左雨航，宋明志，駱輝，蔡冰鑫，掌文浩， 荊肇乾，何寶杰，王惠騰，秦騰，蔡吉祥

(1.江蘇海洋大學(xué) 土木與港海工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005；2.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037； 3.重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400030；4.新疆生物類固廢資源化工程技術(shù)研究中心，新疆 喀什 844006)

近年來，水體的氮素污染日益嚴(yán)重，富營養(yǎng)化問題不斷加劇，飲水安全受到嚴(yán)重威脅[1]。因此，開發(fā)有效的脫氮技術(shù)，解決尾水中氮素含量高的問題勢在必行。人工濕地系統(tǒng)脫氮技術(shù)是一種通過濕地植物、基質(zhì)填料及微生物協(xié)同作用來實(shí)現(xiàn)尾水凈化的處理技術(shù)[2]，其具有高效便捷、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于生活污水等水體的處理[3]。人工濕地中氮素的去除效果與濕地中的碳源含量有著重要的關(guān)系[4]；但是，我國的尾水普遍存在反硝化碳源不足的問題[5-7]，而通過投加適量的外碳源將會顯著改善人工濕地的脫氮效果。但是甲醇、乙醇等這些傳統(tǒng)的外加碳源使用成本高、運(yùn)輸困難，而將農(nóng)業(yè)廢棄物作為外加碳源進(jìn)行合理利用，不僅物美價廉，而且是農(nóng)業(yè)廢棄物資源化的有效途徑[7]。

本文以農(nóng)業(yè)廢棄物制備的外加碳源為中心，梳理了目前研究較多的幾種農(nóng)業(yè)廢棄物，總結(jié)了它們的釋碳性能、脫氮能力等，分析了不同預(yù)處理方法對農(nóng)業(yè)廢棄物釋碳性能、反硝化效果及表面特征的影響，并提出了以農(nóng)業(yè)廢棄物制備發(fā)酵液或緩釋碳源基質(zhì)的研究，旨在為農(nóng)業(yè)廢棄物資源化和生物質(zhì)脫氮研究提供參考。

1 人工濕地系統(tǒng)中外加碳源的選擇

人工濕地脫氮主要包括氨氮轉(zhuǎn)化為濕地植物的有機(jī)組成部分，最后通過收割達(dá)到脫氮；當(dāng)尾水pH值較高時，小部分氨氮可自由揮發(fā)以及微生物的硝化和反硝化作用[8]三種方式，其中微生物的硝化和反硝化作用是濕地脫氮的主要途徑[7]。而微生物的反硝化需要大量的碳源[9]，因此常投入適量的外加碳源以強(qiáng)化人工濕地的反硝化效果。

外加碳源一般可分為氣體碳源、液體碳源和固體碳源[10]。其中，氣體碳源主要有沼氣與甲烷；傳統(tǒng)的液體碳源主要有甲醇、乙醇、乙酸等低分子有機(jī)物和葡萄糖、蔗糖等低分子糖類，Rustige等[11]研究發(fā)現(xiàn)這些傳統(tǒng)的液體碳源有著良好的脫氮效果，硝態(tài)氮與氨氮的去除率能達(dá)到90%。但是這些傳統(tǒng)的液體碳源存在著自身毒性、使用成本高等問題[5，7]。新型液體碳源包括有機(jī)廢物水解液或滲濾液以及工業(yè)廢水，Qi等[12]發(fā)現(xiàn)餐廚食物的水解液作為外加碳源時其總氮的去除率可達(dá)(87.4±7.2)%。固體碳源包括人工合成的可降解聚合物和天然纖維素等，其中天然纖維素碳源以其成本低廉，容易獲得等優(yōu)勢而廣受關(guān)注，成為研究熱點(diǎn)。

天然纖維素碳源主要指的是以農(nóng)業(yè)廢棄物、園林凋落物等制備的植物碳源。這類碳源的細(xì)胞壁主要由纖維素、半纖維素及木質(zhì)素組成。植物體在發(fā)酵過程中釋放的碳素主要來源于纖維素和半纖維素，而木質(zhì)素是一種高分子芳香族化合物，本身難以分解，但是纖維素卻被木質(zhì)素與半纖維素包圍著，這使得纖維素的分解也受到了限制[13]。因此，合適的預(yù)處理對天然纖維素碳源而言是極其必要的。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)作物的產(chǎn)量也大幅提高，農(nóng)業(yè)廢棄物也伴隨著增加。將農(nóng)業(yè)廢棄物作為反硝化碳源進(jìn)行合理利用，不僅物美價廉、容易獲得，而且更是農(nóng)業(yè)廢棄物資源化的有效途徑。目前，陶正凱、丁怡、楊玉婷等[5，7，14]都對以農(nóng)業(yè)廢棄物制備外加碳源強(qiáng)化尾水脫氮的效果進(jìn)行過系統(tǒng)的研究。

