樓超楠， 韓昫身， 金 艷， 何 焱， 宋興福

（1.華東理工大學(xué)國(guó)家環(huán)境保護(hù)化工過(guò)程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200237；2.蘇州聚智同創(chuàng)環(huán)?？萍加邢薰? 江蘇常熟 215513；3.四川長(zhǎng)寧天然氣開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司, 四川宜賓 644000）

近年來(lái)，隨著城市化、工業(yè)化的發(fā)展，生活污水和工業(yè)廢水的排放量迅速增加，2020 年中國(guó)生態(tài)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)[1]顯示，全國(guó)廢水中氨氮排放量為9.84×105t，總氮排放量為3.223×106t。氮氧化物過(guò)度排放及其在水體中的大量積累，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重威脅[2]。以厭氧/好氧（A/O）工藝為代表的硝化和反硝化技術(shù)是目前使用最普遍的生物脫氮方法。

在異養(yǎng)反硝化過(guò)程中，碳源作為電子供體直接影響反硝化速率和總氮去除率[3]。目前，中國(guó)大部分市政廢水[4]及部分工業(yè)廢水中碳氮含量比較低[5-6]，造成反硝化不徹底、出水總氮不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題。為了提高反硝化效能，必須補(bǔ)充碳源[7]。在實(shí)際應(yīng)用中，通常使用甲醇[8-9]、醋酸鹽[10]、甘油[11-12]和糖類(lèi)[3,13]等大宗石油基或生物基化學(xué)品作為碳源。同時(shí)，隨著短程硝化和反硝化技術(shù)的出現(xiàn)，反硝化過(guò)程從硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾倪^(guò)程縮短為亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾倪^(guò)程，這兩種電子受體在反硝化過(guò)程的碳源消耗量及反應(yīng)速率方面均有所差異，現(xiàn)有研究?jī)H用單一碳源如甲醇[14]、葡萄糖[15]等比較兩種電子受體的反硝化過(guò)程，鮮有文獻(xiàn)比較不同的常見(jiàn)碳源對(duì)硝酸鹽氮及亞硝酸鹽氮去除效果的影響。

本文研究了5 種常用碳源（甲醇、乙酸鈉、乙二醇、丙三醇、葡萄糖）的最佳碳氮比（溶液中化學(xué)需氧量（COD）和總氮（TN）質(zhì)量濃度之比）、比反應(yīng)速率、總氮去除率、每噸水處理成本等因素，分析了不同碳源的優(yōu)缺點(diǎn)，為污水廠脫氮過(guò)程碳源優(yōu)選提供選擇依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及污泥處理

實(shí)驗(yàn)裝置采用5 組序批式（SBR）反應(yīng)器，裝置直徑120 mm，高155 mm，有效容積1 L；采用溫控磁力攪拌器（中國(guó)，思樂(lè)T09-1S）進(jìn)行混合攪拌。

實(shí)驗(yàn)所用污泥取自華東理工大學(xué)生活污水處理站，污泥空曝1 d 后靜置過(guò)夜，用自來(lái)水清洗4～5 次后，用孔徑為0.2 mm 的篩網(wǎng)過(guò)濾。裝置啟動(dòng)時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)初始污泥質(zhì)量濃度（MLSS）為3 000 mg/L，用1 mol/L 的HCl 或NaOH 調(diào)節(jié)pH 至7.0。

1.2 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

反應(yīng)器進(jìn)水為人工配水，分別以甲醇、乙酸鈉、乙二醇、丙三醇、葡萄糖為反硝化碳源，KNO3和NaNO2提供及。進(jìn)水中（碳氮比為3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0）及（碳氮比為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0）質(zhì)量濃度為50 mg/L，其他組分及其質(zhì)量濃度如下：KH2PO419.35 mg/L、CaCl23.82 mg/L 、MgSO417.56 mg/L 、FeSO40.93 mg/L 及φ=0.2%的微量元素溶液（ CuSO410 mg/L、MnSO450 mg/L、H3BO340 mg/L、 ZnSO415 mg/L、KI 210 mg/L）。

