李 芳,于成志,張 唯,陳家斌,3,張亞雷,3,周雪飛,3,*

(1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200092;2.污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092;3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)村廁所與污水治理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100125)

硝酸鹽污染是一類嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題,它會(huì)影響地表水和地下水的質(zhì)量,進(jìn)而威脅人類和生態(tài)系統(tǒng)的健康。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,2016年我國(guó)河水中硝酸鹽超標(biāo)率達(dá)7.83%[1]。根據(jù)我國(guó)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002),地表水的硝酸鹽質(zhì)量濃度應(yīng)低于45 mg/L,根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2022),地下水的硝酸鹽質(zhì)量濃度應(yīng)低于89 mg/L[2-3]。然而,近年來(lái)地表水和地下水受到的污染逐漸加劇,尤其是近十年來(lái)城市化、工業(yè)化的快速發(fā)展以及人口的增加,導(dǎo)致硝酸鹽含量持續(xù)升高[4]。沿海地區(qū)和內(nèi)陸的地下水也遭受了不同程度的污染[5-6]。氮超標(biāo)排放不僅會(huì)導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)化[7],還可能間接產(chǎn)生健康風(fēng)險(xiǎn),如高鐵血紅蛋白血癥、胃腸道癌、不良妊娠現(xiàn)象、甲狀腺疾病以及神經(jīng)管缺陷等[1,8-10]。硝酸鹽治理刻不容緩。

(1)

緩釋碳源作為一種來(lái)源廣、價(jià)格低且能緩慢釋放有機(jī)碳的新型固體碳源,在近年來(lái)的研究中頗受歡迎。利用天然纖維素類碳源(天然碳源)和合成可生物降解碳源(合成碳源)作為反硝化電子供體,可以強(qiáng)化系統(tǒng)的脫氮效果[14-16]。本文總結(jié)了緩釋碳源的種類及反硝化效果、作用機(jī)制及微生物群落結(jié)構(gòu)、協(xié)同處理及工藝耦合研究,并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望,以期為緩釋碳源的脫氮效果研究提供參考。

1 緩釋碳源種類和特點(diǎn)

緩釋碳源按照其來(lái)源不同一般可以分為天然碳源、合成碳源以及混合碳源。

1.1 天然碳源

1.1.1 天然碳源的反硝化效果研究

天然碳源通常指天然木質(zhì)纖維素材料,主要由纖維素(35%～55%)、木質(zhì)素(15%～40%)和半纖維素(5%～25%)組成[17]。全球每年生產(chǎn)10億～500億t干木質(zhì)纖維素,約占全球生物質(zhì)產(chǎn)量的1/2[18]。天然碳源可以作為反硝化的電子供體,稻草、秸稈、玉米芯、木屑、大米等都是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)[19-22]。表1列舉了不同種類的緩釋碳源對(duì)硝酸鹽的去除情況。天然碳源富含纖維素,在生物降解后可釋放溶解性有機(jī)碳源,能夠有效去除水中的硝態(tài)氮。序批式反應(yīng)器(SBR)在添加玉米芯作為碳源后,總氮去除率從(45.46%±0.05%)提高到(70.32%±0.76%),脫氮優(yōu)化效果顯著[20]。絲瓜絡(luò)、麥秸、玉米芯、稻草具有較好的碳釋放能力,作為外加碳源時(shí)也表現(xiàn)出良好的反硝化潛力(105.3～140.1 g N/g),膜生物反應(yīng)器(MBR)在分別添加水稻秸稈、絲瓜絡(luò)和玉米芯后的脫氮效果均得到有效強(qiáng)化,與對(duì)照組相比,總氮去除率分別提高25.48%、19.53%和38.90%[21],說(shuō)明利用天然纖維素類物質(zhì)替代傳統(tǒng)反硝化碳源具有可行性。