目前，隨著研究的深入，以農(nóng)業(yè)廢棄物制備的外加碳源還存在著一些問題，如碳源中難降解的有機(jī)物會造成人工濕地系統(tǒng)的堵塞[7]，從而影響濕地系統(tǒng)的脫氮效率；另一方面由于不同碳源的組成成分也不盡相同，導(dǎo)致其比表面積及硬度也不同，這也會影響碳源的釋碳量、微生物的附著、脫氮效率等[15]；而且部分碳源還存在著釋碳不持續(xù)，后期釋碳能力不足的問題[16]。為了更好地解決以上問題，不少學(xué)者開展了以農(nóng)業(yè)廢棄物制備發(fā)酵液及緩釋碳源基質(zhì)強(qiáng)化尾水脫氮的研究。

2 以農(nóng)業(yè)廢棄物制備反硝化碳源的研究進(jìn)展

采用農(nóng)業(yè)廢棄物制備外加碳源以其簡單易得、成本低廉、無毒無害等優(yōu)勢，而廣受關(guān)注。邵留等[17]檢測了多種農(nóng)業(yè)廢棄物浸泡14 d后其浸出液中Cu(銅)、Pb(鉛)、Cd(鎘)、Cr(鉻)等金屬元素的含量，檢測結(jié)果均低于限值，未能檢出；方遠(yuǎn)航等[18]將6種農(nóng)業(yè)廢棄物浸泡15 d，檢測其浸出液中Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni的含量，發(fā)現(xiàn)使用農(nóng)業(yè)廢棄物作為反硝化碳源不會對水環(huán)境造成危害。這些研究都表明農(nóng)業(yè)廢棄物作為外加碳源應(yīng)用于人工濕地系統(tǒng)，不會對生態(tài)系統(tǒng)造成重金屬污染。本節(jié)將列舉部分較為熱門的通過農(nóng)業(yè)廢棄物制備的外加碳源，為今后以農(nóng)業(yè)廢棄物制備外加碳源的研究和進(jìn)一步優(yōu)選提供參考。

2.1 秸稈類農(nóng)業(yè)廢棄物

農(nóng)作物秸稈廣泛分布于我國農(nóng)村地區(qū)，其中主要來源為水稻秸稈、玉米秸稈和小麥秸稈，截止2009年，我國農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量為8.2億t[19]，有著充足的可利用資源。

2.1.1 水稻秸稈 以水稻秸稈制備外加碳源是目前農(nóng)業(yè)廢棄物制備外加碳源的研究熱點(diǎn)之一，為大多數(shù)研究人員所青睞，同時也積累了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究成果。曹文平等[20]研究發(fā)現(xiàn)pH值偏酸性條件下更適合于水稻秸稈釋碳，且呈現(xiàn)出了pH值越低，釋碳越快的現(xiàn)象，這主要是因?yàn)閴A性溶液會減緩水稻秸稈中有機(jī)酸的釋放速率和釋放量而且纖維素分解菌是一種喜好酸性環(huán)境的微生物；研究還發(fā)現(xiàn)水稻秸稈在完全厭氧環(huán)境下碳的釋放量要遠(yuǎn)大于絕對好氧環(huán)境，40 d后完全厭氧環(huán)境下水稻秸稈的釋碳總量比絕對好氧環(huán)境下增長了42.7%；并且水稻秸稈對硝態(tài)氮的去除效果良好，基本都保持在75%以上。邵留等[17]也研究發(fā)現(xiàn)水稻秸稈對硝態(tài)氮的去除率可以保持在80%以上且在短時間內(nèi)就能達(dá)到很好的去除效果，水稻秸稈對硝態(tài)氮有著良好的去除效果主要是由于水稻秸稈有著較強(qiáng)的釋碳能力，方遠(yuǎn)航等[18]發(fā)現(xiàn)水稻秸稈的傳質(zhì)系數(shù)(K)在其所研究的幾種農(nóng)業(yè)廢棄物中最大，為81.97 mg/(g·L·h)，這表示其傳質(zhì)阻力最小，也證實(shí)了水稻秸稈釋碳更容易，釋碳能力更強(qiáng)。

