外加碳源强化人工湿地脱氮研究进展.pdf

第 卷第 期 年 月环境生态学 外加碳源强化人工湿地脱氮研究进展汤梦涵刘 霄谭 欣(.西藏大学 生态环境学院西藏 拉萨.天津仁爱学院 建筑工程学院天津.天津大学 环境科学与工程学院天津)摘要:人工湿地对污水中的含氮污染物有较好的去除效果且成本低、效率高 在人工湿地系统的异养反硝化过程中碳源作为电子供体是必不可少的 当系统中缺乏有机碳源时需要添加外部碳源来提高反硝化效率 综述液相碳源、固相碳源和气相碳源对人工湿地反硝化脱氮的影响 其中低分子有机物具有较好的反硝化效果通常是首选的外加碳源天然植物材料和废弃物发酵液已被证明均具有较好的反硝化效率与天然植物材料相比生物可降解聚合物在固相硝化中具有更稳定的反硝化性能但其价格高于前者甲烷作为气相碳源主要是通过甲烷好氧氧化与反硝化耦合进行的这也证明了甲烷作为碳源是可行的 对不同碳源的优缺点及成本进行了分析为今后寻找更经济、有效的外加碳源提供参考关键词:人工湿地脱氮反硝化外加碳源中图分类号:文献标识码:文章编号:().(.).().:.:收稿日期:基金项目:天津市教委科研计划项目()资助作者简介:汤梦涵()女山东威海人硕士生主要研究方向为人工湿地污水处理通讯作者:刘霄:.随着社会经济的不断发展水环境污染问题亟待解决 氮肥和磷肥对水体的大规模污染导致水体富营养化问题日益严峻 污水处理过程中存在处理效率低、成本高的问题因此需要找到一种高效、低成本的污水处理方案来解决水污染问题早在 世纪 年代末人们就开始研究利用人工湿地来净化污水由于其成本低、处理效果好、后期运行维护方便逐渐成为替代传统污水处理技术的一种有效的生物污水处理方案 目前人工湿地不仅被用来净化污水同时不同种类的湿地植物也美化了环境营造了生态景观产生了环境效益和一定的经济效益环 境 生 态 学第 期 氮元素污染的危害 影响水体观赏性当硝酸盐浓度较高的污(废)水排放到天然水体中由于氨态氮的氧化会消耗水中的氧气导致溶解氧()浓度降低进而可能会引起水体发黑发臭影响江河湖泊的观赏性 破坏水体的生态系统水体氮元素含量过高会导致富营养化易使水体中藻类及其他微生物大量繁衍不仅会使饮用水产生霉味和恶臭而且某些藻类会释放出有毒有害物质对生物体带来严重的危害 危害人类和水生生物的生存水体中的硝酸盐、亚硝酸盐对生物体有较大的危害 当水中的 浓度高于 /时可能会使红细胞中的血红蛋白异常无法带氧甚至引发窒息死亡 人工湿地脱氮机理污水中氮素去除是一个复杂的生物化学过程人工湿地对氮的去除途径包括基质的吸收、植物的同化、细菌的氨化、硝化与反硝化作用其中最主要的脱氮机制为微生物硝化和反硝化作用 反硝化过程需要碳源做电子供体通过一系列电子载体迁移、转化才能使水体中的含氮污染物被完全去除 反硝化 反硝化机理根据微生物生长所需碳源的不同生物反硝化分为自养和异养两种类型 自然界中最常见的反硝化细菌为以有机碳为碳源的异养反硝化细菌 研究发现异养反硝化是最常见、最有效的反硝化过程具有处理成本低、效率高、实用性强等优点 异养反硝化是微生物在厌氧或缺氧条件下将 和 转化为 并释放到大气中在异养反硝化过程中碳源是不可或缺的物质它直接影响反硝化的速率和效果因此需要提供足够的碳源才能保证反应的顺利进行 但目前污(废)水普遍存在碳源不足、进水/较低的特点为了保证反硝化顺利高效地进行需外加碳源作为电子供体来提高系统的反硝化速率从而完全去除或 反硝化脱氮的影响因素人工湿地系统脱氮主要靠微生物的反硝化作用其影响因素有/、温度、(水力停留时间)等 