从微生物群落结构角度，看生物质碳源如何深度脱氮

时间：2024-09-20 09:39

来源：E20研究院绿色发展研究中心

作者：何峰

当前，我国地表水环境面临的富营养化挑战日益严峻，尤其是湖泊污染问题，已成为亟待攻克的难关。为响应国家“双碳”战略，污水处理厂作为守护水环境的先锋，正积极探索新的技术路径。在众多创新解决方案中，生物质碳源以其独特的环保性和经济性脱颖而出，成为提升污水处理厂脱氮效率、降低氮素排放的关键。本文将深入探讨生物质碳源的崛起，解析其在优化微生物群落结构、促进深度脱氮方面的独特优势，并展望其在水处理领域的广阔应用前景。PS：本文根据北京大学环境科学与工程学院研究员吴为中老师《有机碳源对污水处理厂微生物群落结构的影响研究进展》，分析提炼形成，在此表示感谢。

近年来，随着我国社会经济的快速发展，地表水环境的富营养化问题日益严重，尤其是湖泊的污染问题，已经成为制约社会可持续发展的重大环境瓶颈。为了应对这一挑战，国家“十三五”和“十四五”规划相继提出了更为严格的营养盐控制标准和减污降碳的协同增效目标，旨在实现污水的深度脱氮，保护水环境。在这一背景下，污水处理厂作为保护水环境的重要基础设施，其运行效率和稳定性直接关系到水质改善的效果。近年来，科学家们发现，通过优化污水处理厂的碳源供给，可以显著提升微生物群落的脱氮能力，从而进一步降低出水中的氮素含量。其中，生物质碳源作为一种环境友好、成本较低的新型碳源，正逐渐受到研究人员的关注。

01污水厂的现状与挑战

我国大部分省市的城镇污水处理厂目前执行的氮排放标准是一级A标准（TN=15 mg/L，NH4+-N=5 mg/L），但即便如此，出水中总氮浓度仍高于地表水V类标准（TN≤2.0 mg/L），对河流、湖泊等地表水环境构成了潜在威胁。因此，如何进一步提升污水处理厂的脱氮效果，尤其是二级生化处理出水的深度脱氮，成为了亟待解决的问题。

02传统碳源的局限与新型生物质碳源的崛起

为提高生化工艺的脱氮效果，多数污水处理厂采用投加有机碳源的方式。传统的碳源如甲醇、乙醇、乙酸钠等化工液体碳源，虽然能在一定程度上强化反硝化过程，但这些碳源存在诸多弊端，如释碳不可控、存储和运输不便、价格高昂，且对环境有一定毒性。随着双碳目标的提出，这些传统化工碳源已难以满足污水处理厂追求的低碳、环保、经济目标。

在此背景下，研究人员开始关注环境友好型、成本较低的生物质碳源。生物质碳源主要指以农业废弃物、污泥和厨余发酵液等为原料，通过微生物发酵或水解得到的液态或固态碳源。天然纤维素固体生物质碳源主要由农业废弃物组成，如秸秆、稻壳等，不仅能释放碳源，还能为生物膜提供载体；然而，其反硝化效果易受外界条件影响，且易造成二次污染。因此，基于农业废弃物、污泥和厨余发酵液等开发的新型生物质液态碳源逐渐进入研究视野，并展现出良好的反硝化脱氮效果。

03生物质碳源对微生物群落结构的影响

微生物是反硝化脱氮的主体，不同外加碳源对微生物的利用程度、反硝化速率和代谢产物均有不同影响。因此，碳源的投加会显著改变污水处理厂的微生物群落结构。

生物质碳源和化工碳源在反硝化系统中的添加会引起依赖碳源代谢的微生物的竞争，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样性降低。化工碳源成分往往比较单一，依赖单一碳源代谢的微生物竞争力较强，其他微生物菌群在反硝化系统中逐渐被淘汰，而大多数生物质碳源释放有机物成分较化工碳源复杂，且分子量较大，因此相比于化工碳源，大多数生物质碳源介导的反硝化系统中微生物群落多样性更高。

针对微生物群落结构，门水平下，生物质碳源释放的纤维素、半纤维素等大分子有机物会在系统中富集更多的拟杆菌门和放线菌门，这两门菌群可以将大分子碳水化合物水解成单糖、小分子脂肪酸，并且将蛋白质水解成氨基酸，将脂类水解为脂肪酸、醇类等。属水平下，除了富集反硝化系统中常见的反硝化菌如Thauera、Dechlorobacter等外，大多生物质碳源会富集较多的碳源降解菌如黄杆菌属Flavobacterium、氨基酸球菌Acidaminococcaceae、从毛单胞菌unclassified_Comamonadaceae等大分子有机物降解功能菌群。

04生物质碳源的应用前景

近年来，生物质碳源在污水处理厂的应用领域取得了显著进展，多个成功案例的涌现为其广泛应用奠定了坚实基础。例如，玉米叶水解液作为生物质碳源的成功应用，特别是在反硝化脱氮过程中展现出的优异性能，充分证明了其巨大的潜力。这些积极成果不仅预示着生物质碳源在污水处理领域的广阔前景，也激发了研发人员对这一低碳环保型碳源深入探索的热情。

相较于传统的化工碳源，生物质碳源展现出了独特的优势。其原料主要来源于生物质可再生资源，不仅降低了污水处理成本，还实现了资源的循环利用。同时，生物质碳源的使用减少了化学污染物的排放，有利于生态环境的改善。

然而，尽管前景光明，生物质碳源在实际应用中仍面临诸多挑战。由于不同生物质原料的成分与性质差异显著，如何针对具体工艺进行优化选择成为了一个亟待解决的问题。此外，生物质碳源的制备与投加技术也尚需进一步完善，以确保其高效、稳定地服务于污水处理过程。

面对这些挑战，未来生物质碳源的发展应聚焦于以下几个方面：第一，持续优化生物质碳源的制备工艺与投加技术，提升其利用率与稳定性，确保其在污水处理中的高效应用；第二，深入探究生物质碳源对微生物群落结构的影响机制，揭示其与污水处理效果之间的内在联系，为工艺优化提供科学依据；第三，积极开展大规模中试与示范研究，验证生物质碳源在实际工程中的可行性与效果，推动其从实验室走向更广阔的应用领域。

综上所述，生物质碳源作为一种新型、低碳、环保、经济的碳源，在污水处理厂中的应用前景极为广阔。随着技术的不断进步与应用的深入拓展，我们相信，生物质碳源将逐渐替代传统的化工碳源，成为污水处理厂反硝化脱氮的主流选择，为水环境保护事业贡献更大的力量。

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