表1 各類緩釋碳源反硝化系統(tǒng)的反硝化性能

1.1.2 改性天然碳源的反硝化效果研究

天然木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)由木質(zhì)素、纖維素和半纖維素鑲嵌而成,而木質(zhì)素的復(fù)雜性和難降解性增加了其降解難度[23]。利用化學(xué)法(如酸處理、堿處理等[24-25])對(duì)天然碳源進(jìn)行改性,可以改善其有機(jī)碳釋放能力[26-27]?；瘜W(xué)改性可以去除木質(zhì)素和/或半纖維素,并在較小程度上降低纖維素組分的聚合度和結(jié)晶度[23],提高纖維素的生物降解性。Li等[28]用2% NaOH溶液對(duì)絲瓜、玉米芯和秸稈進(jìn)行改性后,其有機(jī)碳釋放量翻倍,反硝化潛力從112.04～157.94 mg/g增加到233.82～250.69 mg/g。不同植物對(duì)同種改性方法響應(yīng)不同。美人蕉、蘆竹、香茅、香蒲在進(jìn)行相同堿處理后的表面粗糙度、釋碳性能和反硝化性能均有所差異,香茅和蘆竹的表面粗糙度和有機(jī)碳釋放量最大,作為碳源的脫氮效果最佳,平均硝態(tài)氮去除率分別達(dá)到89.46%和90.52%[24]。堿處理能夠明顯減少天然纖維素碳源內(nèi)的木質(zhì)素含量[29]。堿的使用可以促使酯和糖苷側(cè)鏈降解,進(jìn)而導(dǎo)致木質(zhì)素結(jié)構(gòu)改變、纖維素膨脹、纖維素部分消晶[30-31]和半纖維素部分溶劑化[25,32]。也有研究[33]發(fā)現(xiàn),改性后的天然碳源雖然有機(jī)碳釋放量增大,但反硝化效果沒(méi)有明顯改善,且會(huì)釋放N2O。因此,如何適當(dāng)應(yīng)用改性方法需要進(jìn)一步研究。

1.1.3 天然碳源二次污染物的釋放

天然碳源的成分復(fù)雜,有機(jī)碳、氮、磷和色度的釋放機(jī)制不明晰,其在降解或釋放過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生二次污染,對(duì)污水處理造成不利影響。多項(xiàng)研究[34-36]表明,秸稈類碳源(如小麥秸稈、玉米秸稈、稻草秸稈等)在反硝化過(guò)程中普遍會(huì)有色度的產(chǎn)生,稻草秸稈的總氮釋放量可達(dá)(20.77±1.67)mg/(g·d)[34]。在實(shí)際應(yīng)用中,外加碳源釋放的過(guò)量總氮可能會(huì)對(duì)反硝化產(chǎn)生不利影響[20],產(chǎn)生的色度對(duì)后續(xù)工藝也提出了額外要求[35]。除此之外,緩釋碳源的使用也可能會(huì)造成溫室氣體的排放。玉米芯、麥秸和綠色廢棄物雖然具有較好的反硝化脫氮效果,但在反應(yīng)過(guò)程中均有N2O產(chǎn)生,其中玉米芯還會(huì)釋放大量總有機(jī)碳(TOC)和CH4[37]。因此,在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用天然碳源作為反硝化碳源和生物膜載體時(shí),除了要關(guān)注其有機(jī)碳釋放特性和反硝化效果,也要充分考慮二次污染物的產(chǎn)生。天然碳源釋放的有機(jī)物占總質(zhì)量的主要為大分子有機(jī)物以及含雙鍵有機(jī)物,其主要成分為色氨酸、黃腐酸及少量蛋白質(zhì),在后續(xù)的反硝化過(guò)程中被全部降解利用[38]。而未浸出的組分以木質(zhì)素及含木質(zhì)素的纖維素為主,由于不含硫元素,天然木質(zhì)素在消毒過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生有害副產(chǎn)物[39]。

1.2 合成碳源

1.2.1 合成碳源的反硝化效果研究

合成碳源是指人工合成可生物降解聚合物,其特點(diǎn)是不溶于水,容易被微生物降解,可為反硝化恒定提供有效碳源[40]。聚羥基鏈烷酸酯(PHA)、聚3-羥基丁酸酯(PHB)、聚己內(nèi)酯(PCL)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、3-羥基丁酸酯-共-3-羥基戊酸酯(PHBV)等常被用于固相反硝化研究[41-49],且具有較好的脫氮效果。PHA和PHB是微生物自身的儲(chǔ)存物質(zhì),容易被自然界存在的微生物代謝[50],綠色塑料PHBV表面含有C-O、C=O等親水基團(tuán),有利于微生物附著生長(zhǎng)和降解利用,其作為電子供體和微生物載體的反應(yīng)系統(tǒng),反硝化啟動(dòng)快、有機(jī)物出水剩余濃度低、反硝化速率高、脫氮效果持續(xù)穩(wěn)定[41,45,51]。PCL的反硝化效果雖不及PHBV[47],但因經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)也常被用作固相反硝化研究[52]。PCL作為固相反硝化生物濾池的過(guò)濾介質(zhì)和碳源處理污水處理廠二級(jí)出水,反硝化速率最大可以達(dá)到3.80 g N/(L·d),且在8 ℃的低溫環(huán)境下反硝化速率依舊能保持在1.2 g N/(L·d),脫氮效果頗佳[47]。

