農(nóng)業(yè)徑流和城市污水處理廠尾水中經(jīng)常含有高濃度的硝酸鹽，這些高濃度硝酸鹽進(jìn)入江河湖泊后會(huì)刺激藻類的瘋長(zhǎng)以致水體水質(zhì)惡化、生物多樣性減少、生態(tài)系統(tǒng)退化等。另外，水源水中硝酸鹽的污染也是一個(gè)困擾許多國(guó)家的難題，如長(zhǎng)期飲用含有較高濃度硝酸鹽的水會(huì)導(dǎo)致“高鐵血紅蛋白癥”。所以降低飲用水和進(jìn)入受納水體的各類污水中的硝酸鹽濃度非常重要。為此人們開發(fā)了許多行之有效的方法，包括物理方法、化學(xué)方法和生物方法，由于物理和化學(xué)方法去除硝酸鹽較為昂貴，且容易產(chǎn)生二次污染問題，因此利用生物方法去除水中的硝酸鹽污染日益受到人們的重視，而且生物法去除硝酸鹽污染更為高效和便利。
生物反硝化根據(jù)所利用的主要菌群生理生化特性不同，又可以分為自養(yǎng)反硝化和異養(yǎng)反硝化。雖從費(fèi)用和污泥產(chǎn)量來說，自養(yǎng)反硝化比異養(yǎng)反硝化有優(yōu)勢(shì)，然而在相同的能源供給情況下，自養(yǎng)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導(dǎo)致其細(xì)胞產(chǎn)量和生長(zhǎng)速率偏低，異養(yǎng)菌則是利用有機(jī)物合成細(xì)胞物質(zhì)，所以異養(yǎng)反硝化比自養(yǎng)反硝化具有更好的操作性、更少的占地和更高的效率。而異養(yǎng)反硝化去除硝酸鹽過程中需以有機(jī)物作為電子供體，為此，異養(yǎng)型反硝化技術(shù)比自養(yǎng)型反硝化技術(shù)應(yīng)用更為廣泛。
無論是水源水還是城市污水處理廠尾水，其共同的特點(diǎn)是C/N 低，即使有少量的碳源也都屬于一些較難利用難降解的有機(jī)物，因此在該類型水體的生物反硝化過程中需要補(bǔ)充一定量碳源。傳統(tǒng)碳源主要有甲醇、乙醇、葡萄糖等一些液體低分子碳源，雖然取得了良好的應(yīng)用效果，但應(yīng)用過程中也發(fā)現(xiàn)一些問題，如：運(yùn)行管理復(fù)雜、投加量不易控制以及投加設(shè)備復(fù)雜等。近20 多年來，許多研究者應(yīng)用固體碳源作為液體碳源的替代品應(yīng)用于反硝化過程中，這些固體碳源不會(huì)溶解到水中，能根據(jù)微生物對(duì)碳源需求提供碳源，并能作為生物附著載體，提高反硝化菌的密度和活性，該工藝被稱為“固相反硝化”。這些固體物質(zhì)包括人工合成的高聚物(PLA、 PCL 等)、生物體內(nèi)合成的高聚物(PHAs 等)和一些纖維素物質(zhì)(棉花、報(bào)紙和秸稈等)等。因?yàn)楫愷B(yǎng)型反硝化具有較高的反應(yīng)速率而得到了廣泛應(yīng)用，包括中試研究和生產(chǎn)性試驗(yàn)。但是人工合成高聚物和生物合成高聚物費(fèi)用較高，不利于工業(yè)化應(yīng)用，而那些纖維素物質(zhì)遠(yuǎn)優(yōu)于它們。利用纖維素物質(zhì)支持生物反硝化具有廉價(jià)、高效、材料廣泛、易得、無二次污染、無生物毒性等優(yōu)點(diǎn)。
1 富含纖維素植物應(yīng)用于異養(yǎng)反硝化的可行性及影響因素
1.1 可行性
纖維素是所有植物材料和物質(zhì)的基本成分，更新速率非�？�，預(yù)計(jì)每年的產(chǎn)量為400 億t，植物性材料主要由纖維素、木質(zhì)素和半纖維素組成。自然界中普遍存在能降解纖維素的微生物，理論上講任何一種植物都能夠作為生物反硝化的固相碳源和生物載體，因此非常多的天然物質(zhì)被用作生物反硝化的碳源和反應(yīng)介質(zhì)，包括甘草、蘆竹、松木、楊木、棉花梗、紙張、棉花、稻草、腐朽木等。這些物質(zhì)都被成功用于生物異養(yǎng)反硝化過程，并取得了良好的效果。如：B. Ovez 等利用甘草等作為生物反硝化碳源和生物載體去除水源水中的硝酸鹽，對(duì)硝酸鹽的去除率達(dá)到了100%。
