谢林花， 丁绍兰， 陈晓娇， 王 明

(陕西科技大学 资源与环境学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

碳源是在微生物生长过程中为微生物提供碳素来源的物质，是影响反硝化细菌活性的重要因素之一.而碳源材料释碳规律及其影响因素是选择合适碳源的重要指标.

能够被反硝化菌利用的碳源大体上可以分为3类:内碳源、外加碳源和废水中的有机碳源.而外加碳源则可以被分成为两大类：一类是以甲醇、乙醇、葡萄糖等为主的传统碳源；另一类是包括含有大量纤维素类物质的一些天然植物、一些可以生物降解的聚合物等在内的新型碳源[1-4].

在实际的工程项目中，如甲醇等传统碳源因其存在运行费用高，存储和运输均有一定的环境风险等一些弊端[5-7]，使得众多的学者开始寻找替代传统工艺的反硝化碳源[8-13].因此，近年来，廉价并可持续释放碳源的含纤维素类物质的新型固态有机碳源来代替传统碳源的研究已成为新的热点.

我国是农业大国，每年都产生大量的核桃壳、花生壳等壳类农业废弃物，其中除少量作为农家燃料外，其余绝大部分被丢弃，不仅造成资源的极大浪费且增加环境负担.如果能充分地利用这一资源，既能解决农业废弃物处置的问题，又能充分进行资源循环利用.因此，本研究以4种壳类农业废弃物核桃壳、花生壳、板栗壳和松子壳等作为备选碳源材料，分析这些碳源材料在各种不同条件下的释碳规律，从而筛选出适宜的物质作为外加有机固体碳源进行反硝化脱氮研究，为今后的工程利用提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 材料

本实验所用的材料(核桃壳、花生壳、板栗壳和松子壳)均购买于西安市农贸市场.材料破碎并过5 mm筛网.将所有的固态有机碳源材料用自来水洗去灰尘之后，在65 ℃条件下的烘箱中烘24 h，并让其放在烘箱内自然冷却，最后装入样品袋中并放置于干燥器内备用.在整个实验过程中，都使用同一批材料.

主要试剂：硫酸，重铬酸钾，硫酸银，硫酸汞， 硫酸亚铁铵，均为分析纯.

主要仪器：9FZ-15B粉碎机(台州)，101-1AB型电热鼓风干燥箱(天津)，DK-98--IIA电热恒温水浴锅(天津).

1.2 碳源释碳动力学研究

分别称取核桃壳、花生壳、板栗壳和松子壳各5 g，高压蒸汽灭菌之后分别放入250 mL的碘量瓶中，注入250 mL的去离子水，放置于恒温水浴锅中，水浴锅温度设置(即该实验温度)为25 ℃.每次采用注射器取样，取样之前调节pH为7.0.分别在第1 h、3 h、6 h、12 h、24 h、36 h、48 h、60 h、72 h、96 h、120 h、168 h取样，用重铬酸盐法测定所取水溶液中的COD的浓度.根据COD的释放，应用数学分析来确定最适合作为外加碳源的壳类农业废弃物.

1. 3 碳释放规律模拟正交试验

1.3.1 碳释放正交试验各因素水平的选定

选定核桃壳作碳释放正交试验，参考邵留等研究者的研究[14]，选定以固液比、水体pH值、水温等作为影响碳源释放的主要环境因素.

(1)固液比水平模拟水体碳浓度对碳释放速率的影响，试验共分为4组，即分别称取0.625 g、1.250 g、2.500 g、5.000 g灭菌后的碳源材料投加到装有250 mL去离子水的碘量瓶中，则其固液比分别为0.625∶250、1.250∶250、2.500∶250和5.000∶250.

(2)水体pH值水平模拟水体pH的变化对碳释放速率的影响.调节pH值水平分别为6.5、7.0、7.5、8.0等4种.

(3)温度水平的试验.共分4组进行，设定其温度分别为5 ℃、15 ℃、25 ℃和35 ℃，从而探讨温度对碳释放速率的影响.

