随着国家对环境保护的日益重视和污水处理厂污水排放标准的日益提高，对污水处理的要求不断提升。目前，《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中的一级A排放标准要求COD≤50 mg/L、TN≤15 mg/L、NH₄⁺-N≤5 mg/L、TP≤0.5 mg/L^〔1〕。然而，《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）要求Ⅴ类水的COD≤40 mg/L、TN和NH₄⁺-N均≤2.0 mg/L、TP≤0.2 mg/L^〔2〕。也就是说，符合污水处理厂一级A排放标准的出水进入河道成为地表水之后，必须依靠河道的自净能力继续降解COD，并进一步去除氮磷，才能达到Ⅴ类水的水质。然而，无论是污水处理厂的污水处理过程还是其出水的自净过程，往往存在碳源不足的问题，导致氮磷的去除均存在一定的困难。因此，外加碳源成为提高污水处理效率和提升河道自净能力的重要方法。目前，常用的外加碳源有乙酸钠、乙酸、甲醇、乙醇、葡萄糖等，但这些常用的外加碳源存在经济性、安全性、应用范围和效率等方面的缺陷。为此，国内外研究人员通过多种渠道开发复合碳源，力图降低碳源的投加量，提高碳源的性价比和安全性。

曹锐等^〔3〕开发了一种用于废水处理的环保型复合碳源，该碳源组成（以质量分数计）：甲酸钠0.5%~1.0%，乙酸钠4.5%~5.5%，丙酸钠5%~6%，糖类物质40%~50%，水40%~45%。结果表明，应用该碳源的污水处理效率较高，但性价比不高。张民权等^〔4〕研制了一种COD高达100万mg/L的复合碳源用于反硝化脱氮，与乙酸钠相比，其能够显著降低碳源的成本，但对COD的去除有不确定性。李光益等^〔5〕研制了一种由乙酸钠、冰醋酸、碳酸钠、乙醇、葡萄糖、去离子水制成的复合碳源，研究表明，该复合碳源对人体无害、成本低、易被微生物吸收利用，但原材料种类过多，复配工艺复杂，并且含有乙醇等危险化学试剂，推广使用受到限制。

除了各种复配碳源，近些年来利用工农业生产的废弃物作为污水处理碳源的相关研究受到广泛关注。Wenhao Liu等^〔6〕研究了以柠檬酸生产产生的废水作为高性价比碳源的可行性，结果表明，这种废水可以作为污水处理生化过程的替代碳源，其整体表现与乙酸钠相近，性价比较高。A. Mielcarek等^〔7〕对比研究了柠檬酸、乙酸和啤酒废液作为碳源对污水中COD和TN的去除效率，结果显示，这3种碳源的应用均可以使处理后污水中的COD和TN满足相关的排放要求，并且柠檬酸作为碳源能够形成更薄的生物膜，也能够更好地避免反应器堵塞。Chunbo Yuan等^〔8〕以木屑为持久释放的碳源，用于以低C/N污水为水源的潜流湿地的构建。结果表明，添加此种碳源后，污水中的NH₄⁺-N、NO₃^--N、TN和TP均能够被有效去除。随着生物柴油产业的发展，产生了较大量以甘油为主要成分的副产物，而将该副产物作为碳源应用于污水处理，获得越来越多的关注^〔9〕。胡明明等^〔10〕以甘油作为碳源进行了地下水中硝酸盐的去除试验，结果表明，在投加碳源的地下水中加入反硝化菌种，能够快速启动反硝化反应，硝酸盐去除率可达到97.7%以上。夏雪等^〔11〕研究了甘油作为反硝化除磷碳源的效能，他们发现甘油可以作为反硝化工艺的除磷碳源，除磷效率能够达到79.2%。

然而，由于原材料和工艺等的差异，对于生物柴油生产的副产甘油在污水处理厂作为碳源的应用还缺乏系统研究。青岛碧沃德生物科技有限公司研发了以生物柴油生产副产物为基础的高能碳源（BWD⁺碳源）系列产品，多渠道探究了此类产品在污水处理中应用的可行性，以期为此类副产物的大规模应用提供参考。

根据青岛碧沃德生物科技有限公司提供的数据，BWD⁺碳源的主要组成（以质量分数计）如下：约85%的甘油，5%~8%的乙酸钾或柠檬酸钾，1%~2%的甲醇，其余为水，不含氯离子。其闪点为123 ℃。

TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ 636—2012）测定；NH₄⁺-N采用纳氏试剂分光光度法（HJ 535—2009）测定；NO₃^--N采用紫外分光光度法（HJ/T 346—2007）测定；NO₂^--N采用分光光度法（GB/T 7493—1987）测定；COD采用重铬酸盐法（HJ 828—2017）测定。