另外，邵留等在以稻草為載體和碳源進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，稻草的浸出液中含有大量的微量元素，這些微量元素有利于提高反硝化菌等相關(guān)菌體的活性，并提高反硝化速率，這是其他固相反硝化碳源所不具有的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。
1.2 影響因素
1.2.1 結(jié)晶度
結(jié)晶性塑料有明顯的熔點(diǎn)，固體時(shí)分子呈規(guī)則排列。規(guī)則排列區(qū)域稱為晶區(qū)，無序排列區(qū)域稱為非晶區(qū)，晶區(qū)所占的百分比稱為結(jié)晶度，通常結(jié)晶度在 80%以上的聚合物稱為結(jié)晶性塑料。通常來講，纖維素高分子物質(zhì)中的結(jié)晶度是影響其生物降解性的基本因素，高分子的降解性隨著結(jié)晶度的升高而降低，結(jié)晶度越高，纖維素分子取向力越大，分子結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，越難被分解。所以結(jié)晶度是衡量該物質(zhì)是否適宜作為碳源的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此需要尋找合適的纖維素物質(zhì)材料作為固相碳源和載體。
1.2.2 比表面積和表面結(jié)構(gòu)
生物反硝化的速率與天然有機(jī)物的比表面積成正比。固相物質(zhì)作為微生物吸附的界面，其比表面積決定著表面微生物的吸附量。
另外，所選用物質(zhì)的表面粗糙度、帶電性、基團(tuán)、親水性等都決定著其作為生物載體的特性。如微生物的吸附速率、微生物的吸附量和微生物的活性等。
1.2.3 水溫和水力停留時(shí)間
金贊芳等〔13〕研究發(fā)現(xiàn)，水力停留時(shí)間和水溫是生物反硝化主要的影響因素。25 ℃下的生物反硝化比是14 ℃下的1.7 倍，這是因?yàn)槎鄶?shù)纖維素分解菌是中溫菌，低溫不利于其生長(zhǎng)和繁殖。在水溫25 ℃、進(jìn)水硝酸鹽為45.2 mg/L 的情況下，當(dāng)水力停留時(shí)間為8.6 h 時(shí)，系統(tǒng)硝酸鹽(亞硝酸鹽未檢出)的去除率為99.6%，而當(dāng)水力停留時(shí)間為7.2 h 時(shí)，總氮的去除率僅為50%。
1.2.4 纖維素物質(zhì)的剛度和孔隙率
纖維素植物的剛度和孔隙率是保證生物反硝化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素。研究發(fā)現(xiàn)，有些纖維素物質(zhì)，如稻草、棉花、鋸末等在使用過程中會(huì)變形或壓實(shí)而使填料層堵塞，使反應(yīng)產(chǎn)物氮?dú)?氧化二氮)無法正常排出以致系統(tǒng)內(nèi)形成高壓環(huán)境而使系統(tǒng)崩潰，同時(shí)也制約了反應(yīng)器高度，限制了其商業(yè)化應(yīng)用。因此，用于生物反硝化的天然物質(zhì)應(yīng)盡可能有較好的剛度和良好的孔隙率。
2 纖維素物質(zhì)用于反硝化過程中的弊端
2.1 水溶性物質(zhì)的干擾
植物纖維在生長(zhǎng)過程中會(huì)在其組織內(nèi)形成大量的液汁，當(dāng)植物纖維在水中浸泡后會(huì)使其組織內(nèi)的液汁溶解到系統(tǒng)中，產(chǎn)生二次污染。筆者在利用竹子作為生物載體組建的生物反應(yīng)器修復(fù)城市河道水體時(shí)發(fā)現(xiàn)，在竹子浸泡在系統(tǒng)內(nèi)的前15 d 左右，竹子中的竹汁(主要是蛋白質(zhì)類物質(zhì))會(huì)溶解到系統(tǒng)中，并持續(xù)一段時(shí)間，使系統(tǒng)中的水質(zhì)呈黃色，而且出水氨氮濃度比進(jìn)水氨氮濃度要高得多。
2.2 溫度影響過于強(qiáng)烈
