利用纤维素物质作为反硝化碳源和载体去除水中的硝酸盐污染

1、利用纤维素物质作为反硝化碳源和载体去除水中的硝酸盐污染论文导读:：该工艺被称为固相反硝化;。而那些纤维素物质远优于它们。由于固相碳源的分解。生物载体支持生物膜的生长。由于物理和化学方法去除硝酸盐较为昂贵。论文关键词：固相反硝化，纤维素物质，固相碳源，生物载体，硝酸盐农业径流和城市污水处理厂尾水中经常含有高浓度的硝酸盐，这些高浓度硝酸盐进入江河湖泊后会刺激藻类的疯长以致水体水质恶化、生物多样性减少、生态系统退化等。另外，水源水中硝酸盐污染问题已经是一个困扰许多国家的难题。如果饮用水中含有较高浓度硝酸盐会导致饮用者患高铁血红蛋白症;。所以降低饮用水和进入受纳水体的各类污水中中硝酸盐污染是非常必要的

2、。为此人们开发了许多行之有效的方法，包括物理方法、化学方法和生物方法，由于物理和化学方法去除硝酸盐较为昂贵，且容易产生二次污染问题。基于以上原因，利用生物方法去除水中的硝酸盐污染成为主要方法而被广泛研究，具有更为高效性和便利性。生物反硝化根据所利用的主要菌群生理生化特性不同，又可以分为自养反硝化和异养反硝化。虽从费用和污泥产量来说，自养反硝化比异养反硝化有优势；然而在相同的能源供给情况下，自养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导致其细胞产量和生长速率偏低，异养菌那么是利用有机物合成细胞物质化工论文，所以异养反硝化比自养反硝化具有更好的操作性、更小地占地和

3、更高的效率。而异养反硝化去除硝酸盐过程中所需有机物以作为电子供体，为此，异养型反硝化技术比自养型反硝化技术应用更为广泛。无论是水源水还是城市污水处理厂尾水等水体的共同特点是C/N低，即使有少量的碳源也是属于一些较难利用难降解的有机物，因此在该类型水体的生物反硝化过程中需要补充一定量碳源。传统碳源主要有甲醇、乙醇、葡萄糖等一些液体低分子碳源，虽然取得了良好的应用效果，但应用过程中发现一些问题，如：运行管理复杂、投加量不易控制以及需要有复杂的投加设备等。近20多年来，许多研究者应用固体碳源作为液体碳源的替代品应用于反硝化过程中，这些固体碳源不会溶解到水中，它能根据微生物对碳源需求提供碳源，并能作为

4、生物附着载体，提高反硝化菌的密度和活性，该工艺被称为固相反硝化;，这些固体物质包括人工合成的高聚物PLA、PCL等、生物体内合成的高聚物PHAs等和一些纤维素物质棉花、报纸和秸秆等等。因为异养型反硝化具有较高的速率而得到了广泛应用，包括中试研究和生产性试验。但是人工合成高聚物和生物合成高聚物费用较高，不利于工业化应用，而那些纤维素物质远优于它们。所以利用纤维素物质支持生物反硝化具有的优点是：廉价、高效、材料广泛、易得、无二次污染、无生物毒性等。1、可行性及影响因素1.1 利用富含纤维素植物应用于异养反硝化的可行性纤维素是所有植物材料和物质的根本成分，更新速率非常快，预计每年的产量为4x1010

5、吨，植物性材料主要由纤维素、木质素和半纤维素组成。自然界中普遍存在能降解纤维素的微生物，所以理论上讲如何一种植物都能够作为生物反硝化的固相碳源和生物载体。基于以上思路，非常多的天然物质被用作生物反硝化的碳源和反响介质。包括甘草、芦竹、松木、杨木、棉花梗、纸张、棉花、稻草、腐朽木等。这些物质都被成功用于生物异养反硝化过程，并取得了良好的效果。如：Ovez等人利用甘草等作为生物反硝化碳源和生物载体去除水源水中的硝酸盐，硝酸盐的去除率到达了100%。另外，徐祖信等以稻草为载体和碳源的实验中发现，稻草的浸出液中含有大量的微量元素化工论文，这些微量元素有利于提高反硝化菌等相关菌体的活性，并提高反硝化速率