反硝化对人工湿地脱氮极其重要所以深入研究其影响因素对进一步提高人工湿地脱氮效率极为重要 /污水反硝化需要适当的/来保证有效脱氮合适的/指微生物完全反硝化所需的微量有机质 因此寻找合适的/对污水反硝化非常重要 胡曼利等使用玉米芯作为人工湿地碳源来处理低/的污水时发现系统运行前期由于碳源不足出水中硝酸盐氮浓度较高 此外亚硝酸盐还原酶的缺乏也抑制了异养反硝化过程导致反硝化不完全 随着/的增加 的去除率显著提高 增加碳源投入可以弥补碳源不足限制反硝化作用的缺点从而提高脱氮效率 水中溶解氧含量是评价水体自净能力的一个重要指标 反硝化菌需要在缺氧、厌氧的环境中才能高效地发挥作用因此溶解氧浓度高于 /就会严重影响反硝化速率 丁怡等研究表明外加碳源对系统中溶解氧的竞争会降低系统中的溶解氧水平创造缺氧和厌氧环境有利于促进反硝化作用的发挥 温度水温的高低对微生物的活性起着重要作用 有研究表明低温会影响反硝化菌的脱氮性能且在低于 时反硝化过程受到明显抑制 等在研究低温条件下人工湿地对氮的去除效果时发现在人工湿地中加入稻草不仅能够起到保温效果还能促进微生物的反硝化作用提高系统脱氮能力这表明外加碳源在一定程度上可以减缓低温对反硝化的抑制作用 人工湿地系统中微生物的生长繁殖与 息息相关 也影响反硝化细菌的生长繁殖 李璇研究指出添加了植物秸秆发酵液的人工湿地对(酸性矿区排水)的、的去除率均达以上且 由进水的 提升至出水平均值 由此可见添加碳源的人工湿地不仅对重金属离子有着较好的去除效果还能调节出水的 有利于后续出水中氮元素的去除 年汤梦涵等:外加碳源强化人工湿地脱氮研究进展 直接影响人工湿地对硝酸盐的去除率从而影响系统的脱氮效果 等发现在加入树皮的人工湿地系统中 从 变为 时硝酸盐去除率增加了约 这是因为较长的 意味着树皮释放出更多的碳源为反硝化细菌提供更多的能量 此外较长的 会延长污水与附着在树皮上的生物膜的接触时间这有利于 进入生物膜被微生物消耗从而提高 的去除效率 人工湿地中碳的主要来源及类型人工湿地的碳源主要包括内源性碳源与外源性碳源 内源性碳源是指湿地中的微生物和植物死亡后有机质释放的碳以及植物根系分泌物释放的碳源 外源性碳源是指人工湿地之外的待处理污水中的碳源和为了提高湿地去污效率添加的各种类型的碳源外加碳源强化了人工湿地去污能力丰富了人工湿地的脱氮手段对传统污水处理技术向生态型污水处理技术迈进起着重要作用 目前应用于人工湿地中的外加碳源类型主要有固相碳源、液相碳源和气相碳源 外加碳源 液相碳源 类型()低分子有机化合物低分子有机化合物易被生物降解可被反硝化细菌利用因此常被用作污水反硝化的首选外部碳源 从理论上讲碳源分子越小反硝化细菌越容易利用脱氮效率也越高 因此低分子有机化合物如葡萄糖、果糖、甲醇以及乙酸钠等是理想的外部碳源 等研究指出向人工湿地中添加葡萄糖可以显著提高人工湿地的反硝化作用使硝酸盐去除能力大幅提升 等在研究强化寒冷气候下垂直流人工湿地的脱氮效果时发现将甲醇作为人工湿地反硝化阶段的外加碳源能够提高 的去除效率 此外在某些研究中可以使用乙酸钠和葡萄糖组成的混合碳源来代替单一碳源增强去污效果以上研究表明低分子有机物的确可以作为人工湿地的补充碳源促进系统反硝化作用但该类型碳源也有缺点比如甲醇是有毒且易爆炸物质存储危险性较高葡萄糖容易滋生细菌可能引起污泥膨胀使其沉降性变差进而导致水质恶化 此外液态碳源反应速度快、易吸收需要在系统中不断添加补充这样不仅可能会出现过量添加的风险还增加了成本 