反硝化碳源在人工湿地脱氮中的应用及其研究进展
反硝化生物脱氮过程中碳源的研究进展
反硝化生物脱氮过程中碳源的研究进展
反硝化生物脱氮过程中碳源的研究进展
对比研究了几种常用的外加碳源甲醇、乙醇、葡萄糖、纤维素、淀粉的脱氮效果,从而寻找处理效果好又经济适用的外加碳源.
作者：罗望王增长杨习居LUO Wang WANG Zeng-zhang YANG Xi-ju 作者单位：罗望,王增长,LUO Wang,WANG Zeng-zhang(太原理工大学环境科学与工程学院,山西太原,030024) 杨习居,YANG Xi-ju(上海理工大学城市建设与环境工程学院,上海,200093)
刊名：科技情报开发与经济英文刊名：SCI-TECH INFORMATION DEVELOPMENT & ECONOMY 年，卷(期)：2008 18(35) 分类号：X703 关键词：反硝化脱氮碳源。
湿地反硝化作用研究进展
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反硝化脱氮工艺补充碳源选择与优化研究进展
反硝化脱氮工艺补充碳源选择与优化研究进展反硝化脱氮是一种常用的生物处理技术，可将废水中的硝酸盐还原为氮气，从而减少对环境的污染。
而反硝化脱氮过程中需添加碳源来供给细菌进行呼吸代谢，促进反硝化反应的进行。
因此，选择和优化适合的碳源，对于提高脱氮效率和节约能源具有重要意义。
本文将对反硝化脱氮工艺补充碳源选择与优化的研究进展进行综述。
首先，碳源的选择是影响反硝化脱氮效果的关键因素。
传统的碳源包括乙醇、丙酮、甲醇等有机物。
然而，这些碳源存在易挥发、毒性较大和高代谢产物含量等问题，限制了其在实际应用中的推广。
因此，研究者纷纷转向寻找更为适宜的新型碳源。
目前，聚合物类碳源成为了研究的热点之一。
聚合物类碳源具有分子量大、稳定性好和不易挥发等特点，能够提供持续的碳源供给。
其中，乳酸聚合物是一种常见的选择。
研究表明，乳酸聚合物作为碳源，不仅能满足反硝化菌的需求，还可以提高废水的COD浓度，减少锈藻的生长。
此外，乳酸聚合物还具有一定的浓度适应性，即使在低浓度下仍然能够较好地促进反硝化脱氮反应。
除了选择合适的碳源，优化碳源投加方式也是提高脱氮效率的关键。
过量投加碳源会导致废水中COD浓度过高，造成环境污染和能源浪费。
因此，研究者开始探索碳源投加方式的优化策略。
一种常见的方法是间歇投加碳源，即按一定时间间隔投加一定量的碳源。
研究表明，间歇投加碳源可以维持反硝化细菌的活性，减少COD浓度的波动，从而提高脱氮效率和废水处理稳定性。
此外，还有一些新颖的碳源投加方式应用于反硝化脱氮工艺，例如逐步投加碳源和渐减投加碳源等。
逐步投加碳源是指在处理过程中逐渐增加碳源浓度，以满足反硝化菌的需求。
研究表明，逐步投加碳源能够更好地促进反硝化反应的进行，提高氮去除效率。
而渐减投加碳源是指在处理过程中逐渐减少碳源浓度，可以有效避免碳源浓度过高导致的环境污染问题。
这些新颖的碳源投加方式为反硝化脱氮工艺提供了更多的选择和优化空间。
综上所述，反硝化脱氮工艺补充碳源的选择与优化是提高脱氮效率和节约能源的关键。
潜流型人工湿地对氮污染物的去除效果研究
潜流型人工湿地对氮污染物的去除效果研究一、概览在随着社会和城市化快速发展，氮污染物排放问题日益受到关注。
人工湿地作为一种生态友好、经济有效的污水处理技术，在全球范围内得到广泛应用。
传统的人工湿地对氮污染物去除效果有限，无法满足日益严格的环保要求。
深人研究潜流型人工湿地对氮污染物的去除效果显得至关重要。
本文从潜流型人工湿地的基本原理出发，概述了其处理氮污染物的优势与挑战，并通过系统综述相关研究文献，旨在深入了解潜流型人工湿地在氮污染物去除方面的效果及影响因素，为实际工程应用提供理论指导。
1. 人工湿地的概念及作用人工湿地是指模拟自然湿地生态系统而建立的人工生态环境系统。
它主要由人工介质、植物和微生物等组成，并通过物理、化学和生物等多种途径实现对污染物流的净化作用。
通过植物吸收、富集和降解水体中的含氮污染物，减少水体中的氮含量；通过微生物的硝化反硝化作用，实现氮的生物转化，将氧化态氮转化为还原态氮通过介质的吸附和过滤作用，阻止泥沙和其他悬浮物对水质的恶化作用；通过植物的根系分泌物质对水体中氮的吸收，促进营养物质的循环利用。
人工湿地作为一种高效的净水技术，不仅投资成本低，而且运行费用低，尤其适用于一些干旱、缺水地区和城市河道的水环境治理。