1.2.2 合成碳源的經(jīng)濟(jì)成本分析

脫氮工藝的成本主要由技術(shù)設(shè)備成本、維修成本和基質(zhì)價(jià)格決定[50]。與甲醇、乙酸鈉等常用的傳統(tǒng)碳源相比,PCL和PHB的藥劑成本相對(duì)較高[53],但對(duì)設(shè)備和裝置的要求較少。在運(yùn)行階段,合成碳源的有機(jī)碳釋放是隨微生物對(duì)電子供體的需求降解產(chǎn)生,不需要對(duì)其進(jìn)行額外的過(guò)程控制和水質(zhì)連續(xù)監(jiān)測(cè)操作,因此,雖然合成碳源的生產(chǎn)成本略高,但其在設(shè)備成本、運(yùn)維操作上更為簡(jiǎn)單,且在運(yùn)輸和運(yùn)行過(guò)程中基本不存在易燃性和毒性等安全風(fēng)險(xiǎn)[47]。然而由于缺乏實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù),無(wú)法準(zhǔn)確地對(duì)使用合成碳源的脫氮工藝進(jìn)行成本計(jì)算。未來(lái)隨著可生物降解聚合物合成工藝的發(fā)展優(yōu)化,合成碳源可能會(huì)逐漸實(shí)現(xiàn)量化生產(chǎn),生產(chǎn)成本會(huì)日益降低,其經(jīng)濟(jì)性將會(huì)得到極大的提高,在反硝化處理中的應(yīng)用將會(huì)愈發(fā)廣泛[40]。

1.3 混合碳源

為了在經(jīng)濟(jì)成本和脫氮效率方面取得平衡,研究人員將具有優(yōu)越反硝化性能的合成碳源與經(jīng)濟(jì)有效的天然碳源共混,制備新型環(huán)保經(jīng)濟(jì)可生物降解復(fù)合物。由PHBV/竹粉混合物支撐的反硝化系統(tǒng)能夠快速啟動(dòng),硝酸鹽去除率高,過(guò)程中幾乎無(wú)亞硝態(tài)氮積累,并且混合物的使用可以降低基質(zhì)成本,是一種經(jīng)濟(jì)且高效的碳源選擇[54]。Yang等[55]的研究發(fā)現(xiàn)聚乳酸(PLA)/淀粉共混物在質(zhì)量比為1∶1時(shí)反硝化速率最大為4.608 g N/(L·d),出水TOC的累積較少,具有良好的環(huán)境適應(yīng)性和脫氮性能?；旌咸荚茨軌蚪Y(jié)合天然碳源和合成碳源的優(yōu)點(diǎn),降低二者的不良影響,具有廣闊的發(fā)展前景。

2 緩釋碳源促進(jìn)反硝化脫氮機(jī)制

2.1 有機(jī)碳底物轉(zhuǎn)化機(jī)制

緩釋碳源不溶于水,能夠通過(guò)胞外水解酶降解產(chǎn)生可溶性有機(jī)單體或低聚物,以供反硝化作用利用,具體過(guò)程如圖1所示。天然碳源水解可生成葡萄糖、阿拉伯半乳糖、木糖等低分子有機(jī)化合物[67],乙酸、丙酸和丁酸等短鏈脂肪酸則是合成碳源降解后產(chǎn)生的主要有效碳源[41,65,68]。大部分降解生成的底物可以作為電子供體,為反硝化過(guò)程所用,改善污水中硝態(tài)氮的去除效果,也有部分碳源被用于厭氧消化產(chǎn)甲烷[37]或好氧生物降解[69]。

圖1 緩釋碳源固相反硝化[53]

