低木质素木质生物质在强化反硝化作用下的脱氮效率及其释放碳的利用特性

《Journal of Environmental Management》：Enhanced denitrification efficiency and utilization characteristics of released carbon from low-lignin woody biomass

研究低 lignin 木片在脱氮生物反应器中的长期效果，发现其脱氮效率较自然木片提升2.5–6.0倍，释放 DOC 的利用率差异显著（低 lignin 木片达36.8–38.0%，自然木片24.5%），并分析化学组分变化及残留物处理方法。

　　在当前的研究中，科学家们探讨了木质生物质在脱氮生物反应器中的应用潜力，特别是通过降低木质素含量来提高脱氮效率。木质生物质，如木屑，因其较高的木质素含量和复杂的碳释放特性，通常被用作天然的碳源，但在实际应用中，其脱氮速率较慢。这一问题限制了木质生物质在污水处理和生态修复中的广泛应用。因此，本研究的目的是评估通过去除木质素后，木屑在生物反应器中的长期脱氮效果，并进一步分析其对脱氮产物的影响。

木质素是木质生物质中的一种重要成分，它不仅影响了生物质的物理结构，还对微生物的利用造成了障碍。由于木质素具有稳定的分子结构，它难以被微生物分解，导致木质生物质的碳释放效率较低。此外，木质素与纤维素和半纤维素之间的强连接，也使得碳的释放过程变得缓慢。这种缓慢的释放速率直接影响了脱氮反应的效率，因为脱氮微生物需要可溶性有机碳作为电子供体。因此，通过降低木质素含量，可以显著提高碳的释放速率，从而增强脱氮效率。

本研究中，科学家们对天然木屑（NW）进行了不同程度的木质素去除处理，得到了两种低木质素木屑（RL1和RL2）。通过实验，他们发现低木质素木屑在485天的运行周期内，能够保持较高的脱氮效率。与天然木屑相比，低木质素木屑的脱氮速率提高了2.5到6.0倍，特别是在20到25摄氏度的温度范围内，脱氮速率达到了11.6毫克氮每升每天。这一结果表明，木质素含量的降低显著提升了木屑在脱氮反应器中的性能。

此外，实验还发现，随着木质素含量的降低，出水中溶解有机碳（DOC）、亚硝酸盐和铵的浓度逐渐增加。这说明，低木质素木屑在脱氮过程中释放的有机碳更多，从而导致更多的副产物生成。然而，这些副产物的浓度在一定范围内是可控的，例如，通过延长水力停留时间，可以有效减少亚硝酸盐的积累。这为实际应用中如何控制副产物浓度提供了重要的参考依据。

在化学组成方面，低木质素木屑的提取物、半纤维素和体积密度均显著降低。这表明，去除木质素不仅改变了木屑的物理特性，还对其化学组成产生了深远的影响。木质素的去除使得木屑的结构更加松散，从而提高了其与微生物的接触面积和反应活性。同时，低木质素木屑在脱氮过程中释放的DOC被消耗的比例显著高于天然木屑，达到了36.8%到38.0%。相比之下，天然木屑释放的DOC中仅有24.5%被消耗。这说明，低木质素木屑在脱氮反应中更有效地利用了释放的有机碳，从而提高了脱氮效率。

在脱氮过程中，挥发性脂肪酸和还原糖的含量逐渐耗尽，而总酚类物质和类腐殖酸物质的含量则基本保持不变。这一现象表明，脱氮微生物主要利用了低分子量的有机碳，而高分子量的有机碳，如总酚类物质和类腐殖酸物质，则未被完全利用。这可能是因为这些高分子量的有机碳具有较低的生物可利用性，或者它们的分解需要特定的酶系统，而这些酶系统在脱氮过程中可能未被充分激活。因此，低木质素木屑的脱氮过程不仅提高了有机碳的利用率，还减少了高分子量有机碳的残留，这对环境的长期稳定性具有积极意义。

从实际应用的角度来看，去除木质素可以显著提升木屑在生物反应器中的脱氮效率。然而，这种去除过程也需要适度控制，以避免过多的副产物生成。例如，低木质素木屑在脱氮过程中会释放更多的DOC，而这些残留的DOC可以通过化学凝聚、吸附或生物氧化等方法进一步处理。此外，低木质素木屑在脱氮过程中会产生更多的亚硝酸盐，但通过延长水力停留时间，可以有效减少亚硝酸盐的积累，从而避免其对环境和生态系统的潜在危害。

综上所述，本研究揭示了低木质素木屑在脱氮生物反应器中的优越性能。通过去除木质素，不仅可以提高脱氮效率，还能优化脱氮产物的组成，减少对环境的负面影响。这些发现为木质生物质在污水处理和生态修复中的应用提供了新的思路和方法，同时也为未来的研究方向奠定了基础。未来的研究可以进一步探索不同木质素去除程度对脱氮效率和副产物生成的影响，以及如何通过优化反应条件来最大化木质生物质的利用价值。此外，还可以研究低木质素木屑在不同环境条件下的稳定性，以及其在长期运行中的维护需求。这些研究将有助于推动木质生物质在脱氮技术中的广泛应用，为实现可持续的水处理方案提供科学支持。