朱輝翔 ，張樹楠，彭英湘，肖金，劉鋒，肖潤(rùn)林，戴桂金，朱小嬌

（1. 中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，長(zhǎng)沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測(cè)研究站，湖南 長(zhǎng)沙 410125；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 湖南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，國(guó)家環(huán)境保護(hù)重金屬污染監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙410014；4. 湖南省鳳凰縣農(nóng)業(yè)特色產(chǎn)業(yè)中心，湖南 鳳凰 416200；5. 大長(zhǎng)江環(huán)境工程技術(shù)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430073）

碳源是生物脫氮工藝中重要的影響因素之一，它能在生物硝酸鹽的去除過(guò)程中提供電子供體，將硝酸鹽氮逐漸轉(zhuǎn)化為氮?dú)庖詫?shí)現(xiàn)脫氮，但是在反硝化過(guò)程中，普遍存在碳源不足的現(xiàn)象，因此需要額外投加碳源來(lái)提高脫氮效率[1-2]。傳統(tǒng)的外加碳源分為液體碳源（如甲醇、乙醇、乙酸等）和固體碳源（人工聚合物和農(nóng)業(yè)廢棄物等）。液體碳源脫氮效果較好，但是甲醇等物質(zhì)存在一定的毒性，且運(yùn)輸成本高，難以控制，而固體碳源中，聚已酸內(nèi)酯（PCL）、聚乳酸（PLA）等人工聚合物因成本高，難以實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用[3-5]。因此，研究一種廉價(jià)、實(shí)用、安全且脫氮效果較好的外加碳源材料具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

農(nóng)業(yè)廢棄物是農(nóng)業(yè)作物在收獲和加工過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物質(zhì)，是一種重要的生物質(zhì)資源，被認(rèn)為是地球上最豐富的可循環(huán)利用的有機(jī)物質(zhì)[6-8]。近年來(lái)，基于安全性和經(jīng)濟(jì)性等方面的考慮，以農(nóng)業(yè)廢棄物作為反硝化脫氮外加碳源的研究已成為熱點(diǎn)[9-12]。農(nóng)業(yè)廢棄物具有成本低廉、來(lái)源廣泛、生物降解性好等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用前景廣泛。目前，研究較多的農(nóng)業(yè)廢棄物有稻草、稻殼、花生殼、秸稈、玉米芯、木屑和棉花等。邵留等[9]研究對(duì)比分析甘蔗渣、玉米芯、稻草、稻殼、花生殼和木屑6種農(nóng)業(yè)廢棄物為反硝化碳源的釋碳和脫氮性能發(fā)現(xiàn)，玉米芯、稻草和稻殼具有較強(qiáng)的釋碳能力，且其硝酸鹽的去除率均達(dá)80%以上。Hua等[10]在研究用以木屑為碳源的反硝化生物濾池來(lái)處理農(nóng)田地下水中的硝酸鹽時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硝酸鹽氮濃度為20 mg/L、水力停留時(shí)間為6～24 h時(shí)，硝酸鹽的去除率可以達(dá)到53.5%～100%。Liang等[11]發(fā)現(xiàn)用稻草作為外加碳源對(duì)低硝酸鹽負(fù)荷的農(nóng)業(yè)廢水有較好的脫氮效果。Volokita等[12]研究用原棉做碳源來(lái)去除飲用水中的硝酸鹽發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)水硝酸鹽濃度為100 mg/L時(shí)，其脫氮效果顯著，可以在短時(shí)間內(nèi)完全去除其硝酸鹽。除了農(nóng)業(yè)固體廢棄物外，近年來(lái)，水生植物因木質(zhì)素、纖維素豐富也被逐漸作為反硝化外加碳源[13]。但目前有關(guān)水生植物的釋碳特性以及水生植物和農(nóng)業(yè)廢棄物的反硝化脫氮效果比較的報(bào)道較少。