2.2 硝酸鹽轉(zhuǎn)化機(jī)制

注:NXR為亞硝酸鹽氧化還原酶;NO-D為一氧化氮歧化酶;HH為肼水解酶;HZO為肼氧化酶;HAO為羥胺氧化還原酶;HOX為羥胺氧化酶;AMO為氨單加氧酶;pMMO為微粒甲烷單加氧酶;MoFe為鉬鈦固氮酶;FeFe為鐵鐵固氮酶;VFe為釩鐵固氮酶;CYN為氰酶;URE為脲酶。

3 緩釋碳源反硝化系統(tǒng)中微生物群落變化

緩釋碳源是一種替代傳統(tǒng)碳源的新型固體碳源,通過(guò)微生物的降解釋放可溶性有機(jī)碳,為反硝化細(xì)菌提供電子。

3.1 反硝化菌群變化

緩釋碳源的加入會(huì)改變微生物群落的豐富度,但大部分系統(tǒng)中變形菌門依舊占據(jù)主導(dǎo)地位,且呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。在傳統(tǒng)的污水處理系統(tǒng)中,微生物的優(yōu)勢(shì)菌門一般為變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、放線菌門(Actinobacteria)和綠彎菌門(Chloroflexi),其中變形菌是幾乎所有反硝化研究中的優(yōu)勢(shì)菌門[77]。表2列舉了不同固相反硝化體系中的微生物組成情況,緩釋碳源的加入為微生物提供了獨(dú)特的附著生存環(huán)境,導(dǎo)致系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,不同碳源主導(dǎo)的系統(tǒng)中菌群類型差異大,但優(yōu)勢(shì)菌門依舊是具有反硝化作用的變形菌。PCL作為碳源應(yīng)用于生物濾池三級(jí)脫氮處理后,其表面生物膜中微生物群落發(fā)生演替,微生物多樣性有所下降,初始接種污泥中的Thauera、Nitrospira、Arenimonas、Dechloromonas等在碳源生物膜中幾乎消失殆盡,而具有反硝化效果的變形菌相對(duì)豐度變大[47]。在以玉米芯為碳源的反硝化體系中,擬桿菌、變形桿菌和厚壁菌是系統(tǒng)的主要菌門,占每個(gè)樣本總豐度的50.60%～89.48%,且隨反應(yīng)的進(jìn)行,系統(tǒng)中的微生物結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化,隸屬于擬桿菌門的Prevotella_9在反應(yīng)結(jié)束時(shí)幾乎消失,相對(duì)豐度從49.31%降為0.33%,而隸屬于變形菌門的Dechloromonas、Denitratisoma和Bdellovibrio則普遍呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)[20]。

表2 固相反硝化系統(tǒng)中主要的反硝化細(xì)菌

3.2 降解類微生物菌群變化

具備可以降解可生物降解聚酯的細(xì)菌是緩釋碳源降解的基礎(chǔ)。綠彎菌門可以將溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)降解成碳水化合物和細(xì)胞材料,破壞蛋白質(zhì)、多糖、纖維素等一些大分子物質(zhì)[79],在以PBS作為碳源的反應(yīng)系統(tǒng)中比例有所增加[80]。叢枝孢科亦被認(rèn)為具有降解可生物降解聚酯能力,在PCL固相反硝化系統(tǒng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位,相對(duì)豐度為79.1%～73.3%[47]。隸屬于根瘤菌目的Devosia、Agrobacterium、Polymorphum和Bradyrhizobium被認(rèn)為具有發(fā)酵纖維素、半纖維素等復(fù)雜有機(jī)物的能力,Acidovorax、Simplicispira和Dechloromonas可以直接降解木質(zhì)纖維素,經(jīng)常在固相脫氮系統(tǒng)中被檢測(cè)到[29]。這些微生物的存在可以促進(jìn)緩釋碳源的分解,從而為反硝化過(guò)程提供充足的有效碳源。