2.1.2 小麥秸稈 王玥等[21]研究發(fā)現(xiàn)小麥秸稈 10 d 后的釋碳量為623.53 mg/L，要優(yōu)于水稻秸稈的537.51 mg/L，且其持續(xù)供碳能力穩(wěn)定，呈現(xiàn)平緩增長趨勢；但是其釋放出的有機(jī)碳含量相對較低，相較于總的釋碳量，有機(jī)碳的釋放量更能反映微生物可利用的碳源量，這也表明了小麥秸稈在脫氮過程中可被利用的碳源量更低，可能會影響反硝化的效率[22]；而且其前期的釋氮速度也很快，于6 d左右便進(jìn)入平穩(wěn)期，10 d后浸出液的總氮含量為 22.67 mg/L，約為花生殼與稻殼的2倍，這是因?yàn)樾←溄斩捴械拇值鞍缀枯^高，粗蛋白中含有氮元素導(dǎo)致其浸出液氮元素含量偏高[23]，凌宇等[22]通過對6種材料C、N、P含量的檢測也發(fā)現(xiàn)，小麥秸稈中N的含量較高為11.02%。雖然小麥秸稈總釋碳量相對較高，但是其有機(jī)碳的釋放量相對較低，釋氮量也較大，這便會導(dǎo)致其碳氮比較低而造成反硝化效率低、出水COD值偏高等問題。

2.1.3 玉米秸稈 玉米秸稈含有較高成分的纖維素物質(zhì)，其纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的含量分別占37.72%，29.17%，9.47%[24]。李同燕等[25]發(fā)現(xiàn)玉米秸稈的釋碳量呈現(xiàn)先快后慢的特征，原因是由于前期玉米秸稈表面的一些較易溶于水的小分子有機(jī)物在水中快速溶解，釋碳速率上升，隨著時間的推移，玉米秸稈內(nèi)部易分解的物質(zhì)減少，纖維素與半纖維素開始分解，釋碳速度也逐漸減緩。NaOH可有效去除部分難溶解的半纖維素和木質(zhì)素[25]，因此眾多學(xué)者會利用不同濃度的NaOH對玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理來達(dá)到更好的釋碳效果。李曉崴等[13]將玉米秸稈采用2%的NaOH溶液進(jìn)行處理后發(fā)現(xiàn)玉米秸稈的平均釋碳量為34.90 mg/(g·d)，要優(yōu)于未處理的玉米秸稈33.14 mg/(g·d)；李同燕等[25]采用3%的NaOH溶液進(jìn)行處理后也發(fā)現(xiàn)處理過的玉米秸稈其釋碳量要大于未處理的玉米秸稈，而且通過3%的NaOH溶液進(jìn)行處理的玉米秸稈其脫氮效率均大于90%[24]。

2.2 殼類農(nóng)業(yè)廢棄物

2.2.1 稻殼 稻殼成分中含有大量的纖維素、木質(zhì)素、淀粉以及少量的粗脂肪、還原糖，有機(jī)碳所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)58%以上，是良好的碳源材料[26]。邵留等[27]研究發(fā)現(xiàn)稻殼的傳質(zhì)系數(shù)(K)在所研究的4種材料中最小，這表明其受到的傳質(zhì)阻力最大，最難釋放出有機(jī)碳，這與其表面堅(jiān)硬、有致密層、不利于物質(zhì)的傳質(zhì)與擴(kuò)散有著密切關(guān)系。為了提升其釋碳能力，改善其反硝化效果，楊平等[28]選擇NaOH、Ca(OH)2和NaClO作為改性試劑對稻殼進(jìn)行改性，檢測其表面結(jié)構(gòu)、靜態(tài)釋碳量等變化，研究結(jié)果表明，6%NaOH處理后的稻殼可生化效果最佳，表面變化最為顯著，其圓錐狀突起大量消失，甚至形成了眾多不規(guī)則孔狀結(jié)構(gòu)，更易于微生物附著；并且其釋碳量較未處理組增加了5.738 mg/L，生物纖維素含量增加了16.03%，灰分含量降低了12%；通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)6%NaOH處理后的稻殼其氨氮的去除率高于90%，反硝化效果良好，且未出現(xiàn)硝態(tài)氮與亞硝態(tài)氮的積累[29]，改性后的稻殼適于作為反硝化碳源應(yīng)用于人工濕地系統(tǒng)。

