2014, Vol. 
由于传统污水处理工艺的限制，污水处理厂二级出水总氮仍偏高，其中主要是硝酸盐形式的氮，过高的氮含量不利于污水安全回用. 反硝化生物脱氮因其经济环保的优点，成为再生水深度脱氮的首选工艺[1]. 污水厂二级出水中残余碳源不足以满足反硝化生物脱氮所需碳源，通常需要外加碳源. 甲醇、 乙醇等[2, 3]液体低分子有机物虽易被反硝化细菌利用、 反硝化效率高，但存在成本较高、 投加量不易控制、 易产生二次污染等问题.
固体有机碳源[4,5,6,7,8,9,10]具有缓慢释放有机物的优点而成为液体碳源的替代碳源，尤其是纤维素类物质[5, 10](如稻草、 麦秆和玉米芯等农业废弃物)，因其来源广泛、 价格低廉、 能生物降解等优点逐渐受到研究者重视. 李斌等[11]在固体纤维素类废物作为反硝化碳源滤料比选中发现，玉米芯更适合作为反硝化碳源滤料，反应初期硝酸盐去除率可达到100%，反应至35 d时硝酸盐去除率降至20%左右，碳源释放不足(出水TOC降至10 mg ·L-1以下)； 同样，邵留等[5]以稻草为反硝化碳源和生物膜载体，反应初期硝酸盐去除率也可以达到90%以上，反应后期硝酸盐去除率降低(60%左右)，释放的碳源不足以满足高效反硝化的需要. 这是由于反应初期微生物可利用纤维素类碳源中的可溶性碳源和易分解物质，碳源充足，反硝化效率较高，反应后期微生物所需碳源必须通过分解利用不溶性的纤维素获得，而坚硬的晶格结构和纤维素、 半纤维素和木质素的交联缠绕不利于碳源的分解利用，致使供碳不足，反硝化速率降低. 目前通常对纤维素类物质进行预处理加以解决. 范振兴等[12]用辐照麦秆作为反硝化碳源，反硝化速率较未处理组提高20%； 吕顺等[13]用碱预处理稻草反硝化能力[m (反硝化脱氮)/m(电子供体)]较未处理组提高30%. 不同的纤维素类碳源其物质组成和内部结构不同，各种预处理方法对于改善碳源利用及反硝化效果有很大的区别.
玉米芯作为农业副产物，除少量用于生产木糖醇和糠醛，大部分被燃烧处理，既浪费资源又污染环境. 酶解玉米芯生产木糖[14,15,16,17]、 葡萄糖[17]、 乙醇[18,19,20]等其他化学品和作为反硝化碳源[21,22,23]成为玉米芯有效利用的途径. 玉米芯成分是纤维素(32%～36%)、 半纤维素(35%～40%)、 木质素(13.1%)以及少量灰分、 果胶和含氮化合物等[24, 25]. 纤维素是由D-葡萄糖以β-1,4糖苷键组成的大分子多糖，每个纤维素分子大约由500～10000个葡萄糖分子组成，纤维素分子排列在一起以聚集态存在，其晶体结构阻碍纤维素降解. 半纤维素一般由较短高度分枝的杂多糖链组成，聚合度较低，比较容易降解成单糖. 木质素结构是一种复杂的酚类聚合物，很难分解，无法形成发酵性糖类，它与纤维素和半纤维素交联在一起，降低了纤维素酶与纤维素的接触. 通过预处理破坏木质素保护层和纤维素的晶格结构，有利于促进纤维素的分解[26]. 目前常用的预处理方法主要包括通过机械方法破坏纤维素结构的物理法[27]，酸、 碱、 过氧化物等化学法[19]，物理化学联合法(如碱汽爆、 碱微波等)[28]，以及微生物处理的生物法[27].
本研究采用1.5%NaOH、 1%H2SO4、 1.5%H2 O2和碱性双氧水(含有1.5%H2 O2的NaOH溶液)并联合UV照射对煮熟的玉米芯进行预处理，分析各种预处理方法对玉米芯释碳和脱氮性能的影响，优选出适宜的玉米芯固体碳源预处理方式，以期为提高玉米芯作为生物反硝化固体碳源的脱氮效果提供参考.
将蒸煮后玉米芯洗净，切成体积约为1 cm3的块状，放在80℃的干燥箱中烘干待用.
称取4份25 g玉米芯分别加入盛有500 mL 1.5%NaOH、 1%H2SO4、 1.5%H2 O2和碱性双氧水(含有1.5%H2 O2的NaOH溶液)的塑料烧杯中(以下简称碱组、 酸组、 双氧组和碱+双氧组)，在30℃下浸泡18 h，洗净，中和，烘干称重； 取上述预处理后的玉米芯各10 g，用紫外光照10 h(以下分别简称碱+UV组、 酸+UV组、 双氧+UV组、 碱+双氧+UV组)，将8种预处理后的玉米芯密封干燥保存.