3.3 微生物群落隨環(huán)境因素變化

微生物群落結(jié)構(gòu)隨環(huán)境條件(溫度、溶解氧、pH、底物可利用性等)變化而不同。一般情況下,微生物對(duì)于系統(tǒng)中pH的變化會(huì)進(jìn)行應(yīng)激反應(yīng),可以在一定程度上維持pH的穩(wěn)定性,且在污水處理過(guò)程中,一般會(huì)人為調(diào)控,使pH維持在一個(gè)合理范圍內(nèi),所以pH對(duì)于微生物種群的影響相對(duì)較小。而溫度、溶解氧、反應(yīng)底物常常會(huì)隨著季節(jié)、工藝、運(yùn)行成本控制等因素影響,發(fā)生比較大的變化。當(dāng)溫度從30 ℃下降至13 ℃時(shí),以PCL為碳源的中試反應(yīng)器硝態(tài)氮去除率降低37%,不同溫度下系統(tǒng)富集的微生物存有較大的差異,低溫系統(tǒng)富集了更多的Desulfomicrobium、Desulfoicrobium和Meganema,而高溫條件下富集有Simplicispira、Aquabacium和Acidovoraxa[81]。溶解氧對(duì)于微生物的種群影響是最明顯的。文獻(xiàn)[82]表明,好氧條件下(DO質(zhì)量濃度大于0.5 mg/L),促進(jìn)碳源分解的主要是綠灣菌門(chloroflexi),相應(yīng)的反硝化細(xì)菌為變形菌門,具體菌屬包括Methyloversatilis(16.6%)、Chlorobium(15.09%)、Rhodopseudomonas(8.17%);而厭氧條件下(DO質(zhì)量濃度小于0.2 mg/L),厚壁菌門(Firmicutes)和放線菌門占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。此外,具有水解酸化功能和反硝化功能的菌屬Hydrogenophaga、Fimbriimonas、Pseudoxanthomonas、Acidovorax、Dysgonomonas通常相伴出現(xiàn)[38,53,66,83]。Yang等[74]分別探究了以PHBV、PHBV/木屑混合物為碳源的反硝化系統(tǒng)的脫氮性能差異和微生物群落結(jié)構(gòu)差異,結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩系統(tǒng)中變形菌門均占主導(dǎo)地位,其余菌門的比例則存在明顯差異,擬桿菌門是PHBV系統(tǒng)中的第二大優(yōu)勢(shì)菌門,而PHBV/木屑混合物系統(tǒng)中的第二大優(yōu)勢(shì)菌門則為放線菌門,并且PHBV/木屑混合物系統(tǒng)中還發(fā)現(xiàn)了廣古菌門,可能與混合物的降解有關(guān)。文獻(xiàn)[84]表明,以PCL為緩釋碳源時(shí),優(yōu)勢(shì)菌屬為湖沼菌屬(Limnohabitanssp.,57.8%)和單胞菌屬(Simplicispirasp.,為9.5%),而以PHA為載體時(shí),優(yōu)勢(shì)菌屬為山岡單胞菌屬(Collimonassp.,24.4%)、湖沼菌屬(Limnohabitanssp.,13.2%)和葉黃素單胞菌屬(Luteimonassp.,11.7%)。然而,造成這一現(xiàn)象的原因,還有待進(jìn)一步探究。

在碳源表面形成的生物膜中,變形菌門作為常規(guī)的反硝化菌群依舊占據(jù)主導(dǎo)地位,并且在系統(tǒng)中呈動(dòng)態(tài)增加,與緩釋碳源降解相關(guān)的綠彎菌、食酸菌、脫氯單胞菌等細(xì)菌也廣泛存在于固相反硝化系統(tǒng)中。微生物群落結(jié)構(gòu)的變化為固相反硝化強(qiáng)化脫氮奠定了基礎(chǔ)。

4 緩釋碳源的其他研究與應(yīng)用

4.1 固相反硝化與其他工藝耦合

在緩釋碳源相關(guān)研究中,通常將其應(yīng)用于人工濕地、生物濾池、上流式反應(yīng)器等常規(guī)反應(yīng)器,近幾年,有研究者嘗試將緩釋碳源與微電解、厭氧氨氧化等工藝相結(jié)合,觀察系統(tǒng)的反硝化脫氮強(qiáng)化效果。研究發(fā)現(xiàn)固相反硝化碳源與鐵碳微電解耦合系統(tǒng)能夠釋放充足的有效碳源[85],系統(tǒng)內(nèi)部同時(shí)存在自養(yǎng)和異養(yǎng)反硝化菌群,在最佳運(yùn)行條件下,系統(tǒng)對(duì)總氮和總磷的去除率能夠達(dá)到94.72%、99.10%[86],污染物去除效果得到明顯改善。Zhao等[87]將微生物燃料電池(MFC)和固相反硝化系統(tǒng)(DBR)耦合構(gòu)建的新型電化學(xué)系統(tǒng),對(duì)甲基橙、Cr(Ⅵ)、硝態(tài)氮的平均去除率分別提高39.9%、26.5%、22.8%。除此之外,緩釋碳源應(yīng)用于厭氧氨氧化系統(tǒng)對(duì)總無(wú)機(jī)氮的去除率能夠高達(dá)98.5%,在處理富氮廢水方面具有良好的應(yīng)用前景[88]。綜上,通過(guò)固相反硝化與其他工藝的耦合可以有效強(qiáng)化系統(tǒng)的脫氮效果。