為了比較農(nóng)業(yè)廢棄物和水生植物作為傳統(tǒng)碳源替代物的可行性，篩選出合適的外加碳源進(jìn)行生物反硝化實(shí)驗(yàn)，本研究選取廉價(jià)的農(nóng)業(yè)廢棄物（稻草和鋸木屑）和水生植物（綠狐尾藻Myriophyllum aquaticum和梭魚草Pontederia cordata作為反硝化固體碳源，以其水解釋放的化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）作為衡量指標(biāo)，比較各材料的碳釋放動(dòng)力學(xué)特征；通過(guò)接種綠狐尾藻濕地活性污泥，分析水體COD、硝態(tài)氮（NO3--N）、亞硝酸鹽氮（NO2--N）、銨態(tài)氮（NH4+-N）和總氮（Total Nitrogen，TN）等動(dòng)態(tài)變化，研究上述固體碳源的脫氮性能，為用農(nóng)業(yè)廢棄物和水生植物替代傳統(tǒng)碳源來(lái)進(jìn)行生物反硝化實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究選取的稻草、綠狐尾藻和梭魚草取自中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測(cè)研究站的試驗(yàn)地，鋸木屑取自當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶。稻草、綠狐尾藻、梭魚草剪成2 cm左右的長(zhǎng)條，鋸木屑不作處理，將上述材料用去離子水洗凈后，65 ℃烘干至恒重，自然冷卻后，放入樣品袋中作備用。反硝化實(shí)驗(yàn)使用的活性污泥取自養(yǎng)殖廢水綠狐尾藻濕地系統(tǒng)。

1.2 碳源釋放試驗(yàn)

本研究于2019年9月15日至10月15日在中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測(cè)研究站內(nèi)進(jìn)行，選取15個(gè)廣口瓶，洗凈并烘干，在廣口瓶中分別放入5 g稻草、鋸木屑、綠狐尾藻和梭魚草，加入1 L的去離子水浸泡，靜置釋碳，每個(gè)處理3次重復(fù)。另外設(shè)立1個(gè)對(duì)照組，即廣口瓶中直接加入1 L去離子水。為避免環(huán)境干擾物進(jìn)入廣口瓶中，瓶口用瓶塞封住。取水樣前取下瓶塞，緩慢攪拌均勻，靜置30 min后用經(jīng)去離子水洗凈的針孔注射器吸取上層清液50 mL于100 mL塑料瓶中，取樣后塞回瓶塞。自實(shí)驗(yàn)開始第0.5、1、2、3、4、5、7、10、15、20、25和30 d采集各處理水樣，分析各樣品COD、NO3--N、NO2--N、NH4+-N和TN含量。

1.3 反硝化脫氮試驗(yàn)

本研 究于2019年10月20日至11月19日 在中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測(cè)研究站內(nèi)進(jìn)行，選取15個(gè)廣口瓶，洗凈并烘干，在其中分別加入5 g上述試驗(yàn)材料，另設(shè)1個(gè)CK，每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)。每個(gè)廣口瓶中加入10 mL質(zhì)量濃度10 g/L的活性污泥，加入500 mL由去離子水、硝酸鉀、磷酸二氫鉀配制含硝態(tài)氮100 mg/L、磷酸鹽5 mg/L的試驗(yàn)溶液，塞上瓶塞使廣口瓶處于密封狀態(tài)，置于室溫下培養(yǎng)。取樣時(shí)取下瓶塞用經(jīng)去離子水洗凈的針孔注射器吸取上層液體40 mL于100 mL塑料瓶中，取樣后塞回瓶塞繼續(xù)靜置培養(yǎng)。自試驗(yàn)開始第0.25、0.5、1、2、3、5、7、10、15、20、25和30 d采集各處理水樣測(cè)其NO3--N、NO2--N、NH4+-N、TN、COD和pH值等指標(biāo)。試驗(yàn)溶液NO3--N、NO2--N、NH4+-N、TN和COD背景值分別為104.72 mg/L、0.01 mg/L、0.01 mg/L、110.64 mg/L和7.14 mg/L，pH值為7.01。

