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农业废物反硝化固体碳源的优选

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中国环境科学201 1,31(5):748-754 China Environmental Science 农业废物反硝化固体碳源的优选 邵 留 ,徐祖信 ,金 伟。,尹海龙 (1.上海海洋大学水产与生命学院,海洋科学研究所,上海201306;2.同济 大学环境科学与工程学院.上海200092) 摘要:以甘蔗渣、玉米芯、稻草、稻壳、花生壳、木屑6种农业废物作为反硝化碳源和生物膜载体的备选材料。通过各物质浸出物质元素 分析、含碳量以及脱氮效果、生物附着性能等方面的比较,意在优选出适于推广的反硝化固体碳源.结果表明,6种农业废物的漫出液中均 未检测出铜、铅、铬及镉,安全性较好.甘蔗渣浸出液的有机碳含量和释放速率明显高于其他材料,木屑浸出液的有机碳含量则相对最低.其 中,玉米芯、稻草及稻壳表现出较强的持续供碳能力.以稻草、稻壳和玉米芯为碳源和载体的实验组盐去除率均达80%以上,而木屑实 验组由于碳释放量不足、生物附着性能较差等原因导致脱氮性能较差.试验初步优选出了玉米芯、稻草、稻壳可用做替代传统液体碳源的 固体碳源. 关键词:农业废物;反硝化;固体碳源;优选 中图分类号:X705 文献标识码:A 文章编号:1000—6923(201 1)05—0748—07 Optimization of solid carbon source for denitriication of agriculfture wastes.SHAO Liu ,XU Zu-xi ’JIN Wei , ,Yn Hai-long ̄(1.Institute ofOcean Science,College ofFisheries and Life,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306, China;2.College of Environmental Science and Engineering,Tongii University,Shanghai 200092,China).China EnvironmentalScience,2011,3l(5):748-754 Abstract:Agriculture wastes including bagasse,comcob,rice hull,rice straw peanut shell and sawdust were selected as potential carbon source for denitrification.Heavy metal element such as Cu,Pb,Cr,Cd,which negatively affect the metabolism ofmicroorganisms,were not detected.Release amount ofbagasse Was the highest and sawdust Was the lowest. Better contnuousi supply of crbon aWas found when corncob,rice hull nd arice straw were used s acaron bsource.Hiherg than 80%nitrate removal eficifency Was found when corncob,rice hull and rice straw were used as carbon souroe.Due to lOW carbon release and poor adhesive performance.1OW niratte rcmoval efficiency was found when sawdust Was used as carbon source.Corncob,rice hull and rice straw were,therefore,recommended as an economical and effective external carbon SOurcefordeniriticatifon. Key words:agriculture waste;denitrification;solid carbon source;optimization 利用生物反硝化工艺处理氮、磷含量较高的 物降解,具有广泛的开发前景.