1.3 SBR 運(yùn)行及實(shí)驗(yàn)方案

5 個(gè)反應(yīng)器中初始污泥質(zhì)量濃度均為3 000 mg/L，第1 d 起采用上述進(jìn)水，不同反應(yīng)器分別投加甲醇、乙酸鈉、乙二醇、丙三醇、葡萄糖，使模擬廢水初始碳氮比為3.0，該條件下穩(wěn)定運(yùn)行后，取樣測(cè)定周期內(nèi)的及質(zhì)量濃度變化，并提高初始碳氮比至4.0。每次系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，測(cè)定周期內(nèi)各碳氮比穩(wěn)定時(shí)及質(zhì)量濃度變化情況，并繼續(xù)重復(fù)上述操作，提高初始碳氮比至5.0、6.0、7.0、8.0。第39 d 清洗裝置內(nèi)活性污泥，改變?yōu)檫M(jìn)水，不同反應(yīng)器分別投加甲醇、乙酸鈉、乙二醇、丙三醇、葡萄糖，使模擬廢水初始碳氮比為2.0，該條件下穩(wěn)定運(yùn)行后，取樣測(cè)定周期內(nèi)的質(zhì)量濃度變化，并提高初始碳氮比至2.5。每次系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，測(cè)定周期內(nèi)各碳氮比穩(wěn)定時(shí)質(zhì)量濃度變化情況，并繼續(xù)重復(fù)上述操作，提高初始碳氮比至3.0、3.5、4.0。具體實(shí)驗(yàn)階段及參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 反應(yīng)器運(yùn)行各階段電子受體及碳氮比Table 1 Electron acceptors and carbon nitrogen ratios at each operation stage in five reactors

1.4 分析項(xiàng)目及方法

其中COD0為COD 的測(cè)定值。

1.5 反硝化理論碳氮比及反硝化速率計(jì)算

表2 不同碳源條件下反硝化理論碳氮比Table 2 Theoretical carbon nitrogen ratio of denitrification under different carbon sources

比反硝化速率是指單位生物量在特定時(shí)間（將體系內(nèi)總氮素幾乎完全去除所需的時(shí)間）內(nèi)的平均反硝化速率，按照式（2）進(jìn)行計(jì)算[17]：

其中：V1為比反硝化速率，mg/(g·h)；ρ0為進(jìn)水N 質(zhì)量濃度，mg/L；ρ1為終點(diǎn)質(zhì)量濃度（以相鄰兩個(gè)測(cè)定點(diǎn)同一氮素前后質(zhì)量濃度波動(dòng)值小于0.5 mg/L 時(shí)的第1 個(gè)點(diǎn)為終點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算），mg/L；ρMLSS為混合液體懸浮固體質(zhì)量濃度，g/L；Δt為反應(yīng)時(shí)間，h。

最大比反硝化速率是指反硝化反應(yīng)前期單位生物量去除氮素速率的最大值，按照式（3）進(jìn)行計(jì)算：

其中：V2為最大比反硝化速率，mg/(g·h)；Δρ為N 質(zhì)量濃度變化值[18]（同一底物），mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 甲醇為碳源的反硝化過(guò)程

圖1 不同碳氮比下甲醇在穩(wěn)定周期內(nèi)對(duì)氮素的去除效果Fig.1 Effect of methanol on nitrogen removal at different carbon nitrogen ratios during stable period

