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(dú)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(dú)特優(yōu)勢(shì)，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(duì)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(huì)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(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大環(huán)境瓶頸。為了應(yīng)對(duì)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(shí)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(yùn)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(jí)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(duì)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(jí)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(chǔ)和運(yùn)輸不便、價(jià)格高昂，且對(duì)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(duì)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(duì)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(huì)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(huì)引起依賴碳源代謝的微生物的競(jìng)爭(zhēng)，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。化工碳源成分往往比較單一，依賴單一碳源代謝的微生物競(jìng)爭(zhēng)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(duì)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(huì)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(huì)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(gè)成功案例的涌現(xiàn)為其廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)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(duì)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)。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(shí)現(xiàn)了資源的循環(huán)利用。同時(shí)，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(shí)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(duì)具體工藝進(jìn)行優(yōu)化選擇成為了一個(gè)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(duì)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(gè)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(duì)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(yàn)證生物質(zhì)碳源在實(shí)際工程中的可行性與效果，推動(dòng)其從實(shí)驗(yàn)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。

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編輯：李丹