目前已有利用农业 城市污水过程中,补加碳源是保证处理效果的手 废弃物制造生物能源、活性炭、离子交换树脂等 2卜2”.而以农业废物作为反硝化碳源的研 段之一.对于碳含量相对不足水体,传统方法是投 的报道l加甲醇等液体碳源,该技术的弊端主要在于运输 究较多集中在反硝化效果的报道上,对于农业废 不便、成本过高以及液体碳源具有一定毒性等问 弃物的供碳机理却研究甚少. 题【I~1.为此,近年来相关学者纷纷提出不少替代 本研究以甘蔗渣、玉米芯、稻草、稻壳、花 传统工艺的反硝化碳源,如可生物降解聚合 物 。1、农作物[11-121、农业废物[13q81、污泥㈣ 收稿日期:2010 09—25 等.其中农业废物基于安全性和经济性等方面的 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51008219);]2海海洋大学博 士启动基金项目(A2400090143);上海高校选拔培养优秀青年教师科 优势,日益成为研究热点,并已取得了不错的研究 研专项基金(ssc09003);上海市教育委员会重点学科建设项目 成果l】引.农业废物被认为是地球上最丰富的可循 (J50701);环境科学上海市教育高地基金fB851moooo1) csm.gov.cn 环利用的有机物质12o],不仅成本低廉,且能被生 责任作者,教授,xzx@st5期 邵 留等:农业废物反硝化固体碳源的优选 749 生壳、木屑6种材料作为反硝化外加碳源的备选 pH 7.2~7.5,充氮气维持厌氧环境.培养液组成: 2.0g/L,MgSO4‘7H20 0.2g/L,K2HPO40.5g/L, 材料.这6种材料均具有较高的纤维素含量,纤维 KNO3 素降解菌可将纤维素转化为反硝化菌可利用的 酒石酸钾钠20g/L. 碳源,使得反硝化反应iliON进行.本研究目的在于 分别称取各农业废物l 0g放入2500mL滤嘴 通过对不同种类农业废气物浸出物质元素分析、 瓶中,加2000mL自配污水(以KNO3为氮源, 释碳量的比较、脱氮效果、生物附着性能等方面 K2HPO 为磷源,外加适量的微量元素)使各实验 的研究,筛选出来源方便、费用低廉、结构稳定、 组水体盐开始浓度均为8.8mpWL;同时接种 按试验设定时间取 脱氮效果好、副效应低的碳源,为碳源的推广提 反硝化菌富集培养物20mL.供理论支持,也为治理盐污染水体提供新的 样,测定水中盐浓度. 思路. 2结果与讨论 1材料与方法 2.1浸出液元素物质分析 1.1农业废物的预处理 由表1可以看出,历经14d的浸泡后,6种农 玉米芯、稻草、稻壳、木屑、花生壳、甘蔗 业废弃物的浸泡液中:Cu、Pb、Cd、Cr四种金 渣6种农业废物收购于上海市崇明县农村地区. 属元素的含量均低于检测限,未能检出.各浸出 回收后洗净、晾干,储藏于干燥箱中.整个实验使 液As含量均<0.5mg/L,Zn含量最高的为甘蔗渣 用同一批材料. 试验组,含量为6.3mg/L.考虑到实际应用中,来 水流量和流速均远远大于试验状态,因此当此 1.2农业废物浸出液元素成分的测定 分别称取10g备用的6种农业废物分别加入 类农业废弃物用做生物反硝化碳源时不会对环 500mL三角瓶中,加400mL水浸泡.14d后取样, 境安全造成影响,环境友好度较高.另外,有报道 使用ICP-OES(电感耦合等离子体发射光谱仪 指出L2引,碳源材料浸出液中的金属离子可以为 inductively coupled plasma optical emission 反硝化过程中所需的酶提供活性中心,从而提 spectrometer,美国Perkin.Elmer公司)对浸泡液进 高装置的反硝化速率.因此,6种材料作为反硝化 行物质元素分析. 碳源和生物膜载体去除水中的盐是安全可 行的. 1.3农业废物浸出液TOC及TC的测定 分别称取10g备用的6种农业废物于 1000mL三角瓶中,加1000mL蒸馏水浸泡.