2. 氮污染物的来源与危害农业化肥：农业活动中的化肥使用是水中氨氮、硝酸盐和亚硝酸盐等氮污染物的重要来源。
过量施用以及不合理的施肥方式会导致氮肥的流失，对水体造成污染。
生活污水：生活污水中含有一定量的氮、磷等营养物质，这些物质在微生物的作用下，会转化为氮污染物并流入水体，导致水质恶化。
工业污水：某些工业生产过程会产生含有较高氮污染物的废水，如合成氨生产、石油化工等。
如果未经处理或处理不充分，这些废水排放到河流、湖泊中会对水质造成严重影响。
水体富营养化：当水体中氮、磷等营养物质含量过高时，会导致藻类和水生植物过度生长，形成富营养化现象。
这不仅影响水生生态系统的稳定，还可能引起水体溶解氧下降，威胁鱼类和其他水生生物的生存。
污水厂反硝化传统及可供替代碳源研究进展
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反硝化外加碳源种类繁多,不同碳源的价格成本、理
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强化湿地反硝化的生物质碳源研究进展
第４８卷第１２期２０１９年１２月应㊀用㊀化㊀工ＡｐｐｌｉｅｄＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＶｏｌ.４８Ｎｏ.１２Ｄｅｃ.２０１９收稿日期:２０１９￣０４￣１４㊀㊀修改稿日期:２０１９￣０５￣０８基金项目:国家科技支撑计划项目(２０１５ＢＡＬ０２Ｂ０４)ꎻ住房和城乡建设部科学技术项目(２０１５￣Ｋ７￣０１２)作者简介:陶正凯(１９９６－)ꎬ男ꎬ江苏盐城人ꎬ市政工程硕士生ꎬ从事水污染控制技术研究ꎮ电话:１５２５０９８５８６０ꎬＥ－ｍａｉｌ:ｋａｉｓｏｍ＠ｆｏｘｍａｉｌ.ｃｏｍ通讯联系人:荆肇乾(１９７５－)ꎬ博士ꎬ教授ꎬ研究方向为水污染控制技术研究ꎮ电话:１３９１５９６７５６９ꎬＥ－ｍａｉｌ:ｚｑｊｉｎｇ＠ｎｊｆｕ.ｅｄｕ.ｃｎ强化湿地反硝化的生物质碳源研究进展陶正凯１ꎬ管凛２ꎬ荆肇乾１ꎬ陶梦妮１ꎬ左思敏１ꎬ王印１(１.南京林业大学土木工程学院ꎬ江苏南京㊀２１００３７ꎻ２.南京市市政设计研究院有限责任公司ꎬ江苏南京㊀２１０００８)摘㊀要:城市污水厂尾水等低碳氮比污水的深度脱氮普遍面临碳源不足的难题ꎬ人工湿地耦合天然纤维素类生物质碳源以高效益㊁低成本的经济环境优势得到了广泛的关注和研究ꎮ列举了常见的生物质碳源ꎬ主要包括秸秆类㊁壳类㊁玉米芯㊁甘蔗渣等农业废弃物及花卉秸秆㊁芦苇㊁香根草㊁杨树叶㊁梧桐树叶㊁广玉兰树叶等园林凋落物ꎮ总结比较其材料特性㊁运行效果㊁优势及弊端等研究现状ꎬ并对其在人工湿地中的应用存在的技术问题进行分析展望ꎮ关键词:天然纤维素ꎻ生物质碳ꎻ外加碳源ꎻ强化脱氮ꎻ人工湿地中图分类号:ＴＱ３５２ꎻＴＱ３５３ꎻＸ７０３.１㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀文章编号:１６７１－３２０６(２０１９)１２－２９６７－０５ＲｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｂｉｏｍａｓｓｃａｒｂｏｎｓｏｕｒｃｅｆｏｒｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｉｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｗｅｔｌａｎｄｓＴＡＯＺｈｅｎｇ￣ｋａｉ１ꎬＧＵＡＮＬｉｎ２ꎬＪＩＮＧＺｈａｏ￣ｑｉａｎ１ꎬＴＡＯＭｅｎｇ￣ｎｉ１ꎬＺＵＯＳｉ￣ｍｉｎ１ꎬＷＡＮＧＹｉｎ１(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＮａｎｊｉｎｇＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＮａｎｊｉｎｇ２１００３７ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＮａｎｊｉｎｇＭｕｎｉｃｉｐａｌＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＮａｎｊｉｎｇ２１０００８ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｄｅｅｐｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｗａｓｔｅｗａｔｅｒｉｎｌｏｗｃａｒｂｏｎｔｏｎｉｔｒｏｇｅｎｒａｔｉｏｓｕｃｈａｓｓｅｗａｇｅｐｌａｎｔｅｆ￣ｆｌｕｅｎｔｇｅｎｅｒａｌｌｙｈａｓｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔｃａｒｂｏｎｓｏｕｒｃｅ.Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｗｅｔｌａｎｄｓｃｏｕｐｌｉｎｇｂｉｏｍａｓｓｃａｒ￣ｂｏｎｓｏｕｒｃｅｓｕｃｈａｓｎａｔｕｒａｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅｈａｓｒｅｃｅｉｖｅｄｅｘｔｅｎｓｉｖｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｗｉｔｈｈｉｇｈ￣ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｌｏｗ￣ｃｏｓｔｅｃｏｎｏｍｉｃｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｄｖａｎｔａｇｅｓ.Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｅｎｕｍｅｒａｔｅｓｔｈｅｃｏｍｍｏｎｂｉｏｍａｓｓｃａｒｂｏｎｓｏｕｒｃｅｓꎬｉｎｃｌｕｄｉｎｇａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｗａｓｔｅｓｓｕｃｈａｓｓｔｒａｗꎬｓｈｅｌｌꎬｃｏｒｎｃｏｂꎬｂａｇａｓｓｅａｎｄｇａｒｄｅｎｌｉｔｔｅｒｓｕｃｈａｓｆｌｏｗｅｒｓｔａｌｋｓꎬｒｅｅｄｓꎬｖｅｔｉｖｅｒｇｒａｓｓꎬｐｏｐｌａｒｌｅａｖｅｓꎬｐｈｏｅｎｉｘｌｅａｖｅｓꎬａｎｄｍａｇｎｏｌｉａｌｅａｖｅｓ.Ｉｔｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｏｆｍａ￣ｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓꎬｏｐｅｒａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔꎬａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓꎬａｎｄａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｐｒｏｂｌｅｍｓｅｘｉｓｔ￣ｉｎｇｉｎｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｎａｔｕｒａｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅｉｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｗｅｔｌａｎｄｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｎａｔｕｒａｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅꎻｂｉｏｍａｓｓｃａｒｂｏｎꎻｅｘｔｅｒｎａｌｃａｒｂｏｎｓｏｕｒｃｅꎻｅｎｈａｎｃｅｄｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎꎻｃｏｎ￣ｓｔｒｕｃｔｅｄｗｅｔｌａｎｄｓ㊀㊀近年来中国生态文明建设进程不断加快ꎬ以人工湿地为代表的生态处理技术以其高效㊁低成本及易于维护等优势受到广泛关注[１]ꎮ人工湿地对于城市污水厂尾水㊁农业面源污染水体及污染湖泊等水体的治理具备独特的优势ꎬ但是这一类水体普遍存在反硝化碳源不足ꎬ进水碳氮比低等问题ꎮ人工湿地脱氮主要依靠基质吸附㊁植物吸收和微生物分解等[２]ꎮ微生物分解是湿地系统脱氮的主要途径ꎬ当反硝化过程中碳源供应不足时ꎬ会使脱氮效果降低ꎮ研究者提出通过添加外源性碳源ꎬ提高进水碳氮比有效提高了脱氮效果[３]ꎮ但是ꎬ甲醇㊁乙醇等传统碳源存在存储困难㊁价格昂贵等问题ꎬ同时不符合生态处理系统生态环保的建设理念ꎮ生物质碳源以其价格优势和环境效益受到研究者的广泛关注ꎮ本文列举了目前研究者采用的常见生物质碳源ꎬ综述其材料特性㊁释碳及反硝化效果等研究现状ꎬ并对生物质碳源在人工湿地中的应用技术进行展望ꎬ以期为新型反硝化碳源