稻殼作為反硝化碳源在海水中的脫氮性能研究

李　華，周子明，劉青松，董宏標(biāo)，段亞飛，李純厚，張家松

（1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)部南海漁業(yè)資源開發(fā)利用重點實驗室，廣東廣州510300；2.上海海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，上海201306）

稻殼作為反硝化碳源在海水中的脫氮性能研究

李華1，2，周子明1，2，劉青松1，董宏標(biāo)1，段亞飛1，李純厚1，張家松1

（1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)部南海漁業(yè)資源開發(fā)利用重點實驗室，廣東廣州510300；2.上海海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，上海201306）

以稻殼為反硝化碳源，研究了稻殼的營養(yǎng)組成、微觀形貌、孔隙結(jié)構(gòu)、在海水中的釋碳速率以及作為反硝化碳源在海水中的脫氮效果。結(jié)果表明，稻殼中含有能被微生物利用的粗纖維、淀粉和粗蛋白等，總有機碳達(dá)到58%以上；稻殼含有大量親水官能團，表面粗糙且擁有大量孔隙結(jié)構(gòu)，非常利于微生物附著生長。以稻殼為反硝化碳源，海水中硝酸鹽去除率可達(dá)59%，且具備較好的持續(xù)供碳能力，可滿足其作為碳源被微生物持續(xù)利用的需求。

稻殼；碳源；反硝化；海水處理

近年來，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)迅猛發(fā)展，大量來自殘余餌料和養(yǎng)殖對象排泄物的含氮廢水進入天然水體，導(dǎo)致水域環(huán)境惡化，赤潮頻發(fā)，嚴(yán)重破壞生態(tài)平衡〔1〕。據(jù)2014年中國海洋環(huán)境質(zhì)量公報數(shù)據(jù)顯示，我國劣于第四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的海域面積達(dá)到57 360 km3，而近岸海域的主要污染要素就是無機氮、活性磷酸鹽和石油類〔2〕。

生物法脫氮是一種經(jīng)濟、有效的方法。但養(yǎng)殖廢水含鹽量高、含碳量低，反硝化脫氮過程中碳源不足，導(dǎo)致硝酸鹽大量積累，需要外加碳源以促進深度脫氮〔3〕。生物質(zhì)材料含有大量纖維組分，且大多結(jié)構(gòu)疏松、比表面積大，有利于微生物附著，因此多被用作生物反硝化碳源和生物膜載體，如甘草〔4〕、蘆竹〔5〕、甘蔗渣、玉米芯〔6〕、麥稈〔7〕、稻殼、原棉〔8〕、木屑〔9〕、腐朽木〔10〕等，這些物質(zhì)都被成功用于生物異養(yǎng)反硝化脫氮過程，取得了良好的脫氮效果且沒有亞硝酸鹽積累的現(xiàn)象。目前，有關(guān)生物質(zhì)材料作為碳源的研究較多集中在生活污水與地下水脫氮方面，但針對高鹽海水體系作為碳源來進行反硝化脫氮的研究較少。稻殼是一種我國產(chǎn)量較大的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物，且稻殼有大量孔隙結(jié)構(gòu)，并含有大量的粗纖維、木質(zhì)素和礦物質(zhì)等，易于微生物附著生長〔11〕。因此，筆者選擇稻殼為研究對象，對稻殼的營養(yǎng)組成、微觀形貌、孔隙結(jié)構(gòu)、在海水中的釋碳速率以及作為反硝化碳源在海水中的脫氮效果進行了研究。

1　材料與方法

1.1實驗材料

實驗所用稻殼收購于廣州中山小欖鎮(zhèn)，回收后洗凈、晾干，磨碎過70.5～105μm（150～200目）分樣篩，磨碎的稻殼儲藏于干燥箱中，整個實驗使用同一批材料。實驗海水采用自來水配制，具體組成：NaCl 23.93 g/L、KCl 0.68 g/L、CaCl20.99 g/L、MgCl26.09 g/L、MgSO43.94 g/L、NaHCO30.19 g/L、KBr 0.10 g/L。調(diào)節(jié)人工海水pH為7.0～7.5，鹽度為2.5%。接種污泥來自某養(yǎng)殖場循環(huán)水處理系統(tǒng)脫落生物膜，用加入一定濃度硝酸鈉的人工海水進行富集培養(yǎng)反硝化菌。實驗所用試劑均為分析純，其他用水為去離子水。

