從微生物群落結(jié)構(gòu)角度，看生物質(zhì)碳源如何深度脫氮
時間：2024-09-20 09:39
來源：E20研究院綠色發(fā)展研究中心
作者：何峰
評論（0）
當(dāng)前，我國地表水環(huán)境面臨的富營養(yǎng)化挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻，尤其是湖泊污染問題，已成為亟待攻克的難關(guān)。為響應(yīng)國家“雙碳”戰(zhàn)略，污水處理廠作為守護(hù)水環(huán)境的先鋒，正積極探索新的技術(shù)路徑。在眾多創(chuàng)新解決方案中，生物質(zhì)碳源以其獨特的環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性脫穎而出，成為提升污水處理廠脫氮效率、降低氮素排放的關(guān)鍵。本文將深入探討生物質(zhì)碳源的崛起，解析其在優(yōu)化微生物群落結(jié)構(gòu)、促進(jìn)深度脫氮方面的獨特優(yōu)勢，并展望其在水處理領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。PS：本文根據(jù)北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院研究員吳為中老師《有機(jī)碳源對污水處理廠微生物群落結(jié)構(gòu)的影響研究進(jìn)展》，分析提煉形成，在此表示感謝。
近年來，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地表水環(huán)境的富營養(yǎng)化問題日益嚴(yán)重，尤其是湖泊的污染問題，已經(jīng)成為制約社會可持續(xù)發(fā)展的重大環(huán)境瓶頸。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，國家“十三五”和“十四五”規(guī)劃相繼提出了更為嚴(yán)格的營養(yǎng)鹽控制標(biāo)準(zhǔn)和減污降碳的協(xié)同增效目標(biāo)，旨在實現(xiàn)污水的深度脫氮，保護(hù)水環(huán)境。在這一背景下，污水處理廠作為保護(hù)水環(huán)境的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其運行效率和穩(wěn)定性直接關(guān)系到水質(zhì)改善的效果。近年來，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，通過優(yōu)化污水處理廠的碳源供給，可以顯著提升微生物群落的脫氮能力，從而進(jìn)一步降低出水中的氮素含量。其中，生物質(zhì)碳源作為一種環(huán)境友好、成本較低的新型碳源，正逐漸受到研究人員的關(guān)注。
01污水廠的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)
我國大部分省市的城鎮(zhèn)污水處理廠目前執(zhí)行的氮排放標(biāo)準(zhǔn)是一級A標(biāo)準(zhǔn)（TN=15 mg/L，NH4+-N=5 mg/L），但即便如此，出水中總氮濃度仍高于地表水V類標(biāo)準(zhǔn)（TN≤2.0 mg/L），對河流、湖泊等地表水環(huán)境構(gòu)成了潛在威脅。因此，如何進(jìn)一步提升污水處理廠的脫氮效果，尤其是二級生化處理出水的深度脫氮，成為了亟待解決的問題。
02傳統(tǒng)碳源的局限與新型生物質(zhì)碳源的崛起
為提高生化工藝的脫氮效果，多數(shù)污水處理廠采用投加有機(jī)碳源的方式。傳統(tǒng)的碳源如甲醇、乙醇、乙酸鈉等化工液體碳源，雖然能在一定程度上強(qiáng)化反硝化過程，但這些碳源存在諸多弊端，如釋碳不可控、存儲和運輸不便、價格高昂，且對環(huán)境有一定毒性。隨著雙碳目標(biāo)的提出，這些傳統(tǒng)化工碳源已難以滿足污水處理廠追求的低碳、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。
在此背景下，研究人員開始關(guān)注環(huán)境友好型、成本較低的生物質(zhì)碳源。生物質(zhì)碳源主要指以農(nóng)業(yè)廢棄物、污泥和廚余發(fā)酵液等為原料，通過微生物發(fā)酵或水解得到的液態(tài)或固態(tài)碳源。天然纖維素固體生物質(zhì)碳源主要由農(nóng)業(yè)廢棄物組成，如秸稈、稻殼等，不僅能釋放碳源，還能為生物膜提供載體；然而，其反硝化效果易受外界條件影響，且易造成二次污染。因此，基于農(nóng)業(yè)廢棄物、污泥和廚余發(fā)酵液等開發(fā)的新型生物質(zhì)液態(tài)碳源逐漸進(jìn)入研究視野，并展現(xiàn)出良好的反硝化脫氮效果。
03生物質(zhì)碳源對微生物群落結(jié)構(gòu)的影響