分别 于第3,5,7,15d时取样,使用总有机碳分析仪(日 本岛津公司TOC分析仪)测定碳源浸出液中的 表1 农业废弃物浸出液元素含量(mg/L) Table 1 Analysis of agriculture waste lixivium(mg/L) 样品名 甘蔗渣 稻壳 Cu n.d. n.d. n.d. n.d. Pb n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. Cd n.d n.d n.d. Cr n.d As 0-37 Zn 6-30 TOC(总有机碳)及TC(总碳)含量. 1。4碳源材料表面形态及生物附着情况的电镜 扫描 n.d. n.d. n.d. n.d. n.d 0.14 O-2O 0.14 O.13 2.09 1.9O 3.23 1.61 稻草 玉米芯 n.d n.d. 采用电镜扫描法对碳源材料的表面性质进 行表征,以分析碳源材料的生物附着容易程度.采 用S一450型(Phillips)扫描电子显微镜(SEM一 花生壳 木屑 n.d. n.d. n.d. 0.08 1.69 注:n.d.表示未检出 scanning electron microscope 1对被选碳源材料 2.2浸出物TC及TOC分析 进行表面形态及生物附着情况的观测. 1.5碳源静态反硝化试验 为考察6种碳源材料的有机物释放水平, 反硝化菌的培养:选取花园泥土作为接种物, 检测了碳源浸出液中TC及TOC含量随时间的 加入自行配制的培养液后,25℃恒温培养,控制 变化. 750 中国环境科学 31卷 一 g一譬uo工艇丑 ^ 邑 .g是习 ^ 邑 g是丑 4 4 3 3 3 3 瑚 咖 湖 锄 伽 曼 2 号| 2 4 6 g lO l2 l4 l6 8 1O 12 14 16 时问(d) 时间(d) 曼 ∞ 如 们 如 加 m ∞ 餐 2 ‘于三 2 4 6 8 1O l2 l4 16 8 lO l2 14 l6 时间(d) 时间(d) 毫 曼 疑 昌 号| 2 4 6 8 10 I2 t4 【6 8 lO 12 l4 16 时简(d) 时问<d) 图】碳源材料浸出液TOC及TC的变化 Fig.1 Chang ofTOC and TC in lixivium according to time 由图1可以看出,随着时问的推移,各实验 释放试验开始的第1周内,甘蔗渣浸出液TC和 组TC及TOC含量均出现不同程度的增加.试验 TOC浓度随着时间的延长增长迅速,之后随着 期间备选材料释碳量大小依次为:甘蔗渣>花生 试验天数的增加,增长趋势有所放缓(图1a);花 壳>玉米芯>稻草>稻壳>木屑.纵观浸出液TOC 生壳浸出液中TC和TOC浓度变化曲线(图ld) 所占TC比例,发现备选材料浸出液中TOC含量 与甘蔗渣类似,出现后期释碳能力降低现象,主 均占TC的90%以上,均符合作为碳源材料的基 要是因为浸泡初期,甘蔗渣和花生壳表面附着 本条件——能释放出大量有机碳.比较而言,甘 的小分子有机物大量溶出,表现为浸出液中TC 蔗渣上浸出液中TC和TOC含量和其他几种材 及TOC增长迅速;之后,浸出液TC及TOC的增 料相比高出1个数量级,高达3000mg/L以上.在 加主要来自材料本身纤维素的分解,因此释碳 5期 邵 留等:农业废物反硝化固体碳源的优选 753 性有一定的相关性外,还与材料的供碳能力息息 降至2mg/L以下.以稻草、稻壳和玉米芯为生 相关.在本研究中,木屑和稻草两者的对比就印证 物反硝化碳源的试验组均能在短时间内拿到 了该结论.在处理前,两者都均为表面较为光滑, 较好的盐去除效果,这主要是因为3种材 但处理后稻草表面生物膜覆盖率要明显优于木 料释碳能力强,且有较强的持续供碳能力;木屑 屑.两者出现这一明显差异的主要原因是稻草的 静态脱氮实验组效果较差,水体盐浓度始 释碳速率与释碳量明显优于木屑,而充足的碳源 终高于5mg/L,16d后盐去除率仍未见明显 供应为反硝化微生物的生长繁殖提供了有利的 增加,试验情况下仅获得25%左右的去除率.结 保障,因此稻草更具竞争优势. 2.4静态脱氮性能 合备选碳源浸出液TOC及TC试验可知,木屑 浸出液TOC及TC浓度始终低于100mg/L,远 0 O 8 O 6 O 4 O 2 O 0 由图4可以看出,稻草、稻壳和玉米芯静态 低于稻草、稻壳和玉米芯浸出液的TOC和TC 脱氮试验均取得了较好的效果,试验开始后第 浓度.