的开发及农业废弃物等生物质资源的再生利用提供参考ꎮ１㊀强化湿地反硝化碳源应用与选择㊀㊀人工湿地中用于系统生物反硝化的碳源按照来源可以分为污水内碳源㊁湿地系统内碳源和外加碳源ꎮ由于好氧分解㊁进水碳氮比低等原因ꎬ人工湿地应用化工第４８卷生物脱氮普遍存在碳源不足问题ꎮ用于强化湿地反硝化的外加碳源按照其物质形态可以分为液体碳源㊁固体碳源和气体碳源ꎮ传统外加碳源多为液体有机物质(例如:甲醇㊁乙醇㊁乙酸等低分子有机物)或葡萄糖㊁蔗糖等低分子糖类[４]ꎮ虽然这些传统碳源已经较为广泛地应用于工程实际ꎬ但是仍然存在自身毒性㊁价格昂贵㊁运输存储困难㊁堵塞系统和引起亚硝酸盐累积等问题ꎮ近年来ꎬ研究者把目光转向开发农业废弃物㊁垃圾渗滤液等废弃物资源代替传统碳源ꎮ液体新型碳源主要包括富含可生物降解有机质的工业废水㊁富含挥发性脂肪酸的污泥水解上清液㊁植物水解液和生活污水及垃圾渗滤液等ꎮ固体新型碳源主要包括天然纤维素㊁人工合成可降解聚合物等ꎮ气体碳源的研究开发较少ꎬ主要是指污泥厌氧发酵沼气和垃圾填埋气甲烷ꎮ新型碳源的开发是强化湿地生物脱氮的研究热点ꎮ在不同物质形态的外加碳源中ꎬ固体碳源具备独特的优势ꎮ固体碳源不仅可以充当反硝化细菌的能量来源和电子供体ꎬ还可以作为反硝化菌的生长载体ꎮ新型固体碳源有助于解决传统工艺中运行成本高㊁碳源投加比例不易控制等问题ꎮ因此ꎬ新型固体外加碳源研究是生物脱氮研究的新热点ꎮ天然纤维素类生物质碳源是新型固体碳源研究领域的主要方向ꎬ本文着重选取其作为研究对象ꎬ对其研究现状进行综述及展望ꎮ２㊀生物质碳源纤维素类生物质碳源主要包括秸秆㊁壳类等农业废弃物和景观植物枝㊁叶㊁茎秆等凋落物ꎮ利用这些生物质废弃物或凋落物作为湿地反硝化外加碳源不仅有助于其实现减量化㊁资源化ꎬ还有助于降低湿地运行成本ꎬ提高湿地经济环保效益ꎮ本节分类列举了目前研究较为广泛的天然纤维素ꎬ以期为生物质碳源的优选及进一步研究提供参考ꎮ２.１㊀秸秆类农作物废弃物目前对秸秆类农业废弃物的研究较为广泛ꎬ主要是小麦㊁玉米㊁水稻㊁大豆等常见农作物的秸秆ꎮ稻草是一种常见的农业废弃物ꎬ可加工成为一次性餐具㊁加工板材等产品ꎮ向衡等[５]研究表明以未处理稻草直接作为碳源ꎬ初期可以显著改善反硝化速率ꎬ后期效果较差ꎬ不能满足高效反硝化需求ꎮ稻秆具有出较好的硝氮吸附能力ꎬ最大吸附量达４.９８ｍｇ/ｇꎮ稻秆浸出液的碳氮比能达到１２９.４８ꎬ前期释放量和释放速率较快ꎬ２４ｈ后进入释碳平稳期ꎬ浸出液色度较高[６]ꎮ稻秆表面易被微生物附着增值ꎬ挂膜较好ꎬ浸泡３０ｄ后表面变光滑[７]ꎮ稻草作为填料会变形甚至压实ꎬ使填料层堵塞ꎬ系统内的反应气体无法排除以致系统崩溃ꎮ此外ꎬ未处理的稻秆初期释放大量氨氮㊁磷及有机质ꎬ需要进行适宜的预处理[５]ꎮ因此ꎬ预处理技术㊁后期释碳不足以及基质更换㊁材质性能强化等问题需要进一步研究解决[８]ꎮ麦秆作为一种常见的低成本农业废弃物ꎬ综合利用方式较多ꎬ但是回收利用率较低ꎮ目前主要的利用方式还是直接粉碎还田ꎬ用作造纸原料等ꎮ麦秆是一种释碳量较高的人工湿地外加碳源[９]ꎮ麦秆浸出液可生物降解性较差ꎬ表皮挂膜缓慢[７]ꎮ张雯等[６]研究表明麦秆浸出液色度较高ꎬ其中草酸含量㊁小分子有机酸浓度较高ꎬ静态脱氮实验硝氮去除率高于玉米秸秆㊁玉米棒和稻壳ꎬ达到８０％以上ꎮ目前关于玉米秸秆碳源的研究较多ꎬ玉米秸秆经过碱热预处理可以作为一种有效的固体反硝化碳源[１０￣１１]ꎮ此外ꎬ将玉米秸秆制成生物炭用于污水处理可以取得较好的吸附效果[１２]ꎮ方远航等[７]研究表明ꎬ玉米秆浸出液的碳氮约为３３.６４ꎬ浸出液在１２ｈ后可生物降解性较差ꎬ３０ｄ后表面变粗糙ꎮ玉米秸秆释碳量和释碳速率较大ꎬ１６８ｈ总释碳量达５６２.８ｍｇ/(ｇ Ｌ)ꎮ但是ꎬ玉米秸秆沉降性能较差ꎬ表皮光滑ꎬ初期表皮挂膜缓慢[７]ꎮ２.２㊀壳类农业废弃物壳类农业废弃物主要指核桃壳㊁杏仁壳㊁花生壳等ꎬ目前关于壳类农业废弃物的释碳性能及反硝化效果研究较少ꎮ丁绍兰等[１３]选取核桃壳㊁夏威夷果壳㊁杏仁壳㊁花生壳㊁开心果壳和板栗壳６种壳类生物质进行释碳和反硝化试验ꎬ优选了核桃壳和夏威夷果壳作为结构稳定的高释碳固体碳源ꎮ核桃壳是一种优良的高比表面积活性炭原料ꎬ同时可以用作工业原料㊁热解生物质气原料等[１４]ꎮ核桃壳直接作为反硝化碳源的研究较少ꎬ建议结合基质㊁活性炭及碳源作用ꎬ加强对核桃壳类碳源的综合研究利用ꎮ目前关于夏威夷果壳的研究较少ꎬ研究表明其释碳量略低于花生壳㊁板栗壳等ꎬ但是其结构稳定ꎬ是一种经济有效的具有支撑作用的反硝化碳源ꎮ开心果壳释碳缓慢但持续能力强ꎬ可作为缓释碳源ꎮ花生壳释碳量和释碳速率较高ꎬ静态硝氮去除率增长较快ꎬ第６ｄ可达到８３.