1.2實驗方法

1.2.1稻殼釋碳實驗

稱取一定質(zhì)量的稻殼分別加入8支15mL離心管中，加入10mL滅菌人工海水，放入轉(zhuǎn)速為150 r/min的搖床中。分別在實驗進行了1、2、3、4、8、18、32、46 d時取水樣過45μm濾膜，使用德國Elementar TOC總有機碳分析儀測定浸出液中TOC的含量。

1.2.2稻殼反硝化脫氮實驗

在1 000mL錐形瓶中加入8 g稻殼，并加入200mL富集培養(yǎng)的反硝化污泥、800mL硝酸鹽氮質(zhì)量濃度為60mg/L的人工海水，污泥質(zhì)量濃度約為1.5 g/L。室溫下用磁力攪拌器攪拌混合，轉(zhuǎn)速為220 r/min。每隔24 h換水1次，保持進水中pH在7.0～7.5，DO＜0.5mg/L，每天取水樣過45μm濾膜后，依據(jù)《海洋監(jiān)測規(guī)范·第4部分·海水分析》（GB 17378.4—2007）測定出水中的COD、pH、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮濃度。

1.2.3表征方法

掃描電鏡（SEM）采用日本日立TM 3000拍攝；傅里葉紅外（FTIR）圖譜采用日本島津IRAffinity-1掃描。

2　結(jié)果與討論

2.1稻殼營養(yǎng)組成

稻殼中含有大量的粗纖維、木質(zhì)素和礦物等，但作為反硝化碳源需要提供能夠被微生物利用的有機碳源。稻殼中粗蛋白、粗纖維、粗脂肪、還原糖（以葡萄糖計）、淀粉、灰分能夠被微生物利用，所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：2.17%、42.9%、＜0.5%、＜0.5%、13.1%、16.4%?？芍淇傆袡C碳（包括粗纖維、淀粉、粗蛋白）達(dá)到58%以上。這些含碳有機物一方面使得稻殼具備較好的親水性、易于被微生物附著，另一方面又可被微生物降解利用，為稻殼作為反硝化碳源提供了保證。

2.2稻殼的FTIR圖譜

稻殼的傅里葉紅外圖譜見圖1。

圖1　稻殼的FTIR圖譜

3 405 cm-1處—OH的吸收峰較強且寬，說明稻殼表面存在較多由硅醇基（Si—OH）、其他羥基和吸收的水中游離和締合的—OH〔12〕。在2 920 cm-1處則是木質(zhì)素中與苯環(huán)相連的甲氧基中—CH3的不對稱伸縮振動峰。在1 649、1 540 cm-1附近出現(xiàn)酰胺吸收說明稻殼中存在蛋白質(zhì)，這與稻殼分析中所示含有2.17%的蛋白質(zhì)相符。在1 456 cm-1處未被完全分開的吸收峰為—CH3和—CH2中C—H的不對稱彎曲振動峰。1 091 cm-1處及附近的肩峰，主要產(chǎn)生于—OH的彎曲振動和C—O—C（纖維素中存在）的伸縮振動〔13〕。稻殼的FTIR圖譜可以看出稻殼表面存在大量的—OH、C—O—C和酰胺等含氧親水性官能團，對微生物的附著生長十分有利。

2.3稻殼的表面形貌

對稻殼進行SEM掃描，結(jié)果顯示，稻殼表面非常粗糙，放大300倍后可以看到稻殼表面均勻分布著數(shù)量眾多的錐形凸起和類似球狀毛刺，與文獻(xiàn)〔14〕報道相似。放大500倍后可以清晰看到大量的錐形凸起。放大1 000倍，從稻殼橫截面中可以看到大量的不規(guī)則的球形孔隙結(jié)構(gòu)，孔徑主要為6.31～9.92μm的大孔。由此可知，稻殼表面粗糙，且存在大量的凸起毛刺和大孔結(jié)構(gòu)，非常有利于微生物的附著生長。

2.4稻殼在海水中TOC的釋放

圖2考察了不同固液比（2、4、6、8mg/L）的稻殼在人工海水中靜態(tài)釋碳TOC濃度變化。

圖2　不同固液比的稻殼在海水中的TOC濃度變化

從圖2可以看出，前4 d稻殼的釋碳速率較快，可能是稻殼中易于釋放的淀粉及少量蛋白組分的釋放，到第18天后增長速率開始減緩，到第46天時浸出水體中TOC濃度已經(jīng)趨于平衡狀態(tài)，推測此階段主要是稻殼自身纖維素的分解，釋碳速率降低〔14〕。此外，稻殼釋碳表現(xiàn)出固液比越大釋碳速率越快，浸出液中TOC濃度越高，與文獻(xiàn)〔15〕報道結(jié)果相似。到第46天時，固液比分別為2、4、6、8mg/L條件下，稻殼的浸出液中TOC最高分別可達(dá)到126.63、127.23、128.56、129.36mg/L。從浸出液中TOC與時間的曲線可以看出，稻殼的釋碳速率較為穩(wěn)定，有較好的持續(xù)供碳能力，能滿足其作為碳源被微生物持續(xù)利用的需求。

