宁波诺丁汉大学：可调控释碳颗粒——用于低C/N污水的同步释碳

现有固体碳源在低C/N污废水反硝化处理中普遍存在释碳速率难以调控、微生物利用不同步等问题。为此，本研究设计并开发了一种可实现同步释碳—反硝化（SCRD）的新型熔融共混碳源颗粒（MB-ACSs），旨在通过组分优化构建具有可调孔隙结构与扩散特性的多孔复合颗粒以提升系统对低C/N污废水的脱氮性能，并揭示碳释放与反硝化过程的动力学耦合机制。结果表明，优化配方MB-433（40 wt% PE、30 wt% PHB、30 wt% CC）在不同硝酸盐负荷下均表现出稳定的SCRD性能。基于Logistic、Exponential及Monod模型的拟合分析，阐明了材料结构、碳释放行为与微生物反应之间的耦合关系，构建了一个以设计为导向、具备可扩展性的固相碳源开发框架，为下一代固相脱氮材料及固相反硝化（SPD）技术的拓展提供数据支撑与理论指导。

相关研究成果发表于PARTICUOLOGY（Volume 108），欢迎感兴趣的读者扫描下方二维码或者点击文末“阅读原文”进入ScienceDirect官网阅读、下载！

亮点

1. 设计并开发了一种新型熔融共混复合固体碳源，在低C/N污废水中实现了稳定可调的释碳—反硝化同步过程。

2. 系统揭示了颗粒孔隙率与表面粗糙度对释碳动力学的影响，确定孔隙分布与扩散路径是决定释碳行为与微生物可及性的关键因素。

3. 基于Logistic、指数衰减（Exponential-decay）及Monod动力学模型，验证了PHC-433的释碳—反硝化同步特性，为下一代固体碳源材料及固相反硝化（SPD）技术的拓展提供了新思路。

研究背景

碳源供给与反硝化过程的协调是低C/N废水脱氮面临的主要难题。传统固体碳源虽可维持碳输入，但常存在释碳速率难控、碳氮反应不同步及利用率低等问题，限制了其在低C/N条件下的应用。随着固相反硝化（SPD）技术的发展，如何在保持固体碳源结构稳定的同时实现可调释碳与同步反硝化（SCRD）成为研究重点。熔融共混为固体碳源的结构与功能调控提供了新途径，可通过多组分互穿结构实现孔隙与扩散特性的可控设计。基于此，探索熔融共混复合碳源颗粒在低C/N废水中的释碳—反硝化耦合特性，对构建高效、可扩展的生物脱氮体系具有重要的理论与工程意义。

图1. MB-ACS颗粒的作用机理

要点精读

1. 揭示共混碳源的碳释放规律与结构调控机制

通过调控聚乙烯（PE）、聚羟基丁酸酯（PHB）和玉米芯（CC）的比例，构建了具有多尺度孔隙与互穿网络结构的复合颗粒。结果表明，熔融共混颗粒的碳释放过程呈典型的双阶段特征，主要表现在初期表面速释与后期扩散稳释，其中，MB-433实现了速率平衡与长期稳定的碳供能力，为反硝化反应提供持续碳源。

图2. MB-ACS颗粒及原料的释碳特性

(a) 15天批量培养过程中累积COD释放量随时间变化；(b) 紫外吸光度（UV254）；

(d) RRP与SRP阶段对应的碳释放速率。

2. 多负荷与C/N条件下验证同步释碳—反硝化（SCRD）性能

在不同硝酸盐负荷（25–1000 mg NO3-–N/L）与C/N（0–3）条件下，MB-433均表现出稳定、高效的SCRD性能。中等氮负荷（25–50 mg NO3-–N/L）条件下，MB-433实现了60-80%的硝酸盐去除率，并保持碳释放速率与反硝化速率的高度匹配；高负荷（1000 mg NO3-–N/L）条件下，仍未出现积累抑制现象，系统在运行末期可恢复至完全脱氮；而在无外加碳源（C/N=0）条件下，颗粒自身碳供亦能维持反硝化过程。结果表明，颗粒结构与内部扩散通道可有效协调碳释放与微生物利用，实现长期运行的稳定性与抗冲击性，为固相反硝化在低碳环境下的工程应用提供了可靠验证。

图3. MB-ACS颗粒在中等硝酸盐负荷下的反硝化性能

(a) NO3-–N浓度；(b) COD浓度；(c) NO3-–N去除率；

(d) NH4+–N浓度；(e) NO2-–N浓度；(f) TN浓度

图4. MB-ACS颗粒在高硝酸盐负荷下的反硝化性能

(a-c) C/N=3；(d-f) C/N=1.5；(g-i) C/N=0

3. 通过多模型拟合揭示释碳—反硝化耦合机理并构建设计框架

结合Logistic、指数衰减（Exponential-decay）与Monod模型对实验数据进行拟合分析，揭示了材料结构、碳扩散与微生物利用之间的内在耦合机制。Monod动力学分析显示MB-433具有较高的最大反硝化速率（Vmax=0.172 mg/L d）和较低的半饱和常数（Ks=8.42 mg/L），说明颗粒结构提供了强碳源亲和性与高利用效率。结果验证了释碳与反硝化过程的同步性与协同性，为下一代固体碳源的可控设计及固相反硝化（SPD）技术的推广应用提供了理论指导。

图5. MB-ACS颗粒的释碳—反硝化动力学耦合分析

(a, b) C/N=3和1.5条件下峰值速率（rmax）与起始时间（t0）的关系；(c) C/N=0条件下衰减常数（k）；

(d) 不同C/N条件下rmax、t0、p及反硝化性能的雷达图

主要结论与展望

本文采用熔融共混法开发了具备可调释碳能力的复合固体碳源，实现了低C/N废水中释碳—反硝化（SCRD）过程的同步控制。揭示了颗粒结构、孔隙特性与碳释放动力学之间的耦合规律，并构建了基于多模型拟合的释碳—反硝化耦合框架。结果表明，优化配方PHC-433在不同硝酸盐负荷和C/N条件下均表现出稳定、高效的脱氮性能。

本研究为固体碳源的结构设计与反应调控提供了可量化、可扩展的研究思路，丰富并发展了固相反硝化（SPD）的材料基础理论。未来工作将聚焦颗粒放大制备与长期运行性能评估，探索其在连续流反应器及主流污水处理过程中的工程应用潜力。

通讯作者简介

邵媛媛，诺丁汉大学副教授/高级研究员、宁波“甬江引才工程”创新人才、全球华人化工学者学会秘书长、加拿大西安大略大学客座教授。主要研究方向为液固流态化技术的应用性研究和微藻生物质能源技术研发，并致力于传统流态化技术新型工业应用领域的拓展。负责国家自然科学基金、国家水重大专项、国家重大研发计划，以及校企合作等多项研发项目。已发表科研论文96篇，授权发明专利13项。2019年获全球华人化工学者学会“未来化工学者”荣誉称号。

供稿：原文作者

排版：《颗粒学报》编辑部

文章信息

Yin, S., Shao, Y., & Zhu, J. (2025). Tunable carbon release from melt-blended carbon source particles for simultaneous denitrification in low-C/N wastewater. Particuology, 108, 241-251. https://doi.org/10.1016/j.partic.2025.10.021

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