因此此类碳源正在被其他类型碳源逐步取代()废弃物发酵液(挥发性脂肪酸)作为厨余垃圾发酵产物的重要成分可以作为有效碳源提高脱氮效率 凡春丽等通过研究人工湿地对污水厂尾水脱氮效能发现添加(餐厨垃圾发酵液)作为人工湿地碳源时可显著提高人工湿地脱氮效率 平均去除率可达 此外人工湿地中反硝化菌的相对丰度也有所增加 有研究指出污泥碱性发酵液作为碳源使城市废水高效脱氮过程中溶出物溶解的有机氮显著减少 此外利用初沉池污泥、浓缩剩余活性污泥、食物垃圾、烘焙加工等发酵液作为反硝化过程的碳源时发酵滤液中的 被反硝化细菌优先利用且利用率很高因此大大提高了反硝化的效率废弃物发酵液作为补充碳源实现了废物再利用符合环保理念但由于发酵条件不同水解产物也不尽相同 因此研究最佳水解发酵条件是提高反硝化效率的关键 另外此类碳源必须经过预处理且过程复杂成本较高 液相碳源的脱氮过程甲醇、乙酸钠是使用最广泛的低分子有机碳源以甲醇和乙酸酯为碳源将硝酸根离子还原为氮的过程如下:()()从反应方程式可以看出硝酸盐还原过程中释放了 导致 升高 硝酸盐的减少和 的升高表明反硝化作用的存在废弃物经过水解变成碳水化合物、蛋白质和脂肪等大分子有机化合物再经细胞外水解酶分解成可溶性单一氨基酸和长链脂肪酸等有机物 这些溶解性有机物经过发酵过程被转化为 在反硝化过程中微生物可以利用短链脂肪酸作为反硝化的碳源将硝酸盐转化为 环 境 生 态 学第 期 固相碳源 类型()天然的植物材料天然的植物材料主要指含有丰富纤维素类物质的固体生物质 纤维素是由葡萄糖和多糖组成的大分子多糖是植物细胞壁的主要成分其分子式为()目前用于固相碳源研究的天然物质主要包括木屑、麦秸、玉米芯和稻草等 这些天然植物材料具有价格便宜、易得、无二次污染、无生物毒性等优点 等的研究表明添加廉价的芦苇秆可以为湿地提供有机碳增加湿地有机质的含量从而显著提高 的去除率 谭佩阳等进行了模拟人工湿地实验以南荻、美人蕉和玉米芯作为碳源添加到低/的模拟表流人工湿地中发现这种处理能有效提高系统的脱氮效率许多实验证明植物材料可以提高人工湿地的脱氮效率 然而天然植物材料中存在一种复杂的难以降解的有机聚合物 木质素此类碳源受温度影响较大并且还会面临碳源释放不稳定、填料层堵塞等问题 因此为了解决这些技术难题当利用植物碳源时实现稳态碳释放是突破技术瓶颈、实现工程应用的关键()可生物降解的聚合物()是一类具有复杂分子结构的高分子材料可在生物体内降解或被微生物通过细胞外酶降解成小分子有机化合物供生物体使用 包括(聚己内酯)、(聚乳酸)、(聚羟基丁酸)、(聚 羟基脂肪酸酯)、(聚羟基丁酸戊酸酯)等与天然植物材料相比 具有更好、更稳定的反硝化性能 王艳研究指出以 为垂直流人工湿地碳源时 能有效地提高/且碳源释放速率较好当/为 时硝态氮去除率可达 以上 等通过以/为碳源的人工湿地对农村污水脱氮实验发现添加/碳源的湿地系统中、和 基因的绝对丰度显著提高这从根本上解释了基于/外加碳源可以增强人工湿地的反硝化性能进而提高系统的脱氮性能 作为固体缓释碳源碳源长期释放速率较稳定可达到良好的反硝化效果 但由于高分子材料化学成分单一往往需要添加、等微量元素来满足微生物的生长需求且制备流程复杂合成材料成本昂贵因此限制了此类材料的广泛应用 固相碳源的脱氮过程在固相反硝化过程中的固体碳源可以是天然植物材料或人工合成的可生物降解的聚合物 固体碳源被附着在生物膜中的微生物的胞外酶水解成小的可溶性分子 随后这些小分子就成为反硝化的碳源被微生物利用 此外有些底物被厌氧消化为甲烷 在氧气存在的情况下一部分底物可以通过好氧生物降解产生 和生物质 气相碳源 