在碳氮比為3.0～5.0 時(shí)，隨著碳氮比增大，TN 去除率逐漸提高至98.0%；在碳氮比為5.0 時(shí)，出水TN 質(zhì)量濃度小于1 mg/L，的去除率提高后穩(wěn)定在99.8%，比反硝化速率加快；繼續(xù)提高碳氮比至6.0～7.0，相較于碳氮比為5.0 時(shí)，體系內(nèi)的比反硝化速率變化較小，而最大比反硝化速率從11.8 mg/(g·h)提高到了15.3 mg/(g·h)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，碳氮比較低時(shí)，增加碳源投加量可以提高氮素去除率和比反硝化速率；當(dāng)TN 去除率接近100%時(shí)，繼續(xù)增加碳氮比能提高比反硝化速率，出水COD 也可維持在45.0 mg/L 以下。因此，以甲醇為碳源時(shí)，最佳碳氮比為5.0，此時(shí)出水COD 為20.6 mg/L。甲醇屬于單碳化合物，微生物的生長(zhǎng)量較低，完成反硝化反應(yīng)所需要的碳氮比較低，但由于實(shí)際運(yùn)行中易受到溫度、溶解氧及pH等影響，多數(shù)實(shí)驗(yàn)得到的最佳碳氮比在4.0～6.0[9,19]。

當(dāng)碳氮比為2.0～3.0 時(shí)，隨著投加碳氮比的提高，體系中去除率和比反硝化速率逐漸提高，最大比反硝化速率從6.7 mg/(g·h)提高到8.7 mg/(g·h)；繼續(xù)提高進(jìn)水中碳氮比至3.5 時(shí)，去除率維持不變，最大比反硝化速率提高至10.5 mg/(g·h)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以甲醇為碳源時(shí)，在電子受體體系中，最佳碳氮比為3.0，該條件下去除率接近100%，出水COD為23.7 mg/L；進(jìn)一步提高碳氮比可以顯著提高最大比反硝化速率，出水COD 也維持在38.0 mg/L以下。在短程硝化出水的反硝化過(guò)程中，張攀等[20]發(fā)現(xiàn)甲醇為外加碳源時(shí)最佳碳氮比為2.5，低于全程硝化出水反硝化所需的碳氮比。

2.2 乙酸鈉為碳源的反硝化過(guò)程

圖2 不同碳氮比下乙酸鈉在穩(wěn)定周期內(nèi)對(duì)氮素的去除效果Fig.2 Effect of sodium acetate on nitrogen removal at different carbon nitrogen ratios during stable period

在碳氮比為3.0～5.0 時(shí)，隨著碳氮比的提高，TN 和的去除率逐漸提高，比反硝化速率增加至7.7 mg/(g·h)；當(dāng)碳氮比繼續(xù)增加至6.0 和7.0 時(shí)，相較于碳氮比為5.0 時(shí)，最大比反硝化速率稍有提升，說(shuō)明在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)碳源足量時(shí)，最大比反硝化速率隨碳氮比的增加變化不明顯，此時(shí)出水COD 能維持在30.1 mg/L以下。因此以乙酸鈉為碳源時(shí)，最佳碳氮比為5.0，該條件下出水TN 小于1 mg/L，出水COD 為11.0 mg/L。能利用乙酸鈉作為碳源的微生物種類(lèi)十分廣泛，在彭永臻等[19]、吳代順等[21]的研究中發(fā)現(xiàn)，乙酸鈉的最佳碳氮比在5.0 左右，對(duì)應(yīng)的菌屬在反硝化過(guò)程中呈現(xiàn)較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

在碳氮比為2.0～3.0 時(shí)，隨著碳氮比的提高，體系中的去除率和比反硝化速率逐漸提高，最大比反硝化速率從5.5 mg/(g·h)提高到7.3 mg/(g·h)；繼續(xù)提高進(jìn)水碳氮比至3.5，去除率維持不變，比反硝化速率和最大比反硝化速率分別提高至7.1 mg/(g·h)和8.4 mg/(g·h)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以乙酸鈉為碳源時(shí)，在電子受體體系中，最佳碳氮比為3.0，該條件下去除率接近100%，出水COD 為30.0 mg/L，提高碳氮比可以適當(dāng)提高比反硝化速率和最大比反硝化速率，此時(shí)，出水COD 也可維持在36.0 mg/L 以下。彭永臻等[22]探究了垃圾滲濾液短程脫氮工藝，短程出水投加碳氮比為3.0 的乙酸鈉后可以實(shí)現(xiàn)良好的反硝化效率。