微生物是反硝化脫氮的主體，不同外加碳源對微生物的利用程度、反硝化速率和代謝產(chǎn)物均有不同影響。因此，碳源的投加會顯著改變污水處理廠的微生物群落結(jié)構(gòu)。
生物質(zhì)碳源和化工碳源在反硝化系統(tǒng)中的添加會引起依賴碳源代謝的微生物的競爭，微生物群落更加功能化，因此二者均使污泥的微生物群落多樣性降低�；ぬ荚闯煞滞容^單一，依賴單一碳源代謝的微生物競爭力較強(qiáng)，其他微生物菌群在反硝化系統(tǒng)中逐漸被淘汰，而大多數(shù)生物質(zhì)碳源釋放有機(jī)物成分較化工碳源復(fù)雜，且分子量較大，因此相比于化工碳源，大多數(shù)生物質(zhì)碳源介導(dǎo)的反硝化系統(tǒng)中微生物群落多樣性更高。
針對微生物群落結(jié)構(gòu)，門水平下，生物質(zhì)碳源釋放的纖維素、半纖維素等大分子有機(jī)物會在系統(tǒng)中富集更多的擬桿菌門和放線菌門，這兩門菌群可以將大分子碳水化合物水解成單糖、小分子脂肪酸，并且將蛋白質(zhì)水解成氨基酸，將脂類水解為脂肪酸、醇類等。屬水平下，除了富集反硝化系統(tǒng)中常見的反硝化菌如Thauera、Dechlorobacter等外，大多生物質(zhì)碳源會富集較多的碳源降解菌如黃桿菌屬Flavobacterium、氨基酸球菌Acidaminococcaceae、從毛單胞菌unclassified_Comamonadaceae等大分子有機(jī)物降解功能菌群。
04生物質(zhì)碳源的應(yīng)用前景
近年來，生物質(zhì)碳源在污水處理廠的應(yīng)用領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，多個成功案例的涌現(xiàn)為其廣泛應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。例如，玉米葉水解液作為生物質(zhì)碳源的成功應(yīng)用，特別是在反硝化脫氮過程中展現(xiàn)出的優(yōu)異性能，充分證明了其巨大的潛力。這些積極成果不僅預(yù)示著生物質(zhì)碳源在污水處理領(lǐng)域的廣闊前景，也激發(fā)了研發(fā)人員對這一低碳環(huán)保型碳源深入探索的熱情。
相較于傳統(tǒng)的化工碳源，生物質(zhì)碳源展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢。其原料主要來源于生物質(zhì)可再生資源，不僅降低了污水處理成本，還實現(xiàn)了資源的循環(huán)利用。同時，生物質(zhì)碳源的使用減少了化學(xué)污染物的排放，有利于生態(tài)環(huán)境的改善。
然而，盡管前景光明，生物質(zhì)碳源在實際應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。由于不同生物質(zhì)原料的成分與性質(zhì)差異顯著，如何針對具體工藝進(jìn)行優(yōu)化選擇成為了一個亟待解決的問題。此外，生物質(zhì)碳源的制備與投加技術(shù)也尚需進(jìn)一步完善，以確保其高效、穩(wěn)定地服務(wù)于污水處理過程。
面對這些挑戰(zhàn)，未來生物質(zhì)碳源的發(fā)展應(yīng)聚焦于以下幾個方面：第一，持續(xù)優(yōu)化生物質(zhì)碳源的制備工藝與投加技術(shù)，提升其利用率與穩(wěn)定性，確保其在污水處理中的高效應(yīng)用；第二，深入探究生物質(zhì)碳源對微生物群落結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制，揭示其與污水處理效果之間的內(nèi)在聯(lián)系，為工藝優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)；第三，積極開展大規(guī)模中試與示范研究，驗證生物質(zhì)碳源在實際工程中的可行性與效果，推動其從實驗室走向更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。
綜上所述，生物質(zhì)碳源作為一種新型、低碳、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的碳源，在污水處理廠中的應(yīng)用前景極為廣闊。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與應(yīng)用的深入拓展，我們相信，生物質(zhì)碳源將逐漸替代傳統(tǒng)的化工碳源，成為污水處理廠反硝化脫氮的主流選擇，為水環(huán)境保護(hù)事業(yè)貢獻(xiàn)更大的力量。
05參考文獻(xiàn)
1.Fu, X., Hou, R., Yang, P., Qian, S., et al. 2022. Application of external carbon source in heterotrophic denitrification of domestic sewage: A review. 817, 153061.