6、，这是其他固相反硝化碳源所不具有的特点和优势。1.2 影响因素通常来讲，纤维素高分子物质中的晶格结构是影响其生物降解性的根本因素，高分子的降解性随着晶格结构的比例的升高而降低。晶格结构占物质总量的多少是衡量该物质是否适宜作为碳源的主要评价指标。因此，寻找适应的纤维素物质材料作为固相碳源和载体是非常必要的。有关资料显示，生物反硝化的速率与天然有机物的比外表积成正比关系。固相物质作为微生物吸附的界面，其比外表积决定着其外表微生物的吸附量。枯燥的木质细胞壁中大约有40%50%是纤维素，剩余局部是半纤维素和木质素，微生物不得不使自己吸附到纤维素外表，并使这些天然物质得到破碎。另外，所选用的物质外表粗糙

7、度、带电性、基团、亲水性等都决定着其作为生物载体的特性。如微生物的吸附速率、微生物的吸附量和微生物的活性等。金赞芳等研究发现，水力停留时间和水温是生物反硝化主要的影响因素。25 支持下的生物反硝化比14 情况下的1.7倍，因为多数纤维素分解菌是中温菌，低温不利于其生长和繁殖。当水温为25 的条件下，进水硝酸盐为45.2 mg?L-1的情况下，水力停留时间为8.6 h时，系统硝酸盐亚硝酸盐未检出的去除率为99.6%，而当水力停留时间为7.2 h时，总氮的去除率仅为50%。纤维素植物的刚度和孔隙率是保证生物反硝化系统稳定运行的主要因素。研究发现，有些纤维素物质如：稻草、棉花、锯末等在使用过程中会变

8、形或压实而使填料层堵塞，使反响产物氮气氧化二氮无法正常排出以致系统内形成高压环境而使系统崩溃同时也制约了反响器高度，限制了其商业化应用。因此，用于生物反硝化的天然物质尽可能有较好的刚度和良好的孔隙率。2 纤维素物质用于反硝化过程中的弊端2.1 水溶性物质的干扰植物纤维在生长过程中会在其组织内形成大量的液汁，当植物纤维在水中浸泡后会使其组织内的液汁溶解到系统中，产生二次污染。笔者利用竹子作为生物载体组建的生物反响器修复城市河道水体时发现，在竹子浸泡在系统内的前15 d左右化工论文，竹子中的竹汁主要是蛋白质类物质会溶解到系统中，并持续一段时间，使系统中的水质呈黄色，而且出水氨氮浓度比进水氨氮浓度要

9、高的多。Aslan等也发现了同样的问题。2.2 温度影响过于强烈低温条件下，生物反硝化效果明显降低，可能的原因在于纤维素分解菌是中温菌，当水温降低时，中温菌体内的酶系统因为温度的降低而活性下降使有机碳源的供给出现短缺而下降。但也有资料认为，低温条件下附着在固体物质外表的生物膜流失较为严重，可能也是导致生物反硝化降低主要原因，至于低温条件下生物膜大量流失的原因，目前尚不清楚，可能与生物膜的粘附力降低有关。2.3 较低的反硝化速率应用于固相反硝化的纤维素物质，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，当分子量越大，其阻碍微生物靠近的阻力越就越大。纤维素物质是一类固态物质

10、，分子量较大，其分解过程是一系列生物酶促过程，从而导致其碳源的供给速率较低而限制了反硝化速率，所以纤维素物质支持下的反硝化速率和PHA和PHB等支持下的反硝化速率一样明显低于液体碳源。2.4 亚硝酸盐积累问题反硝化菌将硝酸盐转化为氮气需要经过4步酶促反响。即： 其中，NaR和NiR存在对碳源的竞争问题，而且NaR对碳源的竞争能力强于NiR，当碳源缺乏的情况下会引起亚硝酸盐的积累问题。也有研究认为亚硝酸的积累会影响到NaR和NiR活性的表达，从而影响到反硝化效果。 2.5 不够稳定的反硝化速率影响固相反硝化的速率不稳定性因素有：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，剩下的为难降

11、解的晶格结构而不易被微生物分解化工论文，因为碳源的补给受阻使反硝化下降，2由于固相碳源的分解，反硝化菌的吸附界面面积、孔隙率、粗糙度和反硝化与固相碳源吸附作用以及相互间的理化条件等发生了改变，可能也是导致反硝化速率下降的原因。2.6 出水水质进一步处理利用纤维素物质作为碳源和载体在处理含有硝酸盐的水体过程中，出水往往较多的悬浮物、色度和浊度等，其原因是多方面的，而导致出水的感官效果不佳，都需要进行深度处理以改善其水质，例如：采用活性炭吸附、采用砂滤池进行深度过滤等。2.7 填料层堵塞问题有些纤维素物质在使用一段后出现软化而使填料层的孔隙率明显降低而堵塞，使反硝化系统中的氮气和水都无法很顺畅，导