2.2.2 大豆殼 由于大豆殼具有良好的沉降性[18]且具有較高的纖維素含量，纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%[30]，因此大豆殼更有利于微生物的降解利用。通過掃描電鏡觀測大豆殼的表面特性也可以發(fā)現(xiàn)大豆殼的表面粗糙，易于被微生物附著并增殖，且掛膜也最快。方遠(yuǎn)航等[18]研究發(fā)現(xiàn)大豆殼的釋碳性能平穩(wěn)，持續(xù)能力強(qiáng)，且呈現(xiàn)上升趨勢，在160 h后達(dá)到188.24 mg/L；大豆殼的碳氮比呈現(xiàn)先上升、再下降，最后又上升的趨勢，并在160 h后達(dá)到130左右，原因是附著在大豆殼表面的不含氮的小分子物質(zhì)快速水解，碳氮比迅速升高，隨后蛋白質(zhì)類物質(zhì)水解釋放氮素，促使碳氮比降低，隨著浸泡時間的延長，難水解類粗纖維素等不含氮素的物質(zhì)開始水解，碳氮比又升高；且在研究的6種農(nóng)業(yè)廢棄物中，大豆殼的碳氮比較高，反硝化效果也因此較強(qiáng)。

2.2.3 花生殼 花生殼的釋碳能力強(qiáng)，釋碳量高，主要是由于其質(zhì)地較軟，纖維素結(jié)構(gòu)比較松散，容易被分解[31]，但是其持續(xù)供碳能力明顯不足[17]，這是因?yàn)榛ㄉ鷼さ慕Y(jié)構(gòu)不夠緊密，在水中時間過久會被分解成碎末，無法再持續(xù)提供碳源[31]；同時松散的結(jié)構(gòu)和易分解的特性導(dǎo)致花生殼存在著對水體造成二次污染的風(fēng)險。丁紹蘭等[31]發(fā)現(xiàn)起初花生殼的硝酸鹽氮去除率增長最快，第6天就達(dá)到了83.5%，但之后便迅速下降，最后發(fā)現(xiàn)其硝酸鹽氮的去除效果在所研究的幾種農(nóng)業(yè)廢棄物中最差，這與花生殼的靜態(tài)釋碳速率有著密切的關(guān)系。王玥等[21]也發(fā)現(xiàn)花生殼的釋碳量最高，在10 d后達(dá)到384.16 mg/L，但其持續(xù)供碳能力不足，6 d左右釋碳便基本完畢，這主要因?yàn)榍捌诟街诨ㄉ鷼け砻娴男》肿佑袡C(jī)物大量溶出，釋碳量快速上升，但后期碳的釋放主要來自于自身纖維素的分解，所以釋碳速率也明顯降低。

2.3 其他農(nóng)業(yè)廢棄物

從掃描電鏡分析結(jié)果可以看出，玉米芯的表面粗糙、多空隙，利于微生物附著生長且其木質(zhì)素含量相對較低，表明其生物降解性能更優(yōu)[21]。李斌等[32]也通過測定浸泡液中的各項(xiàng)參數(shù)發(fā)現(xiàn)玉米芯的UV425雖然較高，但是其總有機(jī)碳的釋放量更高，證明其生物惰性相對較弱，更有利于微生物的利用；通過玉米芯浸出液的三維熒光光譜可以看出光譜中只出現(xiàn)了色氨酸類熒光峰，而色氨酸屬易降解的物質(zhì)，所以也可得出玉米芯有利于反硝化微生物的利用[32]。胡曼利等[33]研究發(fā)現(xiàn)水稻秸稈的釋碳量(145.17±9.44)mg/g要高于玉米芯的釋碳量(57.41±5.04)mg/g，約為玉米芯的2.5倍，但是水稻秸稈的釋氮量卻是玉米芯的3.5倍左右，這便導(dǎo)致玉米芯的碳氮比要遠(yuǎn)大于水稻秸稈的碳氮比，也表明玉米芯將有望成為良好的碳源材料。王玥等[21]也發(fā)現(xiàn)了相似的規(guī)律，通過對玉米芯反硝化效果的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，玉米芯作為外加碳源，硝酸鹽氮去除率可達(dá)到94%以上，且在13 d內(nèi)保持穩(wěn)定，這與玉米芯有著較高的碳氮比密不可分。

