聚羟基丁酸酯/纤维素共混物（PHBC）作为固相碳源强化反硝化效能的研究

针对传统液体碳源在反硝化过程中易过量/不足且成本高的问题，研究人员通过将聚羟基丁酸酯（PHB）与微晶纤维素共混（PHBC），开发了新型固相碳源。结果表明，PHBC60:40和PHBC70:30的峰值硝酸盐转化率达3.9±0.24 kg NO3 ?N/m3 -d，且成本更低，为工业废水和水产养殖系统提供了高效经济的脱氮方案。

　　

硝酸盐污染是当前水环境治理的重大挑战。工业废水、农业径流和生活污水中的过量硝酸盐不仅导致水体富营养化和藻类爆发，还会通过饮用水威胁人类健康，引发婴儿高铁血红蛋白症（蓝婴综合征）和成人癌症等疾病。尽管生物反硝化技术因其环保性和经济性成为主流，但传统液体碳源（如甲醇、乙醇）存在剂量控制难、需复杂监测系统等问题。而天然纤维素类固相碳源虽成本低，却易释放过量溶解性有机碳（DOC），影响出水质量；合成生物聚合物（如PHB）虽DOC释放少，但价格高昂且生物利用度受限。

为解决这一矛盾，路易斯安那州立大学的研究团队创新性地将聚羟基丁酸酯（PHB）与微晶纤维素共混，开发了PHBC系列固相碳源，并系统评估了其脱氮性能。研究通过闭路循环实验比较了纯PHB与三种PHBC混合比例（80:20、70:30、60:40）的硝酸盐转化率、COD积累及成本效益，相关成果发表于《Aquacultural Engineering》。

关键技术方法
实验采用闭路循环系统模拟水产养殖环境，结合脱气柱维持缺氧条件。通过监测硝酸盐转化率、COD积累量和碳源消耗率，量化不同PHBC配比的性能差异。数据统计采用三重复设计，确保结果可靠性。

研究结果

1. 硝酸盐还原性能
   PHBC60:40和PHBC70:30在第二天即达到峰值转化率（3.9±0.24 kg NO₃
   ?N/m³
   -d），显著快于纯PHB（第四天才达3.4±0.03 kg NO₃
   ?N/m³
   -d），表明纤维素加速了反硝化启动。

2. COD积累与碳释放
   PHBC60:40的7天COD积累量（58±11.5 mg/L）最高，纯PHB最低（19±2.9 mg/L），反冲洗会加剧固体释放。纤维素含量与COD积累呈正相关，但所有处理均未超过水质标准限值。

3. 成本效益分析
   PHB消耗率为3.3±0.54 kg/kg NO₃
   ?N，而PHBC60:40为4.0±0.12 kg/kg NO₃
   ?N。尽管混合碳源消耗量略高，但其原料成本更低，整体经济性优于纯PHB。

结论与意义
该研究证实PHBC共混物能协同发挥PHB的缓释特性与纤维素的低成本优势，显著提升反硝化效率。尤其在水产养殖系统（RAS）等封闭环境中，PHBC可避免纤维素溶解性问题，同时降低30%以上的脱氮成本。未来研究需进一步优化纤维素比例（突破40%上限）并减少反冲洗COD释放。这一成果为工业废水处理提供了可规模化应用的绿色解决方案，也为生物聚合物在环境工程中的跨界应用开辟了新路径。