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污水处理厂大多数存在因碳源供应不足而导致的处理效果差的问题。因此，有效解决城市污水处理厂碳源不足的问题，是提高污水脱氮除磷效率从而实现达标排放的有效途径之一[1-5]。目前，实际污水处理工艺工程中普遍使用的是传统的单一或复合碳源，或者是以工业废水、污泥及餐厨废弃物水解液、垃圾渗滤液为主的生物质碳源[6-7]。传统碳源存在安全性差 (甲醇) 、价格过高 (乙酸、葡萄糖) [3]、成分较为复杂 (杂酸杂醇复配) 等问题，并且处理过程中可能含有毒物质造成二次污染，显著提高污水处理成本[8]；而一些国际上使用的生物质碳源，其优势在生产原料为农产品，绿色无污染，化学需氧量(COD)当量高，但引入国内价格较高[9]。因此，亟需价格低廉、绿色环保、脱氮效果好的生物质碳源[6]。
为此，研究团队前期持续专注于生物质碳源的研发、应用和升级[10]。根据目前新型碳源的研究情况，团队先后尝试从浒苔、木材蒸馏液以及红薯粉丝制作过程中产生的滤液中提取有机酸和多糖组分。然而，通过对浒苔、木材蒸馏液以及红薯粉丝进行发酵后提取分离有机酸过程的药耗、速率、易获取性能以及投入污水试验的反硝化效果都不尽理想。蓝藻因其含有大量有机质如多糖、蛋白及核酸等，具有厌氧发酵生产有机酸作为城市污水厂脱氮除磷的外加碳源的潜质而被重点关注[11]。蓝藻发酵产有机酸作为外加碳源的纯度和处理效率易受预处理难破壁的多层刚性细胞壁结构和发酵液中较高的氮、磷等影响，蓝藻发酵液直接加入会增加污水处理系统的氮磷负荷，致使系统崩溃，从而制约其规模化应用[11-12]。因此，从蓝藻破壁到如何分离提取发酵液中高碳低氮磷主要成分技术一直是研究热点[13]。有研究探索了鸟粪石+磷酸钙沉淀法组合工艺回收蓝藻厌氧发酵液中的氮、磷，纯化后的蓝藻发酵液作为外源碳源进行污水的反硝化脱氮利用[14]。该工艺局限于投入的镁盐、铵盐用量大，处理成本高，难以实现工业化；并且，当废水中镁磷摩尔比增大，易生成碱式碳酸镁沉淀，使鸟粪石纯度降低，不再具有肥料缓释特性[15]。
本研究提出一种条件温和、耗能低、适合大规模工业化应用的蓝藻高碳低氮磷有机物组分的提取分离技术，并以该技术提取出的高碳低氮磷有机物为核心，以花生、玉米等农产品的衍生物为主要原料，配比成新型生物质碳源为研究对象，初步探究新型生物质作为碳源对污水中氮、磷的去除效果，以期为成本低廉、高效脱氮除磷、适合我国污水水质的新型生物质碳源制备和实际应用工程中提供理论支持。
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1) 蓝藻中高碳低氮磷有机物提取分离。蓝藻取自太湖湖边的藻水分离站，打捞上岸的新鲜蓝藻均匀混合后进行提取分离试验 (图1) 。分别利用提取溶剂1 (NaOH溶液) 、提取溶剂2 (含有次氯酸钠或过氧化氢的NaOH溶液) 和提取溶剂3 (含有氯化钠的NaOH溶液) 在室温下对鲜藻进行离心分离，最后将上清液混合得到高碳低氮磷有机物。其中，预脱水处理后的蓝藻样品中含水量在87%~90%，碳氮比为4.9[16]。
2) 供试原料。本研究以蓝藻中提取的高碳低氮磷有机物为核心，结合花生、玉米等农产品衍生物为主要原料，混合制成安全无毒、绿色低碳的新型生物质碳源，命名为“京山碳 (JSCS) ”，其成分配比已出具MSDS化学品安全技术报告，见表1。根据不同配比[17-18]，制成不同COD当量的碳源规格，其基本规格性质见表2。
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1) 试验装置反应器搭建。为探究新型生物质碳源对污水脱氮除磷的效果，本研究在实验室搭建反应器，如图2所示，选用2个完全相同的圆柱形有机玻璃反应器，有效容积为4 L。其中一组设置为对照组，选用乙酸钠，其为小分子有机酸，反硝化速率远高于其它单一碳源[6]，COD当量为200 g·L−1。另设置一组为试验组，选用“JSCS-D”，即COD当量为200 g·L−1的新型生物质碳源。
2) 试验装置反应器运行条件。进水为人工配水，选取乙酸钠或新型生物质碳源为碳源，氯化铵为氮源，磷酸氢二钾为磷源。分为2组反应器：a组 (乙酸钠碳源) 和b组 (新型生物质碳源) ，待污泥驯化至第15 d时分别投入等量碳源，共运行40 d，水力停留时间为6 h，运行模式为进水15 min、厌氧2 h、好氧3 h、沉淀30 min、出水5 min、闲置10 min。
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1) 水质指标。进出水水质包括COD、TN、TP、NH3-N、NO3−-N、PO43−-P，均按照《水和废水检测分析方法》[20]测定。污泥中微生物的识别和鉴定采用日立Su8020型扫描电镜观测。
