不同碳源及其碳氮比对反硝化过程的影响

糖类 400mg NO3- / L 物质 500mg NO3- - N（/ L·d - 1）
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纤维素 100mg NO3- / L 22（/ mg·L - 1）
反硝化率
95. 7% ～ 100%［6］
88% ～ 92%［7］ 90% ～ 95%［8］
80%［7］ 85 ～ 96%［9］
100%［10］ 80% ～ 100%［11］
不同碳源及其碳氮比对反硝化过程的影响 王丽丽
100% 。Soares M. I. M.［11］等以原棉作为碳源处理 井中饮用水的 NO3- 时，处理效果也达到了要求。
纤维素作为碳源，可以取得不错的效果，但是 通常会受到温度的影响（ Volokita［10、17］）（1996），以 及后处理所带来的困难，实用性并不是很好。 1. 4 不同碳氮比对反硝化效果的影响
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环境保护科学 第 30 卷 总第 121 期 2004 年 2 月
表 1 反硝化细菌在 20℃ 时的有关动力学常数
µma（x d - 1）
Y （mgvss / mgN） （mgvss / mgBOD）
Kd（d - 1）
反 硝 化 菌
7.
0. 3 ～ 0. 9 0. 9 ～ 5. 0 92（ CH3OH）
机物组成，难以被反硝化细菌利用作为碳源，因此， 经过 2h 后，COD 仅降低 34. 8mg / L，NO3- - N 仅去 除 6. 7mg / L；但是当以甲醇作为碳源时，不仅反硝 化效果及速度随甲醇废水投 加量的增加而增大
（ 如图 1），且其 COD 去除效果也随甲醇废水投加 量的增大而提高。
姜桂华［5］通过经验发现：投加葡 萄 糖 实 验 的 NO3- - N 去除率明显高于未投加碳源的实验效果； 投加的碳源越多，NO3- - N 的去除率越高。而后者 随着实验时间的延长，细菌的脱 NO3- - N 作用因 缺乏碳源受到限制，达不到很好的去除效果。Duk - Jin Kim［14］在流化床反应器中以蔗糖为碳源研究 不同碳氮比对反硝化的影响。当碳氮比在 0 ～ 508 之间改变时，反硝化率可达到 71 ～ 99% 。
1 不同碳源及其碳氮比的影响
1. 1 碳源的分类 按照碳源对反硝化速率的影响，碳源通常可以
分为以下三种类型：第一类是易于生物降解的有机 物（ 如甲醇、蔗糖、葡萄糖等）；第二类为可慢速生 物降解的有机物（ 如淀粉，蛋白质等）；第三类为细 胞物质，细菌会利用细胞成分进行内源反硝化。这 三类碳源的反硝化速率各不相同，一般来说，在反 硝化过程中，易于生物降解的有机物是最好的电子 供体，不仅其反硝化速率最快，且还能够提高生物 处理装置的能力和效率，使反硝化过程稳定可靠； 但相对来说，细胞物质由于其生物降解比较困难，
不仅碳源对反硝化有影响，进水的 C / N 也是 影响脱氮系统除氮效果的一个重要因子。
Barnard 曾 发 现 在 大 多 数 城 市 污 水 处 理 中， TCOD；TKN 为 7h，可以实现完全 的 反 硝 化 反 应； Goronsy 认为通常情况下，如果要想达到同时脱氮 除磷，则 TCOD：TKN 至少要在 9 以上［18］。由此表 明碳源的供应对反硝化有很强的影响作用。因此 足够的碳源，尤其是适宜的碳氮比，是保证有效的 反硝化反应的必要条件。所谓适宜碳氮比是指在 一定的进水硝酸盐浓度下，完全或接近完全反硝化 所需的最少有机物与硝酸盐氮之比［12］。下面分别 对不同碳源的碳氮比进行讨论。
0.
