、Chlorobium(15.09%)、Rhodopseudomonas(8.17%);而厭氧條件下(DO質量濃度小于0.2 mg/L),厚壁菌門(Firmicutes)和放線菌門占據絕對優勢。此外,具有水解酸化功能和反硝化功能的菌屬Hydrogenophaga、Fimbriimonas、Pseudoxanthomonas、Acidovorax、Dysgonomonas通常相伴出現[38,53,66,83]。Yang等[74]分別探究了以PHBV、PHBV/木屑混合物為碳源的反硝化系統的脫氮性能差異和微生物群落結構差異,結果發現兩系統中變形菌門均占主導地位,其余菌門的比例則存在明顯差異,擬桿菌門是PHBV系統中的第二大優勢菌門,而PHBV/木屑混合物系統中的第二大優勢菌門則為放線菌門,并且PHBV/木屑混合物系統中還發現了廣古菌門,可能與混合物的降解有關。文獻[84]表明,以PCL為緩釋碳源時,優勢菌屬為湖沼菌屬(Limnohabitanssp.,57.8%)和單胞菌屬(Simplicispirasp.,為9.5%),而以PHA為載體時,優勢菌屬為山岡單胞菌屬(Collimonassp.,24.4%)、湖沼菌屬(Limnohabitanssp.,13.2%)和葉黃素單胞菌屬(Luteimonassp.,11.7%)。然而,造成這一現象的原因,還有待進一步探究。

在碳源表面形成的生物膜中,變形菌門作為常規的反硝化菌群依舊占據主導地位,并且在系統中呈動態增加,與緩釋碳源降解相關的綠彎菌、食酸菌、脫氯單胞菌等細菌也廣泛存在于固相反硝化系統中。微生物群落結構的變化為固相反硝化強化脫氮奠定了基礎。

4 緩釋碳源的其他研究與應用

4.1 固相反硝化與其他工藝耦合

在緩釋碳源相關研究中,通常將其應用于人工濕地、生物濾池、上流式反應器等常規反應器,近幾年,有研究者嘗試將緩釋碳源與微電解、厭氧氨氧化等工藝相結合,觀察系統的反硝化脫氮強化效果。研究發現固相反硝化碳源與鐵碳微電解耦合系統能夠釋放充足的有效碳源[85],系統內部同時存在自養和異養反硝化菌群,在最佳運行條件下,系統對總氮和總磷的去除率能夠達到94.72%、99.10%[86],污染物去除效果得到明顯改善。Zhao等[87]將微生物燃料電池(MFC)和固相反硝化系統(DBR)耦合構建的新型電化學系統,對甲基橙、Cr(Ⅵ)、硝態氮的平均去除率分別提高39.9%、26.5%、22.8%。除此之外,緩釋碳源應用于厭氧氨氧化系統對總無機氮的去除率能夠高達98.5%,在處理富氮廢水方面具有良好的應用前景[88]。綜上,通過固相反硝化與其他工藝的耦合可以有效強化系統的脫氮效果。

4.2 協同去除硝酸鹽和其他污染物

通常情況下,廢水中除常規的污染物外,還可能會存在農藥、藥物與個人護理用品(PPCPs)、難降解有機化合物等其他物質的污染。研究表明,緩釋碳源在協同去除這些特殊污染物方面也能發揮效用。在已有的探究中,緩釋碳源對于阿特拉津的去除以吸附為主,在吸附量到達對應緩釋碳源的吸附上限之后,多余的阿特拉津甚至會對微生物的活性造成影響[89];對氯苯酚、四氯化碳、難降解有機物中的硝酸鹽的去除以微生物為主,微生物去除占比接近100%[90-92];對氟樂靈、滅硝硫磷、硫丹的去除屬于微生物轉化與緩釋碳源吸附的協同作用,其中,微生物的轉化作用分別占96%、87%、68%[93]。目前普遍認為緩釋碳源協同處理其他污染物的機理是碳源吸附和生物降解的共同作用,而究竟是哪種作用占主導地位仍存在爭議。

5 結論與展望

緩釋碳源作為一種新型固體碳源,在促進反硝化脫氮方面具有較好的發展前景。

(1)天然碳源來源廣泛、價格經濟,能夠提高系統的脫氮性能,但存在二次污染物釋放的風險,使用時需充分衡量其脫氮效果及可能造成的二次污染。

(2)合成碳源普遍具有較好的反硝化效果,但成本要明顯高于天然碳源。

(3)緩釋碳源經由微生物降解后釋放小分子量有機物,為反硝化過程提供電子。

(4)變形菌門是傳統反硝化系統中的優勢菌門,在緩釋碳源支撐的反硝化系統中依舊占據主導地位,綠彎菌、食酸菌、脫氯單胞菌等的存在為緩釋碳源的降解提供了可能。

(5)緩釋碳源不僅可以促進反硝化脫氮,還可以通過吸附和生物降解協同去除農藥、PPCPs等特殊污染物。固相反硝化與電化學、厭氧氨氧化的耦合以其優秀的脫氮性能表現出良好的應用前景。

然而由于緩釋碳源結構和成分復雜,其在生物降解和反硝化過程中的反應機理需要更加深入地探索和研究,且目前對于緩釋碳源的研究主要集中在實驗室研究水平,缺少工程試驗數據支撐,亟待不同層面的研究。未來對于緩釋碳源研究方向提出以下展望。

(1)從反應動力學、微生物群落結構以及基因層面深入全面探究緩釋碳源反硝化脫氮機理。

(2)探究緩釋碳源的二次污染釋放情況,包括出水中的二次污染及溫室氣體的排放情況等,對緩釋碳源的可利用性做更加全面的評估。

(3)增加工程試驗,為緩釋碳源的工程應用提供功能更多的數據和案例支撐。

(4)利用生物信息學與機器學習開發,面向特定環境與功能微生物的緩釋碳源設計合成方法。