2) 计算方法。反硝化潜力和释磷潜力分别通过NO3−-N和时间坐标曲线斜率、PO43−-P和时间坐标曲线斜率和实验污泥浓度计算[21]。
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1) COD去除性能。添加乙酸钠和新型生物质作为碳源反应器COD的去除性能如图3所示。添加乙酸钠碳源的反应器进水COD为424 mg·L−1，在运行至第11 d时出水COD为44 mg·L−1，在第15 d时投入乙酸钠碳源后直到运行至出水COD为26 mg·L−1，优于国家一级A排放水质标准[22] (COD：50 mg·L−1) 。虽然第31 d时出水COD为70 mg·L−1，是由于进水COD连续升高 (图3(a)) ，有机物浓度过高，白色泡沫增多，导致出水在线COD检测仪表数值升高[23]。添加新型生物质碳源的反应器进水COD为355 mg·L−1，由于系统中微生物对新型生物质碳源未完全适应导致出水COD偏高；COD在反应器运行初期在运行至第11 d时出水平均COD明显下降为47.5 mg·L−1，在第15 d时投入新型生物质碳源后直到运行至第40 d稳定出水COD为25 mg·L−1，同样优于国家一级A排放水质标准[22] (COD：50 mg·L−1) 。乙酸钠和新型生物质碳源反应器对COD的平均去除率均高达91.7%。因此，新型生物质碳源与乙酸钠碳源对COD去除效果相当，可以作为污水处理厂潜在的碳源替代品。
2) 脱氮性能。添加乙酸钠和新型生物质作为碳源反应器的脱氮性能结果见图4。添加乙酸钠碳源的反应器进水TN和NH3-N的平均浓度分别为50和35 mg·L−1，进水NO3−-N平均浓度基本为0。在运行至第40 d后，出水NH3-N平均浓度基本为0，NO3−-N平均浓度20.5 mg·L−1 (0~15 d) 和11.8 mg·L−1 (15~40 d) 。上述数据表明，反应器运行至第15 d出水NO3−-N较高是由于系统碳源不足，不能满足微生物反硝化的需要量，故导致脱氮效果差[24-25]；在第15 d向反应器投加乙酸钠碳源运行至第33 d时，出水NO3−-N浓度呈先快速下降至平稳运行趋势，说明乙酸钠碳源为微生物反硝化细菌提供电子，提高反硝化速率；接着运行至第40 d时，随着进水TN连续升高，乙酸钠碳源消耗，系统逐渐回到碳源不足的状态，导致系统出水TN和NO3−-N浓度连续升高，TN去除率也连续下降。NH3-N去除率全过程稳定，基本接近99%，出水TN平均浓度为15 mg·L−1。这表明出水中TN主要为NO3−-N，平均去除率为69%，接近国家一级A水质排放标准[22] (TN<15 mg·L−1) 。
添加新型生物质碳源的反应器进水TN和NH3-N的平均浓度分别为41和38 mg·L−1，进水NO3−-N平均浓度基本为0。在运行至第40 d后，出水NO3−-N平均浓度20.5 mg·L−1 (0~15 d) 、5.4 mg·L−1 (15~35 d) 和7.5 mg·L−1 (35~40 d) ；出水NH3-N平均浓度为0 mg·L−1 (0~15 d) 、10.2 mg·L−1 (15~35 d) 和12 mg·L−1 (35~40 d) 。上述数据表明，反应器在运行至第15 d内同样存在系统碳源不足，不能满足微生物反硝化需要量，导致脱氮效果差的状态；在第15 d向反应器投加新型碳源运行至第35 d时，出水NO3−-N浓度呈平稳下降趋势，而NH3-N和TN均呈连续升高趋势，这表明新型生物质碳源投加后，由于有机物浓度升高限制反硝化细菌的活性，短时间内不能直接利用碳源进行还原反应[26]，导致系统中NH3-N升高 (图4(b)) ，进一步对氨氧化细菌和硝化细菌产生抑制，硝化反应受到限制[27]。使系统内NH3-N和TN浓度逐步升高，出水TN最高时浓度为30 mg·L−1。在反应器运行到第40 d时，反硝化细菌对新型生物质碳源逐渐适应后，活性增强，促进反硝化反应进行，短暂出现出水NH3-N降到0，出水TN降到12 mg·L−1，优于国家排放水质一级A水质标准[22] (TN<15 mg·L−1) 的情况。加入新型生物质碳源后，NH3-N去除率平均为70.8% (15~35 d) 和73.5% (35~38 d) ，最高时为94%；TN去除率平均为59% (15~35 d) 和50% (35~40 d) 。综上所述，新型生物质碳源投加初期对反应器中NH3-N及TN的去除率较不稳定，但系统中反硝化菌逐渐适应后NH3-N去除率可达到90%以上。