許兵等[34]對梧桐葉、荷葉、蘆葦葉進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)25 d內(nèi)梧桐葉、荷葉、蘆葦葉的總釋碳量分別為135.49，172.84，119.78 mg/g，總釋氮量分別為 3.43，3.87，2.96 mg/g，不同植物的碳氮比差別不大，分別為42.47，44.52，41.81，均可有效提高污水碳氮比，促進(jìn)微生物的反硝化。梅翔等[35]以紅薯浸泡液作為碳源進(jìn)行生物反硝化的研究，研究發(fā)現(xiàn)，增加攪拌強(qiáng)度和攪拌頻率能促進(jìn)紅薯釋放有機(jī)物到浸泡液中；碳源的投配方式及其利用對脫氮效果影響也較大，當(dāng)采用分別投加的方式可以避免微生物作用和絮凝沉淀作用；并且選擇合適的浸泡條件也會促進(jìn)COD的釋放，20 g紅薯置于2 L自來水中采用250 r/min的攪拌速度，攪拌頻率為每攪拌3 h停 1 h，得到的浸泡液COD濃度平均為5 921 mg/L，最高可達(dá)7 000 mg/L以上。陳帥全等[36]對比研究了玉米稈與美人蕉桿在堿熱預(yù)處理下的釋碳性能，發(fā)現(xiàn)玉米稈在合適的預(yù)處理下最大釋碳量為642 mg/L；美人蕉桿處理后的最大釋碳量為710 mg/L，原因與兩種材料中木質(zhì)素的含量有著極大的關(guān)系，玉米稈與美人蕉桿的木質(zhì)素含量分別為17%和9%，美人蕉桿的木質(zhì)化程度更低，在堿熱預(yù)處理后纖維素更易打開，所以釋碳量也更大。

王玥等[21]將稻稈、玉米稈、麥稈、稻殼、花生殼、玉米芯6種農(nóng)業(yè)廢棄物碳源進(jìn)行了分類對比研究，結(jié)果表明，玉米稈的釋碳量最高，10 d后達(dá)到了886.66 mg/L，麥稈及稻稈次之，分別為623.53 mg/L和537.51 mg/L，花生殼的釋碳量在10 d后為 384.16 mg/L，稻殼和玉米芯的釋碳量分別為 225.88 mg/L 和178.78 mg/L；秸稈類材料的釋碳量要普遍大于非秸稈類材料的釋碳量，且其釋碳性能穩(wěn)定，持續(xù)供碳能力強(qiáng)。但是秸稈類材料的可生化性較差，釋氮量也遠(yuǎn)高于非秸稈類材料，所以其碳氮比總體偏低，與非秸稈類材料相比無法作為良好的外加碳源。具體參數(shù)見圖1。

圖1 不同農(nóng)業(yè)廢棄物碳源釋碳、釋氮及碳氮比Fig.1 Carbon emission，nitrogen release and carbon-nitrogen ratio of different agricultural waste sources

3 以農(nóng)業(yè)廢棄物制備的碳源的預(yù)處理

由于木質(zhì)素與半纖維素的包裹，易于分解利用的纖維素也變得難以利用，想要充分利用纖維素與半纖維素發(fā)酵釋放的碳源，提高植物碳源的利用率，獲得更好的反硝化效果，就需對植物碳源進(jìn)行合適的預(yù)處理，來破壞植物碳源中的木質(zhì)素，解決纖維素分解受限的問題，使纖維素與半纖維素能夠被充分水解發(fā)酵、釋碳徹底。常用的預(yù)處理方法有物理方法，如剪切和研磨、熱解和輻射處理等[37]；化學(xué)方法，如酸或堿水解法、氧化處理法等；生物方法，如使用白腐菌等能夠分解木質(zhì)素的微生物來提高木質(zhì)素的降解率[36]，具體見表1。

