当前，我国地表水环境面临的富营养化挑战日益严峻，尤其是湖泊污染问题，已成为亟待攻克的难关。为响应国家“双碳”战略，污水处理厂作为守护水环境的先锋，正积极探索新的技术路径。在众多创新解决方案中，生物质碳源以其独特的环保性和经济性脱颖而出，成为提升污水处理厂脱氮效率、降低氮素排放的关键。本文将深入探讨生物质碳源的崛起，解析其在优化微生物群落结构、促进深度脱氮方面的独特优势，并展望其在水处理领域的广阔应用前景。PS：本文根据北京大学环境科学与工程学院研究员吴为中老师《有机碳源对污水处理厂微生物群落结构的影响研究进展》，分析提炼形成，在此表示感谢。

近年来，随着我国社会经济的快速发展，地表水环境的富营养化问题日益严重，尤其是湖泊的污染问题，已经成为制约社会可持续发展的重大环境瓶颈。为了应对这一挑战，国家“十三五”和“十四五”规划相继提出了更为严格的营养盐控制标准和减污降碳的协同增效目标，旨在实现污水的深度脱氮，保护水环境。在这一背景下，污水处理厂作为保护水环境的重要基础设施，其运行效率和稳定性直接关系到水质改善的效果。近年来，科学家们发现，通过优化污水处理厂的碳源供给，可以显著提升微生物群落的脱氮能力，从而进一步降低出水中的氮素含量。其中，生物质碳源作为一种环境友好、成本较低的新型碳源，正逐渐受到研究人员的关注。

01污水厂的现状与挑战

我国大部分省市的城镇污水处理厂目前执行的氮排放标准是一级A标准（TN=15 mg/L，NH4+-N=5 mg/L），但即便如此，出水中总氮浓度仍高于地表水V类标准（TN≤2.0 mg/L），对河流、湖泊等地表水环境构成了潜在威胁。因此，如何进一步提升污水处理厂的脱氮效果，尤其是二级生化处理出水的深度脱氮，成为了亟待解决的问题。

02传统碳源的局限与新型生物质碳源的崛起

为提高生化工艺的脱氮效果，多数污水处理厂采用投加有机碳源的方式。传统的碳源如甲醇、乙醇、乙酸钠等化工液体碳源，虽然能在一定程度上强化反硝化过程，但这些碳源存在诸多弊端，如释碳不可控、存储和运输不便、价格高昂，且对环境有一定毒性。随着双碳目标的提出，这些传统化工碳源已难以满足污水处理厂追求的低碳、环保、经济目标。

在此背景下，研究人员开始关注环境友好型、成本较低的生物质碳源。生物质碳源主要指以农业废弃物、污泥和厨余发酵液等为原料，通过微生物发酵或水解得到的液态或固态碳源。天然纤维素固体生物质碳源主要由农业废弃物组成，如秸秆、稻壳等，不仅能释放碳源，还能为生物膜提供载体；然而，其反硝化效果易受外界条件影响，且易造成二次污染。因此，基于农业废弃物、污泥和厨余发酵液等开发的新型生物质液态碳源逐渐进入研究视野，并展现出良好的反硝化脱氮效果。

03生物质碳源对微生物群落结构的影响

微生物是反硝化脱氮的主体，不同外加碳源对微生物的利用程度、反硝化速率和代谢产物均有不同影响。因此，碳源的投加会显著改变污水处理厂的微生物群落结构。

生物质碳源和化工碳源在反硝化系统中的添加会引起依赖碳源代谢的微生物的竞争，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样性降低。化工碳源成分往往比较单一，依赖单一碳源代谢的微生物竞争力较强，其他微生物菌群在反硝化系统中逐渐被淘汰，而大多数生物质碳源释放有机物成分较化工碳源复杂，且分子量较大，因此相比于化工碳源，大多数生物质碳源介导的反硝化系统中微生物群落多样性更高。

针对微生物群落结构，门水平下，生物质碳源释放的纤维素、半纤维素等大分子有机物会在系统中富集更多的拟杆菌门和放线菌门，这两门菌群可以将大分子碳水化合物水解成单糖、小分子脂肪酸，并且将蛋白质水解成氨基酸，将脂类水解为脂肪酸、醇类等。属水平下，除了富集反硝化系统中常见的反硝化菌如Thauera、Dechlorobacter等外，大多生物质碳源会富集较多的碳源降解菌如黄杆菌属Flavobacterium、氨基酸球菌Acidaminococcaceae、从毛单胞菌unclassified_Comamonadaceae等大分子有机物降解功能菌群。

04生物质碳源的应用前景

近年来，生物质碳源在污水处理厂的应用领域取得了显著进展，多个成功案例的涌现为其广泛应用奠定了坚实基础。例如，玉米叶水解液作为生物质碳源的成功应用，特别是在反硝化脱氮过程中展现出的优异性能，充分证明了其巨大的潜力。这些积极成果不仅预示着生物质碳源在污水处理领域的广阔前景，也激发了研发人员对这一低碳环保型碳源深入探索的热情。

相较于传统的化工碳源，生物质碳源展现出了独特的优势。其原料主要来源于生物质可再生资源，不仅降低了污水处理成本，还实现了资源的循环利用。同时，生物质碳源的使用减少了化学污染物的排放，有利于生态环境的改善。