1.4 水樣測(cè)試方法

水樣以4 000 r/min的速度離心5 min，取上清液用于NO3--N、NO2--N和NH4+-N的測(cè)定，未離心的水樣用于pH值、TN和COD的測(cè)定。NO3--N、NO2--N和NH4+-N的濃度可以直接用AA3流動(dòng)分析儀（Fir-star 5000，瑞士）測(cè)定；pH值通過(guò)臺(tái)式pH計(jì)測(cè)定，TN濃度先通過(guò)堿性過(guò)硫酸鉀消解，然后采用AA3流動(dòng)分析儀測(cè)定；COD濃度測(cè)定采用重鉻酸鹽法（GB 11914—89）。

1.5 統(tǒng)計(jì)與分析

碳源材料的釋碳過(guò)程滿足二級(jí)動(dòng)力學(xué)公式，釋放曲線呈現(xiàn)較好的雙倒數(shù)關(guān)系，即溶液中COD濃度（c）與時(shí)間（t）符合二級(jí)動(dòng)力學(xué)關(guān)系[14]，其表達(dá)式為：

式中：cm為單位質(zhì)量材料在溶液中釋放的飽和COD濃度（mg/(g·L)）；k為常數(shù)（h·g·L/mg）。

令K=1/k，則：

式中：K為傳質(zhì)系數(shù)（mg/(h·L·g)），反映釋放阻力；t1/2是COD釋放濃度達(dá)飽和濃度一半時(shí)所用時(shí)間（h）。

采用Excel 2013對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，數(shù)據(jù)作圖使用Excel 2013和Origin 2021，并用SPSS 26選取Duncan作為比較方法來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA），相關(guān)性分析用Preason相關(guān)系數(shù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在重復(fù)實(shí)驗(yàn)中取平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同固體碳源釋碳動(dòng)力學(xué)特征

4種固體碳源擬合所得的各項(xiàng)特征參數(shù)見表1?？梢钥闯?，四種材料的釋碳擬合曲線均具有較高的相關(guān)系數(shù)，其釋碳過(guò)程都符合二級(jí)動(dòng)力學(xué)公式。其中，cm越大，材料最終釋放COD濃度越高，表明材料釋碳能力越大；K越大，表明材料傳質(zhì)阻力越小，有機(jī)碳越易于釋放；t1/2越小，有機(jī)碳釋放達(dá)平衡狀態(tài)進(jìn)行越快。從cm值來(lái)比較，稻草＞梭魚草＞鋸木屑＞綠狐尾藻，稻草的cm值最大，為25.64 mg/(g·L)，綠狐尾藻的cm值最小，為20.45 mg/(g·L)，但其值相差不大，說(shuō)明4種材料的供碳能力相差不大。從K值來(lái)比較，綠狐尾藻＞鋸木屑＞稻草＞梭魚草，說(shuō)明綠狐尾藻受到的傳質(zhì)阻力最小，最容易釋碳。從t1/2值來(lái)比較，梭魚草＞稻草＞鋸木屑＞綠狐尾藻，說(shuō)明綠狐尾藻達(dá)到碳釋放平衡所需時(shí)間最短。綜合分析，4種材料釋碳能力相差不大，但綠狐尾藻能較快釋碳，可以作為快速碳源使用；其他三種材料釋碳相對(duì)緩慢，可以作為慢速碳源使用。

表1 4種固體碳源的釋碳特征對(duì)比分析Table 1 Comparative analysis of carbon release characteristics of 4 solid carbon sources

圖1為固體碳源材料水解釋放的COD/TN圖?？梢钥吹?種材料水解釋放的COD/TN值大小為鋸木屑＞稻草＞梭魚草＞綠狐尾藻，鋸木屑COD/TN值高達(dá)148.75，而其他三種材料的平均COD/TN值為10～21之間。鋸木屑與對(duì)照組之間無(wú)顯著差異，而其他三種材料較對(duì)照組均顯著降低。四種材料釋放的COD濃度相差不大，其平均濃度處于90～110 mg/L之間，但鋸木屑釋放的氮素最少，其平均TN濃度僅為0.73 mg/L，而其他三種材料釋放的平均TN濃度均大于5 mg/L。