0. 4 ～ 0. 9 664（ CH3OH） 0. 6 ～ 0. 8
0. 4 ～ 0. 5 0. 18（CH3OH）
0. 04 ～ 0. 08 0. 048
理论产率而言，甲醇都是其中最理想的碳源。同时
外加碳源不仅能够促进人工细菌的脱氮作用，还能 够提高细菌的脱氮能力〔5〕。
1. 3 不同碳源的反硝化效果 不同的有机物在作为碳源时，若采用不同浓度
由表 2 可以看出，甲醇的反硝化率是很高的， 其作为易于生物降解的低级醇类，极易被反硝化细 菌所利用［12］。 且 其 作 为 强 还 原 化 合 物［4］，微 生 物
生长量是很低的，由 1. 2 知，甲醇适宜被用作反硝 化过程的电子供体。有人通过采用以硝化池出水
中的有机物及甲醇分别作为碳源进行对比实验发 现［2］，尽管前者 COD / NO3- - N 已接近 10. 9，但由 于它们主要是由未被降解的且较难生物降解的有
当以甲醇作为碳源时［8］，其反硝 化 反 应 可 用 下式表示：
6NO3- + 5CH3 OH→3N2 + 5CO2 + 7H2 O + 6OH 由上式计算可以知道，每 mgNO3- - N 还原为
氮气需要消耗 2. 47mg 的甲醇。但是由 1. 2 可知， 碳源并非全部发生氧化，还有部分会转化成细胞物 质 C5 H7 NO2 ，因此一般取 CH3 OH / NO3- - N 要略高 于计 算 值 2. 47，取 为 3. 0，其 最 佳 范 围 是 2. 8 ～ 3. 2［12］。
其他物质同样由于细胞物质的转化，而使得实
际的碳氮比要比理论计算的碳氮比值稍大些。表
3 是对一些物质的反硝化过程的反应式及其适宜 的碳氮比进行的总结。
表 3 反硝化过程的反应式及其适宜的碳氮比
碳源 甲醇［8、19］
乙醇［8］
乙酸［20］ 葡萄糖［8、12］ 纤维素［8］
反应式 6NO3- + 5CH3 OH→3N2 + 5CO2 + 7H2 O + 6OH -
的氮源，则其处理效果是不一样的。表 2 列出了不 同碳源在不同浓度氮源下对反硝化过程的影响。
表 2 不同碳源在不同浓度氮源下对反硝化的影响
碳源
进水 NO3- - N 浓度
甲醇 1. 92 - 3. 84kg NO3-- - N（/ m3·d - 1）
乙醇 240 - 1300mg NO3 - N/ 1day 1. 0 - 1. 54kg NO3（/ m3·d - 1）
14CH3 OH + 3NO3- + 4H3 CO3 →3C5 H7 N2 + 20H2 O + 3HCO35C2 H5 OH + 12NO3- →10HCO3- + 2OH - + 9H2 O + 6N2
0. 613C2 H5 OH + NO3- →0. 102C5 H7 NO2 + 0. 714CO2 + 0. 286OH - + 0. 980H2 O + 0. 449N2 5CH3 COOH + 8NO3- →8HCO3- + 2CO2 + 6H2 O + N2
故反硝化速率是最慢的〔1、2〕。 1. 2 不同碳源的动力学参数
反硝化菌在不同的碳源下，通过不同的呼吸途 径，不仅产生的能量不同，而且细胞的产率也大不 相同〔3〕，即有机物质并非全部发生氧化，还要部分 转化成为细胞物质。若有机物质转化成细胞的百 分率越大，说明有机物的利用率越低，则对其的需 求量就会越大〔4〕。反硝化菌的细胞产率与所采用 的碳源的性质间的关系非常密切。在反硝化过程 中应采用低生长量（ 即细胞产率低）的有机物质作 为碳源。一般来说，单碳化合物的生长量比较低， 这是因为从单碳化合物中合成细胞组分所需的能 量大，这样阻力的存在就阻止了细胞的生长。表 1 列出了反硝化菌在 20℃ 时的有关动力学常数〔3〕。 （ 其中 µmax 为微生物的最大比生长速度；Kd 为微生 物内源衰减系数；而 Y 值是微生物理论产率，也就 是指每消耗一毫克基质时，产生的相应的微生物毫 克数）。
硝化试验，研究发现，用甲醇时硝酸盐氮去除率达
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图 1 甲醇对 NO3- - N 降解的影响
95% ，用乙醇时达 85% 。由此可见，乙醇作为甲醇 的替代物来作为反硝化过程的外加碳源时，其处理 效果令人满意，这样的替代是相当可行的。
在生物脱氮中使用得较多的碳源是甲醇和乙 醇。除此之外，糖类物质如葡萄糖及蔗糖不仅是日 常生活中常用的甜味剂，且均为优质价廉的化工原 料。采用其作为碳源，处理效果比较理想且经济。
