针对污水生物脱氮工艺中碳源不足的问题，学者们进行了很多研究:先是进行了工艺改进，如采用前置反硝化、多点进水或取消初次沉淀池等;后来研究了投加低分子液体碳源，如甲醇、乙酸等;以及投加高浓度有机废水或污泥发酵上清液;还有研究引入了固体碳源，包括天然固体碳源，如小麦秸秆、棉花等，和人工合成聚合物，如PCL,PBS等。与传统液体碳源相比，纤维索类物质价格低廉并可持续释放碳源，能被生物降解，可同时作为微生物反硝化作用的碳源和生物膜附着生长的载体。但棉花、麦秸秆等物质具有更高的经济价值，因此，采用废弃物作为有机碳源具有更加实际的意义。作为城市中常见的园林废弃物之一，植物落叶一年四季均可获取，已有的关于落叶作为反硝化碳源的研究显示，落叶作为反硝化碳源具有优良的脱氮能力，但研究主要针对地表水的修复，国外有研究者将植物茎叶废料发酵液作为反硝化碳源用于水培废水的处理，但鲜见落叶直接用于生活污水反硝化的相关报道。
本文在对筛选的3种落叶进行释碳动力学分析后，选择一种碳源释放能力最佳的落叶作为研究对象，考察了温度和投加量对其反硝化过程的影响，并将落叶投入生活污水中考察其反硝化效果，以期为城市污水处理厂外加碳源的筛选提供一点思路。
1 实验部分
1. 1实验材料准备
综合考虑城市道路和园林常见绿化种类，以及落叶厚度与浸出效率的可能关系，实验选择香樟、梧桐和广玉兰 3种落叶作为研究对象。所用材料取自中南财经政法大学校园内自然凋落的落叶。将上述3种落叶用自来水洗净后，置于阴凉处自然风干，保存备用。
1. 2反硝化污泥培养
活性污泥取自武汉某城市污水处理厂二沉池回流污泥，驯化期间采用乙酸作为反硝化碳源，配制COD浓度200 mg / L左右，以硝酸钾和磷酸二氢钾作为氮源和磷源，保持N:P=5:1，硝酸盐浓度在40mg / L左右。驯化时取1L活性污泥置于3 L锥形瓶中，加入配制好的培养液1. 5 L左右，密封锥形瓶并保持瓶内溶解氧的浓度在0. 2 mg / L 以下，每天更换一次上清液。经过冬季为期一月的低温(水温约10一15℃)驯化后，得到以乙酸为碳源的反硝化污泥，连续4d测定出水硝酸盐浓度，均低于4 mg / L，硝酸盐去除率在90%以上，出水COD浓度低于30 mg / L。
1. 3落叶释碳动力学
将上述3种落叶分别剪成约1 cm X 1 cm的小块，各自称取5g置于500 mL的烧杯中，注入无菌蒸馏水至500 mL刻度线，玻璃棒搅拌后，密封烧杯日以防止水分蒸发和杂质进入。实验温度控制在(20士1)℃，初始pH值为7. 2一7. 5。分别在第1 ,2 ,4 ,8 ,12 ,24 ,36 ,48 ,60 ,72 ,96 ,120和144 h取样，测定水溶液中的COD浓度和pH等指标。
1. 4单纯落叶反硝化影响因素实验
以广玉兰叶作为研究对象，采用序批式实验研究温度和固液比对反硝化效果的影响，向250 mL锥形瓶中加入150 mL配置好的培养液(考虑到落叶中营养元索较为丰富，培养液中仅添加硝酸钾和磷酸二氢钾作为氮源和磷源，其中硝酸盐浓度在40 mg / L 左右，N:P=5:1)和100 mL反硝化污泥，通过恒温振荡器控制反应温度。研究温度的影响时，向3组反应装置各投加2. 5 g广玉 兰叶，分别置于15 、25和30 ℃下进行反硝化实验;研究固液比的影响时，控制实验温度为25 ℃，按照固液比分别为1 : 250 ,1. 5 : 250和2.5:250的比例向3个250 mL的反应容器中分别投加1. 0、1. 5和2. 5 g广玉 兰叶。每周期运行24 h，更换150 mL培养液，连续运行26 d，每天检测硝酸盐以及亚硝酸盐的变化情况。
1. 5落叶用于生活污水反硝化实验
选用2个1 000 mL的锥形瓶作为反应容器，分别加入200 mL驯化好的反硝化污泥和一定量的硝酸盐溶液，确保进水后MLVSS维持在2 500 mg / L 左右，初始硝酸盐浓度维持在40一50 mg / L 。其中一个容器仅以污水作碳源，记为污水组，另一个反应容器中除了进水外，按1 : 250的固液比投加4g广玉 兰叶，记为污水+落叶组。将密封好的反应容器放置于恒温振荡器，控制反应温度在(25士1)℃。分别在第0、0.5、1、2、3和4h取样，测定污水中的COD、硝酸盐、亚硝酸盐浓度以及pH值和色度。