类型研究者们发现(甲烷)是一种很有潜力的气体碳源 以甲烷作为气体碳源时会发生好氧甲烷氧化耦合反硝化、厌氧甲烷氧化耦合反硝化、甲烷氧化耦合同步硝化反硝化作用 等研究表明在(甲烷进料的移动床生物膜反应器)中好氧甲烷氧化菌氧化甲烷向反硝化提供电子供体进而可以高效地去除硝酸盐程呈研究指出在缺氧条件下对小湄河人工湿地底泥基质进行富集培养时利用 作为碳源基质中的反硝化菌硫杆菌属的丰富度显著增多基质中微生物的数量和活性较高湿地系统中的 去除率高达 目前关于气相碳源促进脱氮的研究大多是在反应器中进行 但通过对湿地基质的改造可以间接地作为湿地的外加碳源气相碳源在人工湿地基质的改造和湿地微生物培养中有着不容忽视的应用前景也为人工湿地脱氮提供了新的途径 气相碳源的脱氮过程(好氧甲烷氧化耦合反硝化)是一种基于两种共生微生物 甲烷氧化菌和反硝化菌的生物脱氮反应 在以甲烷为碳源进行脱氮过程中甲烷氧化菌在好氧条件下氧化甲烷并释放甲醇也表明利用甲醇的反硝化菌可以与甲烷氧化菌共存柠檬酸、乙酸等被认为是该过程潜在的碳源中间体 甲烷氧化菌释放的有机混合物成为反硝化菌的电子供体促进反硝化脱氮 微生物群落结构不同碳源对反硝化系统的硝酸盐去除率、微生物群落结构和功能基因均有显著影响添加碳源后微生物的多样性和丰度都增加了有助于保持反硝化系统的稳定性 年汤梦涵等:外加碳源强化人工湿地脱氮研究进展碳源对菌群具有明显的筛选作用会导致优势菌群的差异性 研究表明以葡萄糖、乙酸钠为碳源的系统优势菌种都有(索氏菌属)而以葡萄糖和乙酸钠为碳源的系统优势菌群则与之不同且优势菌群数量更多更有利于微生物的脱氮 此外分别以食物发酵液、为碳源系统的优势菌都有红环菌科红环菌科是一类硝化细菌 而以甲烷为碳源的系统中甲基球菌属、硫杆菌属占主导可以体现在该系统中异化还原是硝酸盐去除的主要途径 因此寻找系统中的优势菌对研究不同碳源促进脱氮具有重要意义 不同类型碳源的特点及成本分析为了全面比较各种碳源本研究总结了各种碳源的优缺点 低分子有机化合物可被反硝化细菌直接利用能显著提高脱氮效果 但此类碳源也有一些缺点如甲醇易燃易爆葡萄糖容易引起污泥膨胀等 近年来许多研究人员将目光转向了环境安全性高、成本低的碳源 天然的植物碳源主要来源于农业废弃物植物碳源不仅可以释放碳还能为生物膜提供载体但其碳源释放不稳定释放量过低反硝化作用易受到影响释放量过高容易造成二次污染 可为反硝化提供稳定的碳源但因其成本过高并没有被广泛应用 餐厨垃圾和污泥发酵液作为新型液体碳源具有良好的反硝化效果为污水处理提供了新的资源思路但其复杂的处理过程会带来一定的经济压力 气体碳源无毒不会对水体造成二次污染目前气体碳源的实践大多在反应器中进行但由于其对反硝化的促进效果明显将其应用于人工湿地将会有很大的发展空间如表 所示不同类型的碳源价格也不同 碳源与其他类型碳源相比价格更贵如每千克 的价格分别是葡萄糖和芦苇价格的 和 倍 同一类型的碳源价格也各不相同每千克乙酸钠的价格要高于甲醇、乙酸和葡萄糖 是 价格的 倍 因此在添加碳源时除了应考虑碳源的种类外还应考虑同一类型和不同类型碳源之间的互补性以制备高效、低成本的碳源 如 与其他物质混合(/淀粉、/淀粉)后成本降低约一半 如表 所示同一类型和不同类型的碳源组成的混合碳源比单一碳源的脱氮性能更好对污染物的去除率更高 研究者们将固相碳源混合如 花生壳、樟树皮液相碳源混合如乙酸钠乙醇液相和固相碳源混合如锯末乙醇这些混合碳源降低成本的同时还提高了脱氮效率 因此对混合碳源的研究可以在一定程度上降低成本这对实际应用来说是非常重要的表 