将未处理和预处理的玉米芯各称取2.5 g，放入锥形瓶中，加250 mL自来水浸泡，每2 d取样，测定浸出液中TOC、 TN，每次取样后彻底换水，考察各种预处理玉米芯28 d浸出液总有机碳平均浓度.
静态反硝化实验采用250 mL的锥形瓶作为反应器，瓶口用封口膜密封，排出氮气的同时保持反应器内缺氧的环境. 接种污泥来自北京某污水厂回流污泥，接种前用含一定浓度硝酸钾的生活污水富集培养反硝化细菌. 实验用水由自来水中加入KNO3和KH2PO4，保持N ∶P=5 ∶1，并且加入微量元素溶液配制而成，控制配水中硝酸盐浓度为40mg ·L-1，pH为7.47左右.
在9个250 mL的锥形瓶中分别加入未处理和预处理的玉米芯2.5 g，并加入30 mL富集培养的活性污泥、 220 mL硝酸盐氮浓度为40 mg ·L-1的实验配水. 第2 d排出上清液，补充20 mL富集培养的污泥； 将锥形瓶放入恒温振荡培养箱中进行振荡，恒温振荡培养箱转速控制为60 r ·min-1，温度控制在25℃±1℃，以后每24 h换水200mL，测出水的pH、 硝态氮、 亚硝态氮浓度和TOC.
采用扫描电镜法观察生物附着前后玉米芯的表面性状变化，从玉米芯微观形态及其生物附着程度分析各预处理玉米芯作为反硝化固体碳源的可行性.
表 1列出了分析指标及其所需仪器、 方法.
 | 表 1 分析方法与仪器 Table 1 Analysis apparatus and methods |
4份25 g玉米芯分别用1.5%NaOH、 1%H2SO4、 1.5%H2 O2和碱性双氧水预处理后，烘干称重，玉米芯质量损失量和损失率如图 1. 从中可知，含碱组质量损失量明显大于酸组和双氧组，这主要是碱能够利用OH-使木质素的醚键断裂，同时OH-可以同半纤维素与木质素之间的酯键发生皂化反应，使大部分木质素溶解，并且附带溶解部分半纤维素. H2 O2可以通过自身的过氧根离子氧化降解木质素，破坏木质素的复杂结构，但由于H2 O2易分解，单独使用时处理效果并不理想； 碱和H2 O2同时使用时，碱可以活化H2 O2，增强脱除木质素，二者具有相互促进的作用. 而稀酸仅能够破坏纤维素的晶体结构，打破木质素和纤维素的连接，溶解部分半纤维素.
 | 图 1 预处理后玉米芯质量损失量和损失率 Fig. 1 Mass loss and mass loss rate of corncobs after pretreatment |
图 2为各组玉米芯28 d浸出液总有机碳(TOC)平均浓度.
 | 图 2 各组玉米芯TOC平均浓度 Fig. 2 Average concentrations of TOC in corncobs |
污水厂二级出水TN浓度约为30 mg ·L-1，其中90%以上是硝酸盐形式的氮[30]. 以甲醇为反硝化碳源(不包括微生物生长)，反应方程式：6NO-3+5CH3OH 3N2+5CO2+7H2 O+6OH-，C(以TOC计)/N约为1.38. 由图 2可知，仅靠玉米芯表面可溶性碳源不足以供给反硝化所需，需要微生物分解玉米芯中的纤维素和半纤维素作为补充碳源.
用W表示28 d玉米芯浸出液TN平均浓度占进水硝氮浓度(40mg ·L-1)的比值，图 3为各组玉米芯W变化量. 冯伟林等[31]对6个来自河南和河北玉米芯样品的营养成分进行分析，得出玉米芯中平均含水量11.01%，碳含量45.37%，氮含量0.61%，矿物质磷含量0.19%，钾含量1.51%，钙含量0.68%和一些微量元素. 玉米芯中氮素含量仅为碳含量的1.3%，从图 3可知，各组玉米芯W值在10%左右，所以玉米芯中可溶性氮素不会增加水中氮素含量.
 | 图 3 各组玉米芯W变化量 Fig. 3 Changes of W in corncobs |
图 4、 5分别为玉米芯经不同预处理方法处理后作为生物反硝化碳源时，静态硝酸盐去除率和出水TOC运行结果.