５％ꎬ之后迅速下降ꎮ花生壳综合利用方式较多ꎬ在水污染治理领域主要用于制备吸附剂及生物炭等[１５]ꎮ将花生壳直接用作反硝化碳源存在结构松散㊁易分解ꎬ容易对水体造成二次污染ꎬ且持续力较差等问题ꎮ２.３㊀其他农业副产物废弃物玉米芯还可以作为生产木糖㊁葡萄糖㊁乙醇等化学品的工业原料[１６]ꎮ因此ꎬ玉米芯的综合利用价值８６９２第１２期陶正凯等:强化湿地反硝化的生物质碳源研究进展较高ꎮ目前较多研究将玉米芯作为生物滤池填料㊁改性活性炭用作污水处理ꎮ经过碱处理的玉米芯是一种适宜微生物附着生长的高效反硝化碳源[１７]ꎮ向衡等[５]研究表明玉米芯静态脱氮实验硝氮去除率效率可以达到９６.３０％ꎬ比空白组提高了８０％左右ꎮ玉米芯浸出液中有机物的可生化性好ꎬ但化学键稳定ꎬ释碳缓慢ꎬ浸泡３０ｄ后表面会变粗糙[７]ꎮ丝瓜是热带㊁亚热带地区广泛种植的一种新兴经济作物ꎮ丝瓜络除了具有较高的食用㊁药用价值外ꎬ也是一种新型的天然工业材料ꎮ近年来ꎬ丝瓜络在包装㊁消声㊁过滤㊁保温㊁减震和抗冲击缓冲器等领域获得广泛应用[１８]ꎮ丝瓜络的经济成本较一般的农业废弃物碳源高ꎬ但是其释碳量小可控ꎬ质轻且孔隙发达ꎬ是一种优越的生物载体和碳源供体[１９]ꎮ何培芬等[２０]研究表明ꎬ１.５％ＮａＯＨ预处理的丝瓜络适宜作为反硝化碳源ꎬ硝氮平均去除率达９１.５８％ꎬ且无亚硝酸盐及氨氮积累ꎮＵｌｌａｈＳ等[２１]研究表明ꎬ添加轧棉工业废弃棉花的人工湿地比未投加任何碳源的湿地反硝化速率提高了４５％ꎬ湿地内部基质可矿化有机碳平均含量提高了１.５倍ꎮ目前关于废弃棉花用于废水治理的研究较少ꎬ废弃棉花作为轧花工业废弃物ꎬ在部分地区或国家是可以免费提供的ꎬ具备一定的成本优势ꎮ此外ꎬ金赞芳等[２２]将棉花直接用于生物反硝化法ꎬ成功去除了地下水中的硝酸盐ꎮ考虑到棉花有更高的利用价值和自身成本ꎬ不建议直接使用棉花作为反硝化碳源ꎮ甘蔗渣是一种常见的制糖工业废弃物ꎬ由于技术限制ꎬ大部分甘蔗渣都被焚烧或弃置ꎬ不仅造成资源浪费ꎬ还加剧了环境污染ꎮ目前ꎬ甘蔗渣在生物发电㊁栽培基质㊁造纸㊁板材㊁化学物质合成㊁高性能吸附材料等领域取得研究进展ꎬ其综合利用价值得到提升[２３￣２４]ꎮ甘蔗渣的产业化程度较高ꎬ成本和工业化应用优势明显ꎮ甘蔗渣ＴＯＣ释放量均值较高ꎬ７０ｄ平均值达到３５.８４ｍｇ/ｇꎬ溶出的碳源显著高于小麦秸秆㊁玉米棒㊁木屑㊁玉米秸秆和稻壳ꎬ且浸出液中糖类物质浓度较高ꎬ静态脱氮实验的硝氮去除率达到８０％以上[６]ꎮ２.４㊀园林凋落物目前研究较多的园林植物凋落物主要是芦苇㊁香根草等湿地植物和梧桐树㊁广玉兰等行道树叶ꎮ芦苇是一种常见的人工湿地植物ꎬ具有独特的位置和经济优越性ꎮ芦苇具有较好的硝氮吸附能力ꎬ但是未处理的芦苇初期释放大量氨氮㊁磷及有机质ꎬ需要进行适宜的预处理[５]ꎮ赵联芳等[２５]研究表明ꎬ芦苇加入垂直流湿地分解稳定后表现出长效稳定脱氮效果ꎬ总氮去除率比空白组高１５％左右ꎮ熊家晴等[２６]在水平潜流人工湿地系统中添加碱热处理的芦苇在不显著提高系统出水ＣＯＤ的前提下ꎬ显著提高了人工湿地的脱氮除磷能力ꎬＴＮ㊁ＴＰ平均去除率分别提高了３９.３６％ꎬ１６.１０％ꎮ曹艳晓等研究了广玉兰㊁香樟㊁梧桐树叶的释碳性能和动力学ꎬ优选了广玉兰叶作为反硝化碳源ꎮ广玉兰叶具有一定的药用价值ꎬ其经济成本主要来自于收集储存及运输费用ꎮ广玉兰叶直接用于污水处理的研究较少ꎮ广玉兰叶的碳源释放量和速率远远高于梧桐和香樟ꎬ最终广玉兰叶ＣＯＤ单位释放量高达２２９.２ｍｇ/ｇꎮ在反硝化实验中ꎬ２５~３０ħ条件下按照１ʒ２５０固液比投加广玉兰叶可以显著提高硝酸盐去除量和反硝化效率ꎬ但需增加后续好氧处理以解决ＣＯＤ负荷与色度问题ꎮ过量投加广玉兰叶将导致污水ｐＨ降低ꎬ抑制反硝化反应ꎮ梧桐树叶是一种常见的行道树落叶ꎬ目前的研究主要是将其制成活性炭或作为反硝化碳源ꎮ赵联芳等[２５]研究表明ꎬ梧桐树叶在分解稳定后表现出长效稳定脱氮效果ꎬ总氮去除率比空白组高１５％左右ꎮ熊剑峰等[２７]研究梧桐树叶浸出液的主要成分是以延胡索酸(Ｃ４Ｈ４Ｏ４)为主的有机酸类物质ꎬ在１２ｈ内可以释放出８７％的有机酸ꎮ以梧桐叶浸出液为电子供体的硝酸盐平均去除速率为２.１９ｍｇ/ｈꎬ其速率略低于甲醇和乙酸ꎬ而高于葡萄糖ꎮ在反硝化过程中ꎬ去除１ｍｇ硝酸盐需要７.５ｍｇＣＯＤ当量的梧桐树叶浸出液ꎬ并且没有亚硝酸盐的积累ꎮ常军军等[２８]研究考察了以康乃馨㊁玫瑰㊁百合㊁紫罗兰废弃秸秆作为有机碳源对各系统中低碳氮比废水脱氮效果的影响ꎮ实验条件下ꎬ优选了康乃馨秸秆为理想的外加碳源ꎬ康乃馨秸秆平均去除率达５１.