當前，我國地表水環境面臨的富營養化挑戰日益嚴峻，尤其是湖泊污染問題，已成為亟待攻克的難關。為響應國家“雙碳”戰略，污水處理廠作為守護水環境的先鋒，正積極探索新的技術路徑。在眾多創新解決方案中，生物質碳源以其獨特的環保性和經濟性脫穎而出，成為提升污水處理廠脫氮效率、降低氮素排放的關鍵。本文將深入探討生物質碳源的崛起，解析其在優化微生物群落結構、促進深度脫氮方面的獨特優勢，并展望其在水處理領域的廣闊應用前景。PS：本文根據北京大學環境科學與工程學院研究員吳為中老師《有機碳源對污水處理廠微生物群落結構的影響研究進展》，分析提煉形成，在此表示感謝。

近年來，隨著我國社會經濟的快速發展，地表水環境的富營養化問題日益嚴重，尤其是湖泊的污染問題，已經成為制約社會可持續發展的重大環境瓶頸。為了應對這一挑戰，國家“十三五”和“十四五”規劃相繼提出了更為嚴格的營養鹽控制標準和減污降碳的協同增效目標，旨在實現污水的深度脫氮，保護水環境。在這一背景下，污水處理廠作為保護水環境的重要基礎設施，其運行效率和穩定性直接關系到水質改善的效果。近年來，科學家們發現，通過優化污水處理廠的碳源供給，可以顯著提升微生物群落的脫氮能力，從而進一步降低出水中的氮素含量。其中，生物質碳源作為一種環境友好、成本較低的新型碳源，正逐漸受到研究人員的關注。

01污水廠的現狀與挑戰

我國大部分省市的城鎮污水處理廠目前執行的氮排放標準是一級A標準（TN=15 mg/L，NH4+-N=5 mg/L），但即便如此，出水中總氮濃度仍高于地表水V類標準（TN≤2.0 mg/L），對河流、湖泊等地表水環境構成了潛在威脅。因此，如何進一步提升污水處理廠的脫氮效果，尤其是二級生化處理出水的深度脫氮，成為了亟待解決的問題。

02傳統碳源的局限與新型生物質碳源的崛起

為提高生化工藝的脫氮效果，多數污水處理廠采用投加有機碳源的方式。傳統的碳源如甲醇、乙醇、乙酸鈉等化工液體碳源，雖然能在一定程度上強化反硝化過程，但這些碳源存在諸多弊端，如釋碳不可控、存儲和運輸不便、價格高昂，且對環境有一定毒性。隨著雙碳目標的提出，這些傳統化工碳源已難以滿足污水處理廠追求的低碳、環保、經濟目標。

在此背景下，研究人員開始關注環境友好型、成本較低的生物質碳源。生物質碳源主要指以農業廢棄物、污泥和廚余發酵液等為原料，通過微生物發酵或水解得到的液態或固態碳源。天然纖維素固體生物質碳源主要由農業廢棄物組成，如秸稈、稻殼等，不僅能釋放碳源，還能為生物膜提供載體；然而，其反硝化效果易受外界條件影響，且易造成二次污染。因此，基于農業廢棄物、污泥和廚余發酵液等開發的新型生物質液態碳源逐漸進入研究視野，并展現出良好的反硝化脫氮效果。

03生物質碳源對微生物群落結構的影響

微生物是反硝化脫氮的主體，不同外加碳源對微生物的利用程度、反硝化速率和代謝產物均有不同影響。因此，碳源的投加會顯著改變污水處理廠的微生物群落結構。

生物質碳源和化工碳源在反硝化系統中的添加會引起依賴碳源代謝的微生物的競爭，微生物群落更加功能化，因此二者均使污泥的微生物群落多樣性降低。化工碳源成分往往比較單一，依賴單一碳源代謝的微生物競爭力較強，其他微生物菌群在反硝化系統中逐漸被淘汰，而大多數生物質碳源釋放有機物成分較化工碳源復雜，且分子量較大，因此相比于化工碳源，大多數生物質碳源介導的反硝化系統中微生物群落多樣性更高。

針對微生物群落結構，門水平下，生物質碳源釋放的纖維素、半纖維素等大分子有機物會在系統中富集更多的擬桿菌門和放線菌門，這兩門菌群可以將大分子碳水化合物水解成單糖、小分子脂肪酸，并且將蛋白質水解成氨基酸，將脂類水解為脂肪酸、醇類等。屬水平下，除了富集反硝化系統中常見的反硝化菌如Thauera、Dechlorobacter等外，大多生物質碳源會富集較多的碳源降解菌如黃桿菌屬Flavobacterium、氨基酸球菌Acidaminococcaceae、從毛單胞菌unclassified_Comamonadaceae等大分子有機物降解功能菌群。

04生物質碳源的應用前景

近年來，生物質碳源在污水處理廠的應用領域取得了顯著進展，多個成功案例的涌現為其廣泛應用奠定了堅實基礎。例如，玉米葉水解液作為生物質碳源的成功應用，特別是在反硝化脫氮過程中展現出的優異性能，充分證明了其巨大的潛力。這些積極成果不僅預示著生物質碳源在污水處理領域的廣闊前景，也激發了研發人員對這一低碳環保型碳源深入探索的熱情。

相較于傳統的化工碳源，生物質碳源展現出了獨特的優勢。其原料主要來源于生物質可再生資源，不僅降低了污水處理成本，還實現了資源的循環利用。同時，生物質碳源的使用減少了化學污染物的排放，有利于生態環境的改善。

然而，盡管前景光明，生物質碳源在實際應用中仍面臨諸多挑戰。由于不同生物質原料的成分與性質差異顯著，如何針對具體工藝進行優化選擇成為了一個亟待解決的問題。此外，生物質碳源的制備與投加技術也尚需進一步完善，以確保其高效、穩定地服務于污水處理過程。

面對這些挑戰，未來生物質碳源的發展應聚焦于以下幾個方面：第一，持續優化生物質碳源的制備工藝與投加技術，提升其利用率與穩定性，確保其在污水處理中的高效應用；第二，深入探究生物質碳源對微生物群落結構的影響機制，揭示其與污水處理效果之間的內在聯系，為工藝優化提供科學依據；第三，積極開展大規模中試與示范研究，驗證生物質碳源在實際工程中的可行性與效果，推動其從實驗室走向更廣闊的應用領域。

綜上所述，生物質碳源作為一種新型、低碳、環保、經濟的碳源，在污水處理廠中的應用前景極為廣闊。隨著技術的不斷進步與應用的深入拓展，我們相信，生物質碳源將逐漸替代傳統的化工碳源，成為污水處理廠反硝化脫氮的主流選擇，為水環境保護事業貢獻更大的力量。

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