传统的城镇污水处理厂经过生物处理技术后，尾水中氮含量仍然较高，直接排入自然水体或是再利用，可能导致自然水体富营养化，降低水体透明度，破坏水体生态平衡；腐蚀输水管道或是热交换器，甚至损害设备。反硝化生物可以对污水处理厂的尾水进行深度脱氮处理。为了提高有脱氮效率，需要向系统中投加碳源，与甲醇、乙酸钠和一些低分子糖类的传统的碳源相比。包括棉花、稻草、玉米芯、报纸、麦秸等；工业污水、生活污水及垃圾渗滤液等固态、液态废弃物，可以作为反硝化过程中的外加碳源，具有节约资源和成本，去除氮的效率高等特点，可以作为新型碳源使用。
研究背景
根据中国近几年的水资源公报显示，我国水资源总量在2.4×1012～2.8×1012m3之间变动，人均占有水资源量约为1850～2200m3。由此可见，虽然我国水资源总量较多，但是人均占有水资源量较少，仅相当于世界人均占有量25%左右。我国的水资源严重短缺，很大程度制约了国民经济的可持续发展。
人类的生活和经济社会的发展都离不开水，影响人们生活和制约社会经济发展的，不仅是水资源在水量上的匮乏，更重要的是由于水环境恶化而造成的水质型缺水。我国农村水环境问题日益突出，生活污染加剧，面源污染加重，工矿污染凸显，饮水安全存在隐患，呈现出污染从城市向农村转移的态势。
氮在水中主要以有机氮和无机氮两种形态存在，来源于生活污水、农业废弃液、工业废水等。含氮物质可以通过自然过程和人类活动等途径进入水环境中，天然水体中的亚硝酸氮浓度很低，人类活动是引起氮含量过多的主要原因，主要通过面污染和点污染进入水体。常见的面污染源有：农业面源污染、城市雨水径流污染、气载污染物污染、水体流失和水产养殖等。常见的点污染源有：城市污水与工业废水直接排放、污水处理厂的尾水排放、生活垃圾场和工业废料场等。大量的氮污染物进入水体会加速水体的富营养化，恶化水体质量，影响渔业发展和危害人体健康，影响供水水质和增加制水成本。
根据社会用水健康循环的基本策略，污水深度处理与再生利用是一个关键环节，也是我国水环境恢复的切入点。如果在城市污水二级处理的基础上深度处理和再生利用，可以将排放水变成再生水作为城市的第二水源，不但缓解了水资源的不足，还减轻了水环境的污染，对社会用水健康循环具有重要的战略意义。因此，为了保护水环境，以及实现城镇污水厂污水二次利用，严格控制出水氮含量是极其必要的。
传统生物脱氮工艺
在城市污水中，氮有多种存在形式，包括有机氮、氨氮、硝酸氮、亚硝酸氮和气态氮等，并且它们在一定的条件下可以相互转化。传统生物法脱氮途径一般包括三个阶段：氨化作用、硝化作用和反硝化作用，这三个阶段分别在氨化菌、硝化菌和反硝化菌的作用下完成，如下图1所示。有机氮化合物在氨化菌的作用下，被分解转化为氨氮，这一过程称为氨化作用。在硝化菌和亚硝酸菌的作用下，氨氮进一步分解氧化为亚硝酸氮，转化为硝化氮，这个过程称为硝化作用。然后，在生物反硝化系，反硝化菌利用碳源电子供体，亚硝酸氮、硝酸氮作为电子受体，将亚硝酸氮、硝酸氮还原为气态氮，同时去除有机物和氮污染物。通过上述三个阶段的反应，实现从废水中脱氮的目的。当然，氮的去除还包括微生物细胞的同化作用将氨转化细胞原生质成分。 人类的生活和经济社会的发展都离不开水，影响人们生活和制约社会经济发展的，不仅是水资源在水量上的匮乏，更重要的是由于水环境恶化而造成的水质型缺水。我国农村水环境问题日益突出，生活污染加剧，面源污染加重，工矿污染凸显，饮水安全存在隐患，呈现出污染从城市向农村转移的态势。
氮在水中主要以有机氮和无机氮两种形态存在，来源于生活污水、农业废弃液、工业废水等。含氮物质可以通过自然过程和人类活动等途径进入水环境中，天然水体中的亚硝酸氮浓度很低，人类活动是引起氮含量过多的主要原因，主要通过面污染和点污染进入水体。常见的面污染源有：农业面源污染、城市雨水径流污染、气载污染物污染、水体流失和水产养殖等。常见的点污染源有：城市污水与工业废水直接排放、污水处理厂的尾水排放、生活垃圾场和工业废料场等。大量的氮污染物进入水体会加速水体的富营养化，恶化水体质量，影响渔业发展和危害人体健康，影响供水水质和增加制水成本。
