利用纖維素物質(zhì)作為反硝化碳源和載體去除水中的硝酸鹽污染

1、利用纖維素物質(zhì)作為反硝化碳源和載體去除水中的硝酸鹽污染論文導(dǎo)讀:：該工藝被稱為固相反硝化;。而那些纖維素物質(zhì)遠優(yōu)于它們。由于固相碳源的分解。生物載體支持生物膜的生長。由于物理和化學方法去除硝酸鹽較為昂貴。論文關(guān)鍵詞：固相反硝化，纖維素物質(zhì)，固相碳源，生物載體，硝酸鹽農(nóng)業(yè)徑流和城市污水處理廠尾水中經(jīng)常含有高濃度的硝酸鹽，這些高濃度硝酸鹽進入江河湖泊后會刺激藻類的瘋長以致水體水質(zhì)惡化、生物多樣性減少、生態(tài)系統(tǒng)退化等。另外，水源水中硝酸鹽污染問題已經(jīng)是一個困擾許多國家的難題。如果飲用水中含有較高濃度硝酸鹽會導(dǎo)致飲用者患高鐵血紅蛋白癥;。所以降低飲用水和進入受納水體的各類污水中中硝酸鹽污染是非常必要的

2、。為此人們開發(fā)了許多行之有效的方法，包括物理方法、化學方法和生物方法，由于物理和化學方法去除硝酸鹽較為昂貴，且容易產(chǎn)生二次污染問題?；谝陨显?，利用生物方法去除水中的硝酸鹽污染成為主要方法而被廣泛研究，具有更為高效性和便利性。生物反硝化根據(jù)所利用的主要菌群生理生化特性不同，又可以分為自養(yǎng)反硝化和異養(yǎng)反硝化。雖從費用和污泥產(chǎn)量來說，自養(yǎng)反硝化比異養(yǎng)反硝化有優(yōu)勢；然而在相同的能源供給情況下，自養(yǎng)菌需要消耗一定的能量用于合成自身所需要的化合物，使用于同化作用的能量降低而導(dǎo)致其細胞產(chǎn)量和生長速率偏低，異養(yǎng)菌那么是利用有機物合成細胞物質(zhì)化工論文，所以異養(yǎng)反硝化比自養(yǎng)反硝化具有更好的操作性、更小地占地和

3、更高的效率。而異養(yǎng)反硝化去除硝酸鹽過程中所需有機物以作為電子供體，為此，異養(yǎng)型反硝化技術(shù)比自養(yǎng)型反硝化技術(shù)應(yīng)用更為廣泛。無論是水源水還是城市污水處理廠尾水等水體的共同特點是C/N低，即使有少量的碳源也是屬于一些較難利用難降解的有機物，因此在該類型水體的生物反硝化過程中需要補充一定量碳源。傳統(tǒng)碳源主要有甲醇、乙醇、葡萄糖等一些液體低分子碳源，雖然取得了良好的應(yīng)用效果，但應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)一些問題，如：運行管理復(fù)雜、投加量不易控制以及需要有復(fù)雜的投加設(shè)備等。近20多年來，許多研究者應(yīng)用固體碳源作為液體碳源的替代品應(yīng)用于反硝化過程中，這些固體碳源不會溶解到水中，它能根據(jù)微生物對碳源需求提供碳源，并能作為

4、生物附著載體，提高反硝化菌的密度和活性，該工藝被稱為固相反硝化;，這些固體物質(zhì)包括人工合成的高聚物PLA、PCL等、生物體內(nèi)合成的高聚物PHAs等和一些纖維素物質(zhì)棉花、報紙和秸稈等等。因為異養(yǎng)型反硝化具有較高的速率而得到了廣泛應(yīng)用，包括中試研究和生產(chǎn)性試驗。但是人工合成高聚物和生物合成高聚物費用較高，不利于工業(yè)化應(yīng)用，而那些纖維素物質(zhì)遠優(yōu)于它們。所以利用纖維素物質(zhì)支持生物反硝化具有的優(yōu)點是：廉價、高效、材料廣泛、易得、無二次污染、無生物毒性等。1、可行性及影響因素1.1 利用富含纖維素植物應(yīng)用于異養(yǎng)反硝化的可行性纖維素是所有植物材料和物質(zhì)的根本成分，更新速率非?？欤A(yù)計每年的產(chǎn)量為4x1010