12、致反硝化进程受阻。3、纤维素物质用作反硝化碳源和载体的开展趋势3.1 研究工作的全面性目前被用于固相反硝化的天然纤维素物质较多，包括报纸、稻草、秸秆、天然植物、腐朽木等比拟多，在这些研究中比拟关注是这些物质作为碳源作用时的特征，但是对其作为载体的特性研究甚少，因为天然物质在作为碳源的同时，生物载体上的生物量、孔隙率、比外表积、带电性和刚度等影响到其处理效果和稳定性。3.2预处理技术的开发由于纤维素物质在生长过程中形成了较为丰富的组织液和巩固的晶格结构等，这些纤维素物质组织液和晶格给生物反硝化过程产生了一定的影响。如：天然物质的晶格结构使其利用率难度加大、丰富的组织液会溶到反硝化系统中产生二次污

13、染等。开发一定的预处理方法可以破坏晶格结构或使其组织液释放出来。王建龙等利用紫外辐照、辐照和氢氧化钠等联合处理方法处理小麦秸秆发现可以提高秸秆的分解速率，而破坏其晶格结构，通过红外线光谱分析发现，辐照能降低羟基等基团的数量，可能是辐照能提高羟基等基团内链的断裂。曹文平等人利用10%氢氧化钠溶液、清水等物质连续浸泡的方法是竹子中的竹汁等得到很好的释放，根本上消除了天然物质组织液对系统的影响作用。3.3 提高反硝化速度技术的开发整体来说，固相反硝化技术的反响速率都较低，其中以纤维素物质作为载体和碳源的固相反硝化速率较人工合成高分子物质、液体碳源要低的多。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、亲水性状况、晶格结构、比外表积等。提高其反硝化速率是提高是十分必要的，为此国内外科学家进行了大量实验。有关资料显示，反响器内的流态也是影响反硝化速率的至关重要的因素化工论文，德国人设计的Denipor工艺使固体碳源处于悬浮状态下反硝化速率是固定床状态下的10倍或50倍以上，同时还能防止填料层的堵塞问题。笔者研究发现以污泥/竹子为复合碳源的反硝化系统反硝化速率比竹子为碳源的反硝化系统反硝化速率要大的多。可能原因有：1复合结构中具有更加复杂的微生物种群结构，提高微生物间的相互协作和共降解能力；2复合系统中具有较多的活性污泥包围着竹子，使竹子外表处在更加厌氧的环境，有利于滋生厌氧微生物，加

15、速对纤维素等高分子物质的分解，以致碳源的供给速率提高，提高了反硝化系统。3.4 有关技术亟待解决纤维素物质在作为碳源的同时，也是反硝化等菌群的吸附界面，在生物膜和纤维素接触的固相界面发生着极其复杂的化学反响。与人工合成的高聚物相比，富含纤维素物质粗糙的外表上容易形成适应其微环境的生物膜，生物膜形成速度快，生物膜的庇护环境使吸附在其上增殖的微生物越来越多，生物膜不断变厚，生物载体支持生物膜的生长。与此同时，吸附在载体上的微生物应适应固相载体外表的微环境而产生出诱导酶，使天然纤维素物质分解为生物膜生长所需要的基质。那么生物膜内纤维素分解菌、固相反硝化菌在膜内的分布规律、种群结构和理化条件以及相互间

16、作用机理等问题都亟需掌握，相信随着微电子技术、分子生物学技术等开展，这些问题将一一得到解释。也有利于进一步认识固相反硝化机理等。水体中的污染物种类和数量是极其复杂的，在含有较高硝酸盐浓度的水体中也常常含有难降解有机物、氨氮和磷酸盐等污染物，如：城市污水处理厂尾水、地表水等。硝酸盐在别离过程中这些常常也伴随着去除或转化，这些物质之间究竟存在哪些关系？对固相反硝化技术的进一步应用具有较为重要的价值，但是目前存在一定的争议。以有机物和硝酸盐同步去除为例，国内清华大学王建龙教授等认为硝酸盐去除的同时，有机物残留农药是被固体碳源吸附和固体碳源外表的微生物所降解，并表现出低促高抑;的现象，表现出明显的共降