1.3.2 碳释放正交试验设计

分别称取0.625 g、1.250 g、2.500 g、 5.000 g灭菌后的核桃壳投加到装有250 mL去离子水的碘量瓶中，采用注射器取样.考虑影响碳释放的主要因素：固液比、温度、pH值.采用正交试验设计的方法，同时选择三因素四水平表，共设计16种试验方案.分别在第1 h、3 h、6 h、12 h、24 h、36 h、48 h、60 h、72 h、96 h、120 h、168 h取样，测定所取水溶液中的COD的浓度.为了保证数据的可靠性和实验的合理性，每种实验均设置2个平行实验组，测定结果取其平均值.试验设计见表1和表2.

表1 因素水平表

表2 碳源释放模拟正交试验表

1.4 碳释放规律正交试验的验证

根据正交试验的结果确定优方案，优方案是通过理论分析得到的，但实际上不知道是不是真正的优方案，因此还需做进一步的验证实验.

2 结果与讨论

2.1 碳源物质的释碳动力学分析

核桃壳、花生壳、板栗壳和松子壳等释碳特征曲线如图1～4所示.从图1～4中可以看出，随着碳源释放时间的延长，核桃壳和松子壳释放出的有机物的含量均随着时间的延长而逐渐增加，在96 h后保持平稳不变；板栗壳则在96 h后显示释碳量的增加趋势；而花生壳则在96 h后释放有机物含量逐渐下降.

这表明在实验的初期，随着附着在材料表面的一些小分子物质以及一些易分解的碳水化合物和水溶性物质的快速分解，所以就会表现出水体的COD浓度在短时间内迅速上升；但随着时间的推移，碳源材料的内部物质会进一步分解并释放到水溶液中，木质素等比较难分解的物质就会不断地累积，导致材料分解受到了抑制，因此分解速度放缓了，并且会逐渐地达到一个平衡状态[15].

从实验结果来看，松子壳的有机物释放量最少，在整个研究的过程中，水溶液中COD的浓度始终都没有超过35 mg/(g·L)；而花生壳有机物的释放量最大，并且它的释放速率也最快，在1 h内水溶液中COD的浓度就超过了100 mg/(g·L).

图1 核桃壳释碳特征曲线

图2 花生壳释碳特征曲线

图3 板栗壳释碳特征曲线

图4 松子壳释碳特征曲线

图5 核桃壳释碳特征分析

图6 花生壳释碳特征分析

图7 板栗壳释碳特征分析

图8 松子壳释碳特征分析

碳源材料的碳释放过程满足二级动力学公式，它们的释放曲线均呈现比较好的倒数关系，即在溶液中，其COD的浓度(c)与时间(t)满足二级动力学方程，表达式为：

(1)

(2)

式中，cm为单位质量材料在溶液中释放的饱和COD浓度，单位为mg/( g·L) ；k为常数，h·g·L/mg.

令K=1/k，则式(2) 即为：

(3)

式中，K为传质系数，反映的是释放阻力，单位为 mg/( h·L·g) .

(4)

式中，t1/2是COD的释放浓度达到饱和浓度一半时所用的时间，单位为h.

实验中4种碳源物质的释碳曲线相关性分析如图5～8所示.由图5～8可以看出，4种壳类农业废弃物的释碳曲线都具有较好的相关系数，可以认为这4种碳源材料释碳过程都满足二级动力学方程.其中，cm越大，碳源材料释放的COD浓度就越高，表明材料的释碳能力也就越大；K 越大，则材料的传质阻力越小，有机碳的释放也就越容易；t1/2越小，有机碳释碳达到平衡状态时就会进行得越快.

在表3中，核桃壳、板栗壳、松子壳的cm值都比较接近，然而花生壳的cm值却非常大，远远地高于其他3种壳类的cm值，可以认为这4种材料中花生壳的供碳能力是最好的.但是，花生壳经过96 h静态释放有机物后，出现了明显的释放有机物下降趋势.在生物反硝化脱氮过程中，反硝化菌利用有机物作为碳源，如果水体中的有机物浓度过低，而此时如若添加的碳源材料不能够起到持续提供碳源的作用，则无法满足反硝化脱氮电子供体的要求.因此，花生壳不适宜作为固态有机碳源.