5、噸，植物性材料主要由纖維素、木質(zhì)素和半纖維素組成。自然界中普遍存在能降解纖維素的微生物，所以理論上講如何一種植物都能夠作為生物反硝化的固相碳源和生物載體?；谝陨纤悸罚浅６嗟奶烊晃镔|(zhì)被用作生物反硝化的碳源和反響介質(zhì)。包括甘草、蘆竹、松木、楊木、棉花梗、紙張、棉花、稻草、腐朽木等。這些物質(zhì)都被成功用于生物異養(yǎng)反硝化過程，并取得了良好的效果。如：Ovez等人利用甘草等作為生物反硝化碳源和生物載體去除水源水中的硝酸鹽，硝酸鹽的去除率到達了100%。另外，徐祖信等以稻草為載體和碳源的實驗中發(fā)現(xiàn)，稻草的浸出液中含有大量的微量元素化工論文，這些微量元素有利于提高反硝化菌等相關(guān)菌體的活性，并提高反硝化速率

6、，這是其他固相反硝化碳源所不具有的特點和優(yōu)勢。1.2 影響因素通常來講，纖維素高分子物質(zhì)中的晶格結(jié)構(gòu)是影響其生物降解性的根本因素，高分子的降解性隨著晶格結(jié)構(gòu)的比例的升高而降低。晶格結(jié)構(gòu)占物質(zhì)總量的多少是衡量該物質(zhì)是否適宜作為碳源的主要評價指標。因此，尋找適應(yīng)的纖維素物質(zhì)材料作為固相碳源和載體是非常必要的。有關(guān)資料顯示，生物反硝化的速率與天然有機物的比外表積成正比關(guān)系。固相物質(zhì)作為微生物吸附的界面，其比外表積決定著其外表微生物的吸附量?？菰锏哪举|(zhì)細胞壁中大約有40%50%是纖維素，剩余局部是半纖維素和木質(zhì)素，微生物不得不使自己吸附到纖維素外表，并使這些天然物質(zhì)得到破碎。另外，所選用的物質(zhì)外表粗糙

7、度、帶電性、基團、親水性等都決定著其作為生物載體的特性。如微生物的吸附速率、微生物的吸附量和微生物的活性等。金贊芳等研究發(fā)現(xiàn)，水力停留時間和水溫是生物反硝化主要的影響因素。25 支持下的生物反硝化比14 情況下的1.7倍，因為多數(shù)纖維素分解菌是中溫菌，低溫不利于其生長和繁殖。當水溫為25 的條件下，進水硝酸鹽為45.2 mg?L-1的情況下，水力停留時間為8.6 h時，系統(tǒng)硝酸鹽亞硝酸鹽未檢出的去除率為99.6%，而當水力停留時間為7.2 h時，總氮的去除率僅為50%。纖維素植物的剛度和孔隙率是保證生物反硝化系統(tǒng)穩(wěn)定運行的主要因素。研究發(fā)現(xiàn)，有些纖維素物質(zhì)如：稻草、棉花、鋸末等在使用過程中會變

8、形或壓實而使填料層堵塞，使反響產(chǎn)物氮氣氧化二氮無法正常排出以致系統(tǒng)內(nèi)形成高壓環(huán)境而使系統(tǒng)崩潰同時也制約了反響器高度，限制了其商業(yè)化應(yīng)用。因此，用于生物反硝化的天然物質(zhì)盡可能有較好的剛度和良好的孔隙率。2 纖維素物質(zhì)用于反硝化過程中的弊端2.1 水溶性物質(zhì)的干擾植物纖維在生長過程中會在其組織內(nèi)形成大量的液汁，當植物纖維在水中浸泡后會使其組織內(nèi)的液汁溶解到系統(tǒng)中，產(chǎn)生二次污染。筆者利用竹子作為生物載體組建的生物反響器修復(fù)城市河道水體時發(fā)現(xiàn)，在竹子浸泡在系統(tǒng)內(nèi)的前15 d左右化工論文，竹子中的竹汁主要是蛋白質(zhì)類物質(zhì)會溶解到系統(tǒng)中，并持續(xù)一段時間，使系統(tǒng)中的水質(zhì)呈黃色，而且出水氨氮濃度比進水氨氮濃度要