2.Wu, L.W., Ning, D.L., Zhang, B., Li, Y., Zhang, P., Shan, X.Y., Zhang, Q.T., Brown, M., Li, Z.X., Van Nostrand, J.D., Ling, F.Q., et al. 2019.Global diversity and biogeography of bacterial communities in wastewater treatment plants. Nat Microbiol, 4(7), 1183-1195.
3.Xue, Z.X., Wang, C., Cao, J.S., et al. 2018. An alternative carbon source withdrawn from anaerobic fermentation of soybean wastewater to improve the deep denitrification of tail water. Biochem Eng J, 132, 217-224.
4.陳偉東, 溫東輝. 2022. 污水處理系統(tǒng)微生物群落時空分布和構(gòu)建機(jī)制研究進(jìn)展. 環(huán)境工程. 40(08), 1-13+39.
5.陳亞松. 2019. 綜合污水處理廠深度脫氮的優(yōu)化運行與微生態(tài)機(jī)理研究, 南京大學(xué).
6.房平, 李雨娥, 魏東洋, 金德才. 2020. 污水處理過程中微生物群落多樣性及其對環(huán)境因子響應(yīng)的研究進(jìn)展. 微生物學(xué)通報. 47(09), 3004-3020.
7.郭智更. 2022. 基于物化、生化方法的玉米芯碳源提取及其強(qiáng)化脫氮效果研究, 鄭州大學(xué).
8.何嘉欣, 黃少斌, 周少鋒. 2017. 玉米葉水解液作為好氧反硝化的補(bǔ)充碳源分析. 環(huán)境工程學(xué)報. 11(05), 2684-2691.
9.鞠峰, 張彤. 2019. 活性污泥微生物群落宏組學(xué)研究進(jìn)展. 微生物學(xué)通報. 46(08), 2038-2052.
10.康小虎, 冷艷, 曾小英, 李師翁. 2020. 污水處理活性污泥微生物群落研究進(jìn)展. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù). 43(05), 49-54.
11.李彭. 2014. 不同電子供體深度脫氮工藝及微生物群落特征研究, 清華大學(xué).
12.李子陽. 2020. 藍(lán)藻厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸及發(fā)酵液作為反硝化外加碳源研究, 江南大學(xué).
13.李子陽, 陸東亮, 華天予, 張煒, 肖壯波, 黃興, 趙明星, 施萬勝, 阮文權(quán). 2020. 藍(lán)藻發(fā)酵液中氮磷回收及其作為反硝化碳源研究. 環(huán)境化學(xué). 39(12), 3562-3573.
14.凌宇. 2021. 高效緩釋碳源填料用于污水廠尾水深度脫氮的研究, 中國環(huán)境科學(xué)研究院.
15.彭永臻, 王鳴岐, 彭軼, 劉瑩, 張亮. 2021. 四種碳源條件下城市污水處理廠尾水深度脫氮的性能與微生物種群結(jié)構(gòu). 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報. 47(10), 1158-1166.
16.彭志英. 2021. 農(nóng)廢復(fù)合碳源的脫氮除磷效果和微生物群落研究, 江南大學(xué).
17.唐婧, 楊羽菲, 陳金楠. 2020. 微電解耦合固相反硝化脫氮除磷效果及微生物分析 . 環(huán)境工程學(xué)報. 14(05), 1224-1233.
18.王維奇, 王秀杰, 李軍, 王思宇. 2018. 不同馴化方式實現(xiàn)SBR中部分反硝化的對比研究. 中國環(huán)境科學(xué). 38(11), 4085-4093.
19.王偉, 趙中原, 張鑫, 由志鵬, 黃子晉, 彭永臻. 2022. 不同外碳源對尾水極限脫氮性能及微生物群落結(jié)構(gòu)的影響. 環(huán)境科學(xué). 43(09), 4717-4726.
20.韋琦, 羅方周, 徐相龍, 劉禹琛, 劉帥, 劉國華, 王洪臣. 2021. A~2/O工藝處理低溫低碳氮比生活污水的脫氮效率及反應(yīng)動力學(xué). 環(huán)境工程學(xué)報. 15(04), 1367-1376.
21.肖慧慧, 倪晉仁. 2013. 城鎮(zhèn)污水處理廠活性污泥細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征分析. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報. 21(03), 522-531.
22.趙中原. 2021. 不同外碳源反硝化脫氮性能及微生物種群結(jié)構(gòu)變化研究, 哈爾濱工業(yè)大學(xué).
23.鄭曉英, 喬露露, 王慰, 李楠, 李魁曉. 2018. 碳源對反硝化生物濾池運行及微生物種群的影響. 環(huán)境工程學(xué)報. 12(05), 1434-1442.
