隨著全球環境污染問題日益嚴重，氮氧化物（NOx）和硝酸鹽（NO₃⁻）的排放已經成為一個亟待解決的課題。硝酸鹽是一種常見的水污染物，主要來自於農業、工業廢水排放和市政污水處理過程。傳統的脫硝技術主要依賴於異營性微生物脫硝，其中甲醇或醋酸等有機碳源作為電子供體。然而，這種技術雖然能有效去除硝酸鹽，但會帶來碳源過量添加及生物質產生過多的問題。
氫氣作為一種清潔、無毒且高效的電子供體，能夠為自營養微生物提供能量，並被證明在脫硝過程中有著顯著的優勢。本文將探討氫在微生物脫硝中的應用、其在多個產業中的影響及面臨的技術挑戰。
一、硝酸鹽的定義及其影響
硝酸鹽（NO₃⁻）是一種氮氧化物，主要來自農業施肥、工業排放以及生活污水等來源。它在水中的高濃度會對環境及人體健康產生嚴重影響。
對環境的影響
水體富營養化：當硝酸鹽進入地表水或地下水後，會引起水體富營養化，導致藻類過度繁殖，這種現象常被稱為“藻華”。藻華最終會造成水中溶解氧的耗竭，進而導致魚類和其他水生生物的死亡，破壞生態平衡。
地下水污染：硝酸鹽易溶於水，因此在農業區域或有工業廢水排放的地區，它經常滲透到地下水中。這對依賴地下水作為飲用水源的地區構成了重大威脅。
對人體健康的影響
藍嬰症：當硝酸鹽進入人體後，特別是在嬰兒中，會轉化為亞硝酸鹽（NO₂⁻）。亞硝酸鹽會與血紅蛋白結合，形成變性血紅蛋白，這種血紅蛋白失去攜帶氧氣的能力，導致嬰兒患上“藍嬰症”（methemoglobinemia）。
致癌風險：硝酸鹽和亞硝酸鹽與體內的胺類反應可能形成亞硝胺，這是一類強效致癌物，與胃癌、食道癌等癌症的風險增加有關。
心血管影響：長期暴露於高濃度硝酸鹽的飲用水或食物中，可能會對心血管系統造成損害，增加高血壓和心臟病的風險。
二、傳統微生物脫硝技術的挑戰
傳統的異營性微生物脫硝技術雖然在過去幾十年中得到了廣泛應用，但仍面臨諸多挑戰。最顯著的問題包括碳源的過量添加及生物質的過度生成。
有機碳源的過量添加問題
在異營性微生物脫硝技術中，甲醇、醋酸等有機碳源作為電子供體，為微生物提供能量以還原硝酸鹽。然而，這些碳源需要精確控制，如果過量添加，會導致水體中的有機物殘留，進一步污染水環境。此外，過多的碳源還可能引起副產物生成，增加後處理難度。
生物質過量生成
異營脫硝技術會產生大量的生物質（污泥），這些過量生成的污泥會增加污水處理廠的處理負擔，並提高運營成本。污泥的處理不僅耗費資金，還需要特殊的處理設施和工藝。
三、氫驅動的自營養脫硝技術
為了解決傳統技術中的問題，氫驅動的自營養脫硝技術逐漸受到關注。這種技術利用氫氣作為電子供體，並由自營養微生物來進行脫硝反應，氫氣不僅清潔、無毒，還能高效地去除水中的硝酸鹽。
氫氣的優勢
清潔且高效的電子供體：氫氣不會產生有機物污染，並且在自營養微生物脫硝中能夠被高效利用，減少了副產物的生成。
減少生物質生成：相比異營脫硝技術，氫驅動的自營養脫硝能顯著減少生物質生成，從而降低污泥處理的成本和負擔。
無需額外後處理：氫氣作為電子供體，能直接參與脫硝反應，避免了後續處理未消耗的碳源或有害副產物的問題。
氫膜生物膜反應器（MBfR）
氫膜生物膜反應器（MBfR）是目前氫驅動脫硝技術的核心技術之一。在該系統中，氫氣作為電子供體通過中空纖維膜供應給微生物，這些微生物附著在膜表面，利用氫氣還原硝酸鹽為氮氣和水。MBfR的優點在於氫氣利用效率高，且系統設計簡單，易於操作。
四、脫硝技術在產業中的應用
氫驅動脫硝技術在多個產業中都有廣泛的應用潛力，尤其是在處理含硝酸鹽濃度高的廢水領域。
廢水處理產業
市政廢水和工業廢水中通常含有高濃度的硝酸鹽，氫驅動脫硝技術能夠高效去除這些污染物，並且無需過多的後續處理。因此，該技術已經成為市政污水處理廠的重要選擇。
化工與製藥產業
