农业废弃物玉米芯也能当污水处理的碳源

众所周知，玉米芯是玉米脱粒后产生的固体农业废弃物。在大部分农村地区，玉米芯一般被用于作为烧锅做饭的燃料。身为在农村长大的我，并不知道玉米芯还有其他用途。我通过上网查找一些玉米芯的资料，了解到玉米芯还有一些其他用途：人们利用其特性，玉米芯在工业上通常被用于制作肥料、干洗剂、饲料、造纸、橡胶制剂等方面，另外还有被使用在提取废水中的重金属。随着对玉米芯更深入的了解，前几天浏览到了几篇关于玉米芯可以被用作污水处理反硝化碳源的论文。作为污水处理从业者，对玉米芯的兴趣愈发浓厚。那么为什么玉米芯可以作为污水处理反硝化碳源呢？本期就来探讨玉米芯被用于反硝化碳源的原因以及前景。

随着国家对污水排放指标要求越来越严格，总氮被作为一项排放考核指标。为了去除总氮，对于低碳氮比的污水不得不额外投加碳源。目前污水处理中常用的碳源有乙酸、乙酸钠、甲醇、乙醇、葡萄糖等，之所以他们适合作为反硝化碳源，是由于他们为含碳有机物，而且是低分子的有机物，有利于被反硝化菌吸收利用。而玉米芯中也含有丰富的天然有机物，释碳性能稳定，在污水处理领域中具有较大的应用潜力。

玉米芯的构造以及成分构成：天然玉米芯由鼓糠层、木质层和海绵絮层组成（见下图）。玉米芯的鼓糠层粗糙毛躁，不光滑，质地酥脆。木质层为玉米芯的中间部分，结构紧密且坚硬。玉米芯内部蓬松易裂，软而白，称之为海绵絮层。玉米芯的微观结构显示其表面结构呈蜂窝状分布，毛躁粗糙，且有许多紧密孔洞，排列较为整齐。

玉米芯之所以更适合作为外加碳源，最重要原因是玉米芯毛躁粗糙，微生物更易在其表面形成致密厚实的生物膜，成为了微生物的良好载体。另外玉米芯是丰富天然有机物，含有纤维素、半纤维素、木质素、灰分和少量其他物质，其中纤维素是由D-葡萄糖通过β-1,4糖苷键相互连接形成的天然高分子聚合物。在微生物作用下缓慢进行分解，从而达到释放碳源的目的，进而为外界微生物提供碳源。国内外众多学者在对废弃物作为外加碳源比选时，也证明了玉米芯表面更粗糙且多孔隙，微生物附着数量多且密度高，释放碳源效果稳定，具有更佳的长期反硝化性能和脱氮效果。玉米芯被微生物利用过程

玉米芯作为外加固体碳源被微生物的利用途径主要包括四种（见上图）。首先玉米芯被表面致密厚实的生物膜细胞外酶水解为可溶性和小分子底物。大部分的小分子底物被反硝化微生物作为电子受体。后将硝酸盐（NO₃^--N）还原为NO₂^--N、NO、N₂O，最后变成N₂排出，同时会生成CO₂，提高生物量，此过程为主反应过程。其次，一部分小分子有机物将NO₃--N异化还原为铵。此反应是去除NO₃^--N次要的过程，对NO₃^--N去出率不超过4%-10%。此外由玉米芯产生的小分子有机物也可通过厌氧产甲烷或被好氧微生物降解生成CO2 等方式去除。

既然玉米芯作为碳源有这么多优点，那为什么没有大范围推广呢？其实玉米芯作为反硝化固体碳源在实际处理污水的应用中也会存在一定的弊端。一方面玉米芯作为天然纤维素为大分子有机物，其结构复杂，且内部的木质素是一种酚类无定形的高聚合物，对纤维素酶分解纤维素起吸附和抑制作用，阻碍微生物进一步降解纤维素。另一方面，玉米芯的表面和内部都存在可溶性小分子有机碳，投加量过多，会存在二次污染现象。因此针对以上问题，在应用前需要采用适当的方法对玉米芯进行预处理，将其释碳性能稳定化，提高反硝化效果。目前国内外研究中主要涉及预处理方法包括机械粉碎、蒸汽爆破、稀碱处理、稀酸处理、氧化处理和辐射处理等。从处理效果以及成本角度出发，碱性处理方法较为合适。因为经过碱性处理后的玉米芯能够脱除大量木质素，有利于纤维素分解。而从绿色环保的角度出发，蒸汽爆破法无需使用化学药剂，且处理效果较好，此方法较为合适。从操作复杂程度角度出发，机械粉碎、辐射处理和稀酸处理方法却较为合适。因此，在实现玉米芯资源化方面，要综合考虑对玉米芯的预处理方法，扬长避短，寻求更为经济高效和绿色环保的预处理技术。总而言之，玉米芯作为固体碳源被广泛推广应用还有一段路要走，还需要大量的研究与实践论证，了解内在的反应机理，简化预处理流程，降低处理成本，才能加快这种唾手可得的农业废弃物玉米芯碳源的推广与应用。道德经里有句话叫：“圣人常善救物，故无弃物”。所以只要我们了解了事物的内在特性，加以开发应用，任何事物都可以作为资源利用。