3) 除磷性能。磷的去除主要依靠微生物的同化作用和除磷菌的好氧吸磷作用来实现[21]。添加乙酸钠和新型生物质作为碳源反应器的除磷性能结果见图5。添加乙酸钠碳源的反应器进水TP和PO43−-P的平均浓度分别为3.6和2.9 mg·L−1。出水TP平均浓度为平均浓度1.0 mg·L−1 (0~15 d) 和0.9 mg·L−1 (15~30 d) ；出水PO43−-P平均浓度0.3 mg·L−1 (0~15 d) 和0.6 mg·L−1 (15~30 d) 。TP平均去除率为69% (0~15 d) 、89% (15~25 d) 和64% (25~30 d) ；PO43−-P平均去除率为93% (0~15 d) 、99% (15~25 d) 和64% (25~30 d) 。这表明，乙酸钠作为易生物利用碳源 [6]，在微生物的同化作用和生物除磷作用下，TP去除率在反应器运行第15~25 d时达到最高为91%。反应器运行到后期，随着碳源消耗不能为反硝化细菌和除磷菌提供足够电子供体，TP的去除率有所下降，出水TP最低为0.9 mg·L−1，仍满足国家一级B排放水质标准[22] (TP<1 mg·L−1)。
添加新型生物质碳源的反应器进水TP和PO43−-P的平均浓度分别为3.6和2.9 mg·L−1。出水TP平均浓度为1.8 mg·L−1 (0~15 d) 、2 mg·L−1 (15~25 d) 和0.3 mg·L−1 (25~30 d) ；出水PO43−-P平均浓度为1.1 mg·L−1 (0~15 d) 、1.6 mg·L−1 (15~25 d) 和0.15 mg·L−1 (25~30 d) 。TP平均去除率为46% (0~15 d) 、52% (15~25 d) 和95% (25~30 d) ；PO43−-P平均去除率为66% (0~15 d) 、44% (15~25 d) 和97% (25~30 d) 。虽然新型生物质碳源投入反应器运行至第25 d时，TP和PO43−-P去除率都低于乙酸钠碳源，但运行至后期TP和PO43−-P去除率均达到95%以上，出水TP为0.3 mg·L−1，满足国家一级A排放水质标准[22] (TP<0.5 mg·L−1) ，除磷效果显著优于乙酸钠碳源。
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图6(a)为添加乙酸钠和新型生物质碳源反应器分别在运行前、第15 d、第30 d和第40 d的反硝化潜力。以乙酸钠作为外加碳源时，活性污泥的反硝化潜力较高且呈逐步升高趋势，最高达到23 mg NO3−-N·(g VSS·h−1)−1。而以新型生物质碳源投加初期，有机物浓度升高限制了反硝化细菌的活性 (见结果与讨论2.1的2)部分) ，导致反硝化潜力达到最低为2.3 mg NO3−-N·(g VSS·h−1)−1，但随着反硝化细菌对新型生物质碳源的适应和利用，反硝化潜力稳步升高。
图6(b)为添加乙酸钠和新型生物质碳源反应器分别在运行前、第15 d、第30 d和第40 d的释磷潜力。以乙酸钠为外加碳源时，活性污泥的释磷潜力不稳定，呈先升再降后升趋势，这可能是由于刚加入乙酸钠碳源时，反硝化细菌与聚磷菌对碳源的争夺以及NO3−-N的影响[21]，在第30 d时，反硝化潜力占主要过程，导致释磷潜力降低。以新型生物质为碳源时，总体上释磷潜力呈稳步提高趋势。
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脱氮除磷是以微生物为主的反应过程，研究微生物群落结构变化可以反映污水处理系统运行工况和出水效果[28]。如图7所示，本研究观察了向反应器投入乙酸钠和新型生物质碳源驯化活性污泥过程中原生或后生动物的生长情况。
反硝化后增加的微生物多样性有助于保持反应体系的稳定性[29]。在驯化活性污泥的第35 d，可以看到a组和b组反应器中都有一定的丝状菌生长。其中，a组反应器出现了漫游虫，b组反应器中出现了漫游虫、暗丝尾虫和豆形虫。尾虫和豆形虫的出现指示着反应器活性污泥系统处于低溶解氧和高负荷状态下，漫游虫的出现指示反应器活性污泥系统处于由恶化到正常的恢复期间[30]。这表明，向反应器投入乙酸钠和新型生物质碳源后对污水处理系统有一定的冲击力，但随着微生物对外加碳源的同化作用和反应过程的进行，系统稳定性逐步运行正常。因此，投加新型生物质碳源的活性污泥反应器中微生物含量丰富，反应器性能逐渐稳定。
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1) 乙酸钠和新型生物质碳源投入到反应器后，对COD的去除保持稳定，平均去除率均高达91.7%，表明新型生物质碳源对COD的去除具有良好的效果。
2) 乙酸钠投加后反应器系统虽脱氮速度快，但时效较短。新型生物质碳源投加后中后期污泥反硝化潜力和释磷潜力指标均稳步提升，出水TP为0.3 mg·L−1，优于国家一级A排放水质标准。