17、解现象。而也有资料显示化工论文，硝酸盐废水中所含有的难降解有机物的降解是因为一些外来添加的容易降解的有机物产生共降解所致，在此过程中硝酸盐也被有效降解，但是难降解有机物和硝酸盐的分解之间并没有非常密切的关系。孙雅丽等人研究发现利用腐朽木作为固相反硝化碳源过程中发现，腐朽木在微生物作用下所释放出的有机物COD不断减少，与此同时也伴随着硝酸盐去除速率的下降和局部亚硝酸盐浓度的积累，Aslan和Trkman等利用不同的纤维素物质作为固相反硝化碳源时也发现同样的现象。分析其原因是：固相反硝化进行初期，纤维素物质中容易释放的物质先被释放和利用，随着反硝化过程的不断进行也伴随着容易降解局部的耗尽使固体纤维

18、素物质中可释放的碳源越来越少，以致碳源供给缺乏而使反硝化过程受阻。综上，利用纤维素物质中有机碳源释放规律决定着反硝化过程的进程。要使纤维素物质支持下的固相反硝化过程稳定、高效进行，深入了解纤维素物质在使用过程中碳源释放规律如：碳源释放机理、碳源特性、碳源释放速率和影响因子，并在此根底上掌握纤维素碳源枯竭点出现的预警方法枯竭点：固相反硝化过程中硝酸盐去除速率快速下降、亚硝酸盐积累量迅速增加和COD浓度明显降低等三者交汇点。保证纤维素物质支持下的固相反硝化过程中始终保持较为充足的碳源，从而保证较为稳定和高效的反硝化过程。纤维素物质支持下的固相反硝化硝酸盐转化速率较低和亚硝酸盐容易出现积累，特别是纤

19、维素物质出现碳源释放枯竭等情况。但是目前对这些问题没有有效的解决方法使纤维素支持下的固相反硝化过程处于实验阶段，而且很多的实验研究还处于短时间过程，缺乏对纤维素物质支持下的固相反硝化过程系统的研究。那么对纤维素物质支持下的固相反硝化长期运行管理控制方法、运行特点；纤维素物质的更换时间、频率、数量；不同的纤维素物质之间碳源释放规律特性以及它们之间的共性。加快纤维素物质支持下的固相反硝化过程的商业化进程。参考文献【1】Lu SL, Hu H Y, Sun Y X, Yang J.Effect of carbon source on the denitrification inconstructed

20、 wetlands. Journal of Environmental Sciences,2021,21:10361043【2】Ovez B.Batch biological denitrification using Arundodonax,Glycyrrhiza glabra,and Gracilaria verrucosa as carbon source.ProcessBiochemistry,2006,41:12891295【4】LeeK C, Rittmann B E.Applying a novel autohydrogenotrophic hollow-fiber membra

21、nebiofilm reactor for denitrification of drinking water.Water Research,2002,36:20402052【5】Sora Park,Jeungjin Park,Imgyu Byun,Taejoo Park,TaehoLee.Autotrophic denitification and inhibitory effect caused by the injection ofspent sulfidic caustic in a modified Ludzack-Ettinger process.Biotechnologyand

22、Bioprocess Engineering,2021,13:697704【6】Gmez M A,Gonzlez-Lpez J,Hontoria-GarcaE.Influence of carbon source on nitrate removal of contaminated groundwater ina denitrifying submerged filter.Journal of Hazardous Materials,2000,B80:6980【7】WangX M, Wang J L.Removal of nitrate from groundwater by heterotr

23、ophicdenitrification using the solid carbon source. Science in China Series B:Chemistry,2021,52(2): 236240AlvarezR S,Cardoso R B,Szlazar M,et al.Chemolithotrophicdenitrification with elemental sulfur for groundwater treatment.WaterResearch, 2007,41:12531262J Y Park,Y J Yoo.Biologicalnitrate removal

24、in industrial wastewater treatment: which electron donor we canchoose. AppiedMicribiology and Biotechnology,2021,82:415429SoaresM I M, Abeliovich A.Wheat straw as substrate for water denitrification.WaterResearch,1998, 32(12):379385Ovez B,Ozgen S,Yuksel M.Biological denitrificationin drinking water using Glycyrrhiza glabra and Arunda donax asthe carbon source.Process Biochemistry,2006,41:15391544Hiraishi A,Khan S T.Applicationof polyhydroxyalkanoates for denitrification in