由图 4可知，随着运行时间的延长由于各组玉米芯的预处理程度不同，致使各组玉米芯硝酸盐去除率呈现出显著差异. 运行至第5 d时，所有碱处理组(碱组、 碱+UV组、 碱+双氧组和碱+双氧+UV组)硝酸盐去除率约上升至100%，远远高于未处理的对照组和其他预处理组，碱组、 碱+UV组、 碱+双氧组运行至33 d时，仍能保持95%以上的硝酸盐去除率，运行至41 d时各组硝酸盐去除率分别为91.37%、 63.91%、 68.26%； 但是，预处理程度相对最强的碱+双氧+UV组运行至第15 d时，反硝化效率开始下降，运行至41 d时反硝化效率已下降至34.26%. 而酸组、 酸+UV组、 双氧组和双氧+UV组运行到第41 d时，硝酸盐去除率均在20%左右，与未处理组相近. 李斌等[11]在固体纤维素类废物作为反硝化碳源滤料比选中，以玉米芯作为反硝化碳源反应运行至第5 d，硝酸盐去除率由初期的100%下降至90%，运行至41 d时硝酸盐去除率已降至20%.
 | 图 4 各组玉米芯硝酸盐去除率变化 Fig. 4 Changes of nitrate removal rate in corncob after different treatment |
由图 5可知，各组玉米芯出水TOC呈现不同的变化规律：①经碱处理玉米芯中的纤维素、 半纤维素被微生物迅速分解，致使出水中TOC小幅上升，硝酸盐去除率很快稳定至100%，微生物大量生长繁殖，耗碳量增加，出水TOC逐渐下降，直到25 d出水TOC稳定在10mg ·L-1左右，达到释碳和反硝化耗碳平衡，硝酸盐去除率仍保持在95%以上； ②经酸、 双氧水预处理玉米芯反硝化出水TOC一直较低，硝酸盐去除率在40%左右波动.
 | 图 5 各组玉米芯出水TOC变化 Fig. 5 Changes of TOC in corncob after different treatment |
各组单位质量玉米芯硝酸盐去除负荷依次为碱+双氧组(129.55 mg ·g-1)>碱组(129.15 mg ·g-1)>碱+UV组(124.21 mg ·g-1)>碱+双氧+UV组(113.43 mg ·g-1)>双氧+UV组(69.95 mg ·g-1)>未处理组(55.25 mg ·g-1)>酸+UV组(50.89 mg ·g-1)>双氧组(50.29 mg ·g-1)>酸组(41.71 mg ·g-1)，凡是碱处理的玉米芯硝酸盐去除负荷明显大于其他预处理方法.
由各组玉米芯硝酸盐去除率、 出水TOC和硝酸盐去除负荷可以看出，经碱处理后玉米芯更适宜微生物降解和利用. 用碱处理玉米芯可以润胀纤维素，脱除大部分木质素和部分半纤维素，增加玉米芯内表面积，降低纤维素结晶度和聚合度，更利于微生物的利用. 但玉米芯处理程度要适宜，处理程度过大往往造成微生物可利用的碳源流失，降低碳源使用周期. 例如，用碱+UV、 碱+双氧、 碱+双氧+UV预处理玉米芯时，在进一步脱除木质素和半纤维素的基础上，也使得纤维素结晶度和聚合度进一步降低甚至分解，造成可降解物质的流失，表现在反硝化后期供碳不足，硝酸盐去除率下降的趋势. 玉米芯经酸或双氧水处理后，由于大部分木质素的存在和部分纤维素的损失，使细菌可利用的碳源较未处理组没有明显增加，所以硝酸盐去除率与未处理组相当，未见明显提高.
因此，从单位质量玉米芯硝酸盐去除负荷和硝酸盐去除率角度综合考虑，用碱处理后的玉米芯，处理程度最为适宜，有利于反硝化微生物的降解和利用.
反硝化细菌将硝酸盐转化为N2的过程可以简化为：
，硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶存在碳源竞争，且硝酸盐还原酶对碳源的竞争能力强于亚硝酸还原酶，当碳源不足时，容易引起NO-2-N的积累.