低溫條件下，生物反硝化效果明顯降低，可能的原因在于纖維素分解菌是中溫菌，當(dāng)水溫降低時(shí)，中溫菌體內(nèi)的酶系統(tǒng)因?yàn)闇囟鹊慕档投钚韵陆担瑥亩褂袡C(jī)碳源的供給出現(xiàn)短缺，反硝化作用下降。但也有人認(rèn)為，低溫條件下附著在固體物質(zhì)表面的生物膜流失較為嚴(yán)重，可能也是導(dǎo)致生物反硝化降低的主要原因〔20〕。至于低溫條件下生物膜大量流失的原因，目前尚不清楚，可能與生物膜的黏附力降低有關(guān)。
2.3 較低的反硝化速率
應(yīng)用于固相反硝化的纖維素物質(zhì)，分子質(zhì)量越低，其被反硝化菌降解的速率也越大，反硝化速率也就越大;分子質(zhì)量越大，其阻礙微生物靠近的阻力也就越大。纖維素物質(zhì)是一類固態(tài)物質(zhì)，分子質(zhì)量較大，其分解過程是一系列生物酶促過程，從而導(dǎo)致其碳源的供給速率較低而限制了反硝化速率，所以纖維素物質(zhì)反硝化速率和PHA、PHB 作為碳源的反硝化速率一樣，明顯低于液體碳源。
2.4 亞硝酸鹽積累問題
反硝化菌將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)庑枰?jīng)過4 步酶促反應(yīng)。即：
其中，NaR 和NiR 存在對(duì)碳源的競(jìng)爭(zhēng)問題，而且NaR 對(duì)碳源的競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)于NiR，當(dāng)碳源不足的情況下會(huì)引起亞硝酸鹽的積累問題。也有研究認(rèn)為亞硝酸鹽的積累會(huì)影響到NaR 和NiR 活性的表達(dá)，從而影響到反硝化效果。
2.5 不夠穩(wěn)定的反硝化速率
影響固相反硝化速率的不穩(wěn)定性因素有：(1)外加的固相碳源因分解作用使其易降解部分被充分地分解掉，剩下的最難降解的晶格結(jié)構(gòu)而不易被微生物分解，因?yàn)樘荚吹难a(bǔ)給受阻使反硝化下降。(2)由于固相碳源的分解，反硝化菌的吸附界面面積、孔隙率、粗糙度和反硝化與固相碳源吸附作用以及相互間的理化條件等發(fā)生了改變，有可能導(dǎo)致反硝化速率下降。
2.6 出水水質(zhì)需進(jìn)一步處理
利用纖維素物質(zhì)作為碳源和載體在處理含有硝酸鹽的水體過程中，出水往往有較多的懸浮物、較高的色度和濁度等，其原因是多方面的，而導(dǎo)致出水的感官效果不佳，都需要進(jìn)行深度處理以改善其水質(zhì)，例如：采用活性炭吸附、采用砂濾池進(jìn)行深度過濾等。
2.7 填料層堵塞問題
有些纖維素物質(zhì)使用一段后出現(xiàn)軟化,填料層的孔隙率明顯降低并出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，反硝化系統(tǒng)中的氮?dú)夂退疅o法順暢通過，導(dǎo)致反硝化進(jìn)程受阻。
2.8 其他弊端
纖維素物質(zhì)作為碳源用于生物反硝化脫氮過程會(huì)產(chǎn)生一些副作用，其分解過程會(huì)產(chǎn)生異味，引起水質(zhì)問題，不能保證水質(zhì)安全。如果用于水源水中硝酸鹽去除的話，由于自來水廠規(guī)模一般都很大，纖維素來源及其后續(xù)處理都是難以克服的問題。而且不同纖維素物質(zhì)碳源釋放規(guī)律和效果存在很大的差異，所以在選用纖維素物質(zhì)作為反硝化碳源和載體時(shí)需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)才能取得較好的效果。
3 纖維素物質(zhì)用作反硝化碳源和載體的發(fā)展趨勢(shì)
3.1 研究工作的全面性
目前用于固相反硝化研究的天然纖維素物質(zhì)較多，包括報(bào)紙、稻草、秸稈、天然植物、腐朽木等，在這些研究中比較關(guān)注的是這些物質(zhì)作為碳源作用時(shí)的特征，但是對(duì)其作為載體的特性研究甚少，因?yàn)樘烊晃镔|(zhì)在作為碳源的同時(shí)，生物載體上的生物量、孔隙率、比表面積、帶電性和剛度等影響到其處理效果和穩(wěn)定性。
3.2 預(yù)處理技術(shù)的開發(fā)