碳源价格 碳源价格/(元 )参考文献碳源价格/(元 )参考文献乙酸 甲醇 乙酸钠 葡萄糖/淀粉芦苇/竹粉 玉米芯 表 混合碳源的应用 碳源应用效果参考文献乙酸钠、乙醇及其混合物乙酸钠乙醇系统硝酸盐去除率在 时达到 比单一方式更适合作为外加碳源锯末乙醇当 时硝酸盐去除率达到最大在 达到 净水效果良好花生壳混合碳源有着更大的释碳量和更长的释碳周期且脱氮效果良好 颗粒、樟树皮单独与混合脱氮效率:颗粒樟树皮颗粒樟树皮 影响外加碳源作用的因素 预处理方式在实际的应用中不管是植物固体碳源还是废弃物都不可直接添加到人工湿地中要对其进行预处理 如对植物材料进行预处理破坏其木质素结构提高植物材料的可生化性和释碳性能 等研究指出经过碱预处理后的芦苇秆对 和 的 去 除 率 从 和 提 高 到 和 等发现在处理低/的污水时使用碱处理的猫尾草显示出比小麦秸秆和玉米芯更好的释碳能力 因此为了提高碳排放的能力和稳定性必须进行碱加热以及其他一些预处理措施环 境 生 态 学第 期 投加量外加碳源的添加对人工湿地净水具有促进作用但需要控制碳源的添加量如碳源量添加不足时释放的碳元素满足不了反硝化过程的需求若投加碳源过量时可能造成水体的二次污染引起水质恶化 等通过施用 种不同的碳投加量(/、和 )得出随着/从 增加到总氮去除率从增加到 去除率保持适中且去除 的最佳/值为 但随着碳剂量进一步增大 和 的去除率和投加量成反比此结果有助于人工湿地在碳源投加量方面的研究 投加位置外加碳源的投加位置对人工湿地去除污染物发挥着重要的作用 有研究指出把碳源补充在湿地的中层()可以显著提高脱氮效率进而达到净水的目的 晋凯迪研究发现以玉米芯为碳源的人工湿地装置的上中下层对 的去除能力存在着差异 去除率分别为 、和 此结果表明将碳源投加在装置的中部能够更好地达到脱氮效果 通过对外加碳源投加位置的研究不仅能使碳源更好地发挥自身作用还能在脱氮效果不明显的位置采用成本相对较低的碳源这在一定程度上有利于节约成本 展望()湿地植物和碳源都对水质净化起着重要作用可以进一步研究通过栽种不同类型的植物并搭配不同类型碳源的人工湿地对水质净化的效果()微生物在水质净化方面起着重要作用通过对比不同种类的碳源对微生物生长繁殖和优势菌属的影响更有针对性地选择适合的微生物高效净水的同时还能有效地节约成本()废弃物资源化应用于人工湿地除了把植物秸秆、预处理后的餐厨垃圾等用于人工湿地作为碳源外可以探究更多种类的废弃物用于人工湿地的净水过程实现以废治废的目标()外加碳源对人工湿地去污作用的研究大多缺乏对系统运行的初期、中期、后期的水质进行综合分析可对系统运行不同时期污染物的浓度变化针对性地添加不同类型的碳源()此外可以把人工湿地和生物技术相结合利用基因工程筛选改造微生物使其具备更高的脱氮能力参考文献 .:.():.郑中平.人工湿地技术在污水处理方面的应用研究.科技与创新():.:.:.():.:.():.:.蒙小俊祖德彪张玉秀等.异养硝化好氧反硝化菌 的脱氮性能分析.中国给水排水():./.:.胡曼利郝庆菊马容真等.玉米芯和稻草秸秆强化潜流人工湿地对低/污水的处理效果.环境科学():.丁怡宋新山严登华.补充碳源提取液对人工湿地脱氮作用的影响.环境科学学报():.():.李璇.外源碳强化复合基质人工湿地处理酸性矿区排水的研究.昆明:云南大学.:():.年汤梦涵等:外加碳源强化人工湿地脱氮研究进展 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