2.5稻殼的反硝化脫氮性能

圖3、圖4為稻殼作為反硝化碳源脫氮過程中水質(zhì)變化曲線圖。

圖3　稻殼反硝化脫氮效果

圖4　稻殼反硝化脫氮出水COD及pH變化

從圖3可以看出，稻殼反硝化脫氮實驗效果較好，實驗開始第1天，出水硝酸鹽濃度就下降了40%，隨后，去除率逐漸上升，到第6天達(dá)到最大值，去除率達(dá)到59%。但是，在第7天硝酸鹽去除率突然降至39%，之后去除率一直維持在較低水平。結(jié)合圖2和圖4出水COD曲線可以看出，出水COD可以分為3個階段，第一階段即第1天、第2天，出水中COD較高，對應(yīng)圖2中TOC釋放前4 d，釋碳較快，這一階段主要是稻殼中淀粉和蛋白質(zhì)等被釋放利用，所以硝酸鹽去除率在第1天就可達(dá)到40%；第二階段即第2天—第6天，出水COD逐漸緩慢降低，對應(yīng)TOC從第18天開始，釋放減緩，這一階段主要是由稻殼中纖維組分提供有機碳，硝酸鹽去除率逐漸上升至59%；第三階段即第7天—第10天，釋放COD降低至不足以維持微生物進行反硝化作用，導(dǎo)致后期去除率維持較低水平〔16〕。

從上述實驗結(jié)果并對比在人工海水中的釋碳過程，可以看出，在有微生物存在的作用下，稻殼的釋碳速率加快，整體達(dá)到釋碳平衡的過程提前。主要原因是稻殼表面的大量親水官能團以及粗糙結(jié)構(gòu)為生物的附著利用提供了有利條件，微生物大量附著也使得稻殼的釋碳速率大大加快，硝酸鹽去除率從開始就可維持較高水平。此外，在整個反硝化脫氮過程中，亞硝酸鹽濃度一直處于較低的狀態(tài)（圖3），沒有產(chǎn)生明顯的積累現(xiàn)象，且出水pH也處于較穩(wěn)定的狀態(tài)（圖4）。因此，從稻殼在海水中的反硝化脫氮實驗中可以得出，在稻殼量充足的情況下，經(jīng)過簡單粉碎后的稻殼在海水中能夠提供穩(wěn)定的40%～59%的硝酸鹽去除率。

3　結(jié)論

本實驗選擇來源廣泛的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物稻殼作為在海水中反硝化脫氮的碳源，考察了稻殼的營養(yǎng)組成、表面性質(zhì)、微觀形貌以及其在海水中的釋碳和脫氮過程。研究發(fā)現(xiàn)，稻殼中含有能被微生物利用的粗纖維、淀粉和粗蛋白，總有機碳含量達(dá)到58%以上；稻殼存在大量的親水官能團、表面粗糙擁有大量孔隙結(jié)構(gòu)，非常有利于微生物附著生長；稻殼作為反硝化碳源在海水中硝酸鹽去除率可達(dá)到59%，有較好的持續(xù)供碳能力，能滿足其作為碳源被微生物持續(xù)利用的需求。此外稻殼還具備廉價易得的特點，可以作為海水養(yǎng)殖廢水的反硝化碳源或應(yīng)用于其他高鹽廢水的深度脫氮。

［1］李純厚，王景鋒，王曉偉.中國水養(yǎng)殖環(huán)境質(zhì)量及其生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究進展［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2006，25（1）：310-315.

［2］國家海洋局.2014年中國海洋環(huán)境質(zhì)量公報［R］.北京：國家海洋局，2015.

［3］Lee S，Moon T，Park S，et al.Evaluation of industrial organic waste as an alternative external carbon source for denitrification in the biological nutrient removal process［J］.Korean Journal of Chemical Engineering，2013，30（10）：1911-1917.

［4］Ovez B，Ozgen S，Yuksel M.Biological denitrification in drinking water using Glycyrrhiza glabra and Arunda donax as the carbon source［J］.ProcessBiochemistry，2006，41（7）：1539-1544.

