不同改性玉米芯作為反硝化固體碳源的比選

耿雅雯，王玲玲，王浩然，王雪艷

（徐州生物工程職業技術學院，江蘇 徐州 221006）

氮污染是水污染中較為嚴重且突出的問題，水體中總氮含量高于0.2 mg/L 就會引起富營養化，造成水質缺氧惡化[1]。我國城鎮污水處理廠二級出水總氮含量遠高于水體富營養化的臨界值，且主要以硝態氮的形式存在，具有低碳氮比（C/N），仍需要進行深度脫氮處理。而傳統的異養反硝化生物脫氮技術需要外加液體碳源作為電子供體，存在藥劑成本高、投加量難以控制、易造成二次污染、污泥產生量大等弊端[2]。相較于液體碳源，固體碳源不僅具有緩釋功能，還能作為微生物附著的載體，尤其是被視作農業廢棄物的天然纖維素碳源，價格低廉，來源廣泛，具有生物降解性。研究發現[3]，天然纖維素材料作為反硝化碳源均具有一定的脫氮效果，其中玉米芯作為固體碳源時二次污染系數最低，持續釋碳能力最強，其浸出液的生化性最好。

我國玉米芯年產量超過4 000 萬t，但大部分被焚燒處理，既造成資源浪費，又污染環境。玉米芯主要由纖維素（32%～36%）、半纖維素（35%～40%）、木質素（17%～20%）及少量灰分和含氮化合物組成。其中，纖維素與半纖維素可在微生物的作用下降解為單糖進而釋放碳，但纖維素的晶體結構以及較難分解的木質素保護層的交聯纏繞降低玉米芯的釋碳量。為此，國內外研究者采用物理（機械破碎）、化學（酸、堿、氧化等）及微生物方法對玉米芯進行改性處理，以破壞纖維素的晶體結構和木質素保護層，提高釋碳量。本研究響應碳達峰碳中和政策，采用1.5% NaOH、O3、1.5% NaOH+O3、O3+1.5% NaOH 對玉米芯進行改性處理，以提高有機碳的釋放比例，減輕后續焚燒處理對環境的污染，同時重點分析不同改性玉米芯的釋放特性和反硝化脫氮性能，比選出玉米芯作為固體反硝化碳源的最佳改性方式，以期為玉米芯作為反硝化碳源時的脫氮效果提高提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

一是玉米芯顆粒。將取自江蘇省徐州市某農村地區的玉米芯作為原材料，剪切成體積約1 cm3的玉米芯顆粒，用蒸餾水清洗干凈，置于70 ℃的干燥箱中烘干，待其自然冷卻后密封保存。二是低C/N 污水。試驗用水為實驗室模擬污水，由實驗室蒸餾水配制，以KNO3作為氮源、KH2PO4作為磷源，并添加一定的微量元素，配制成硝酸鹽濃度為50 mg/L 的低C/N污水。三是接種污泥。取自實驗室正在運行的反硝化反應器，將其靜置并倒去上清液，沉淀的污泥濃度約為20 g/L。

1.2 試驗方法

1.2.1 改性玉米芯的制備

分別稱取20 g 玉米芯顆粒放入4 個500 mL 燒杯中，將其分為4 組，按照表1 的方法對其進行改性處理，分別將其簡稱為堿組、堿+O3組、O3組、O3+堿組。將改性后的玉米芯用蒸餾水清洗干凈，烘干后密封保存，備用。

表1 改性玉米芯的制備方法

1.2.2 靜態釋放試驗

分別稱取2.5 g 未處理和改性處理后的玉米芯顆粒，放入5 個250 mL 的錐形瓶中，在室溫下（約25 ℃）加250 mL 蒸餾水浸泡，分別在第2 天、第4 天、第6 天、第9 天、第15 天時取樣，測定浸出液中總有機碳（TOC）、總氮（TN）、總磷（TP）、化學需氧量（COD）的濃度，考察其碳釋放特性及二次污染物的釋放水平，每次取樣后徹底換水。

1.2.3 表面特征分析

通過掃描電鏡觀察玉米芯改性前后表觀結構的變化，綜合分析采用不同改性處理方法時其作為反硝化固態碳源的可行性。

1.2.4 反硝化脫氮試驗

取5 個250 mL 錐形瓶，加入50 mL 接種污泥和200 mL 低C/N 污水，并分別加入2.5 g 未處理和改性處理后的玉米芯顆粒，用封口膜密封，放入恒溫振蕩培養箱中振蕩培養，控制培養箱轉速為50 r/min，溫度為25 ℃。每24 h 換水200 mL，并測定出水pH、COD、硝酸鹽氮（NO3--N）、亞硝酸鹽氮（NO2--N）和TN 濃度。

1.3 分析方法

常規水質指標采用國標法來測定。COD 的測定采用快速消解分光光度法；NO3--N 的測定采用紫外分光光度法；NO2--N 的測定采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法；TP 的測定采用鉬酸銨分光光度法；TN 的測定采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法；TOC 的測定采用總有機碳分析儀；pH 的測定采用便攜式pH 計。