糖类物质作为碳源其处理效果是比 较理想 的，但也有一定的缺陷。G"mez M. A.［15、16］等曾采 用蔗糖、乙醇及甲醇作碳源处理受污染的地下水。 结果表明，以蔗糖作外碳源时，会产生亚硝酸盐的 积累，另两种碳源则几乎没有积累现象；同时发现， 以甲醇和乙醇作碳源的体系中，溶解氧的影响要远 远低于蔗糖体系中溶解氧的影响。另外，其作为高 碳化合物，微生物生长量相对要高于醇类物质，这 样在反应体系中，就易引起堵塞。
不同碳源及其碳氮比对反硝化过程的影响 王丽丽
不同碳源及其碳氮比对反硝化过程的影响
InfIuence of Different Carbon Source and Ratio of Carbon and Nitrogen For Water Denitrification
王丽丽 赵 林 谭 欣 闫 博 （ 天津大学环境科学与工程学院 天津 300072）
在以蔗糖为碳源时，若欲将每 mgNO3- - N 还 原为 氮 气 则 理 论 计 算 需 要 消 耗 1. 07mg 的 蔗 糖。 同样由于细胞物质的转化，实际碳氮比应比理论值
要稍大些。若碳氮比为 1. 5，则出水中就会有较高 的 NOx- - N 剩余；若取 2、2. 5 时，处理效果非常理 想，NO3- - N 脱 除 率 可 达 100% 。但 在 通 常 情 况 下，脱除率达到 90% 左右即可，故可取碳氮比 为 1. 88。
尽管甲醇 可 生 物 降 解 性 极 大，反 硝 化 效 果 很
好，但是由于其价格高，有毒性以及运输等带来的
困难，目前正在采用一些可用来替代甲醇的物质作
为外加碳源。乙醇便不失为甲醇较好的替代物，与
其他物质相比，乙醇的微生物细胞产率较低，具有
令人满 意 的 去 除 效 果，适 合 作 为 碳 源 补 充。 谢 永 明［13］曾经分别以甲醇及乙醇作为外加碳源进行反
Key words Denitrification Carbon Sourec C / N Ratio Water Treatment
在生物反硝化系统中，反硝化菌可以利用碳源 作为 电 子 供 体，NO3- 和 NO2- 作 为 电 子 受 体，将 NO3- 和 NO2- 还原成氮气，同时达到去除有机物的 效果。由此可见，碳源是反硝化过程所不可少的一 种物质。同时进水的 C / N 也是影响生物脱氮除氮 效果的重要因素。本文主要对生物反硝化除氮过 程中不同的碳源及其碳氮比对反硝化作用效果的 影响进行论述总结。
摘要 碳源及碳氮比是生物法处理氨氮废水过程中的两个重要因素。本文论述了甲醇、蔗糖、报纸等不同物质作为碳 源及其碳氮比对反硝化过程的影响，并对各碳源适宜的碳氮比加以总结。
关键词 反硝化 碳源 碳氮比 水处理
Abstract Carbon source and C / N ratio are important factors for denitrification. The objective of this paper is to introduce the influence of different carbon source，such as methanol、sucrose、glucose and newspaper etc and the effect of C / N ratio on denitrification，.
由表 1 中数据可知，反硝化过程与所利用碳源 的性质是有关的。无论是对微生物的最大比生长 速度、微生物的内源衰减系数，还是对于微生物的
收稿日期：2003 - 09 - 05 修回日期 2003 - 10 - 15 基金项目：天津市自然科学基金资助项目（ 项目编号 0136101111） 作者简介：王丽丽（1978 - ），女，内蒙古通辽人，研究生 .
生物反硝化过程多是以简单化合物作为碳源， 如甲醇、乙醇等；除此之外，纤维素也逐渐地被采用 作为有机碳源。纤维素是线性葡萄糖聚合物，是一 种多糖类 物 质，在 相 邻 并 行 的 羟 基 之 间 以 氢 键 相 连［10］。
Volokita［10、17（］ 1996 ）等 曾 以 碎 报 纸 及 原 棉 作 为碳源处理饮用水中的 NO3- ，其作为唯一的碳源 及微生物的载体，可迅速脱去硝酸盐而无亚硝酸盐 的积累，对 100mg / L 的 硝 酸 盐 脱 除 率 可 近 似 达