以混合有机酸为碳源的废水脱氮效率

随着污水处理标准的日益严格和"双碳"目标的推进，开发高效、经济的废水脱氮技术成为水处理领域的重要课题。传统反硝化工艺常面临碳源不足、运行成本高、温室气体排放等问题，而以混合有机酸作为替代碳源的技术路线展现出显著优势。本文系统分析了混合有机酸作为反硝化碳源的脱氮效率、微生物群落响应机制以及实际应用潜力，通过整合最新研究成果，揭示了乙酸钠、丙酸钠和丁酸钠按7:1:2比例混合的碳源在反硝化脱氮中的独特作用，为低碳氮比废水的处理提供理论依据和技术参考。

混合有机酸碳源的反硝化效能

混合有机酸作为反硝化碳源在废水处理中表现出卓越的脱氮效率。研究表明，当采用乙酸钠、丙酸钠和丁酸钠按7:1:2比例配制的混合有机酸作为碳源时，系统可获得111.95 mg L⁻¹ h⁻¹的最大反硝化速率（以N计），这一数值显著高于单一碳源或传统碳源（如甲醇）的反硝化效率。在序批式活性污泥法(SBR)反应器中，当进水硝酸盐浓度从100mg/L逐步提升至1600mg/L时，系统脱氮效率仍能维持在95%以上，展现出极强的负荷适应能力。值得注意的是，系统在经历短暂波动（如总氮负荷达到3200mg L⁻¹ d⁻¹时脱氮效率短暂降至80%）后，能迅速自我恢复至99%以上的脱氮效率，体现了混合有机酸碳源系统良好的稳定性。

混合有机酸中不同组分呈现出差异化的代谢优先级。研究数据表明，乙酸被微生物直接氧化并转化为乙酰辅酶A，优先被利用；丁酸通过β氧化为乙酸后被利用；而丙酸的代谢路径最为复杂，需先合成丁酸发生歧化反应或生成丙酰COA再转化为乙酰，因此利用率相对较低。这一代谢特性导致出水中残留有机酸以乙酸和丙酸为主，丁酸几乎被完全消耗。当碳氮比(C/N)控制在6.86时，低负荷运行下出水中未检测到剩余挥发酸，说明碳源被充分利用；而在高负荷(1200和1600mg/L)条件下，有机酸残留率升高，主要由于碳源添加过量以及非反硝化微生物被淘汰后碳源需求减少。

与传统碳源相比，混合有机酸碳源还具有成本优势和资源循环特性。厨余垃圾厌氧消化液中含有丰富的有机酸组分，可作为经济有效的替代碳源，实现"以废治废"的资源化理念。实际工程中，采用混合有机酸碳源可节省20%-40%的碳源投加成本，同时减少化学药剂运输和储存环节的环境风险。此外，混合有机酸碳源在反硝化过程中产生的碱度（3.57g CaCO₃/g NO₃⁻-N）可部分抵消硝化阶段的碱度消耗，有助于维持系统pH稳定，降低调节剂投加量。

微生物群落与功能基因响应

混合有机酸碳源的投加引发了微生物群落的定向富集与功能强化。宏基因组测序结果显示，长期添加混合有机酸驯化的污泥中，Proteobacteria、Chloroflexi、Bacteroidetes和Acidobacteria成为优势菌门，其中反硝化功能菌Rhodocyclaceae（红环菌科）、Thauera和Blvii28_wastewater-sludge_group高度富集。这些功能微生物的增殖使系统α多样性显著降低，群落结构趋于专一化，反映了微生物功能集中性随硝氮负荷增加而增强的适应策略。特别值得关注的是，Zoogloea菌属的富集不仅提升了反硝化效率，还改善了污泥沉降性能，为后续固液分离创造了有利条件。