［5］Ovez B.Batch biological denitrification using Arundo donax，Glycyrrhiza glabra，and Gracilaria verrucosa as carbon source［J］.Process Biochemistry，2006，41（6）：1289-1295.

［6］李國朝，張新華，陳捷，等.以玉米芯為碳源和生物膜載體的反硝化反應(yīng)器啟動性能研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（10）：5994-5995.

［7］SalilingW JB，Westerman PW，Losordo TM.Wood chipsandwheat straw as alternative biofilter media for denitrification reactors treating aquaculture and otherwastewaterswith high nitrate concentrations［J］.AquaculturalEngineering，2007，37（3）：222-233.

［8］Della RC，Belgiorno V，Meri?S.Cotton-supported heterotrophic denitrification ofnitrate-rich drinkingwaterwith a sand filtration posttreatment［J］.Water SA，2007，31（2）：229-236.

［9］邵留，徐祖信，金偉，等.農(nóng)業(yè)廢物反硝化固體碳源的優(yōu)選［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2011，31（5）：748-754.

［10］孫雅麗，張國臣，閻中，等.以腐朽木為碳源去除廢水中硝酸鹽氮的研究［J］.環(huán)境科學(xué)，2010，31（6）：1494-1498.

［11］徐鎖洪，施巍.以稻殼為載體培養(yǎng)反硝化菌及硝酸鹽氮的去除［J］.大連鐵道學(xué)院學(xué)報，2001，22（4）：98-101.

［12］韓潤平，鄒衛(wèi)華，張敬華，等.谷殼的差熱紅外掃描電鏡分析及對銅鉛離子的生物吸附研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2006，26（1）：32-39.

［13］王建設(shè)，蔣艷偉，王留成，等.水熱處理稻殼對Cr（Ⅵ）的吸附研究［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2011，32（6）：9-12.

［14］李斌，郝瑞霞.固體纖維素類廢物作為反硝化碳源濾料的比選［J］.環(huán)境科學(xué)，2013，34（4）：1428-1434.

［15］謝林花，丁紹蘭，陳曉嬌，等.殼類農(nóng)業(yè)廢棄物固體碳源釋碳性能研究［J］.陜西科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，31（5）：39-44.

［16］Shao Liu，Xu Zuxin，JinWei，etal.Ricehusk as carbon source and biofilm carrier forwaterdenitrification［J］.Polish JournalofEnvironmentalStudies，2009，18（4）：693-699.

——————

Research on the denitrification capacity of rice husk as denitrification carbon source in seawater

LiHua1，2，Zhou Ziming1，2，Liu Qingsong1，Dong Hongbiao1，Duan Yafei1，LiChunhou1，Zhang Jiasong1
（1.Key Lab ofSouth China Sea Fishery Resources Exploitation&Utilization，Ministry of Agriculture，South China Sea FisheriesResearch Institute，Chinese Academy of Fishery Science，Guangzhou 510300，China；2.Collegeof Fisheriesand Life Science，ShanghaiOcean University，Shanghai201306，China）

Rice husk is a kind of denitrification carbon source.Itsmain nutrients composition，microstructure，pore structure，carbon release rate，and denitrification rate in seawater have been investigated.The results show that rice husk contains over-sized fibers，starch and crude protein，which can be utilized bymicrobes.The contained organic carbon isabout58%.Ricehusk also contains lotsofhydrophilic groupswith rough and poroussurface，which isgood formicrobes to adhere and grow.The removing rate ofnitrate from seawater reaches59%，by using rice husk asdenitrification carbon source.Being a carbon source，rice husk could continuously supply organic carbon，meeting the continuousneed ofmicrobes.

ricehusk；carbon source；denitrification；seawater treatment

TQ085+.47

A

1005-829X（2016）03-0058-04

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目（2014TS20，2015TS11）；廣東省海洋漁業(yè)科技推廣專項科技攻關(guān)與研發(fā)項目（A201301D02）；廣東省海洋經(jīng)濟創(chuàng)新發(fā)展區(qū)域示范專項項目（GD2012-A02-011）；廣東省海洋漁業(yè)科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項科技攻關(guān)與研發(fā)項目（A201508B05）；深圳海洋經(jīng)濟創(chuàng)新發(fā)展區(qū)域示范專項項目（SZHY2012-B02-001）

李華（1984—），博士，助理研究員。電話：020-84451349，E-mail：babybluedaisy@163.com。通訊聯(lián)系人：張家松，博士，副研究員。電話：020-84451349，E-mail：jiasongzhang@hotmail.com。

2016-01-15（修改稿）