2.2 不同固體碳源的反硝化脫氮效果比較

4種固體碳源處理后水體硝態(tài)氮濃度隨時(shí)間均呈下降趨勢(shì)（圖2），其中稻草、綠狐尾藻和梭魚草均取得較好的處理效果：去除率均達(dá)到99%以上。稻草和梭魚草實(shí)驗(yàn)組下降的非常迅速，稻草在第3天便降至2.88 mg/L，去除率達(dá)到97.25%，梭魚草在第5天降至0.41 mg/L，去除率達(dá)到99.61%；綠狐尾藻則在第15天降至0.18 mg/L，去除率達(dá)到99.83%。鋸木屑的靜態(tài)脫氮效果較另3種材料差，第30天，鋸木屑的硝態(tài)氮濃度仍有20.03 mg/L，去除率僅為80.87%。

4種材料的NO2--N、NH4+-N和TN濃度隨時(shí)間變化結(jié)果顯示，稻草、綠狐尾藻和梭魚草的亞硝氮均在第1天時(shí)達(dá)到最大積累，積累量超過(guò)15 mg/L，稻草與梭魚草均從第5天開始幾乎檢測(cè)不到亞硝氮，綠狐尾藻從第15天開始幾乎檢測(cè)不到亞硝氮（圖3），這與其硝氮去除率在第5天和第15天達(dá)到99%以上的結(jié)果相符。鋸木屑從第2天開始出現(xiàn)亞硝氮的積累，一直到第30天都可以檢測(cè)到亞硝酸鹽的存在，這可能與鋸木屑反硝化反應(yīng)進(jìn)行的不順利有關(guān)。試驗(yàn)進(jìn)行到后期，4種材料與對(duì)照組間均無(wú)顯著差異。

4種材料處理的氨氮濃度都有不同程度的升高（圖3）。稻草和綠狐尾藻都是一個(gè)先升高后降低的過(guò)程，其中，稻草在前兩天有氨氮的積累，達(dá)到5.33 mg/L，第3天開始降低；綠狐尾藻則在前7天一直有氨氮的積累，達(dá)到13.71 mg/L，第10天開始降低。鋸木屑在整個(gè)試驗(yàn)期間氨氮濃度都比較低，與對(duì)照組無(wú)顯著差異。梭魚草則是一個(gè)先增加（0～3 d）后降低（5～15 d）最后又迅速增加（20～30 d）的過(guò)程，增長(zhǎng)到了84.20 mg/L，這與其釋放的COD濃度存在顯著性相關(guān)（P＜0.05）。試驗(yàn)進(jìn)行到后期，4種材料除梭魚草外均與對(duì)照組無(wú)顯著差異，梭魚草較對(duì)照組顯著增加。

比較4種材料的總氮濃度可以看出，在試驗(yàn)初期，4種材料總氮濃度均呈上升趨勢(shì)，其中，鋸木屑的總氮濃度上升的比較少，與對(duì)照組無(wú)顯著差異，而其他三種材料上升的比較大，較對(duì)照組顯著增加（圖3），這是因?yàn)殇從拘妓忉尫诺牡剌^少，而其他三種材料水解會(huì)釋放較多氮素。隨著試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行，4種材料總氮濃度均開始下降，其中稻草下降的最快，第3天便降至24.47 mg/L，鋸木屑和綠狐尾藻總氮濃度下降的較慢，而梭魚草在試驗(yàn)后期總氮濃度開始迅速增加，第30天增長(zhǎng)至180.06 mg/L，這與其積累了大量的氨氮有關(guān)。到試驗(yàn)后期，稻草、鋸木屑和綠狐尾藻均較對(duì)照組顯著降低，而梭魚草較對(duì)照組顯著增加。