表1 常見的預(yù)處理方法Table 1 Common preprocessing methods

范天鳳等[38]對改性后的枸杞枝作為反硝化碳源進(jìn)行研究，研究發(fā)現(xiàn)，改性后枸杞枝中纖維素和半纖維素含量比改性前增加了8.7%～35.2%，表面粗糙度增加，更適合微生物附著生長。彭錦玉等[39]也發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過預(yù)處理后的植物碳源，其表面會變得更加粗糙，更加適合微生物的附著生長。

4 以農(nóng)業(yè)廢棄物制備發(fā)酵液作為反硝化碳源的研究

已有研究發(fā)現(xiàn)[42-43]，廚余垃圾的發(fā)酵液中含有大量優(yōu)質(zhì)的外加碳源，如乳酸、揮發(fā)性脂肪酸(VFA)等。程喆等[43]發(fā)現(xiàn)廚余發(fā)酵液中VFA、乳酸、碳水化合物的含量占總有機(jī)物的78%，可降解有機(jī)物占比大，發(fā)酵液有著較高的反硝化潛能。由此推測，以農(nóng)業(yè)廢棄物制備發(fā)酵液作為反硝化碳源強(qiáng)化尾水脫氮是一種有效的途徑。

黃胡林等[44]將水稻秸稈和玉米秸稈的發(fā)酵液作為反硝化碳源進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)水稻秸稈與玉米秸稈發(fā)酵液均在COD/TN為6時脫氮效果最佳，脫氮率分別為80.1%和97.3%，可見玉米秸稈發(fā)酵液作為外加碳源時，其脫氮效率將優(yōu)于水稻秸稈發(fā)酵液。南京大學(xué)陳乾坤[45]以菹草發(fā)酵液作為反硝化碳源，在不同COD/N下研究其脫氮效果，當(dāng)進(jìn)水COD/N為20時，系統(tǒng)反硝化作用強(qiáng)烈，氮的去除率達(dá)到84%～100%，且未出現(xiàn)亞硝態(tài)氮積累的現(xiàn)象，這表明了菹草發(fā)酵液可顯著提高人工濕地系統(tǒng)的脫氮效率。

Bu[46]對比研究了木薯酒糟與其發(fā)酵液的反硝化效果，研究結(jié)果表明木薯酒糟作為反硝化碳源的總氮去除率為(72.4±3.2)%，而木薯酒糟發(fā)酵液作為反硝化碳源的脫氮率為(73.2±2.6)%，木薯酒糟發(fā)酵液的脫氮效果要優(yōu)于木薯酒糟的脫氮效果；且經(jīng)過對照研究，木薯酒糟發(fā)酵液的脫氮率更要優(yōu)于乙酸鈉的(62.6±3.5)%。以上研究證明了，以農(nóng)業(yè)廢棄物制備發(fā)酵液作為反硝化碳源強(qiáng)化尾水脫氮存在著巨大的潛能，有著良好的發(fā)展前景。

5 以農(nóng)業(yè)廢棄物制備緩釋碳源基質(zhì)的研究

玉米芯以其表面粗糙，易于微生物附著生長，碳氮比高，脫氮效果理想等優(yōu)勢，成為緩釋碳源基質(zhì)制備的優(yōu)選材料。于魯冀等[47]以聚乙烯醇和玉米芯為原料制備緩釋碳源凈水基質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)玉米芯疏松多孔的結(jié)構(gòu)特征是提高基質(zhì)脫氮性能力的關(guān)鍵因素，其釋氮量為0.3～106 mg/g，總氮去除率為 32.4%，均要優(yōu)于以聚乙烯醇和海藻酸鈉制備的緩釋碳源基質(zhì)；程璐璐等[48]將玉米芯、水泥、硅藻土、膨潤土、沸石粉按一定比例混合制備緩釋碳源基質(zhì)進(jìn)行釋碳量與脫氮效果的研究，結(jié)果表明生態(tài)基質(zhì)的添加比例與緩釋碳源的脫氮能力有著密切的關(guān)系，并且隨著緩釋碳源基質(zhì)添加比例的增加，其釋碳量及脫氮效果也逐漸增強(qiáng)，添加量為20%時，其釋碳量和總氮的去除率分別為36.53 mg/L和77.81%。于魯冀等[49]用硅藻土、沸石粉、改性玉米芯為原料制作緩釋碳源基質(zhì)，對比了普通礫石填料的脫氮效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)生態(tài)基質(zhì)組硝態(tài)氮與總氮的去除率分別為49.08%，58.32%，遠(yuǎn)高于礫石組的38.69%與 28.67%，并且礫石組出現(xiàn)了亞硝態(tài)氮與硝態(tài)氮的積累的問題。范鵬宇等[50]也研究證明了生態(tài)基質(zhì)緩釋碳源避免了亞硝態(tài)氮與硝態(tài)氮的積累的問題，并在保證出水有機(jī)物濃度沒有明顯升高的前提下有效降低了低碳氮比水體中的氮濃度。