然而，尽管前景光明，生物质碳源在实际应用中仍面临诸多挑战。由于不同生物质原料的成分与性质差异显著，如何针对具体工艺进行优化选择成为了一个亟待解决的问题。此外，生物质碳源的制备与投加技术也尚需进一步完善，以确保其高效、稳定地服务于污水处理过程。

面对这些挑战，未来生物质碳源的发展应聚焦于以下几个方面：第一，持续优化生物质碳源的制备工艺与投加技术，提升其利用率与稳定性，确保其在污水处理中的高效应用；第二，深入探究生物质碳源对微生物群落结构的影响机制，揭示其与污水处理效果之间的内在联系，为工艺优化提供科学依据；第三，积极开展大规模中试与示范研究，验证生物质碳源在实际工程中的可行性与效果，推动其从实验室走向更广阔的应用领域。

综上所述，生物质碳源作为一种新型、低碳、环保、经济的碳源，在污水处理厂中的应用前景极为广阔。随着技术的不断进步与应用的深入拓展，我们相信，生物质碳源将逐渐替代传统的化工碳源，成为污水处理厂反硝化脱氮的主流选择，为水环境保护事业贡献更大的力量。

05参考文献

1.Fu, X., Hou, R., Yang, P., Qian, S., et al. 2022. Application of external carbon source in heterotrophic denitrification of domestic sewage: A review. 817, 153061.

2.Wu, L.W., Ning, D.L., Zhang, B., Li, Y., Zhang, P., Shan, X.Y., Zhang, Q.T., Brown, M., Li, Z.X., Van Nostrand, J.D., Ling, F.Q., et al. 2019.Global diversity and biogeography of bacterial communities in wastewater treatment plants. Nat Microbiol, 4(7), 1183-1195.

3.Xue, Z.X., Wang, C., Cao, J.S., et al. 2018. An alternative carbon source withdrawn from anaerobic fermentation of soybean wastewater to improve the deep denitrification of tail water. Biochem Eng J, 132, 217-224.

4.陈伟东, 温东辉. 2022. 污水处理系统微生物群落时空分布和构建机制研究进展. 环境工程. 40(08), 1-13+39.

5.陈亚松. 2019. 综合污水处理厂深度脱氮的优化运行与微生态机理研究, 南京大学.

6.房平, 李雨娥, 魏东洋, 金德才. 2020. 污水处理过程中微生物群落多样性及其对环境因子响应的研究进展. 微生物学通报. 47(09), 3004-3020.

7.郭智更. 2022. 基于物化、生化方法的玉米芯碳源提取及其强化脱氮效果研究, 郑州大学.

8.何嘉欣, 黄少斌, 周少锋. 2017. 玉米叶水解液作为好氧反硝化的补充碳源分析. 环境工程学报. 11(05), 2684-2691.

9.鞠峰, 张彤. 2019. 活性污泥微生物群落宏组学研究进展. 微生物学通报. 46(08), 2038-2052.

10.康小虎, 冷艳, 曾小英, 李师翁. 2020. 污水处理活性污泥微生物群落研究进展. 环境科学与技术. 43(05), 49-54.

11.李彭. 2014. 不同电子供体深度脱氮工艺及微生物群落特征研究, 清华大学.

12.李子阳. 2020. 蓝藻厌氧发酵产酸及发酵液作为反硝化外加碳源研究, 江南大学.

13.李子阳, 陆东亮, 华天予, 张炜, 肖壮波, 黄兴, 赵明星, 施万胜, 阮文权. 2020. 蓝藻发酵液中氮磷回收及其作为反硝化碳源研究. 环境化学. 39(12), 3562-3573.

14.凌宇. 2021. 高效缓释碳源填料用于污水厂尾水深度脱氮的研究, 中国环境科学研究院.

15.彭永臻, 王鸣岐, 彭轶, 刘莹, 张亮. 2021. 四种碳源条件下城市污水处理厂尾水深度脱氮的性能与微生物种群结构. 北京工业大学学报. 47(10), 1158-1166.

16.彭志英. 2021. 农废复合碳源的脱氮除磷效果和微生物群落研究, 江南大学.

17.唐婧, 杨羽菲, 陈金楠. 2020. 微电解耦合固相反硝化脱氮除磷效果及微生物分析 . 环境工程学报. 14(05), 1224-1233.

18.王维奇, 王秀杰, 李军, 王思宇. 2018. 不同驯化方式实现SBR中部分反硝化的对比研究. 中国环境科学. 38(11), 4085-4093.

19.王伟, 赵中原, 张鑫, 由志鹏, 黄子晋, 彭永臻. 2022. 不同外碳源对尾水极限脱氮性能及微生物群落结构的影响. 环境科学. 43(09), 4717-4726.

20.韦琦, 罗方周, 徐相龙, 刘禹琛, 刘帅, 刘国华, 王洪臣. 2021. A~2/O工艺处理低温低碳氮比生活污水的脱氮效率及反应动力学. 环境工程学报. 15(04), 1367-1376.

21.肖慧慧, 倪晋仁. 2013. 城镇污水处理厂活性污泥细菌群落结构特征分析. 应用基础与工程科学学报. 21(03), 522-531.

22.赵中原. 2021. 不同外碳源反硝化脱氮性能及微生物种群结构变化研究, 哈尔滨工业大学.

23.郑晓英, 乔露露, 王慰, 李楠, 李魁晓. 2018. 碳源对反硝化生物滤池运行及微生物种群的影响. 环境工程学报. 12(05), 1434-1442.