2.3 乙二醇為碳源的反硝化過(guò)程

圖3 不同碳氮比下乙二醇在穩(wěn)定周期內(nèi)對(duì)氮素的去除效果Fig.3 Effect of glycol on nitrogen removal at different carbon nitrogen ratios during stable period

在碳氮比為3.0～7.0 時(shí)，隨著碳氮比的提高，TN 和的去除率逐漸提高，比反硝化速率從2.9 mg/(g·h)提高到4.4 mg/(g·h)，最大比反硝化速率從7.3 mg/(g·h)提高到了9.2 mg/(g·h)。以乙二醇為碳源時(shí)，最佳碳氮比為7.0，此時(shí)出水TN 值小于1 mg/L，出水COD值為30.1 mg/L。Chen 等[11]投加碳氮比為4.7（廢水中5 日生化需氧量BOD5與N 的質(zhì)量濃度之比約為0.3）的乙二醇時(shí)，過(guò)程中控制運(yùn)行溫度（21±1）℃，可以去除混合廢水中97%的總氮，證明乙二醇是一種有效的外加碳源。

在碳氮比為2.0～3.5 時(shí)，隨著碳氮比的提高，體系中的去除率和比反硝化速率逐漸提高，最大比反硝化速率從4.2 mg/(g·h)提高到6.5 mg/(g·h)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以乙二醇為碳源，在電子受體體系中，最佳碳氮比為3.5，此條件下去除率接近100%，出水COD 為23.2 mg/L，提高碳氮比可以適當(dāng)提高比反硝化速率和最大比反硝化速率，且出水COD 能維持在31.0 mg/L 以下。

2.4 丙三醇為碳源的反硝化過(guò)程

圖4 不同碳氮比下丙三醇在穩(wěn)定周期內(nèi)對(duì)氮素的去除效果Fig.4 Effect of glycerol on nitrogen removal at different carbon nitrogen ratios during stable period

在碳氮比為3.0～7.0 時(shí)，隨著碳氮比的提高，TN的去除率逐漸提高至98.0%，的去除率逐漸提高至穩(wěn)定，比反硝化速率不斷增加至4.0 mg/(g·h)，最大比反硝化速率從4.4 mg/(g·h)提高到了8.4 mg/(g·h)。以丙三醇為碳源時(shí)，最佳碳氮比為7.0，此時(shí)出水TN 值小于1 mg/L，出水COD 值為25.5 mg/L。Cyplik等[12]對(duì)炸藥生產(chǎn)廢水中硝酸鹽氮經(jīng)過(guò)投加甘油進(jìn)行反硝化，接種波蘭喀爾巴阡山脈地區(qū)分離出的DNC4 微生物群落，得到碳氮比為3 時(shí)可以完全去除體系內(nèi)的總氮。Chen 等[11]使用純甘油作為補(bǔ)充碳源添加到混合廢水中，維持pH=7.1 和溫度（21±2）℃，發(fā)現(xiàn)當(dāng)投加碳氮比為5.4（廢水中BOD5與N 的質(zhì)量濃度之比約為0.3）時(shí)，脫氮（總氮）率達(dá)到90%，與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定差距，其原因可能是甘油作為碳源時(shí)，接種的微生物、溫度、pH 對(duì)其影響較大。

在碳氮比為2.0～4.0 時(shí)，隨著碳氮比的提高，體系中的去除率和比反硝化速率均逐漸提高。最大比反硝化速率從3.8 mg/(g·h)提高到7.1 mg/(g·h)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以丙三醇為碳源，在電子受體體系中，最佳碳氮比為4.0，該條件下去除率接近100%，出水COD 為32.0 mg/L，提高碳氮比可以顯著提高最大比反硝化速率。