根据社会用水健康循环的基本策略，污水深度处理与再生利用是一个关键环节，也是我国水环境恢复的切入点[7]。如果在城市污水二级处理的基础上深度处理和再生利用，可以将排放水变成再生水作为城市的第二水源，不但缓解了水资源的不足，还减轻了水环境的污染，对社会用水健康循环具有重要的战略意义。因此，为了保护水环境，以及实现城镇污水厂污水二次利用，严格控制出水氮含量是极其必要的。
传统生物脱氮工艺
在城市污水中，氮有多种存在形式，包括有机氮、氨氮、硝酸氮、亚硝酸氮和气态氮等，并且它们在一定的条件下可以相互转化。传统生物法脱氮途径一般包括三个阶段：氨化作用、硝化作用和反硝化作用，这三个阶段分别在氨化菌、硝化菌和反硝化菌的作用下完成，如下图1所示。有机氮化合物在氨化菌的作用下，被分解转化为氨氮，这一过程称为氨化作用。在硝化菌和亚硝酸菌的作用下，氨氮进一步分解氧化为亚硝酸氮，转化为硝化氮，这个过程称为硝化作用。然后，在生物反硝化系，反硝化菌利用碳源电子供体，亚硝酸氮、硝酸氮作为电子受体，将亚硝酸氮、硝酸氮还原为气态氮，同时去除有机物和氮污染物。通过上述三个阶段的反应，实现从废水中脱氮的目的。当然，氮的去除还包括微生物细胞的同化作用将氨转化细胞原生质成分。
基于上述原理设计的脱氮工艺为前置反硝化生物脱氮工艺，即广泛使用的A/O（缺氧/好氧）工艺，其运行流程如图2所示。在A/O工艺中，回流液中的大量硝酸盐回流到缺氧池，从原污水中得到充足的有机物，使得反硝化脱氮充分进行。目前，我国大部分污水处理厂普遍存在着碳源不足的问题，污水的碳氮比（C/N）偏低，多数城填污水的C/N仅为3～4，导致脱氮效率低，尤其进入低温季节，情况更为严重。因为好氧池中的一部分流量没有回流到缺氧池而直接排放掉，所以该A/O工艺脱氮效果受到限制，致使许多污水处理厂二级出水中残余总氮含量偏高，主要以硝酸氮形态出现。常规混凝-过滤-消毒的再生水处理工艺对氮的去除作用不明显，因此反硝化生物脱氮成为再生水深度脱氮的首选工艺。为提高系统脱氮效率，可以向缺氧池中外加碳源。
A/O生物脱氮工艺
碳源是反消化过程不可少的一种物质。传统的碳源物质包括甲醇、乙酸和一些低分子糖类等，甲醇、乙酸等小分子液体碳源反硝化作用率高，脱氮效果好，但其投加量不易控制，运输和运行成本较高，具有一定的毒性和危害[12-14]。研究者对外加碳源问题进行了新的探索和尝试研究，开始探索开发新型外加碳源来代替传统碳源。
本文从固态、液态废弃物两个方面阐述新型碳源的研究，为以后的反硝化外加碳源的相关研究提供基础支持。
固态碳源
固态碳源有纤维素碳源、人工合成可降解聚合物等（不溶于水的可生物降解聚合物（BDPs）作为反硝化的碳源和生物的载体。
纤维素类
纤维素在反硝化过程中既可以作为反硝化过程的碳源，也可以作为微生物的载体，促进反硝化过程。纤维素没有生物毒性，具有较大比表面积，能让更多的细菌附着，可以用作反硝化碳源和生物膜载体。常见的纤维素碳源有棉花、稻草、玉米芯、报纸、麦秸等。李斌等以棉花、稻草、稻壳、玉米芯这4种农业废弃物作为反硝化碳源和微生物载体，通过对静态碳数量和质量、长期脱氮效果以及生物附着性能等方面的比较，结果显示，玉米芯具有持续稳定的释碳和反硝化脱氮效率，且表面容易附着微生物，适宜作为反硝化生物滤池所需的反硝化碳源滤料，更适于再生水反硝化深度脱氮滤池的碳源滤料。邵留等人通过开展甘蔗渣、玉米芯、稻草、稻壳、花生壳、木屑6种农业废弃物浸出物质元素分析、释碳量的比较、脱氮效果、生物附着性能等方面的研究，筛选出来源方面、费用低廉、结构稳定、脱氮效果好，副效应低的碳源。试验初步优选了玉米芯、稻草、稻壳可用做替代传统液体碳源的固体碳源。木屑实验组由于碳释放量不足、生物附着性能较差等原因导致脱氮性能较差。
可生物降解聚合物
可生物降解聚合物（biodegradable polymers，BDPs）可以作为反硝化微生物的碳源，同时也是反硝化生物附着生长的良好载体。研究发现，PBS作为反硝化固体碳源与生物膜载体时，聚合物表面形成比较致密的微生物膜，对内部的反硝化菌形成保护层，增强了微生物对进水pH、DO等冲击负荷的适应能力，BDPs价格较高，阻碍了其广泛应用。