1. 6分析方法
常规水质指标分析主要参考《水和废水监测分析方法》中规定的标准方法，其中COD的测定采用哈希消解法，硝酸盐采用紫外分光光度计测定，色度采用铂钻标准比色法，样品经0. 45 μm水性滤膜抽滤后测定。
2结果与讨论
2. 1落叶释碳性能与动力学
广玉兰、梧桐和香樟3种落叶的释碳轨迹和pH变化规律，如图1所示。可以看出，3种碳源物质均具有可持续释碳能力，在实验的144 h内，3种碳源的释碳规律较为相似，都是先快速上升，后来逐渐变缓;3种溶液的pH则呈现先直线式下降，后逐渐维持相对稳定的趋势。从碳源释放情况看，广玉兰叶的碳源释放量和速率均远远高于梧桐和香樟，在浸出第4小时时，广玉 _的碳源释放量已达743 mg / L，单位质量碳源释放量达到37. 15 mg ·(g ·h)-1，碳源的最高释放量出现在第120小时，为2 384mg / L,梧桐在经历最初2d的释放后释碳逐渐变缓，而香樟则一直呈现小幅增长的趋势。最终广玉兰叶COD单位释放量高达229.2 mg / g，香樟为43.3 mg / g，梧桐最少，只有31.3 mg / g。从pH变化规律来看，3种落叶浸出液pH值下降的拐点与其浸出液COD升高的拐点几乎同时出现，表明落叶浸出初期释放的碳源中含有大量的酸性物质;落叶pH值变化幅度为:广玉兰>梧桐>香樟，侧面反映出广玉铸叶的释酸能力最强。
释碳曲线所呈现出的COD浓度变化规律与碳源物质释放有机物的两个阶段相关。在浸出初期，落叶表面的水溶性物质和易分解有机物会很快溶出，致使水体COD浓度快速上升，当落叶表面的小分子物质和落叶溶胀释出的小分子物质释放完全之后，落叶内部的物质将进一步水解释放到水体中，由于落叶中纤维素、半纤维素和木质素较难降解，碳源的释放逐渐受到抑制，表现为水体COD浓度增速放缓，并最终达到相对稳定。
根据这一规律，结合相关文献的研究成果，首先采用二级动力学模型来描述落叶的释碳过程，结果如表1。由表1数据可知，梧桐叶和香樟叶的拟合度不佳。
基于对落叶释碳规律的进一步预测和分析，本研究又分别采用Higuchi和Logistic 2种常见的释放动力学模型对落叶释碳过程进行拟合。
Higuchi模型(见表1)拟合度优于二级动力学模型，此时广玉兰的释碳速率系数为174. 69 mg · ( L . h0.5)-1，梧桐和香樟分别为24. 451和31. 459 mg · ( L . h0.5)-1，但广玉兰叶的拟合度稍欠佳;考虑到落叶中碳源成分相对复杂，最后采用Logistic模型对3种落叶释碳特征的曲线进行拟合，拟合程度达到最优，如表1和图2所示，该模型是一种阻滞增长模型，是对指数增长模型的基本假设进行修改后得到的，它考虑到增长减缓的原因是存在阻滞作用，真实反映了落叶在释放碳源过程中可能受限于自身碳源结构，水溶液pH值等因素的限制，表明以落叶为碳源的缓释系统属于释放机制较为复杂的祸合系统。因此，用Logistic模型可以较好地表征落叶中有机物在水中的释放规律。
考虑到广玉兰叶释碳速度快，性能佳的特点，后续实验着重考察广玉兰叶的反硝化影响因素。
2. 2单纯落叶反硝化影响因素实验
2. 2. 1温度对广玉兰叶反稍化效率的影响
温度是影响木质纤维素物质水解效率的一个重要因素。一般在低温条件下，生物反硝化效果会明显降低。这是因为纤维素降解菌大多属于中温型细菌，最适生长温度在25 - 40℃范围内。过低的温度会影响微生物活性，而当反应温度处于中温阶段时，细菌的代谢速率会随着温度的升高而逐渐加快，微生物水解利用碳源物质的速率也就随之加快，体现在反硝化脱氮效率的提高。图3显示了在其他条件相同的情况下，以广玉兰叶为碳源的3组反硝化污泥分别在15 、25和30℃条件下的硝酸盐去除效率。