國(guó)內(nèi)研究大體呈現(xiàn)出以下局面：一、相關(guān)的學(xué)術(shù)文章數(shù)量少；二、介紹性文章居多，并主要集中在對(duì)西方翻譯詩(shī)學(xué)的介紹；三、更注重翻譯詩(shī)學(xué)的外圍解釋力，脫離詩(shī)歌翻譯語(yǔ)境；四、對(duì)我們國(guó)家的翻譯詩(shī)學(xué)理論關(guān)注不夠。雖然田傳茂、丁青（2006：64）對(duì)扎根于傳統(tǒng)和實(shí)踐沃土的中國(guó)當(dāng)代譯論話語(yǔ)進(jìn)行了梳理，但也屬于介紹性研究，所以他們?cè)谖闹姓Z(yǔ)重心長(zhǎng)地指出，“原創(chuàng)性研究正是當(dāng)前我國(guó)翻譯理論研究所欠缺的?！?/p>

2.5 葡萄糖為碳源的反硝化過(guò)程

圖5 不同碳氮比下葡萄糖在穩(wěn)定周期內(nèi)對(duì)氮素的去除效果Fig.5 Effect of glucose on nitrogen removal at different carbon nitrogen ratios during stable period

在碳氮比為3.0～8.0 時(shí)，隨著碳氮比的提高，TN 和的去除率均逐漸提高，比反硝化速率不斷加快。在此過(guò)程中，最大比反硝化速率從碳氮比為3.0 時(shí)的3.9 mg/(g·h)提升至碳氮比為8.0 時(shí)的6.7 mg/(g·h)，有明顯的變化。說(shuō)明在本實(shí)驗(yàn)中，隨著碳氮比的增加，體系內(nèi)最大比反硝化速率逐漸增加。以葡萄糖為碳源時(shí)，最佳碳氮比為8.0，該條件下出水TN 值小于1 mg/L，出水COD 值為25.7 mg/L。大多數(shù)研究[15,23]使用葡萄糖作為外加碳源，最佳碳氮比一般在6.5～10.0，這主要是因?yàn)槠咸烟鞘嵌嗵加袡C(jī)物，微生物生長(zhǎng)量大，實(shí)際反硝化運(yùn)行所需碳氮比較高。

2.6 不同碳源投加量下各反應(yīng)器中反硝化速率情況

表3 示出了不同碳源、不同碳氮比時(shí)不同電子受體的比反硝化速率。結(jié)果表明，在相同電子受體體系中，隨著碳氮比的增加，比反硝化速率逐步上升，到達(dá)最佳碳氮比附近趨于平穩(wěn)，而最大比反硝化速率繼續(xù)上升。對(duì)于不同碳源而言，在相同碳氮比下，整體反應(yīng)的比反應(yīng)速率差距較大，兩種電子受體情況下比反硝化速率由快到慢基本為甲醇、乙酸鈉、乙二醇、丙三醇和葡萄糖。此外，在碳源及碳氮比一致的情況下，體系的平均比反硝化速率高于體系。

表3 不同碳源投加量下各SBR 反應(yīng)器內(nèi)比反硝化速率Table 3 Specific denitrification rates obtained with different carbon sources in SBR reactors

綜上所述，小分子酸類(lèi)的比反硝化速率最快，其次是單碳醇類(lèi)，糖類(lèi)最慢，主要是代謝途徑差異，有機(jī)碳源代謝途徑越復(fù)雜，碳源的消耗速率和系統(tǒng)反硝化速率也越低[24]。乙酸鈉可通過(guò)β-氧化直接轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A 進(jìn)入三羧酸（TCA）循環(huán)[25]，為反硝化過(guò)程提供能量，所以反硝化速率快；而糖和醇類(lèi)需要被分解為小分子有機(jī)物，或者轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的揮發(fā)性脂肪酸才能被反硝化菌快速利用，例如，葡萄糖需先轉(zhuǎn)化為丙酮酸，與輔酶A 形成乙酰輔酶A 再進(jìn)入TCA 循環(huán)，最終被異養(yǎng)菌利用。而甲醇則是先轉(zhuǎn)化為甲醛，由甲醛進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為絲氨酸/乙醛酸，最后轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A 進(jìn)入TCA 循環(huán)。有研究發(fā)現(xiàn)甲醇經(jīng)過(guò)一段“滯后期”后甲醇營(yíng)養(yǎng)型細(xì)菌的積累可以使系統(tǒng)的反硝化能力不斷提高，從而使甲醇反硝化速率在穩(wěn)定后可以接近乙酸鈉的反硝化速率[26]。