3) 与投入乙酸钠碳源的反应器中活性污泥微生物镜检图结果相比，投加新型生物质碳源后，活性污泥中微生物种类逐渐丰富，污泥结构得到强化，反应器性能逐渐稳定。
4) 本研究得到的新型生物质碳源生产原料绿色、安全、无毒和环保，生产方法精简高效、适合大规模工业化应用，且脱氮除磷效果好，具有非常广泛的应用前景及推广价值。
新型生物质碳源的制备及其污水脱氮除磷效果
Preparation of a new biomass carbon source and its application in wastewater denitrification and phosphorus removal
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摘要: 为给城镇污水处理厂生物脱氮除磷提供一种新的碳源选择和开辟蓝藻资源化利用新途径，以工业碳源乙酸钠为对照，探究了从蓝藻中提取的高碳低氮磷有机物为核心的新型生物质碳源脱氮除磷效果，并分析了添加2组碳源后的微生物群落特征。结果表明，与乙酸钠碳源相比，新型生物质碳源对COD的去除效果保持稳定，平均去除率高达91.7%；新型生物质在碳源投入反应器初期时，反硝化潜力及释磷潜力较低导致NH3-N、TN、TP和PO43−-P的去除率较低；随着反应器运行至后期，反硝化潜力和释磷潜力稳步提升，NH3-N、TN、TP和PO43−-P去除率逐渐上升，最终可达90%以上，对系统中的NH3-N、TP的去除效果良好，且反应器中微生物丰度较高。本研究制备的新型生物质碳源具有生产原料绿色、安全、无毒和环保的特点，其生产方法精简高效，适用于大规模工业化应用，且脱氮除磷效果好，具有非常广泛的应用前景及推广价值。Abstract: This study aimed to provide a novel carbon source alternative for improving biological denitrification and phosphorus removal efficiency in urban wastewater treatment plants, while also to explore new approaches for utilizing cyanobacteria resources. Specifically, we examined the denitrification and phosphorus removal performance of a novel biomass carbon source synthesized by combining high-carbon, low-nitrogen, and low-phosphorus organic matter extracted from cyanobacteria along with sodium acetate, an industrial carbon source, as a control group. In addition, this study analyzed the microbial community characteristics subsequent to the implementation of both carbon source groups. The results showed that compared to sodium acetate, the novel biomass carbon source effectively removed chemical oxygen demand, with a consistent removal efficiency of 91.7%. However, during the initial phase when the novel biomass carbon source was just added, the denitrification and phosphorus release potentials were relatively low, resulting in moderate removal rates for ammonia nitrogen (NH3-N), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), and phosphate (PO43−-P). As the reactor run to the later stage, both denitrification and phosphorus