除了第1天的适应期，出水硝酸盐浓度较高外，在后续25 d反硝化时间内，30℃组平均硝酸盐去除率达到87. 27 % , 25℃组平均硝酸盐去除率达到86. 32% ,15℃组平均硝酸盐去除率也达到83. 80%，实验结束时3组温度条件下反应器出水硝酸盐浓度低于7 mg / L ，优于文献报道的妊瓜络的反硝化能力。从变化曲线看，温度对反硝化率的影响主要表现在2个方面:1)适应性，不同温度下，反硝化菌对落叶释放的碳源都存在一个适应的过程 ,2)长期稳定性，从出水硝酸盐浓度波动情况看，25℃和30℃组出水硝酸盐浓度相对稳定，15℃组出水硝酸盐浓度波动最明显。
由图3可知，碳源充足时，第2一19天3组温度下的反硝化脱氮效率差别并不显著，第20 - 26天，15℃组反硝化速率波动较大。分析认为，广玉 兰叶中的浸出碳源含量较高，在反硝化前期，落叶释放的碳源已足够用于异养微生物的代谢活动，足量的溶解性碳源抵消了温度的不良影响;反应后期，由于可溶性碳源逐渐减少，细菌需要通过水解作用分解落叶中难溶的纤维索物质，此时温度对于反硝化效率的影响较为明显。
3组温度下系统的硝酸盐去除负荷(扣除第1天)分别为:87.27 mg / g (30℃)> 86. 32 mg / g (25 ℃) >83.8 mg / g (l5 ℃),25一30℃的反硝化能力相当，略优于15 ℃。这与以往报道的纤维索作为碳源，会受温度影响的文献有异，分析可能是由于:1)低温15℃组反硝化速率较高的原因可能是本实验污泥驯化期间温度较低，使得污泥对低温有一定的适应能力，同时由于碳源量相对充足，抵消了低温的不良影响;2)25℃和30℃组反硝化效率没有明显差别，根据缓释碳源材料反硝化动力学方程简式:
式中:r和rH分别为硝酸盐的反应速率和最大反应速率(mg NO3- -N·( mg SS·h)-1 );Sc为COD浓度 (mg / L);Kc为溶解性COD的半饱和系数，取0. 5 mg / L。
当微生物可利用的底物浓度充足时，反硝化速率呈零级反应，由于反硝化适宜温度在20 - 35℃之间，可认为25和30℃这2组温度下反硝化速率均呈零级反应，因此，其硝酸盐去除效率相近。
3组系统在反应的前13 d里均未出现亚硝酸盐的积累，从第14天开始，3组系统先后出现硝酸盐去除率的波动，同时除了15℃组，其他2组都出现较明显的亚硝酸盐累积现象，如图4所示。有文献报道，低温条件下的反硝化过程亚硝酸盐积累量明显高于中温(25℃)和高温(35℃)条件，与本研究中结果有异。分析可能是由于生活污水和其他液体碳源在反硝化过程中可利用碳源总量是逐渐减少的，而广玉兰叶具有可持续释放碳源的能力，实验中3组温度下的落叶投加量相同，由于等量的叶片可释放的碳源总量相当，温度越高，单位质量落叶所释放的COD增加量也越高，经过一段时间的反应后，25和30 ℃ 2组系统可溶性易降解碳源逐渐减少，而当碳源有限时，硝酸盐和亚硝酸盐同时争夺碳源，硝酸盐的竞争能力较强，因此，出现了较低浓度的亚硝酸盐累积现象;15℃组由于碳源释放较慢，到反应后期，可利用碳源反而相对充足，充足的碳源抵消了温度的不良影响。实验中亚硝酸盐累积的最高浓度小于2 mg / L ，对系统反硝化过程影响较小，表明广玉铸叶可以作为反硝化外加碳源。
2.2.2固液比对广玉兰反稍化效率的影响
固液比分别为1:250,1.5:250和2.5:250，反应温度为(25士1)℃时，各系统连续运行26 d内，进出水的硝酸盐去除和亚硝酸盐积累情况如图5和图6所示。
由图5可知，除了第1天的适应期，第2 -8天，落叶投加量与硝酸盐去除率呈现负相关，固液比为1 : 250和1.5:250两组的硝酸盐去除率一直维持在90%左右，基本无亚硝酸盐积累(见图6)，而2. 5 : 250组对应的硝酸盐去除率在85%左右。分析原因，反应初期，落叶表面碳源物质，包括有机酸类逐渐向水相中释放，根据落叶浸出过程中pH的释放曲线(见图1),2.5:250固液比系统pH值在浸出第4小时就会从7. 49下降到5. 9左右，而反硝化适宜的pH值一般在7. 0一8. 5 ，低于6. 0，反硝化效率将明显降低。据此推测，前期2.5:250固液比系统反硝化效率低的主要原因是pH值较低影响到反硝化菌的代谢活性;第9一14天，3组固液比条件下出水硝酸盐浓度相当，但随着释碳速率变缓，1 : 250和1.5:250固液比组出现低浓度亚硝氮积累现象(见图6);从第15天开始，硝酸盐去除率与投加量已渐呈正相关关系，此时固液比为2.5:250组其系统中的碳源物质浓度对于反硝化较为适宜，所以硝酸盐去除率高于另两组。由此可见，由于广玉铸叶释酸的特性，过高的固液比会显著降低溶液的pH值，从而影响到初期反硝化效率，因此，合适的固液比应该既能维持释放碳源在一定范围内，同时不会引起溶液pH值的显著变化。
