高粱秸秆助力污水脱氮：最优条件探索与微生物群落解析

为解决养殖废水 NO3?-N 污染问题，研究人员以高粱秸秆（SS）为碳源，开展反硝化系统研究。结果表明 30°C、HRT 为 32h、INC 为 50mg/L 时脱氮效果最佳。该研究为养殖废水处理提供参考。

　　在当今的水产养殖领域，中国作为全球水产养殖产量远超捕捞产量的国家，其水产养殖业自上世纪 80 年代起便迅猛发展。然而，传统的池塘养殖模式正逐渐被工厂化养殖所取代，这一转变虽顺应时代需求，但也带来了新的挑战。工厂化养殖大量投喂饲料，导致养殖水体中 NO₃^?-N 含量急剧上升。这些过量的 NO₃^?-N 不仅会降低水产品的质量，还会在排放后对周边环境造成严重污染，威胁人类健康。

为了解决这一棘手的问题，来自国内的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们聚焦于利用高粱秸秆（SS）作为新型固体碳源，在反硝化系统中探究不同温度、水力停留时间（HRT）和进水硝酸盐浓度（INC）对脱氮性能的影响。研究成果发表在《Agricultural Water Management》上，为养殖废水的处理提供了新的思路和方向。

在研究过程中，研究人员采用了多种关键技术方法。他们构建了实验垂直上升人工湿地和高粱秸秆反硝化反应器（SS - DR），模拟养殖废水处理环境。通过高通量测序技术分析微生物群落结构，利用多种标准检测方法测定水质指标，如 NO₃^?-N、NO₂^?-N、NH₄⁺-N、总氮（TN）、总磷（TP）、化学需氧量（COD）等，以此全面评估脱氮性能。

研究结果如下：

• pH 和 DO 变化：实验期间，人工湿地和 SS - DR 的进水 pH 在 6.70 - 7.58 之间，出水 pH 在 6.44 - 7.36 之间，适合反硝化反应。进水 DO 范围是 3.01 - 3.86mg/L，而反应器内 DO 始终低于 1mg/L，为反硝化提供了厌氧环境。
• 温度对人工湿地脱氮性能的影响：随着温度降低，有碳源的 SS - CW 出水 NO₃^?-N 浓度上升，平均去除率下降，而无碳源的 CK - CW 变化不明显，表明添加碳源可增强人工湿地脱氮性能。同时，温度降低，出水 NO₂^?-N 浓度上升，NH₄⁺-N 去除受碳源和温度影响较小，TN 和 TP 去除率也随温度变化呈现不同趋势，且温度对 SS - CW 出水 COD 浓度有显著影响。
• HRT 对脱氮性能的影响：当 INC 为 50mg/L 时，随着 HRT 延长，SS - DR 出水 NO₃^?-N 浓度逐渐降低，在 HRT 为 32h 时，NO₃^?-N 去除率显著提高且 NO₂^?-N 积累减少，可实现完全反硝化。TN 去除率变化趋势与 NO₃^?-N 相似，确定 32h 为最佳 HRT，且 HRT 对 TP 去除率和出水 COD 浓度也有一定影响。
• INC 对脱氮性能的影响：在最佳 HRT 为 32h 条件下，随着 INC 增加，SS - DR 出水 NO₃^?-N 浓度和硝酸盐去除率（NRR）均增加，但系统未实现完全反硝化。同时，出水 COD 浓度随 INC 增加而降低，表明 COD 消耗与 NO₃^?-N 去除正相关，INC 对 TP 去除影响较小。
• 微生物群落组成分析：不同温度下，SS - CW 的微生物群落多样性存在显著差异。优势菌门包括变形菌门（Proteobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、厚壁菌门（Firmicutes）等，优势菌属有 Clostridium_sensu_stricto_1、Candidatus_Competibacter 等。碳源添加和温度变化显著影响微生物群落结构。

研究结论和讨论部分指出，温度、HRT 和 INC 是影响 NO₃^?-N 去除率的关键因素。人工湿地反硝化的最佳温度为 30°C，SS - DR 在 HRT 为 32h、INC 为 50mg/L 时脱氮效果最佳，此时 NO₃^?-N 和 TN 去除率分别高达 95.71 ± 1.75% 和 93.46 ± 1.36%，且 NO₂^?-N 含量低，可实现完全反硝化。微生物群落结构随温度变化而改变，其中 Proteobacteria、Bacteroidetes 和 Firmicutes 等菌在高粱秸秆降解和反硝化过程中发挥重要作用。

这项研究的意义重大，它为利用高粱秸秆作为额外碳源增强养殖废水处理中的反硝化作用提供了理论依据，有助于开发新型低成本、环境友好的养殖废水处理技术，推动水产养殖业的可持续发展。同时，研究也为后续进一步优化反硝化过程、探索更广泛的应用场景以及评估技术的经济可行性奠定了坚实基础。