在基因水平上，混合有机酸碳源系统表现出反硝化功能基因的特异性表达。荧光定量PCR(qPCR)和宏基因组测序分析揭示，nosZ基因（编码N₂O还原酶）的相对丰度高达31.86%，显著高于nirS(5.37%)、nirK(0.18%)和norB(11.35%)基因。这一基因表达谱表明，添加混合有机酸可能通过促进N₂O向N₂的转化，减少温室气体N₂O的排放，对低碳污水处理具有重要意义。同时，作为亚硝酸盐还原基因，nirS的丰度远高于nirK，暗示nirS型微生物在亚硝酸盐还原中占据主导地位，这一发现与多数废水处理系统中的研究结果一致。

碳氮代谢模块分析进一步揭示了微生物对混合有机酸的代谢偏好。宏基因组数据显示，M00567（乙酰辅酶A合成途径）的相对丰度高达28%，远高于丁酸盐代谢模块M00088（0.75%）和M00027（0.13%）。这一结果与有机酸利用优先级相互印证，说明系统内主要发生乙酸代谢途径。北京工业大学彭永臻院士团队的研究指出，高浓度VFA（1200-5000 mg/L）对亚硝酸氧化菌(NOB)的抑制效果强于氨氧化菌(AOB)，这一特性可被用于促进短程硝化反硝化，进一步优化脱氮路径。此外，乙酸作为反硝化菌最易降解的碳源，在合适C/N比下可促进短程反硝化（NO₃⁻→NO₂⁻）的实现，为厌氧氨氧化(Anammox)提供基质，实现更高效的生物脱氮。

工程应用与优化方向

基于混合有机酸碳源的反硝化系统在实际工程应用中需关注几个关键要素。工艺参数控制是保证脱氮效率的基础，研究表明水力停留时间(HRT)在24-37小时范围内均可获得良好脱氮效果（总氮去除率>90%），过长的HRT并不会显著提升处理效果，反而增加投资和运行成本。溶解氧应控制在0.5mg/L以下，以维持严格的缺氧环境；温度保持在20-30℃可确保微生物活性，在低温(8℃)运行时需适当增加污泥龄或投加高效菌剂。pH值维持在7.0-9.0范围，既有利于反硝化过程，又可避免pH波动抑制微生物活性。

碳源配比与投加策略直接影响处理效果和经济性。采用乙酸钠、丙酸钠和丁酸钠按7:1:2比例混合的碳源，在C/N比为4-6时能达到最佳脱氮效果。实际工程中可采用分段投加方式，根据进水氮负荷动态调节碳源投加量，避免过量投加导致出水COD升高。值得注意的是，餐厨垃圾发酵液等实际有机废物中的挥发酸成分更为复杂，可能含有长链脂肪酸等抑制物质，因此在实际应用中需进行预处理或驯化适应。彭永臻院士团队提出的"碳捕获+侧流发酵"工艺，通过在A段截留污水中的COD并定向发酵产酸，既实现了碳源回收，又避免了复杂组分对主流程的干扰，为混合有机酸碳源的工程化应用提供了可行路径。

未来研究应着重解决几个关键问题：一是深入解析真实发酵液与人工混合有机酸对微生物代谢的差异影响，明确发酵液中潜在抑制因子的作用机制；二是开发功能菌剂强化技术，将红环菌科等高效反硝化菌分离培养，形成复合菌剂用于系统快速启动或冲击恢复；三是优化工艺耦合模式，探索混合有机酸碳源与短程硝化、厌氧氨氧化等新型脱氮工艺的协同机制，构建更高效节能的脱氮系统；四是完善温室气体排放监测，特别是N₂O的产生与转化规律，为碳足迹评估提供数据支撑。

混合有机酸作为反硝化碳源的技术路线，通过"以废治废"的资源化理念和功能微生物定向富集的生态策略，实现了脱氮效率与运行经济的平衡，为污水处理厂的节能降耗和可持续发展提供了新的解决方案。随着研究的深入和工程经验的积累，这一技术有望在市政污水和工业废水处理领域获得更广泛的应用。