８％ꎬ空白组去除率基本为０ꎮ添加康乃馨秸秆后会导致系统有机质㊁氨氮㊁亚硝态氮增加ꎬ需要进一步研究投加量与负效应的平衡关系ꎮ添加玫瑰秸秆硝氮平均去除率达３１.１％ꎬ虽然玫瑰秸秆产生亚硝氮㊁氨氮㊁有机质等负效应较小ꎬ结构性能也相对较好ꎬ但是释碳量也相对较少ꎬ需要进一步研究预处理及适宜的投加量ꎮ花卉秸秆存在产地限制ꎬ相关研究较少ꎬ其使用推广具有一定地域限制性ꎮ杨树是一种分布广㊁适应力强的北半球温带和寒温带森林树种ꎬ广泛用于生态防护林㊁三北防护林㊁农林防护林㊁工业用材林和道路绿化ꎮ向衡等[５]研究了芦苇㊁稻草㊁棕树纤维㊁木屑等８种农业废弃物ꎬ优选了释放氮磷较少的玉米芯和木屑为理想碳源ꎮ结果表明ꎬ添加木屑静态脱氮的硝氮去除率达到９６.５２％ꎬ比空白组提高８０％左右ꎮ木屑与９６９２应用化工第４８卷易分解的玉米芯㊁稻秆等纤维素碳源相比较ꎬ其反硝化速率较低ꎮ但是ꎬ木屑填料比一般的秸秆类农业废弃物的质量损失率小ꎬ透水性好ꎬ使用寿命更长[２９￣３１]ꎮ因此ꎬ其更换维护成本低ꎬ具备一定经济和结构性能优势ꎮ王勇等[３２]选择杨树木块作为人工湿地外加碳源材料研究ꎬ２４０ｄ平均ＣＯＤ释放量为２６６ｍｇ/(ｋｇ ｄ)ꎬ系统添加６２ｋｇ木块比添加３１ｋｇ的总氮去除率提高了１７.４％ꎮ木块碳源氮磷释放量小ꎬ持续释放有机质周期长ꎬ是一种适宜的缓释碳源[３３]ꎮ３㊀生物质碳源研究展望３.１㊀新型碳源开发及混合使用新型碳源材料的开发与研究应当着眼于提高经济效益与环保效益ꎬ优先研究开发农业废弃物㊁工业废弃物等资源ꎮ单一的碳源往往存在一定的自身局限性ꎬ今后应当进一步加强碳源自身优势与缺陷研究ꎬ组合使用不同碳源材料ꎬ实现优势互补ꎬ提高系统处理效果ꎮ３.２㊀预处理技术预处理技术是实现新型碳源材料特别是天然纤维素固体碳源安全性和有效性的关键技术ꎮ天然纤维素材料在生长过程中形成了稳定坚固的晶体结构ꎬ进一步影响了微生物的分解利用[３４]ꎮ此外ꎬ天然纤维中复杂的物质组成有可能会造成水体的二次污染ꎮ因此ꎬ针对不同的天然纤维材料应当开发出适宜高效的预处理技术ꎮ目前ꎬ常见的纤维素预处理技术包括生物酶解㊁酸碱处理㊁高温处理㊁机械粉碎等ꎮ今后应当结合材料性质㊁处理成本及处理效果等加强预处理技术的深度研发ꎮ３.３㊀碳源投加技术碳源投加量和投加位置对运行成本㊁反硝化效果和出水水质等都存在重要影响ꎬ不同类型的碳源投加方式也存在较大差异ꎮ液体碳源可以通过控制流量及浓度构建前馈￣反馈装置ꎬ实现液体碳源的可控投加ꎮ马勇等[３５]根据活性污泥数学模型建立了外碳源投加前馈￣反馈控制器ꎬ实现了以尽可能少的外碳源投加量降低出水硝酸氮和总氮浓度的目的ꎮ模拟表明该控制器抗冲击负荷能力强㊁响应快ꎬ易于在线控制ꎮ此外ꎬ液体碳源可以利用细胞固定技术强化循环利用ꎮ曹国民等[３６]开发了一种列管式固定化细胞生物反应器ꎬ构成一个类似于列管式换热器的生物脱氮反应器ꎮ结果表明ꎬ该反应器稳定性好ꎬ操作简便ꎬ既获得了较好的脱氮效果ꎬ又实现了碳源的循环利用ꎮ气体碳源投加技术存在的问题主要是甲烷与氧气的安全混合及投加量准确控制ꎮＷａｋｉＭ等[３７]开发了一种半分体式反应器ꎬ可以在液相安全混合甲烷和氧气ꎬ同时回收出气端逸出的甲烷ꎮ固体碳源释碳稳定ꎬ不仅解决了碳源投加量不易控制的问题ꎬ还可以同时作为碳源和生物载体ꎮ但是固体碳源直接作为基质投加在湿地系统中亦存在软化塌陷㊁更换困难㊁堵塞系统等缺陷ꎬ这些问题给固体碳源的广泛应用带来挑战ꎮ目前研究者尝试将天然纤维素碳源粉末与包埋剂㊁污泥等制成固化缓释碳源ꎬ有效提高了纤维素碳源的结构强度和释碳稳定性[３８]ꎮ此外ꎬ通过优化碳源在人工湿地中的投加位置㊁组合使用不同释碳生命周期的碳源和在反硝化反应集中区域投加碳源等方式可以有效提高脱氮效率ꎬ降低投加和更换难度ꎮ何嘉欣等[３９]将玉米叶水解液作为反硝化碳源ꎬ取得了良好的反硝化脱氮效果ꎬ为固体碳源的利用方式提供了新的思路ꎮ水解纤维素碳源不仅提高了碳源利用率和反硝化效率ꎬ还有助于持续可控地实现系统碳源投加ꎮ今后应当加强碳源投加方式优化㊁反硝化反应动力学模型构建和湿地内部局部反应机理等方面的研究ꎬ科学规划碳源投加量及投加位置ꎮ３.４㊀系统运行优化湿地系统的稳定运行及处理效果与外界温度㊁ｐＨ㊁ＤＯ等环境条件密切相关ꎮ研究表明反硝化细菌最佳的生存温度是１５~３０ħꎬ此外温度也会影响系统其它微生物及植物的生长[４０]ꎮ因此ꎬ人工湿地运行受气候条件限制ꎬ必须因地制宜选用适宜的运行模式㊁植物及菌种等ꎮ一般情况下ꎬ将ｐＨ控制在７~８ꎬ保证系统局部ＤＯ可以在０.