由于纖維素物質(zhì)在生長(zhǎng)過程中形成了較為豐富的組織液和堅(jiān)固的晶格結(jié)構(gòu)等，這些纖維素物質(zhì)組織液和晶格給生物反硝化過程帶來了一定影響。如：天然物質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)使其利用率難度加大、豐富的組織液會(huì)溶到反硝化系統(tǒng)中產(chǎn)生二次污染等。開發(fā)一定的預(yù)處理方法可以破壞晶格結(jié)構(gòu)或使其組織液釋放出來。
楊春平等發(fā)現(xiàn)，利用紫外線輻照、γ 射線輻照和氫氧化鈉等聯(lián)合處理方法處理小麥秸稈，可以提高秸稈的分解速率，破壞其晶格結(jié)構(gòu)。紅外線光譜表明，可能是輻照能提高羥基等基團(tuán)內(nèi)鏈的斷裂，故γ 輻照能降低羥基等基團(tuán)的數(shù)量。筆者等通過用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的氫氧化鈉溶液、清水等連續(xù)浸泡的方式，可使竹子中的竹汁等得到很好的釋放，基本上消除了天然物質(zhì)組織液對(duì)系統(tǒng)的影響。
3.3 提高反硝化速率技術(shù)的開發(fā)
整體來說，固相反硝化技術(shù)的反應(yīng)速率都較低，其中以纖維素物質(zhì)作為載體和碳源的固相反硝化速率較人工合成高分子物質(zhì)、液體碳源的反硝化速率要低得多。影響固相反硝化速率的因素是多方面的，包括固相碳源的可溶性、親水性狀況、晶格結(jié)構(gòu)、比表面積等。
有關(guān)資料顯示，反應(yīng)器內(nèi)的流態(tài)也是影響反硝化速率的至關(guān)重要的因素，德國(guó)設(shè)計(jì)的Denipor 工藝是使固體碳源處于懸浮狀態(tài)下，其反硝化速率是固定床狀態(tài)下的10~50 倍，同時(shí)還能防止填料層的堵塞問題。
筆者研究發(fā)現(xiàn)，以污泥/竹子為復(fù)合碳源的反硝化系統(tǒng)與以竹子為碳源的反硝化系統(tǒng)相比其反硝化速率要大得多�？赡茉蛴校�(1)復(fù)合結(jié)構(gòu)中具有更加復(fù)雜的微生物種群結(jié)構(gòu)，能提高微生物間的相互協(xié)作和共降解能力;(2)復(fù)合系統(tǒng)中具有較多的活性污泥包圍著竹子，使竹子表面處在更加厭氧的環(huán)境，有利于滋生厭氧微生物，加速對(duì)纖維素等高分子物質(zhì)的分解，提高碳源的供給速率，從而提高反硝化速率。
3.4 有關(guān)技術(shù)亟待解決
3.4.1 纖維素物質(zhì)界面上生物膜和固體碳源之間的作用機(jī)理
纖維素物質(zhì)在作為碳源的同時(shí)，也是反硝化等菌群的吸附界面，在生物膜和纖維素接觸的固相界面發(fā)生著極其復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。與人工合成的高聚物相比，天然纖維素物質(zhì)粗糙的表面上容易形成適應(yīng)其微環(huán)境的生物膜，生物膜形成速度快，生物膜的庇護(hù)環(huán)境使吸附在其上增殖的微生物越來越多，生物膜不斷變厚，生物載體支持生物膜的生長(zhǎng)。與此同時(shí)，吸附在載體上的微生物因適應(yīng)固相載體表面的微環(huán)境而產(chǎn)生出誘導(dǎo)酶，使天然纖維素物質(zhì)分解為生物膜生長(zhǎng)所需要的基質(zhì)。那么生物膜內(nèi)纖維素分解菌、固相反硝化菌在膜內(nèi)的分布規(guī)律、種群結(jié)構(gòu)和理化條件以及相互間作用機(jī)理等問題都亟需掌握，相信隨著微電子技術(shù)、分子生物學(xué)技術(shù)等發(fā)展，這些問題將一一得到解釋，也有利于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)固相反硝化機(jī)理等。
3.4.2 多污染基質(zhì)共存下的固相反硝化作用