不同固體碳源對(duì)水體COD的濃度變化具有顯著影響（P＜0.05）。圖4為4種固體碳源分解釋放的COD質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化曲線，結(jié)果顯示，隨時(shí)間的推移，各試驗(yàn)材料釋碳量都出現(xiàn)不同程度的增加，且都經(jīng)歷了一個(gè)初期迅速增加后趨于平緩的過(guò)程。稻草整體上是一個(gè)先增加后穩(wěn)定的過(guò)程，前7天增加至1 276.68 mg/L，后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定在1 200～1 300 mg/L之間。鋸木屑的釋碳量相對(duì)較少，前期整體處于增長(zhǎng)趨勢(shì)，第15天增加至254.31 mg/L，之后開始下降，這可能是鋸木屑釋碳的速率開始跟不上微生物消耗碳的速率導(dǎo)致。綠狐尾藻的釋碳量在前5天迅速增加，達(dá)到1 292.25 mg/L，之后出現(xiàn)下降趨勢(shì)，隨著時(shí)間增加趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定在1 000 mg/L左右。梭魚草的釋碳量在前3天是一個(gè)增加的過(guò)程，第3天增長(zhǎng)至943.70 mg/L，第3～7天出現(xiàn)下降，之后再次增加并趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定在1 500 mg/L左右。比較4種材料的釋碳情況，稻草相較于其他3種材料是比較穩(wěn)定的增長(zhǎng)，其他材料的變化波動(dòng)都比較大。稻草供碳充足，釋碳范圍從初期的562.59 mg/L穩(wěn)定增長(zhǎng)到后期的1 200 mg/L左右；鋸木屑的釋碳范圍變化比較小，為10.07～254.31 mg/L；綠狐尾藻組的COD濃度在試驗(yàn)的中后期出現(xiàn)波浪式前進(jìn)；梭魚草水解釋放的COD的釋碳濃度變化較大，分別在第3、7和20天出現(xiàn)極大（943.70 mg/L）、極小（379.64 mg/L）和極大值（1 571.42 mg/L）。

3 討論

3.1 不同固體碳源的碳源釋放特征

植物水解釋碳的過(guò)程一般分為三個(gè)階段[15-16]：前期植物表層的糖類、有機(jī)酸、蛋白質(zhì)和易溶性無(wú)機(jī)鹽等水溶性物質(zhì)快速分解；中期微生物對(duì)部分難溶但易分解的有機(jī)物開始分解利用；后期植物體內(nèi)木質(zhì)素、纖維素等難分解物質(zhì)開始分解，分解速率緩慢。本研究4種碳源材料的釋碳過(guò)程基本符合上述的三個(gè)階段：前期迅速釋碳，后期緩慢釋碳直至平衡。試驗(yàn)初期，稻草這類秸稈類農(nóng)業(yè)廢棄物釋放的COD較多，這可能是因?yàn)榻斩挷牧媳砻婧休^多的可溶性有機(jī)碳和易脫落的有機(jī)顆粒物[17]，這些物質(zhì)溶解于水中釋放有機(jī)碳，這類有機(jī)碳釋放完后，稻草內(nèi)部的纖維素開始分解，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，難降解纖維不斷積累，稻草分解受到抑制，導(dǎo)致后期釋碳緩慢直至平衡。而鋸木屑相較于稻草含有更多的木質(zhì)素，木質(zhì)素是一類更難降解的物質(zhì)，其可以與半纖維素結(jié)合，將纖維素包裹其中阻礙其與微生物接觸，從而導(dǎo)致鋸木屑降解的更加緩慢[18]。綠狐尾藻和梭魚草等水生植物的干物質(zhì)表面富含淀粉和其他碳水化合物，這些物質(zhì)在試驗(yàn)初期迅速水解釋碳，之后體內(nèi)難降解的粗纖維開始水解，導(dǎo)致其釋碳緩慢直至平衡。