比较3组落叶系统正常运行的25 d内平均硝酸盐去除速率为:8. 63 mg / d (2.5:250) >8.51mg / d (1.5 : 250 ) > 8. 34 mg / d (1 :250)，但从单位质量落叶硝酸盐去除负荷来看，208.49 mg / g (1:250)>141.89 mg / g (1.5:250) >86.32 mg / g (2.5:250);考虑到对广玉兰叶而言，较低的固液比可避免出水COD和色度偏高，同时有利于微生物在短时间内尽快适应落叶释出的碳源，实验条件下，单纯广玉 兰叶脱氮的固液比可控制为1:250、投加周期13d左右，此时，出水总氮浓度低于CB 18918-2002一级A标排放标准。
2. 3落叶用于生活污水反硝化实验
由于所取生活污水浓度较高，进水COD/NO3- -N大于5，因此，反应前1 h,2组反应装置的硝酸盐减少量相当(见图7)。第1小时末，落叶释放碳源使得污水+落叶组COD浓度达到峰值329 mg / L (见图8),碳源的增加使得第1一2小时污水+落叶组硝酸盐减少量高达9. 06 mg / L ，明显高于污水组的5. 54mg / L;随后的2 h，污水组硝酸盐减少量分别为3. 53和1. 56 mg / L，而污水+落叶组硝酸盐浓度分别减少了5. 23和3. 27 mg / L，均优于污水组，如图7所示。表明当污水中碳源减少时，落叶浸出的碳源能作为有效的补充，维持相对较高的反硝化速率。亚硝酸盐浓度变化轨迹显示，整个反应过程中，亚硝酸盐浓度呈现出先缓慢上升到峰值后又下降的趋势，亚硝酸盐浓度升高的过程伴随溶液pH值逐渐下降，两组反应溶液中pH最终维持在7. 5左右。以稻草和玉米芯为反硝化碳源时，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。实际污水反硝化过程中，污水夹带了一些缓冲物质，同时反硝化反应的碱度部分中和了落叶释放的酸性物质，从而维持反应体系pH相对稳定。
2组反应中污水组COD浓度和色度随反应时间的延长逐渐减小;污水+落叶组的COD和色度则呈现出先上升后下降的趋势(见图8),COD浓度在第1小时末达到峰值329 mg / L，对应色度也达到最高55度，随后COD浓度逐渐减少到相对稳定状态，色度也维持在40 - 45度之间;反应结束时污水+落叶组出水COD与进水COD浓度相当，相比单纯的污水，投加了落叶的污水在后续好氧处理阶段需要消耗更多的溶解氧或需要更长的曝气时间，来完成剩余COD的降解。具体参见污水宝商城资料或http://www.dowater.com更多相关技术文档。
3结论
1)在对比了二级动力学，Higuchi模型和Logistic模型后，发现Logistic模型能更好地拟合落叶的释碳过程，3种落叶的拟合度均达到0. 97以上。
2)相同固液比条件下，25 - 30℃下系统平均反硝化能力略优于15 ℃，表明低温并未显著抑制反硝化反应，足够的碳源能部分克服低温带来的影响，但巧℃组出水硝酸盐浓度波动较大，从长期稳定运行来看，25一30℃条件更适合广玉 兰叶反硝化。
3)广玉兰投加量并非越多越好，较高的固液比在显著增加碳源的同时，会引起溶液pH值的下降，抑制反硝化反应。
4)广玉 兰叶投加到生活污水中能显著提高硝酸盐去除量和反硝化效率，本实验1 : 250的投加量，溶液pH波动较小，基本维持在中性，但是存在出水COD和色度偏高的风险，将会增加后续好氧处理的负荷。