release potentials steadily increased, leading to more than 90% removal of NH3-N, TN, TP, and PO43−-P. Moreover, abundant protozoa and metazoa were observed in the reactor. In conclusion, this novel biomass carbon source prepared in this study were safe, non-toxic, and environmentally friendly. Its production method was simple and efficient. It is suitable for large-scale industrial applications for the good nitrogen and phosphorus removal effects. This novel biomass carbon source has a very broad application prospect and promotion value.
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图 1 蓝藻中高碳低氮磷有机物的提取分离方法
Figure 1. Schematic diagram of the extraction method for separating high-carbon, low-nitrogen, and low-phosphorus organic matter from cyanobacteria
图 3 乙酸钠和新型生物质碳源对COD去除性能的影响
Figure 3. Effects of sodium acetate and the novel biomass carbon source on COD removal performance
图 4 乙酸钠和新型生物质碳源对脱氮性能的影响
Figure 4. Effects of sodium acetate and the novel biomass carbon source on the nitrogen removal performance
图 5 乙酸钠和新型生物质碳源对除磷性能的影响
Figure 5. Effects of sodium acetate and the novel biomass carbon source on the phosphorus removal performance
图 6 乙酸钠和新型生物质碳源对反硝化潜力和释磷潜力的影响
Figure 6. Effects of sodium acetate and the novel biomass carbon source on the potentials of denitrification and releasing phosphorus
图 7 乙酸钠碳源和新型生物质碳源反应器运行至第35 d的微生物镜检图
Figure 7. Microscopy of microbes in reactors feeding with sodium acetate and the novel biomass carbon source on day 35
表 1 新型生物质碳源组成信息[19]
Table 1. Information on components and compositions of the novel biomass carbon source
组分 质量分数/% CAS No. 生物质甘油 55~65 56-81-5 藻蛋白 18~20 20298-86-6 水 15~18 7732-18-5 柠檬酸 5~8 77-92-9 
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表 2 “京山碳”产品基本规格性质
Table 2. Basic properties of the product “JingshanTan”
编号 COD/
(g·L−1)BOD5/
COD密度 (20 ℃) /
(g·cm−3)pH 溶解性 JSCS-A 1 150 0.8 1.08 6~7 100% JSCS-B 600 0.8 1.08 6~7 100% JSCS-C 400 0.8 1.06 6~7 100% JSCS-D 200 0.8 1.05 6~7 100%
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