4種材料平均釋碳量大小依次為：稻草（110.23 mg/L）＞梭魚草（98.99 mg/L）＞鋸木屑（98.20 mg/L）＞綠狐尾藻（96.22 mg/L）。趙聯(lián)芳等[19]研究得出稻殼與木屑的釋碳速率較為穩(wěn)定，且稻殼的釋碳量高于木屑，這與本研究結(jié)果是一致的。方遠(yuǎn)航和劉昱迪[20]研究稻桿等6種農(nóng)業(yè)廢棄物的釋碳性能發(fā)現(xiàn)，單位質(zhì)量稻桿在溶液中釋放的飽和COD濃度高達(dá)217.39 mg/(g·L)，傳質(zhì)系數(shù)高達(dá)83.33 mg/(g·L·h)，而邵留等[14]研究稻草、稻殼等的釋碳性能發(fā)現(xiàn)，單位質(zhì)量稻草在溶液中釋放的飽和COD濃度為46.95 mg/(g·L)，傳質(zhì)系數(shù)為11.22 mg/(g·L·h)，單位質(zhì)量稻殼在溶液中釋放的飽和COD濃度為46.72 mg/(g·L)，傳質(zhì)系數(shù)為3.25 mg/(g·L·h)，本研究得出的稻草在溶液中釋放的飽和COD濃度為25.64 mg/(g·L)，傳質(zhì)系數(shù)為2.36 mg/(g·L·h)，這可能是因?yàn)楸狙芯坎捎玫墓桃罕葹?∶200，而邵留等[14]采用的固液比為1∶80，方遠(yuǎn)航和劉昱迪[20]采用的固液比為1∶50。鐘勝?gòu)?qiáng)等[21]認(rèn)為固液比顯著影響植物的釋碳，單位質(zhì)量材料在溶液中釋放的飽和COD濃度值和傳質(zhì)系數(shù)值會(huì)隨固液比的增大而增大。

3.2 外加固體碳源對(duì)反硝化性能的影響

微生物反硝化過(guò)程中需要碳源，并且需要維持一定比例的C/N比，C/N比是影響反硝化的重要因素之一[22-24]。鐘勝?gòu)?qiáng)等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在廢水反硝化實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)投加的固體碳源使水體中C/N比達(dá)到9時(shí)，便可實(shí)現(xiàn)高效脫氮。反硝化脫氮試驗(yàn)中碳源材料水解液的平均COD/TN比依次為：稻草（33.67）＞ 綠狐尾藻（19.04）＞梭魚草（10.07）＞鋸木屑（1.57）＞CK（0.17），除鋸木屑外的3種材料水解液的C/N比均大于9，其反硝化效果也非常好，稻草在第3天硝氮去除率便達(dá)到97.25%，梭魚草在第5天硝氮去除率達(dá)到99.61%，綠狐尾藻的硝氮去除效果相對(duì)較差，到第15天去除率才達(dá)到99%以上。鋸木屑的去除效果最差，直到第30天，其去除率才達(dá)到80.87%，這可能是因?yàn)殇從拘脊┨季徛忆從拘急砻婀饣?，不易于微生物的附著[9]，微生物活動(dòng)較少，其對(duì)硝酸鹽的利用較低，但隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，其去除率一直在增加，說(shuō)明鋸木屑在持續(xù)緩慢的釋碳，能夠作為緩釋碳源使用。Moorman等[25]通過(guò)場(chǎng)地運(yùn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)木屑反硝化長(zhǎng)達(dá) 9 年的監(jiān)測(cè)中也發(fā)現(xiàn)，木屑具有持久的反硝化性能。本研究中4種碳源材料對(duì)硝酸鹽的去除均達(dá)到80%以上，這也與張?chǎng)┑萚26]研究的甘蔗渣、玉米秸稈、稻殼、小麥秸稈、玉米棒和木屑對(duì)硝酸鹽去除率達(dá)到80%以上的結(jié)果相似。