以某污水厂曝气池末端混合液为处理对象，分别以BWD⁺碳源和醋酸钠作为外加碳源去除其中的TN。取该混合液约4 L密封放置阴凉处4~6 h，并测量相关水质指标。BWD⁺碳源稀释至约10 000 mg/L，待用。取3个1 L烧杯，均加入1 L混合液，摇匀。将第1个烧杯作为空白；向第2个烧杯中加入质量分数为25%的乙酸钠溶液，向第3个烧杯中加入BWD⁺碳源，加入碳源量约为TN的5倍（50 mg/L）。之后，向3个烧杯中补充一定量的蒸馏水使混合液的最终体积保持一致。将3个烧杯放置于六联磁力搅拌器上，调整转速，使搅拌产生小漩涡但不能有气体吸入；烧杯口沿采用封口膜及橡皮筋做封口处理，防止混合液富氧，对污水进行培养。中速搅拌混合液，在培养1、2、3、4 h时各取样一次。每次取样约50 mL，静沉10 min，取上清液过0.45 μm滤膜，分别测定滤液的TN、NO₂^--N、NO₃^--N、NH₄⁺-N。最后一次取样时，静沉10 min，取上清液过0.45 μm滤膜，加测滤液的COD。

青岛董家口污水处理厂采用A/O工艺处理污水，进水COD（50~60 mg/L左右）较低，目前进水量1 700 t/d，是设计水量的13%左右（设计水量1.32万t/d），属于低负荷运行的水厂。为了保证污水厂稳定运行，必须投加碳源。该污水处理厂原来使用的碳源为固体乙酸钠（58%~60%），投加量约700 kg/d，每2 h于格栅井粗格栅前的进水渠末端投加2~3袋（25 kg/袋），用穿孔管进行空气搅拌。该厂于2020年4月7日—13日进行碳源完全替代实验，此时，固体乙酸钠停止投加，BWD⁺碳源以8~10 L/h的速率投加，实验时间为7 d。

该污水处理厂设计处理水量1 000 m³/d，采用A/O工艺，出水水质要求达到GB 18918—2002的一级A排放标准，目标出水TN 12 mg/L。BWD⁺碳源投加方式为人工手动投加，根据COD/TN=5∶1，在生化池前端进水处进行碳源补充，按照500 m³/d的出水量添加碳源，二沉池出水TN 45 mg/L，每日碳源投加量初定为100 kg，并根据出水情况及时调整。实验于冬季进行（12月18日至12月26日），共9 d。

使用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-ACS法，JY/T 015—1996）定量分析其中可能存在的主要有害元素。经检测，BWD⁺碳源中的主要金属与非金属污染物As、Cd、Pb、Hg均未检出，Cr含量为0.76 mg/kg。由此可知，该碳源经过稀释投加到要处理的污水后其污染物浓度可以忽略不计，不会导致任何二次污染，具有良好的安全性。同时，BWD⁺碳源中基本不含氯离子，绝大部分的钠盐被有机钾盐替代。使用该碳源一方面可以降低出水盐度，另一方面可为水生植物的生长提供必须的钾肥，有利于排入环境的水中的氮、磷等营养元素更好地被植物、藻类等吸收、利用，从而有助于将它们从水体中进一步移除。

不同碳源条件下污水中主要水质参数随时间的变化如图 1所示。

实验结果表明，经过4 h的处理，3组实验体系中污泥的沉降性差别不大，加入碳源后的活性污泥絮体较未加碳源的细腻，而加入BWD⁺碳源后产生的絮体更绵细。更绵细的絮体增大了其比表面积，从而有利于通过吸附从污水中去除活性磷，表明BWD⁺碳源具有有效降低污水中磷含量的巨大潜力。

由图 1可知，同等碳源投加量下，2种碳源均具有较好的TN及NO₃^--N去除效果。反应4 h，乙酸钠为碳源的TN去除率为79.9%，NO₃^--N去除率为97.2%；以BWD⁺碳源为碳源的TN去除率为66.97%，NO₃^--N去除率为74.6%；不加碳源的原水的TN和NO₃^--N去除率仅分别为10.4%和12.5%。对COD而言，经过4 h的处理，不加碳源的原水的COD从16 mg/L变为17 mg/L，增加了6.3%；而加入乙酸钠和BWD⁺碳源后，COD从66 mg/L分别降为29、25 mg/L，COD去除率分别为56.1%和62.1%。可见，2种碳源都能有效去除TN、NO₃^--N和COD。

另一方面，原水中NO₂^--N和NH₄⁺-N的初始浓度均较低，经过4 h处理后，其浓度分别减少28.6%和增加14.3%。加入乙酸钠碳源4 h后，该污水中的NO₂^--N降低了64.3%，NH₄⁺-N上升了114.2%；而加入BWD⁺碳源4 h后，该污水中的NO₂^--N增加了48倍之多，NH₄⁺-N则减少了67.2%。在2种不同碳源的作用下，污水中的NO₂^--N和NH₄⁺-N呈现相反的变化趋势。模拟实验中NO₃^--N、NO₂^--N、NH₄⁺-N、COD几个参数的变化表明，在添加不同碳源的条件下，微生物会采用不同的方式去除TN和COD。硝酸盐反硝化过程的最终产物是N₂或者NH₄⁺-N。以乙酸钠为外加碳源时，反硝化过程产生了较多的NH₄⁺-N，中间产物NO₂^--N浓度较低；而以BWD⁺碳源为外加碳源时，虽然中间产物NO₂^--N浓度较高，但污水中NH₄⁺-N浓度显著下降，表明BWD⁺碳源能使污水中更多的硝酸盐转化为N₂，对去除污水中的NH₄⁺-N也更加有效，也意味着投加此种碳源更容易使污水的NH₄⁺-N指标达到相关的水质标准。