５ｍｇ/Ｌ以下ꎬ系统形成局部好氧㊁局部缺氧厌氧交替的环境有助于系统脱氮ꎬ反硝化反应速率较快ꎮ在常见湿地类型中ꎬ垂直流㊁水平潜流及复合湿地处理效果比水平表流湿地好ꎮ但是ꎬ最佳的湿地类型应当由废水性质及污染物种类等实际情况决定而不是简单依据技术参数[４１]ꎮ此外ꎬ延长水力停留时间可以使污水中的氮及其他污染物质与微生物及基质充分接触ꎬ提高系统脱氮效果ꎮ总的来说ꎬ针对低碳氮比污水的生态处理不仅需要考虑外加碳源提高碳氮比ꎬ还要优化外界温度㊁ｐＨ㊁ＤＯ等环境条件ꎬ综合考虑湿地类型及水力负荷等运行条件ꎬ才能实现氮等污染物质的稳定去除ꎮ４㊀结束语新型碳源的开发仍然是生物脱氮技术重要的研究方向ꎮ农业废弃物等生物质碳源的开发利用不仅有助于低成本解决生物脱氮工艺中的碳源不足问题ꎬ还有助于实现此类资源的再生利用ꎬ符合 以废０７９２第１２期陶正凯等:强化湿地反硝化的生物质碳源研究进展治废 的环保理念ꎮ目前主要是对天然纤维碳源的释碳及脱氮效率进行比较研究ꎬ还较少进行在人工湿地中投加天然纤维碳源的材料比选㊁预处理优化等技术研究ꎮ今后ꎬ应当进一步开发成套的人工湿地耦合天然纤维生物质碳源的低成本生态处理系统ꎬ加强机理和技术参数研究ꎬ为微污水的可持续生态处理提供理论支撑ꎮ参考文献:[１]㊀ＧａｏＹꎬＸｉｅＹＷꎬＺｈａｎｇＱꎬｅｔａｌ.Ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｄｎｉｔｒａｔｅａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｉｎａｎｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ￣ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｈｏｒｉｚｏｎ￣ｔａｌｓｕｂｓｕｒｆａｃｅ￣ｆｌｏｗｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｗｅｔｌａｎｄ[Ｊ].ＷａｔｅｒＲｅ￣ｓｅａｒｃｈꎬ２０１７ꎬ１０８:３９￣４５.[２]陶梦妮ꎬ陶正凯ꎬ王印ꎬ等.人工湿地复合生物燃料电池强化脱氮研究[Ｊ].应用化工ꎬ２０１８ꎬ４７(１０):２２１２￣２２１６. 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反硝化脱氮工艺补充碳源选择与优化研究进展
× ＳＡ ＳＦ＋ＳＡ
×ＸＨ
! " 慢速可降解
２ 有机物
ｄＣＮ ｄｔ
＝－
ＳＦ
ｑＮ－
ＳＦ
ＣＮＯ３ Байду номын сангаасｓ，ＮＯ３＋ＣＮＯ３
× ＳＦ ＳＦ＋ＳＡ
×ＸＨ
! " ３ 内源物质
ｄＣＮ ｄｔ
＝－ ｑＮ－ ｅｎｄ×ＸＨ
ｅｎｄ
奖 硝 酸 盐 和 亚 硝 酸 盐 分 开 模 拟 的 反 硝 化 动 力 学 ［８］
４ 硝酸盐降解
在反硝化脱氮过程中能够直接被反硝化菌利用的只有可溶性易生物降解有机物如乙酸甲酸丙酸等低分子有机酸等其他大分子的有机物和不易生物降解的有机物必须先转化成低分子有机酸才能被微生物利用
净水技术 ＷＡＴＥＲ ＰＵＲ净ＩＦＩＣ水ＡＴＩＯ技Ｎ Ｔ术ＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ． ２６ Ｎｏ． ６ ２００７
废水处理及回用
废水生物缺氧反硝化脱氮处理过程中， 绝大部
分有机物质能够利用硝酸盐或亚硝酸盐代替氧作为
电子受体， 进行生物氧化反应。当缺少溶解氧时， 微
生物呼吸作用电子传递链上的硝酸盐还原酶被激
活， 促使氢和电子转移给最终电子受体－ 硝酸盐［１］。
硝酸盐还原过程包括以下步骤：
ＮＯ－３→ＮＯ－２→ＮＯ→Ｎ２Ｏ→Ｎ２
（ １）
亚硝酸盐降 ５
解
ｄＣＮＯ３ ｄｔ
＝－
ｖｍａｘ，ＮＯ３
ＣＮＯ３ Ｋｓ，ＮＯ３＋ＣＮＯ３
×ＸＨ
ｄＣＮＯ２ ｄｔ
＝ｖｍａｘ，ＮＯ３
ＣＮＯ３ Ｋｓ，ＮＯ３＋ＣＮＯ３
×ＸＨ－
ｖｍａｘ，ＮＯ２
ＣＮＯ２ Ｋｓ，ＮＯ２＋ＣＮＯ２
×ＸＨ
参数说明：
ＣＮ—氮的浓度， ｇ Ｎ／ｍ３， ＣＮＯ３—硝酸盐氮的浓度， ｇ Ｎ／ｍ３， ＳＡ—溶解性易降解有机物的浓度， ｇ ＣＯＤ／ｍ３， ＳＦ—慢速可 降 解 有 机 物的浓度， ｇ ＣＯＤ／ｍ３，
《2024年人工湿地脱氮除磷的效果与机理研究进展》范文
《人工湿地脱氮除磷的效果与机理研究进展》篇一一、引言随着工业化和城市化的快速发展，水体富营养化问题日益严重，其中氮、磷等营养物质的过量排放是主要诱因之一。