4種材料除鋸木屑外，亞硝氮濃度均在第1天時(shí)達(dá)到最大積累，這與Aslan和Türkman[27]的研究結(jié)果相符。有研究表明，在相同條件下，亞硝酸鹽還原氮?dú)馑璧淖杂赡埽?41.45 kJ/mol）要高于硝酸鹽還原成亞硝酸鹽所需的自由能（-30.75 kJ/mol），反應(yīng)中會(huì)優(yōu)先發(fā)生硝酸鹽的還原反應(yīng)，而亞硝酸鹽在一定時(shí)間內(nèi)還難以還原從而導(dǎo)致亞硝酸鹽的積累[28]，且不同的碳源會(huì)導(dǎo)致其NO3--N和NO2--N還原速率不同[29]。在本研究中，稻草與梭魚草均從第5天開始幾乎檢測(cè)不到亞硝氮，綠狐尾藻從第15天開始幾乎檢測(cè)不到亞硝氮，鋸木屑從第2天開始出現(xiàn)亞硝氮的積累，一直到第30天都可以檢測(cè)到亞硝酸鹽的存在。NO2-是反硝化過(guò)程中的中間產(chǎn)物[30]，NO2-的積累與碳源的供給量有很大的關(guān)系[31]。鋸木屑實(shí)驗(yàn)組的亞硝氮濃度與COD濃度相關(guān)性顯著（P＜0.05），其試驗(yàn)后期仍可檢測(cè)到亞硝氮可能是因?yàn)殇從拘坚屘季徛?，供碳不足?dǎo)致反硝化反應(yīng)進(jìn)行的不完全。但是可以看到鋸木屑第30天亞硝氮的含量明顯低于第25天的，且趨向于零，這說(shuō)明隨著反應(yīng)的進(jìn)行，亞硝氮的積累會(huì)降低至趨向于零，這與Xie等[32]的試驗(yàn)結(jié)果一致。

植物水解釋碳的同時(shí)也會(huì)向水體釋放許多氮素和磷素[33-35]，導(dǎo)致試驗(yàn)初期總氮含量有所增加。Pettit等[36]研究表明稻草分解會(huì)釋放出體內(nèi)的氮素導(dǎo)致水中各形態(tài)氮含量升高。張?chǎng)┑萚26]研究發(fā)現(xiàn)木屑在水中會(huì)分解釋放出少量的各形態(tài)氮素。童雄等[37]研究綠狐尾藻分解過(guò)程中碳氮磷的釋放特征發(fā)現(xiàn)綠狐尾藻分解釋放的氮素主要以有機(jī)氮和氨氮為主。梭魚草在試驗(yàn)后期出現(xiàn)了氨氮的大量積累，這可能是因?yàn)樵谠囼?yàn)后期，梭魚草釋放出大量的COD，在碳源充足或硝氮含量過(guò)高的厭氧環(huán)境下，易發(fā)生硝酸根異化還原而導(dǎo)致氨氮濃度相對(duì)升高[38]。

4 結(jié)論

1）4種材料均能作為外加碳源的備選材料，能穩(wěn)定的釋放大量有機(jī)碳，同時(shí)釋放的氮素含量相對(duì)較低。農(nóng)業(yè)廢棄物和水生植物等木質(zhì)纖維素類有機(jī)廢物因其結(jié)構(gòu)性質(zhì)富含單糖等易分解有機(jī)物質(zhì)而能較好的釋碳，但其含有的木質(zhì)素纖維素等難分解物質(zhì)的釋碳過(guò)程還有待進(jìn)一步研究。

2）4種材料均能實(shí)現(xiàn)高效脫氮，稻草、綠狐尾藻和梭魚草的硝態(tài)氮去除率高達(dá)99%以上，鋸木屑的硝態(tài)氮去除率也達(dá)到80%以上。但梭魚草在試驗(yàn)后期會(huì)出現(xiàn)氨氮的大量積累，會(huì)造成水體二次污染。不同碳源材料在微生物作用下的釋碳過(guò)程不盡相同，其造成的脫氮效果也千差萬(wàn)別。農(nóng)業(yè)廢棄物和水生植物在微生物作用下所釋放的碳源性質(zhì)還需進(jìn)一步研究。

3）通過(guò)對(duì)4種材料釋碳脫氮的對(duì)比分析認(rèn)為，稻草、鋸木屑和綠狐尾藻可以作為外加碳源使用，具有較好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用意義。但在實(shí)際應(yīng)用中，投加碳源的方式優(yōu)化如碳源投加量、碳源投加位置等研究有待進(jìn)一步開展。