本文中5 種碳源的最佳碳氮比均高于其理論值，究其原因主要有以下幾點(diǎn)：（1）局部溶氧較高區(qū)域異養(yǎng)菌對(duì)碳源的消耗；（2）局部厭氧區(qū)域發(fā)生異化性硝酸鹽還原（本研究出水氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近0）；（3）同化合成細(xì)胞或轉(zhuǎn)化成細(xì)胞貯存物（如PHB（Poly-βhydroxybutyrate））[27]；（4）生物熱等能量耗散。不同碳源最佳碳氮比之間存在明顯的差異，就本文研究的5 種碳源而言，甲醇和乙酸鈉的最佳碳氮比最低（表4），而葡萄糖的最佳碳氮比最高，主要原因是有機(jī)物在發(fā)生氧化時(shí)部分轉(zhuǎn)化為細(xì)胞物質(zhì)，轉(zhuǎn)化為細(xì)胞物質(zhì)的比例與碳源自身有很大的關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，單碳化合物如甲醇的微生物生長(zhǎng)量低，轉(zhuǎn)化為細(xì)胞物質(zhì)的量少，完成反硝化反應(yīng)所需的真實(shí)碳氮比??；乙酸鈉次之；而作為高碳化合物的葡萄糖，其微生物生長(zhǎng)量相對(duì)較高，完成對(duì)應(yīng)反硝化反應(yīng)所需要的碳氮比就更高[21]。

表4 不同碳源在最佳碳氮比下的成本分析表Table 4 Cost of carbon sources at corresponding optimal carbon nitrogen ratio for nitrogen removal

2.7 經(jīng)濟(jì)性分析

表4 示出了不同碳源在最佳碳氮比下的成本分析。由表4 可知，在分別處理50 mg/L 的和時(shí)，其成本從低到高依次為甲醇、葡萄糖、乙酸鈉、乙二醇、丙三醇和甲醇、葡萄糖、乙二醇、乙酸鈉、丙三醇。考慮到化學(xué)品價(jià)格的波動(dòng)，可根據(jù)表4做出實(shí)際負(fù)荷情況的推測(cè)，以降低廢水處理廠運(yùn)行成本。

雖然兩種電子受體下，甲醇的成本都最低，脫氮效果較好，但甲醇屬于易燃易爆的液態(tài)化學(xué)品，其運(yùn)輸、儲(chǔ)存和投加均有特殊要求，前期基建成本較高，且易因管理不當(dāng)發(fā)生爆炸事故；其次，高濃度甲醇對(duì)于人體和微生物均有毒害作用[28]，在實(shí)際運(yùn)用中存在風(fēng)險(xiǎn)。葡萄糖的成本也相對(duì)較低，但是其比反硝化速率僅為乙酸鈉的50%～67%。乙二醇的投加成本與乙酸鈉基本一致，但其比反硝化速率僅為乙酸鈉的62%～90%。綜上所述，若已投建的城鎮(zhèn)污水處理廠占地面積較大，廢水進(jìn)水氮負(fù)荷較小，推薦使用葡萄糖作為外加碳源；若投建的污水處理廠占地面積較小，廢水進(jìn)水氮負(fù)荷較高，需要在較短時(shí)間內(nèi)完成處理，推薦使用乙酸鈉；推薦乙二醇作為乙酸鈉價(jià)格上浮時(shí)的替補(bǔ)碳源。

3 結(jié) 論