9、高的多。Aslan等也發(fā)現(xiàn)了同樣的問題。2.2 溫度影響過于強烈低溫條件下，生物反硝化效果明顯降低，可能的原因在于纖維素分解菌是中溫菌，當水溫降低時，中溫菌體內(nèi)的酶系統(tǒng)因為溫度的降低而活性下降使有機碳源的供給出現(xiàn)短缺而下降。但也有資料認為，低溫條件下附著在固體物質(zhì)外表的生物膜流失較為嚴重，可能也是導(dǎo)致生物反硝化降低主要原因，至于低溫條件下生物膜大量流失的原因，目前尚不清楚，可能與生物膜的粘附力降低有關(guān)。2.3 較低的反硝化速率應(yīng)用于固相反硝化的纖維素物質(zhì)，如果分子量越低，其被反硝化菌降解的速率也越大，那么反硝化速率也就越大，當分子量越大，其阻礙微生物靠近的阻力越就越大。纖維素物質(zhì)是一類固態(tài)物質(zhì)

10、，分子量較大，其分解過程是一系列生物酶促過程，從而導(dǎo)致其碳源的供給速率較低而限制了反硝化速率，所以纖維素物質(zhì)支持下的反硝化速率和PHA和PHB等支持下的反硝化速率一樣明顯低于液體碳源。2.4 亞硝酸鹽積累問題反硝化菌將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮氣需要經(jīng)過4步酶促反響。即： 其中，NaR和NiR存在對碳源的競爭問題，而且NaR對碳源的競爭能力強于NiR，當碳源缺乏的情況下會引起亞硝酸鹽的積累問題。也有研究認為亞硝酸的積累會影響到NaR和NiR活性的表達，從而影響到反硝化效果。 2.5 不夠穩(wěn)定的反硝化速率影響固相反硝化的速率不穩(wěn)定性因素有：1外加的固相碳源因分解作用使其易降解局部被充分的分解掉，剩下的為難降

11、解的晶格結(jié)構(gòu)而不易被微生物分解化工論文，因為碳源的補給受阻使反硝化下降，2由于固相碳源的分解，反硝化菌的吸附界面面積、孔隙率、粗糙度和反硝化與固相碳源吸附作用以及相互間的理化條件等發(fā)生了改變，可能也是導(dǎo)致反硝化速率下降的原因。2.6 出水水質(zhì)進一步處理利用纖維素物質(zhì)作為碳源和載體在處理含有硝酸鹽的水體過程中，出水往往較多的懸浮物、色度和濁度等，其原因是多方面的，而導(dǎo)致出水的感官效果不佳，都需要進行深度處理以改善其水質(zhì)，例如：采用活性炭吸附、采用砂濾池進行深度過濾等。2.7 填料層堵塞問題有些纖維素物質(zhì)在使用一段后出現(xiàn)軟化而使填料層的孔隙率明顯降低而堵塞，使反硝化系統(tǒng)中的氮氣和水都無法很順暢，導(dǎo)