4.2 協(xié)同去除硝酸鹽和其他污染物

通常情況下,廢水中除常規(guī)的污染物外,還可能會(huì)存在農(nóng)藥、藥物與個(gè)人護(hù)理用品(PPCPs)、難降解有機(jī)化合物等其他物質(zhì)的污染。研究表明,緩釋碳源在協(xié)同去除這些特殊污染物方面也能發(fā)揮效用。在已有的探究中,緩釋碳源對(duì)于阿特拉津的去除以吸附為主,在吸附量到達(dá)對(duì)應(yīng)緩釋碳源的吸附上限之后,多余的阿特拉津甚至?xí)?duì)微生物的活性造成影響[89];對(duì)氯苯酚、四氯化碳、難降解有機(jī)物中的硝酸鹽的去除以微生物為主,微生物去除占比接近100%[90-92];對(duì)氟樂(lè)靈、滅硝硫磷、硫丹的去除屬于微生物轉(zhuǎn)化與緩釋碳源吸附的協(xié)同作用,其中,微生物的轉(zhuǎn)化作用分別占96%、87%、68%[93]。目前普遍認(rèn)為緩釋碳源協(xié)同處理其他污染物的機(jī)理是碳源吸附和生物降解的共同作用,而究竟是哪種作用占主導(dǎo)地位仍存在爭(zhēng)議。

5 結(jié)論與展望

緩釋碳源作為一種新型固體碳源,在促進(jìn)反硝化脫氮方面具有較好的發(fā)展前景。

(1)天然碳源來(lái)源廣泛、價(jià)格經(jīng)濟(jì),能夠提高系統(tǒng)的脫氮性能,但存在二次污染物釋放的風(fēng)險(xiǎn),使用時(shí)需充分衡量其脫氮效果及可能造成的二次污染。

(2)合成碳源普遍具有較好的反硝化效果,但成本要明顯高于天然碳源。

(3)緩釋碳源經(jīng)由微生物降解后釋放小分子量有機(jī)物,為反硝化過(guò)程提供電子。

(4)變形菌門是傳統(tǒng)反硝化系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)菌門,在緩釋碳源支撐的反硝化系統(tǒng)中依舊占據(jù)主導(dǎo)地位,綠彎菌、食酸菌、脫氯單胞菌等的存在為緩釋碳源的降解提供了可能。

(5)緩釋碳源不僅可以促進(jìn)反硝化脫氮,還可以通過(guò)吸附和生物降解協(xié)同去除農(nóng)藥、PPCPs等特殊污染物。固相反硝化與電化學(xué)、厭氧氨氧化的耦合以其優(yōu)秀的脫氮性能表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

然而由于緩釋碳源結(jié)構(gòu)和成分復(fù)雜,其在生物降解和反硝化過(guò)程中的反應(yīng)機(jī)理需要更加深入地探索和研究,且目前對(duì)于緩釋碳源的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)室研究水平,缺少工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐,亟待不同層面的研究。未來(lái)對(duì)于緩釋碳源研究方向提出以下展望。

(1)從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、微生物群落結(jié)構(gòu)以及基因?qū)用嫔钊肴嫣骄烤忈屘荚捶聪趸摰獧C(jī)理。

(2)探究緩釋碳源的二次污染釋放情況,包括出水中的二次污染及溫室氣體的排放情況等,對(duì)緩釋碳源的可利用性做更加全面的評(píng)估。

(3)增加工程試驗(yàn),為緩釋碳源的工程應(yīng)用提供功能更多的數(shù)據(jù)和案例支撐。

(4)利用生物信息學(xué)與機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā),面向特定環(huán)境與功能微生物的緩釋碳源設(shè)計(jì)合成方法。