水體中的污染物種類和數(shù)量極其復(fù)雜，在含有較高硝酸鹽濃度的水體中也常常含有難降解有機(jī)物、氨氮和磷酸鹽等污染物，這些污染物在硝酸鹽的分離過程中常常也伴隨著去除或轉(zhuǎn)化，這些物質(zhì)之間的關(guān)系有待深入研究。對(duì)固相反硝化技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用具有較為重要的價(jià)值，但是目前存在一定的爭(zhēng)議。以對(duì)水中有機(jī)物和硝酸鹽同步去除為例，王旭明等認(rèn)為在去除硝酸鹽的同時(shí)，有機(jī)物(殘留農(nóng)藥)是被固體碳源吸附和固體碳源表面的微生物所降解，并表現(xiàn)出“低促高抑”的現(xiàn)象，表現(xiàn)出明顯的共降解現(xiàn)象。但也有資料顯示，硝酸鹽廢水中所含有的難降解有機(jī)物的降解是因?yàn)橐恍┩鈦硖砑拥娜菀捉到獾挠袡C(jī)物產(chǎn)生共降解所致，在此過程中硝酸鹽也被有效降解，但是難降解有機(jī)物和硝酸鹽的分解之間并沒有非常密切的關(guān)系。
3.4.3 纖維素物質(zhì)中有機(jī)碳源釋放規(guī)律
孫雅麗等〔14〕在利用腐朽木作為固相反硝化碳源的過程中發(fā)現(xiàn)，腐朽木在微生物作用下所釋放出的有機(jī)物(COD)不斷減少，與此同時(shí)伴隨著硝酸鹽去除速率的下降和部分亞硝酸鹽濃度的積累。S. Aslan 等〔27〕利用不同的纖維素物質(zhì)作為固相反硝化碳源時(shí)也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。分析其原因是：固相反硝化進(jìn)行初期，纖維素物質(zhì)中容易釋放的物質(zhì)先被釋放和利用，隨著反硝化過程的不斷進(jìn)行，也伴隨著容易降解部分的耗盡，使固體纖維素物質(zhì)中可釋放的碳源越來越少，以致碳源供應(yīng)不足而使反硝化過程受阻。綜上，利用纖維素物質(zhì)中有機(jī)碳源的釋放規(guī)律決定著反硝化過程的進(jìn)程。要使纖維素物質(zhì)支持下的固相反硝化過程穩(wěn)定、高效進(jìn)行，應(yīng)深入了解纖維素物質(zhì)在使用過程中碳源釋放規(guī)律，如碳源釋放機(jī)理、碳源特性、碳源釋放速率和影響因子，并在此基礎(chǔ)上掌握纖維素碳源枯竭點(diǎn)(固相反硝化過程中硝酸鹽去除速率快速下降、亞硝酸鹽積累量迅速增加和COD 明顯降低等三者交匯點(diǎn))出現(xiàn)的預(yù)警方法。保證纖維素物質(zhì)支持下的固相反硝化過程中始終保持較為充足的碳源，從而保證較為穩(wěn)定和高效的反硝化過程。另外，纖維素物質(zhì)中主要成分為纖維素，此類有機(jī)碳很難轉(zhuǎn)化為溶解性有機(jī)碳，難以為生物降解提供可靠碳源，如何提高纖維素分解形成碳源的生化降解性是提高纖維素物質(zhì)固相反硝化的關(guān)鍵技術(shù)。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3.4.4 對(duì)纖維素物質(zhì)支持下的固相反硝化過程缺乏系統(tǒng)的研究
纖維素物質(zhì)支持下的固相反硝化有硝酸鹽轉(zhuǎn)化速率較低和亞硝酸鹽容易出現(xiàn)積累，特別是纖維素物質(zhì)出現(xiàn)碳源釋放枯竭等情況。對(duì)于這些問題目前沒有有效的解決方法，纖維素支持下的固相反硝化過程還處于實(shí)驗(yàn)階段，而且很多的實(shí)驗(yàn)研究還處于短時(shí)間過程，缺乏對(duì)纖維素物質(zhì)支持下的固相反硝化過程系統(tǒng)的研究。今后的研究應(yīng)針對(duì)：纖維素物質(zhì)支持下的固相反硝化長(zhǎng)期運(yùn)行管理控制方法、運(yùn)行特點(diǎn);纖維素物質(zhì)的更換時(shí)間、頻率、數(shù)量;不同的纖維素物質(zhì)之間碳源釋放規(guī)律特性以及它們之間的共性; 如何加快纖維素物質(zhì)支持下的固相反硝化過程的商業(yè)化進(jìn)程。如果纖維素物質(zhì)能夠被轉(zhuǎn)化為微生物可利用的有機(jī)物，如何控制其釋放速度也是制約其實(shí)際應(yīng)用的瓶頸問題。