12、致反硝化進程受阻。3、纖維素物質(zhì)用作反硝化碳源和載體的開展趨勢3.1 研究工作的全面性目前被用于固相反硝化的天然纖維素物質(zhì)較多，包括報紙、稻草、秸稈、天然植物、腐朽木等比擬多，在這些研究中比擬關(guān)注是這些物質(zhì)作為碳源作用時的特征，但是對其作為載體的特性研究甚少，因為天然物質(zhì)在作為碳源的同時，生物載體上的生物量、孔隙率、比外表積、帶電性和剛度等影響到其處理效果和穩(wěn)定性。3.2預(yù)處理技術(shù)的開發(fā)由于纖維素物質(zhì)在生長過程中形成了較為豐富的組織液和鞏固的晶格結(jié)構(gòu)等，這些纖維素物質(zhì)組織液和晶格給生物反硝化過程產(chǎn)生了一定的影響。如：天然物質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)使其利用率難度加大、豐富的組織液會溶到反硝化系統(tǒng)中產(chǎn)生二次污

13、染等。開發(fā)一定的預(yù)處理方法可以破壞晶格結(jié)構(gòu)或使其組織液釋放出來。王建龍等利用紫外輻照、輻照和氫氧化鈉等聯(lián)合處理方法處理小麥秸稈發(fā)現(xiàn)可以提高秸稈的分解速率，而破壞其晶格結(jié)構(gòu)，通過紅外線光譜分析發(fā)現(xiàn)，輻照能降低羥基等基團的數(shù)量，可能是輻照能提高羥基等基團內(nèi)鏈的斷裂。曹文平等人利用10%氫氧化鈉溶液、清水等物質(zhì)連續(xù)浸泡的方法是竹子中的竹汁等得到很好的釋放，根本上消除了天然物質(zhì)組織液對系統(tǒng)的影響作用。3.3 提高反硝化速度技術(shù)的開發(fā)整體來說，固相反硝化技術(shù)的反響速率都較低，其中以纖維素物質(zhì)作為載體和碳源的固相反硝化速率較人工合成高分子物質(zhì)、液體碳源要低的多。固相反硝化速率的因素是多方面的，包括固相碳源

14、的可溶性、親水性狀況、晶格結(jié)構(gòu)、比外表積等。提高其反硝化速率是提高是十分必要的，為此國內(nèi)外科學家進行了大量實驗。有關(guān)資料顯示，反響器內(nèi)的流態(tài)也是影響反硝化速率的至關(guān)重要的因素化工論文，德國人設(shè)計的Denipor工藝使固體碳源處于懸浮狀態(tài)下反硝化速率是固定床狀態(tài)下的10倍或50倍以上，同時還能防止填料層的堵塞問題。筆者研究發(fā)現(xiàn)以污泥/竹子為復(fù)合碳源的反硝化系統(tǒng)反硝化速率比竹子為碳源的反硝化系統(tǒng)反硝化速率要大的多?？赡茉蛴校?復(fù)合結(jié)構(gòu)中具有更加復(fù)雜的微生物種群結(jié)構(gòu)，提高微生物間的相互協(xié)作和共降解能力；2復(fù)合系統(tǒng)中具有較多的活性污泥包圍著竹子，使竹子外表處在更加厭氧的環(huán)境，有利于滋生厭氧微生物，加

15、速對纖維素等高分子物質(zhì)的分解，以致碳源的供給速率提高，提高了反硝化系統(tǒng)。3.4 有關(guān)技術(shù)亟待解決纖維素物質(zhì)在作為碳源的同時，也是反硝化等菌群的吸附界面，在生物膜和纖維素接觸的固相界面發(fā)生著極其復(fù)雜的化學反響。與人工合成的高聚物相比，富含纖維素物質(zhì)粗糙的外表上容易形成適應(yīng)其微環(huán)境的生物膜，生物膜形成速度快，生物膜的庇護環(huán)境使吸附在其上增殖的微生物越來越多，生物膜不斷變厚，生物載體支持生物膜的生長。與此同時，吸附在載體上的微生物應(yīng)適應(yīng)固相載體外表的微環(huán)境而產(chǎn)生出誘導(dǎo)酶，使天然纖維素物質(zhì)分解為生物膜生長所需要的基質(zhì)。那么生物膜內(nèi)纖維素分解菌、固相反硝化菌在膜內(nèi)的分布規(guī)律、種群結(jié)構(gòu)和理化條件以及相互間