由图 6可知，运行期间，经碱处理玉米芯出水NO-2-N浓度未有大幅波动，均在1 mg ·L-1以下； 经酸或双氧处理的玉米芯，出水NO-2-N浓度略高于碱处理组玉米芯，但并未出现严重的NO-2-N积累现象； 未处理组在反硝化进行至41 d时，出水NO-2-N浓度达到3.5mg ·L-1. 这表明经碱处理的玉米芯结构中，木质素大部分脱除，以氢键形成的纤维素结晶束被破坏，利于亚硝酸盐还原酶利用水中可溶性碳源将NO-2转化为N2； 由于未处理组木质素的“壁垒”作用和纤维素本身的结晶结构，导致纤维素不能充分水解，后期碳源相对不足，从而引起NO-2-N的积累.
 | 图 6 各组预处理玉米芯NO-2-N的变化 Fig. 6 Changes of NO-2-N in corncob after different pre-treatment |
生物反硝化的实质是NO-3被微生物用作电子受体，最终还原为N2的过程，其反硝化反应式为：6NO-3+C(有机碳)→3N2+6CO2+2H2 O+6OH-. 根据反应式可知，反硝化过程通常会产生碱度，使出水pH增高. 图 7为各组玉米芯填料静态反硝化过程中出水pH和进水pH的变化.
由图 7可知，各组玉米芯出水pH差异性不大. 反应初期，反应器出水pH高于进水pH值； 随后逐渐下降并趋于平稳，此时出水pH值稳定在7.65左右，接近于进水pH值. 这主要是在反应初期，反硝化细菌利用玉米芯中可溶性碳源进行反硝化产生一定的碱度； 随着反应的进行，可溶性碳源不断减少，在微生物的作用下纤维素、半纤维素开始分解释碳，在分解过程中，纤维素、半纤维素逐级水解产生有机酸等简单有机物，中和反硝化产生的一部分碱度，保持反应体系pH值的稳定. 邵留等[5]以稻草为碳源和生物膜载体去除水中硝酸盐，发现随着反硝化反应的进行，出水pH基本维持在中性，与本实验结果一致. 因此，玉米芯作反硝化碳源和生物载体时具有稳定体系pH值的能力.
 | 图 7 各组预处理玉米芯pH变化 Fig. 7 Changes of pH in corncob after different pre-treatment |
为了对比静态反硝化运行前后不同预处理玉米芯表面性状以及微生物的附着特性，对9组不同预处理玉米芯微生物降解前后的表面特性进行了扫描电子显微镜(SEM)分析. 图 8、 图 9分别为不同预处理玉米芯静态反硝化运行前、 后扫描电镜图片.
 | 图 8 不同预处理玉米芯静态反硝化前扫描电镜图片 Fig. 8 SEM image of corncob pretreated by different methods before denitrification |
 | 图 9 不同预处理玉米芯静态反硝化后扫描电镜图片 Fig. 9 SEM image of corncob pretreated by different methods after denitrification |
由图 8可以看出，未经处理的玉米芯表面呈鳞状排布，没有空洞损伤，经过预处理的玉米芯表面结构都发生了很大破坏. 从表面的SEM图中可以看出，经碱处理(碱、 碱+UV、 碱+双氧和碱+双氧+UV) 的玉米芯，孔隙尺寸和孔隙率明显增大,这是碱溶解半纤维素和木质素等物质所致； 用双氧水和酸处理的玉米芯，虽然结构变得松散，但是孔隙的尺寸和孔隙率没有明显的增大. 在用碱处理的玉米芯中，随着处理程度的加深，玉米芯张大的孔洞遭到了不同程度的破坏，表面孔隙率降低，只有碱组玉米芯能保持完整的孔洞和较高的孔隙率，这样大大提高了纤维素与纤维素酶接触的面积，利于微生物附着生长.
由图 9可以看出，经碱处理的玉米芯表面生物密度明显大于其他预处理组，碱组玉米芯表面主要附着杆状、 弧状和少量的球状微生物，生物附着量最大，有报道指出，反硝化细菌为短杆状、 弧状和球状微生物[6, 8, 32]. 从分析结果可以看出，碱组玉米芯最适合微生物的附着生长.
(1)各种预处理方法对玉米芯浸出液中可溶性碳源释放量影响不明显，氮素释放不会明显增加系统的脱氮负荷.
(2)静态反硝化实验表明，所有用碱预处理(碱组、 碱+UV组、 碱+双氧组和碱+双氧+UV组)的玉米芯反硝化效率高于未处理组或其他预处理组； 预处理程度不同对玉米芯长期的反硝化效果有一定影响，其中碱组玉米芯的碳源量和处理程度最为适宜，有利于反硝化微生物的降解和利用，在运行的41d中，脱氮效率始终维持在90%以上.
(3)玉米芯作为反硝化碳源和生物载体具有稳定反硝化体系pH值的能力，出水pH值无显著升高； 相对于未处理组，各预处理组出水NO-2-N无明显积累现象.
(4)从玉米芯表面SEM图中可以看出，碱组玉米芯表面更为粗糙，空隙变大，空隙率增大； 有利于微生物的附着生长，微生物数量大、 密度高.
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