因此,可以推断木屑静态脱氮试验组较差 ∞ O 一 斟篮 2d,稻草实验组的盐浓度下降非常明显,由 的脱氮效果与其浸出液有机碳浓度过低有关, O一 8.8mg/L降至2mg/L以下,去除率就达80%以上; 即木屑实验组中反硝化碳源不足,导致反硝化 稻壳和玉米芯实验组也在试验开始后第3d硝 反应受阻,盐去除率明显低于其他几个实 7 J斗 I 一、 g—z n0z 6 5 3 一 g8 9 5 5 0 酸盐去除率均达80%以上,水体盐浓度均 验组. 9 9 & 5 1OO 7.5 一 80 — 6 邑 60邑 瓣 z 4_5 呈3 I・5 O 4o簧 20 0 0 l 2 3 4 .5 7 9 l3 l6 0 1 2 3 4 5 7 9 l3 l6 时间(d) 9 7.5 6 时间(d) 35 30 25— 邑 4 5 20荨 篱 1O 5 0 呈3 1-5 0 O 1 2 3 4 5 7 9 l3 16 0 l 2 3 4 5 7 9 13 l6 时间(d) 时间(d) 图4碳源静态脱氮试验NO3-N浓度及去除率变化 Fig.4 Change of nitrate removal e ̄ciency according to time 3结论 壳、木屑6种农业废物作为反硝化固体碳源,与 传统液体碳源相比,这6种碳源材料更为安全,其 3.1 选取甘蔗渣、玉米芯、稻草、稻壳、花生 浸出液未检测到铜、铅、镉、铬等重金属元素. 754 中国环境科学 3l卷 as carbon so ̄'ce 3.2 甘蔗渣由于浸出液中有机碳浓度过高,达 Glycyrrhiza glabra,and Gracilaria vEn1“ 阳【JJ.Proeess Biochemistry,2006’41:1289—1295. 3000mg/L以上:花生壳浸出液后期的有机物释 [】5】Oyez B,Ozgen S,Yuksel M.Biological denittiifeation in drinking 放能力不足,即可持续释放有机物的能力较差.碳 源溶出物质有机物含量过高会对水体造成二次 因此甘蔗渣和花生壳不适于作为反硝化碳源. water using Glycyrrhiza glabra and Arundo donax as the carbon source[J].Process Biochemistry,2006,41:1 539一I 544. 污染,而有机物释放后劲不足又会导致供碳不足, [16J邵 留,徐祖信,金3.3脱氮试验表明,以稻草、稻壳和玉米芯为碳 [17】李晔,章伟,等.以稻草为碳源和生物膜载体去除水 中的盐[J】.环境科学,2009,30(5):1414-1419. 昱,陈家宏,等.污水反硝化脱氮的固态有机碳源选 源和载体的实验组盐去除率均可达80%以 [1 8】曹文平,张永明,李亚峰,等.竹丝填充床对高有机负荷及低上,而木屑实验组由于碳释放量不足、生物附着 草、稻壳可用做替代传统液体碳源的固体碳源. 参考文献: 【1】 曾薇,李磊,杨莹莹,等.A O工艺处理生活污水短程硝化反 硝化的研究[J].中国环境科学,201 O,30(5):625—632. 择实验研究【J】.武汉理工大学学报,2010,32(6):27—31. C/N 水质的脱氮特性[J】.中国环境科学,2010,3O(8):lO67—1072. 性能较差等原因导致脱氮性能较差.玉米芯、稻 [19】吴一平,王旭东.初沉污泥作为生物脱氨除磷快速碳源的转化因 素研究【J1.西安建筑科技大学学报,2005,137(4):12—13. 【20】Orlando U S,Baes A U,Nishijima et a1.Preparation of agricultural residue anion exchangers and its niWate maximum adsorption capacity[J].Chemosphere,2002,48:1041—1046. [21】钟长庚,李双华.用稻草和含碱废液制取黄原酸酯并处理含铜废 水【JJ.中国环境科学,1 995,1 5(4):294—297. 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