化工和製藥行業的廢水中經常含有大量硝酸鹽，這些廢水需要經過有效處理才能符合環保標準。氫技術由於其高效和無污染的特性，已逐漸成為這些行業的理想選擇。
農業與畜牧業
農業活動中大量使用氮肥，並且畜牧業廢棄物也含有高濃度的氮化合物，這些因素會導致地下水和地表水中的硝酸鹽濃度上升。氫驅動脫硝技術可以有效應用於農業及畜牧業的廢水處理，減少對水體的污染。
五、氫驅動脫硝技術的挑戰與發展前景
雖然氫驅動脫硝技術在許多方面具有顯著的優勢，但仍存在一些挑戰和需要進一步解決的技術問題。
氫氣溶解度問題
氫氣在水中的溶解度較低，這會限制微生物對氫氣的有效利用。在微生物脫硝反應中，氫氣需要通過水體傳輸到微生物表面，供其使用作為電子供體。然而，由於氫氣的低溶解性，這一過程的效率會受到一定的限制。研究人員正在探索不同的技術，如提高氫氣傳輸效率的氫膜反應器設計，以克服這一挑戰。
成本與規模化應用
雖然氫氣技術在長期運營中的效益顯著，但初期投資成本較高，特別是對大規模應用而言。這主要是由於氫氣生產和供應系統的高成本，尤其是在需要大量氫氣的工業應用中。此外，系統的維護和運營成本也需要進一步優化，以實現更廣泛的商業化應用。
未來發展方向
隨著氫氣生產技術的進步，尤其是可再生能源驅動的氫氣生產方法（如電解水技術）的普及，氫驅動脫硝技術的應用前景將變得更加可行。同時，研究人員還在探索將氫驅動技術與其他新興技術相結合，如生物電化學系統（BES），以進一步提高系統的脫硝效率並降低運營成本。
六、結論
氫分子在微生物脫硝中的應用與健康密切相關，主要通過兩個方面來建立聯繫。首先，硝酸鹽污染對環境和人體健康有重大影響。當硝酸鹽進入水體後，如果人類長期攝入含有高濃度硝酸鹽的飲用水，可能會引發健康問題。硝酸鹽在體內轉化為亞硝酸鹽，進而與血紅蛋白結合形成變性血紅蛋白，降低血液的攜氧能力，特別容易導致嬰兒患上藍嬰症。此外，硝酸鹽和亞硝酸鹽的存在還會增加胃癌的風險。
通過氫驅動的微生物脫硝技術，水中的硝酸鹽得以有效去除，減少了這些污染物對人體健康的危害。這不僅改善了飲用水質，還降低了與硝酸鹽相關的疾病風險，特別是在農業和工業污染較為嚴重的地區。因此，這項技術對於保護公共健康具有顯著作用。同時，氫氣本身作為一種潛在的抗氧化劑，也顯示出有益於健康的特性。氫氣可以中和自由基，減少細胞氧化損傷，有助於防止衰老和與氧化應激相關的疾病，如心血管疾病、神經退行性疾病和癌症。因此，氫技術在環保和健康兩個領域中都展示了廣闊的應用前景。
透過這些應用，氫技術在降低環境污染的同時，為公共健康提供了保障，並為未來的健康研究和治療方法開闢了新的途徑。
參考文獻 Denitrifying biofilm processes for wastewater treatment: developments and perspectives這篇文章概述了異營性和自營養微生物脫硝技術的發展，強調了氫驅動的自營養脫硝在減少N₂O排放和高效去除硝酸鹽中的應用。特別討論了氫氣作為電子供體的技術挑戰和未來研究方向。 Influence of Hydrogen Electron Donor, Alkaline pH, and High Nitrate Concentrations on Microbial Denitrification本文著重研究氫驅動的自營養脫硝在高濃度硝酸鹽環境下的應用，探討了pH值對脫硝過程的影響，並強調了氫氣在微生物脫硝中的優勢及限制。 Hydrogen-driven chemoautotrophic denitrifying biofilm processes這篇論文分析了氫氣在自營養脫硝技術中的應用，特別關注膜生物膜反應器（MBfR）的設計及其在工業廢水和地下水處理中的應用，並討論了氫的溶解度和傳輸效率的挑戰。