16、作用機理等問題都亟需掌握，相信隨著微電子技術(shù)、分子生物學技術(shù)等開展，這些問題將一一得到解釋。也有利于進一步認識固相反硝化機理等。水體中的污染物種類和數(shù)量是極其復(fù)雜的，在含有較高硝酸鹽濃度的水體中也常常含有難降解有機物、氨氮和磷酸鹽等污染物，如：城市污水處理廠尾水、地表水等。硝酸鹽在別離過程中這些常常也伴隨著去除或轉(zhuǎn)化，這些物質(zhì)之間究竟存在哪些關(guān)系？對固相反硝化技術(shù)的進一步應(yīng)用具有較為重要的價值，但是目前存在一定的爭議。以有機物和硝酸鹽同步去除為例，國內(nèi)清華大學王建龍教授等認為硝酸鹽去除的同時，有機物殘留農(nóng)藥是被固體碳源吸附和固體碳源外表的微生物所降解，并表現(xiàn)出低促高抑;的現(xiàn)象，表現(xiàn)出明顯的共降

17、解現(xiàn)象。而也有資料顯示化工論文，硝酸鹽廢水中所含有的難降解有機物的降解是因為一些外來添加的容易降解的有機物產(chǎn)生共降解所致，在此過程中硝酸鹽也被有效降解，但是難降解有機物和硝酸鹽的分解之間并沒有非常密切的關(guān)系。孫雅麗等人研究發(fā)現(xiàn)利用腐朽木作為固相反硝化碳源過程中發(fā)現(xiàn)，腐朽木在微生物作用下所釋放出的有機物COD不斷減少，與此同時也伴隨著硝酸鹽去除速率的下降和局部亞硝酸鹽濃度的積累，Aslan和Trkman等利用不同的纖維素物質(zhì)作為固相反硝化碳源時也發(fā)現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。分析其原因是：固相反硝化進行初期，纖維素物質(zhì)中容易釋放的物質(zhì)先被釋放和利用，隨著反硝化過程的不斷進行也伴隨著容易降解局部的耗盡使固體纖維

18、素物質(zhì)中可釋放的碳源越來越少，以致碳源供給缺乏而使反硝化過程受阻。綜上，利用纖維素物質(zhì)中有機碳源釋放規(guī)律決定著反硝化過程的進程。要使纖維素物質(zhì)支持下的固相反硝化過程穩(wěn)定、高效進行，深入了解纖維素物質(zhì)在使用過程中碳源釋放規(guī)律如：碳源釋放機理、碳源特性、碳源釋放速率和影響因子，并在此根底上掌握纖維素碳源枯竭點出現(xiàn)的預(yù)警方法枯竭點：固相反硝化過程中硝酸鹽去除速率快速下降、亞硝酸鹽積累量迅速增加和COD濃度明顯降低等三者交匯點。保證纖維素物質(zhì)支持下的固相反硝化過程中始終保持較為充足的碳源，從而保證較為穩(wěn)定和高效的反硝化過程。纖維素物質(zhì)支持下的固相反硝化硝酸鹽轉(zhuǎn)化速率較低和亞硝酸鹽容易出現(xiàn)積累，特別是纖

19、維素物質(zhì)出現(xiàn)碳源釋放枯竭等情況。但是目前對這些問題沒有有效的解決方法使纖維素支持下的固相反硝化過程處于實驗階段，而且很多的實驗研究還處于短時間過程，缺乏對纖維素物質(zhì)支持下的固相反硝化過程系統(tǒng)的研究。那么對纖維素物質(zhì)支持下的固相反硝化長期運行管理控制方法、運行特點；纖維素物質(zhì)的更換時間、頻率、數(shù)量；不同的纖維素物質(zhì)之間碳源釋放規(guī)律特性以及它們之間的共性。加快纖維素物質(zhì)支持下的固相反硝化過程的商業(yè)化進程。參考文獻【1】Lu SL, Hu H Y, Sun Y X, Yang J.Effect of carbon source on the denitrification inconstructed

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