人工湿地作为一种自然与人工相结合的生态系统，具有成本低、维护简便、生态友好等优点，在污水处理特别是脱氮除磷方面表现出良好的应用前景。
本文旨在探讨人工湿地脱氮除磷的效果与机理研究进展，为湿地生态系统的优化提供理论支持。
二、人工湿地的基本构成与工作原理人工湿地主要由基质、水生植物、填料及微生物等部分组成。
水体在流经湿地时，通过物理、化学及生物的三重作用，实现污染物的去除。
其中，脱氮除磷是人工湿地的主要功能之一。
三、人工湿地脱氮除磷的效果研究（一）脱氮效果研究人工湿地对氮的去除主要通过微生物的硝化-反硝化作用实现。
研究表明，人工湿地能有效去除水中的氨氮和亚硝酸盐氮，特别是通过合理设计湿地系统和优化植物种类后，脱氮效率可显著提高。
（二）除磷效果研究人工湿地通过吸附、沉淀及生物吸收等多种方式去除磷。
研究表明，湿地中的铁锰氧化物和氢氧化物等对磷有较强的吸附能力，同时植物对磷的吸收也是除磷的重要途径。
此外，湿地中的微生物活动也有助于磷的去除。
四、人工湿地脱氮除磷的机理研究（一）微生物作用微生物在人工湿地脱氮除磷过程中发挥着重要作用。
通过硝化-反硝化作用，微生物能将氨氮转化为氮气，从而从湿地系统中去除。
此外，一些微生物还能通过代谢活动吸收和转化磷。
（二）物理化学作用人工湿地中的基质如沙、石、土壤等，通过吸附、沉淀等物理化学作用，有助于去除水中的氮、磷等物质。
此外，湿地中的氧化还原反应也为脱氮除磷提供了有利条件。
五、研究进展与展望近年来，关于人工湿地脱氮除磷的研究取得了显著进展。
在湿地设计、植物种类选择、微生物群落研究等方面均取得了重要突破。
然而，仍存在一些亟待解决的问题，如湿地的长期运行效果、对不同污染负荷的适应性等。
未来研究需进一步优化湿地设计，提高脱氮除磷效率，同时加强湿地生态系统的综合管理和维护。
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关键词
反硝化菌
碳源
脱 氮
Ｔｈｅ ａ ｐｌｃ ｔｏ ｎ ｅ ｅ ｒ ｈ ｐｒ ｇ ｅ ｓｏ ｅ ｔ ｉｙｉ ａ ｂ ｎ ｏ ｒ ｅ ｉ ｃ ｎｓｒ ｃｅ ｔａ ｓｆ ｒ ｎ ｔｏ ｅ ｅ ｖ ｌ Ｄ Ｉ Ｇ ｐ ｉ ａ ｉｎ ａ ｄ ｒ ｓ ａ ｃ ｏ ｒ ｓ ｆｄ ｎｉｒｆ ｎｇｃ ｒ ｏ ｓ ｕ ｃ ｎ ｏ ｔ ｕ ｔｄ ｗｅ ｌｎｄ ｏ ｉｒ ｇ ｎ ｒ ｍｏ ａ Ｎ
，
Ｓ ＯＮＧ ｎ ｈ ｎ Ｙ Ｘｉ ｓａ ， ＡＮ ｎ ｈ ａ ． １ Ｃ ｌｅ ｅｏ ｖｒ ｎ ｎａ ｃｅ ｃ ｎ ｇｉｅｒｎ Ｄｏ ｇ ｕ ｉｅ ｓｔ Ｄｅ ｇ ｕ 。 （ ． ｏ ｌｇ ｆ Ｅｎ ｉｏ ｍｅ ｔ ｌＳ ｉｎ ｅａ ｄ Ｅｎ ｎｅ ｉ ｇ，源 在 人 工 湿 地 脱 氮 中 的 应 用 及 其研 究进 展
反硝化碳 源在 人工湿地脱氮中的应用及其研究进展 ＊
丁 怡 ’ 宋新 山 严 登 华
（ ． 华 大 学 环 境 科 学 与 Ｔ 程 学 院 ． ２ ｌ２ ；． 同 水 利 水 电 科 学 研 究 院 。 京 １０ ４ ） １东 Ｊ海 Ｏ ６ ０ ２ 中 北 ０ ０ ４
摘 要 碳源供给是制约人 湿地反硝 化脱 氮的重要 索 ． 系统论述 了反硝 化碳源的类 型及其在人 Ｔ湿地反硝 化过程中 的作
川 ． 对 人 Ｔ 湿 地 巾 反硝 化碳 源 的应 用 现 状 进 行 了 讨 论 。 反 硝化 菌 与 人 ｌ 地 脱 氯 有 着 密 切关 联 ． 人 工 湿 地 领 域 研 究 的 焦点 。此 并 Ｔ湿 是 外 ， Ｔ 湿 地 中 的环 境 条件 、 行 条 件 及 湿 地 构 建 条件 等 都 会 对 其 反 硝 化 效 果 产 生 重 要 影 响 ， 出 了 通 过 改 善 上述 条 件 提 高 人 工 湿 人 运 指 地 脱 氮 效 率 的 途 径 。 最后 ， 对 目前 该 研 究 领 域 中 存 在 的 主要 问题 进 行 了归 纳 ， 对 今 后需 要 开展 的研 究 工 作 进 行 了 展 望 。 针 并
Ｓ ａ ｇ ａ ０ ６ ０ ２ Ｃ ｉａ Ｉ ｓｉｕｅｏ Ｗａｅ ｓ ｕ ｃｓａ ｄ Ｈｙ ｒ ｐ ｗｅ ｓａ ｃ Ｂｅｊｎ ０ ０ ４ ｈ ｎ ｈ ｉ２ １ ２ ； ． ｈ ｎ ｎ ｔｔ ｔ ｆ ｔｒＲｅｏ ｒ ｅ ｎ ｄ ｏ ｏ ｒＲｅｅ ｒｈ， ｉｉｇ １ ０ ４ ）
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