2 結果與討論

2.1 靜態釋放特性分析

靜態釋放特性主要涉及兩個方面，一是碳釋放，二是二次污染物釋放。

2.1.1 碳釋放特性

未處理和改性處理后的玉米芯連續15 d 的累計釋碳量變化曲線如圖1所示，五組玉米芯均具有相似的釋碳規律，初期釋碳量大且釋碳速率較快，隨著浸泡時間的延長，單位時間釋碳量逐漸減少，釋碳速率逐漸降低。經推測，原因是試驗初期玉米芯表面的可溶性小分子有機物迅速溶解至水中，導致浸出液的TOC 濃度急劇增加。玉米芯屬于天然纖維素材料，纖維素和半纖維素是主要的碳源，但其僅在微生物的作用下才能分解釋放有機碳。同時，纖維素與木質素的交聯作用阻攔玉米芯內部的可溶性小分子有機物向外釋放，所以試驗后期釋碳速率逐漸降低，最終趨于平穩。

圖1 玉米芯浸出液TOC 濃度

對比5 組玉米芯的釋碳量，由大到小的排序分別為：堿+O3組＞堿組＞O3+堿組＞O3組＞未處理組。改性后的玉米芯釋碳量均得到一定的提升。堿+O3組釋碳量最大，后期釋碳速率也最快。這是因為OH-不僅可以使木質素的醚鍵斷裂從而導致大部分木質素溶解，還可以同半纖維素與木質素之間的醚鍵發生皂化反應，使部分半纖維素溶解；而O3作為強氧化劑，可以破壞木質素的復雜結構，進一步降解剩余的木質素，增強對木質素的脫除作用，因此堿+O3改性處理后的玉米芯具有較強的持續供碳能力。

2.1.2 二次污染物釋放特性

對5 組玉米芯浸出液的TN、TP 濃度進行檢測分析，以判斷玉米芯浸出液的二次污染系數。各組玉米芯15 d浸出液的TN和TP日平均釋放濃度如圖2所示，氮的釋放量均小于0.8 mg/L，所有涉及堿處理的組別較未處理組釋氮量均有一定的降低；磷的釋放量均小于0.15 mg/L，其中堿組和堿+O3組最低，分別為0.07 mg/L和0.06 mg/L，浸出液中的氮、磷含量遠低于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級A 排放要求。馮偉林等[4]對玉米芯進行營養成分分析，發現玉米芯中氮、磷的含量僅占碳含量的1.3%和0.4%，而改性處理又進一步降低玉米芯浸出液的二次污染系數。

圖2 玉米芯浸出液TN、TP 濃度

2.2 表面特征分析

由圖3 掃描電子顯微鏡（SEM）圖片可以看出，未改性處理的玉米芯表面比較平坦且沒有發生破損，而改性處理后的玉米芯表面結構均發生一定變化。O3組變化不明顯，僅發生一定的凸起，而所有被堿處理的玉米芯均出現不同程度的空洞損傷，說明堿處理分解了半纖維素與木質素[5]。對比堿組、堿+O3組和O3+堿組，堿組出現密集的細小孔洞；堿+O3組的孔隙率更高，孔洞尺寸也更大；O3+堿組也有孔洞存在，但O3處理形成的凸起破裂后對空洞形成一定的覆蓋。在生物反硝化系統中，玉米芯作為固體碳源的同時還作為微生物附著生長的載體。玉米芯粗糙的表面和完整的孔洞能夠增加微生物的附著量，形成致密的生物膜，從而增強纖維素酶對纖維素與半纖維素的分解作用，保證反硝化系統有持續的碳源。因此，堿+O3組玉米芯更適合作為反硝化固體碳源。

圖3 玉米芯SEM 圖片

2.3 靜態反硝化脫氮特性分析

2.3.1 硝酸鹽去除率變化

將未處理和不同改性處理的玉米芯作為反硝化固體碳源進行連續50 d 的靜態反硝化脫氮研究，各組NO3--N 去除率如圖4所示。前4 d 脫氮效果不穩定，這是由于接種的反硝化污泥需要適應新環境，以玉米芯作為載體生長生物膜。第5 天時，堿組、堿+O3組和O3+堿組的NO3--N 去除率均達到100%，遠高于未處理組和O3組。50 d 內，堿+O3組運行狀況最為平穩，硝酸鹽去除率始終保持在98%以上。堿組、O3+堿組的NO3--N 去除率分別從第25 天、第17 天開始呈現下降趨勢，50 d 時分別降低至90%和68%。趙文莉等[6]對玉米進行不同方式的預處理，發現堿處理玉米芯的反硝化效果最好，25 d 內NO3--N去除率穩定在95%以上，單位質量玉米芯NO3--N 去除負荷達到129.15 mg/g，但在25～41 d 時出現波動與下降。研究發現[7]，木質素對纖維素酶分解半纖維素和纖維素起到吸附和抑制作用，阻礙微生物對纖維素的降解。研究結果顯示，堿+O3組單位質量玉米芯NO3--N 去除負荷更大，因為在堿處理后，O3的進一步處理破壞木質素的構造，解除木質素對纖維素的包裹，增加纖維素酶與纖維素的接觸面積，從而使其具有較高的反硝化脫氮效率和反硝化脫氮時長。