液态碳源
液态碳源主要是指工业废水如啤酒废水、食品废水等和垃圾渗滤液；其他新型碳源有污泥水解挥发性脂肪酸（VFAs）等。
工业废水
工业废水一般都是高碳源废水，若能将它们作为生物反硝化过程的外加碳源，在降低碳源投加成本的同时，还可以节省工业废水处理所消耗的资源。食品工业的废水是相对理想的选择，其内容包括制糖、酿造、肉类、乳品加工等生产过程，所排出的废水都含有机物，具有强的耗氧性。
现在国内外有许多研究者已经开始了这方面的探索。在我国啤酒生产耗水量大，排出大量的啤酒废水对环境造成严重的威胁。一般每生产1t啤酒的耗水量为10～15t，在我国每生产1t啤酒的废水排放量是10～30 t。啤酒废水COD一般为1500～2500mg/L，BOD5为700～1400mg/L，pH为5.5～7.0，不含有毒有害成分，具有良好的可生化性能等特点，由于其具有较高的含碳量，可以把啤酒废水作为处理的补充碳源具有了一定可行性。由于啤酒废水不仅含有啤酒残液，还含有食物残渣和碎土石渣等物质，因此啤酒废水作为外加碳源的投加会促使水水质产生较大的波动。特别是当高浓度的啤酒废水进入到生活污水处理系统时，导致菌胶团迅速生长，多余的碳源被菌胶团转化为胞外聚合物，降低系统内污泥的沉降性能，导致系统内污泥膨胀，会影响生活污水COD去除率及水处理效果，甚至使出水恶化。
Fernándeznava Y[26]等利用SBR反应器对比糖果厂废水、软饮料厂废水和奶制品厂废水作为处加碳源进行反硝化试验，结果表明，糖果厂废水的最佳C/N比为6.5，当水力停留时间（HRT）为6 h时，最大比反硝化速率为41.6mgNO3-N/（gVSS•h）；软饮料厂废水的最佳C/N比为6.5，当水力停留时间（HRT）为4 h时，最大比反硝化速率为44.1mgNO3-N/（gVSS•h）；奶制品厂废水的最佳C/N比为4.6，当水力停留时间（HRT）为6 h时，最大比反硝化速率为41.6mgNO3-N/（gVSS•h）。反应过程中没有出现亚硝酸盐的积累，且出水COD也很低，获得了很好的处理效果。
以合适的工业废水作为反硝化过程的外加碳源，微生物种群适应了该废水的特殊生长环境，一定程度上能获得较高的反硝化速率，提高反硝化效果。但由于其来源受到诸多因素的限制，对其广泛应用有很大制约。
生活污水
生活污水主要是城市中使用的各种洗涤剂和污水、垃圾、粪便等，其中含有大量的有机物，如纤维素、淀粉、糖类和脂肪等。殷芳芳[27]在试验中用经化粪池厌氧发酵后的生活污水进行反硝化反应。其中易降解的TOC绝大部份都是VFAs，比反硝化速率为3.63mg/（g•h），高于甲醇、乙醇和葡萄糖的比反硝化速率。李巍巍[28]以厨余垃圾的厌氧发酵产生（厨余发酵液）作为外加碳源，对进水COD、NH4-N的去除率达96%以上。对污水的TN的脱氮率高达78.5%，可以有效的去除污水中的污染物质。研究发现，厨余垃圾发酵液更容易被微生物用于反硝化，脱氮速率和能力比较高，系统内的污泥好氧微生物活性和硝化能力都较高。通过研究发现，以絮凝污泥水解酸化液作为低碳氮比生活污水补充碳源，可显著提高前置BAF生物脱氮性能，从而实现絮凝污泥的资源化与减量化。
与传统的污水处理方法相比，在对污水处理厂处理后的尾水进行生物反硝化处理前可以向系统中投加一定量的外加碳源（固态、液态碳源：乙酸钠液体），在一定程度上提高污水处理的脱氮效果，增强污水的出水水质。但是，碳源的投加必然会影响和改变系统的进水水质，在水处理的过程中，进水水质的变化会影响到系统内微生物的新陈代谢及其活性，进而降低系统的处理效果，给系统带来不同程度的冲击。结合要处理的污水的特性，及污水处理出水水质要求，适当地选择合适的外加碳源，控制外加碳源的投加量，达到既保证污水处理厂的氮的去除，节约资源和成本，实现废物的资源化利用的目的。而对固态碳源、液态碳源的选择首先应该遵循以废治废的原则，根据要处理的水质特点，因地制宜，优先选择可以利用的固态或是液态的废弃物，达到提高污水处理效果，又减少废弃物产生的双重目的。