模拟实验结果表明，投加不同的碳源，混合液反硝化过程的启动速度有一定的差异。以25%乙酸钠为碳源的混合液在1 h内的TN及NO₃^--N去除速率较快，去除率分别为61.2%、65.3%，1 h后去除速率明显下降；以BWD⁺碳源为碳源的混合液在1 h内的TN及NO₃^--N去除速率较慢，1 h后，TN及NO₃^--N浓度均迅速下降。整体而言，投入BWD⁺碳源的污水，反硝化启动速度略慢，但是氨氮去除效率较高，由此可知，BWD⁺碳源更适用于活性污泥法（如AAO）污水处理工艺，不适用于反硝化系统停留时间较短的污水处理工艺（如生物滤池）。

董家口污水处理厂污水更换BWD⁺碳源后，水质参数的变化如表 1所示。

实验结果表明，董家口污水处理厂污水在投加BWD⁺碳源后，经过一系列处理，出水COD、TN、TP均优于GB 18918—2002的一级A排放标准。出水COD优于GB 3838—2002规定的地表水Ⅴ类水的标准，但TN超过地表水Ⅴ类水质。从其出水TP可以看出，BWD⁺碳源有一定的污水脱磷能力。出水COD/TN介于5.2至12.8之间，相对较高的COD/TN有利于启动反硝化反应^〔11〕，有助于该污水处理厂的出水在排入天然河道后迅速消除总氮，进一步提高出水水质达到地表水Ⅴ类以上。可见，使用BWD⁺碳源处理污水，对于排入河道的出水水质的进一步提升是有利的。

该污水处理厂位于高寒东北地区，在冬季-20 ℃时，BWD⁺碳源在外存放未结冰，但是黏度极高，无法利用设备将其倒出桶外。投加时，该碳源先整桶移动至室内存放。

BWD⁺碳源初期投加采用传统方式，即分时段一次性投加足量碳源于生化池前端进水，但脱氮效果不好。后改为连续点滴式投加方式。投加BWD⁺碳源后，污水COD和TN随时间的变化如图 2所示。

实验结果表明，投加BWD⁺碳源后，TN下降趋势十分明显，投加5 d后出水TN达标，证明BWD⁺碳源具有良好的快速启动性。投加BWD⁺碳源后，出水COD无明显变化，证明其成分中相对分子质量大的组分较少。总体上，该碳源能够基本满足污水处理系统中微生物的能量需求。

使用该碳源的COD、TN去除率和出水COD/TN随时间的变化如表 2所示。

整体上，随着BWD⁺碳源的不断投加，COD去除率逐步上升，TN去除率保持相对稳定，COD/TN逐步下降。

BWD⁺碳源和乙酸钠碳源的成本比较如表 3所示。

由于BWD⁺碳源主要来源于生物柴油产业的副产物，原料成本低，并且单位碳源含有较高的COD，虽然BWD⁺碳源单价高于乙酸钠，但是其COD远远高于乙酸钠，因而在污水处理中其吨水碳源成本显著低于乙酸钠，整体上碳源成本降低56.5%。

在模拟实验和污水处理实验中，BWD⁺碳源能够有效去除COD、TN、NH₄⁺-N和TP等污染物，在同等条件下去除效率多优于乙酸钠；其进入水中的Na⁺的量远远小于乙酸钠，并且该碳源的产泥量较乙酸钠低，冬季室外无冻结，且性状稳定不可燃，运输方便，是良好的环境友好型碳源。目前，我国污水处理厂的碳源总需求量大约为每年100万t，如果能够用BWD⁺碳源进行完全替代，以每吨碳源节省2 000元计，节约污水处理成本约为20亿元，适合在污水厂大规模推广使用。在今后的实践中，还可以考虑如何在天然开放式污染水体治理中应用该碳源，拓宽使用渠道。

BWD⁺碳源基本不含氯离子和As、Pb、Cr、Cd、Hg等污染元素，避免了使用后的二次污染；以有机钾盐代替钠盐，降低了出水的盐度并有利于其中的氮、磷等营养物质在环境中的吸收、利用。该碳源是传统碳源的有效替代品，对污水中的TN、TP、COD、NH₄⁺-N等污染物有良好的去除能力，具有环境友好的特性。该碳源在污水处理厂的大规模应用，将能够显著降低污水处理的成本。