就K值比较而言：板栗壳<松子壳<核桃壳.表明核桃壳所受的传质阻力最小，其最容易释放出有机碳，所以在图1中就表现为比较高的COD浓度和比较快的释放速率；板栗壳和松子壳所受的传质阻力基本相当.

从t1/2值的比较来看：核桃壳<松子壳<板栗壳.表明核桃壳这一实验组达到碳源释放平衡状态时所需要的时间最短，这与它的传质阻力最小、最容易释放有机物是一致的.

实际工程中，需要在满足一定的供碳量前提条件下，材料需要具有比较小的cm值和比较大的K值.在释碳能力满足生物反硝化过程的前提条件下，cm小就符合了缓释碳源的定义，并且不容易对水体造成有机污染；K值大时，其传质就比较快，释放也就越容易，可以很快地达到平衡稳定状态[14].

综上所述，在核桃壳、花生壳、板栗壳和松子壳等4种壳类农业废弃物中，核桃壳最为适宜作为反硝化碳源.

表3 4种碳源物质在去离子水中的释碳特征比较

2.2 正交试验结果分析

选取核桃壳做正交试验.外界因子对核桃壳释碳性能影响的正交试验结果见表4和表5所示.从表中可以看到，在可能会影响浸出液COD浓度的这3个因素中，A(水温)、C(固液比)对COD浓度的影响比较显著，B(pH值)对浸出液COD浓度的影响不太显著.因此，在各个因素的控制范围内，核桃壳的释碳规律为：随着因素A的升高和因素C的增大，其所释放出来的COD浓度增加；而因素B的改变对核桃壳释放有机物的影响并不明显.

由表4中极差值的大小可以看出，水温、pH值、固液比对于核桃壳的释碳性能影响的显著程度依次为：固液比>水温>pH值.浸出液COD浓度明显受到固液比的影响，是由于固液比的增加，会导致外界水体和核桃壳之间的浓度差增大，这样就有利于传质，也就加大了有机物的释放量和释放速率，所以浸出液中COD的浓度就明显地增加了.浸出液COD浓度明显受到了温度影响，是因为随着温度升高，核桃壳分子的热运动就会增加，外界水体和核桃壳之间的传递过程加速，这有利于核桃壳上有机物的释放，所以温度升高时浸出液中COD浓度也就相应地增加[14].

表4 正交试验结果统计表

表5 方差分析表

2.3 验证实验结果分析

比较不同温度、pH、固液比等条件下的K值得出最佳实验水平为A4B1C1或A4B2C1或A4B4C1.在此条件下做验证实验，最终COD值为107 mg·L-1，小于上面正交试验的最优值.因此，可能还有别的影响固体碳源释放的因素.

3 结论

(1)释碳动力学的研究表明，实验所选择的4种碳源材料(核桃壳、花生壳、板栗壳和松子壳)释碳过程都能够满足二级动力学方程，其释放曲线呈现出很好的双倒数关系，即溶液中的COD浓度(c)和时间(t)满足二级动力学方程，即1/c-1/cm= 1/Kt.

根据反硝化碳源的实际应用，综合比较来看，核桃壳不仅仅具有比较适宜的cm值和K值，也比较符合缓释碳源的定义，并且不容易对水体造成有机污染.因此，核桃壳最为适宜作为反硝化碳源.

(2)外界因子对碳源材料释碳性能影响的正交试验结果表明，水温的升高和固液比的增加都能导致碳源材料释碳能力的提高，但是水体pH值的变化却对碳源材料的释碳能力没有非常明显的影响.因此，水温、pH 值和固液比对于碳源材料释碳能力的影响程度依次为：固液比>水温>pH值.

(3)在最佳实验水平下做验证实验，最终COD值为107 mg·L-1，小于上面正交试验的最优值.因此，可能还有别的影响固体碳源释放的因素.

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