圖4 硝酸鹽去除率變化

2.3.2 出水COD 變化

由圖5 可知，未處理組和O3組反硝化出水的COD 濃度最低，由于其改性處理強度較低，玉米芯內部結構未發生破損，各個組分之間緊密纏繞，導致微生物較難接觸纖維素與半纖維素，TOC 釋放量較小。同時，纖維素與半纖維素依靠水解發酵菌分解釋放有機碳，研究表明，水解發酵菌的最適環境為厭氧環境[8]，而未處理組和O3組的NO3--N 去除率較低，導致水體中有大量NO3--N 殘留，使水環境變成缺氧環境，阻礙有機碳的釋放。堿+O3組玉米芯COD 濃度從第15 天開始穩定在20 mg/L，碳的釋放與碳的消耗達到平衡，既未造成碳源浪費，又沒有產生出水有機物的二次污染。

圖5 出水COD 濃度變化

2.3.3 出水亞硝酸鹽、TN 變化

反硝化脫氮分為兩個過程：NO3--N轉化為NO2--N；NO2--N 還原為N2。NO2--N 作為反硝化的中間產物，對反硝化反應程度具有指示作用，但其具有毒性，因此也是反硝化出水必須控制的指標。研究表明[9]，碳源是影響亞硝酸鹽轉化的最重要因素，硝酸鹽還原酶對碳源的競爭強于亞硝酸鹽還原酶對碳源的競爭，導致NO3--N 向NO2--N 的轉化速度過快，易產生NO2--N 的積累。而投加碳源可以明顯加快NO2--N 轉化為N2的反應過程。因此，要有足夠的碳源存在，才能保證反硝化反應進行完全。

由圖6 可以看出，堿+O3組在5～44 d 無NO2--N的積累，直到后期才有小幅度波動；堿組和O3+堿組分別從26 d、14 d 開始有NO2--N 的積累，50 d 時亞硝酸鹽濃度分別達到0.5 mg/L；未處理組和O3組出現明顯的NO2--N 積累，50 d 時達到3.6 mg/L。這表明所有堿組的玉米芯結構發生改變，木質素得到大量脫除，微生物分解釋放有機碳。其中，堿+O3組反硝化碳源更充足，反硝化反應更徹底。

圖6 出水亞硝酸鹽濃度

反硝化出水TN 變化如圖7所示，由計算得出，TN 濃度未明顯高于出水硝酸鹽和NO2--N 濃度之和，證明反硝化過程沒有大量氨氮生成，即沒有發生硝酸鹽異化還原為銨（DNRA）的反應。研究發現[10]，DNRA 通常發生在電子供體過量的反硝化系統中，這也說明改性處理后玉米芯釋碳穩定，在滿足反硝化脫氮的同時未產生大量有機碳的剩余。

2.3.4 出水pH 變化

異養反硝化生物脫氮技術以有機碳作為電子供體，在厭氧或缺氧的條件下利用反硝化細菌將硝酸鹽和亞硝酸鹽還原為氮氣，該反應過程會釋放堿，使出水pH升高。而pH是影響微生物活性的重要環境條件，研究發現[11]，反硝化菌的最適生長pH 為6.8～8.2。

各組玉米芯反硝化進水pH 恒定在7.4 左右。反硝化初期，出水pH 較高，最高達到7.9，這是由于反硝化菌利用浸出液中可溶性小分子碳源進行反硝化產生堿；隨著反硝化系統運行時間的延長，出水pH下降，從第7 天開始穩定在7.6 左右，這是因為纖維素和半纖維素在微生物的作用下水解成乙酸、乳酸等小分子有機酸，中和反硝化產生的一部分堿，從而使出水pH 始終穩定在反硝化菌的最適生長范圍內。邵留等[12]以稻草為固體碳源進行反硝化研究，發現出水pH 基本維持在中性，與本試驗結果一致。因此，以天然纖維素材料玉米芯作為反硝化固體碳源，具有穩定反硝化系統pH 的能力。

3 結論

不同改性方法均強化玉米芯的釋放特性，增加碳釋放量，減少N、P 及其他耗氧無機物的釋放量。其中，堿+O3組釋碳量最多且釋碳速率最快，15 d 累計TOC 釋放達到425 mg/L，且二次污染系數最低。堿+O3組玉米芯的SEM 圖顯示，玉米芯結構發生破損，出現較為明顯的孔洞，有利于微生物的附著生長，可作為反硝化固體碳源。靜態反硝化系統中，堿組、堿+O3組和O3+堿組反硝化效能較高，其中，堿+O3組50 d 硝酸鹽去除率可穩定在98%以上，且出水無亞硝酸鹽的積累，也未發生DNRA 反應，pH 穩定在7.6左右，有機碳的釋放與利用達到平衡。