6 總結(jié)與展望

以農(nóng)業(yè)廢棄物制備外加碳源強(qiáng)化尾水脫氮是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源合理化利用的有效途徑，有著較大的研究空間和良好的發(fā)展前景。目前，以農(nóng)業(yè)廢棄物制備的外加碳源正在初步替代傳統(tǒng)碳源，成為經(jīng)濟(jì)、安全、高效的綠色碳源。但是在以農(nóng)業(yè)廢棄物制備外加碳源領(lǐng)域上還存在著一些尚需解決的問題，如農(nóng)業(yè)廢棄物中復(fù)雜的組成成分很可能對水體造成二次污染；部分農(nóng)業(yè)廢棄物制備的外加碳源釋碳不徹底，不能被充分利用；農(nóng)業(yè)廢棄物制備的外加碳源不能持久釋碳，而導(dǎo)致反硝化效率低等，所以通過農(nóng)業(yè)廢棄物來制備外加碳源的研究還將繼續(xù)，未來關(guān)于以農(nóng)業(yè)廢棄物制備外加碳源應(yīng)該更加注重以下幾個方面。

(1)農(nóng)業(yè)廢棄物開發(fā)的多樣性。目前，我國研究的制備外加碳源的農(nóng)業(yè)廢棄物主要有秸稈類的水稻秸稈、小麥秸稈、玉米秸稈等；殼類的稻殼、大豆殼、花生殼等；其余還有玉米芯、美人蕉桿等物質(zhì)，不同的農(nóng)業(yè)廢棄物制備的外加碳源其釋碳性能與脫氮效率都有著很大的差別。應(yīng)加大農(nóng)業(yè)廢棄物資源的開發(fā)力度，尋找釋碳性能好、脫氮效果優(yōu)、對水環(huán)境影響小的新型資源；研究開發(fā)新的農(nóng)業(yè)廢棄物，這對生物質(zhì)碳源的優(yōu)選有著重要的意義。

(2)對農(nóng)業(yè)廢棄物制備的外加碳源的預(yù)處理。農(nóng)業(yè)廢棄物屬于天然纖維素材料，其中的木質(zhì)素穩(wěn)定堅(jiān)固、難以分解，這也限制了微生物對纖維素的分解利用，而且天然纖維素材料中復(fù)雜的物質(zhì)組成很可能對水體造成二次污染[5]，因此適當(dāng)?shù)念A(yù)處理不僅能提高其釋碳能力、改善其脫氮效果，而且可以有效預(yù)防其對水體造成污染。并且同一種農(nóng)業(yè)廢棄物制備的外加碳源采用不同的預(yù)處理方式，最終得到的釋碳能力與脫氮效果都有著明顯的差別，甚至還會出現(xiàn)相反的效果，因此研究合適的預(yù)處理方法就顯得極其重要。應(yīng)針對不同的農(nóng)業(yè)廢棄物采用多種預(yù)處理方法進(jìn)行對比研究，尋找最為合適的預(yù)處理方法，為生物質(zhì)碳源的高效利用提供參考依據(jù)。

(3)以農(nóng)業(yè)廢棄物制備發(fā)酵液與緩釋碳源基質(zhì)。農(nóng)業(yè)廢棄物制備的外加碳源存在著釋碳量不可控、啟動較慢、自身釋放氮素等問題，而以農(nóng)業(yè)廢棄物制備的發(fā)酵液及緩釋碳源基質(zhì)具有良好的可控性，并且很好地解決了碳源后期釋碳能力不足的問題，極大地提高了碳源的利用率，改善了反硝化的效率。單一的生物基質(zhì)很難將緩釋碳源的性能發(fā)揮到最大，且其往往存在一定的局限性，今后應(yīng)加大生物基質(zhì)自身優(yōu)缺點(diǎn)的研究力度，將不同的生物基質(zhì)進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，提高緩釋碳源的各項(xiàng)性能。