劉若男(太原學(xué)院建筑與環(huán)境工程系，山西 太原 030000)

0 引言

近幾年，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與工業(yè)的發(fā)展，排入水中的氮素急劇增加，造成了水環(huán)境的污染，危害人類的身體健康及生態(tài)系統(tǒng)。在我國(guó)現(xiàn)有的城鎮(zhèn)污水處理廠中，高達(dá)65%以上的污水處理廠脫氮過程中存在碳源不足的問題。污水進(jìn)水中的氨氮較高，污水進(jìn)水碳氮比(chemical oxygen demand/total nitrogen, C/N)較低現(xiàn)象更為普遍，碳源不能滿足微生物脫氮的要求。因此，進(jìn)行高效的廢水脫氮并實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約是可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的關(guān)鍵。對(duì)于處理低碳氮比廢水，傳統(tǒng)的生物脫氮工藝效率較低，能耗需求較高，污泥產(chǎn)量大，并且經(jīng)常需要外加碳源和堿度來維持正常反應(yīng)[1-2]。微生物燃料電池(microbial fuel cells, MFCs)作為一種新型污水處理工藝可以解決上述問題。在MFC脫氮過程中，碳源被充分利用，一方面是依靠異養(yǎng)反硝化菌通過對(duì)環(huán)境中的有機(jī)碳源的代謝產(chǎn)生電子進(jìn)行反硝化，另一方面是自養(yǎng)反硝化菌通過外電路接收由陽極氧化有機(jī)物產(chǎn)生的電子進(jìn)行反硝化。因此，解決了傳統(tǒng)脫氮過程對(duì)于碳源的高度需求問題，這是MFC在廢水脫氮處理方面極大的優(yōu)勢(shì)。以往的研究已經(jīng)證明，與完全硝化反硝化脫氮相比，通過短程硝化和反硝化脫氮可以節(jié)省25%的耗氧量，減少40%的碳源[3]。短程硝化即在脫氮時(shí)營(yíng)造適合氨氧化菌(ammonia oxidizing bacteria, AOB)生存的條件，使氨氮(NH4+-N)在硝化過程中被氧化成亞硝酸鹽氮(NO2--N)而不是硝酸鹽氮(NO3--N)，接著NO2--N被還原成氮?dú)馊コ?。研究發(fā)現(xiàn)氧氣是影響短程硝化反硝化非常關(guān)鍵的因素之一[3]。負(fù)責(zé)短程硝化的菌屬氨氧化菌(ammonia oxidizing bacteria, AOB)的O2飽和常數(shù)較亞硝酸鹽氧化菌(nitrite-oxidizing bacteria, NOB)低，更適合在微氧的條件下生存[4]。因此可以通過控制曝氣量從而控制溶解氧的溶度，從而達(dá)到篩選亞硝化菌AOB進(jìn)行短程硝化反硝化的目的。實(shí)驗(yàn)將MFC與短程硝化和反硝化過程結(jié)合脫氮處理低C/N廢水。過程中控制陰極氧濃度為微氧狀態(tài)以獲得微氧條件，富集有利于短程硝化反硝化的菌群。反應(yīng)器陰極與陽極單獨(dú)進(jìn)水，廢水中的有機(jī)污染物在陽極室中降解通過外電路提供電子供陰極脫氮使用。陰極室處理含400 mg·L-1COD和400 mg·L-1NH4+-N的低C/N廢水，實(shí)驗(yàn)過程中沒有投加額外的碳源和堿度。討論了微氧條件下曝氣量對(duì)MFCs生物陰極脫氮的影響，得到最優(yōu)曝氣量。此外，研究了曝氣量對(duì)MFCs陰極微生物群落結(jié)構(gòu)的影響以及實(shí)現(xiàn)脫氮的功能菌種。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建六個(gè)雙室生物陰極MFCs。每個(gè)反應(yīng)器陽極與陰極室均由兩個(gè)250 mL的玻璃容器組成，凈反應(yīng)體積為200 mL。反應(yīng)器中間被陽離子交換膜CEM(Ultrex CMI-7000, Membranes International Inc.,Ringwood, NJ, USA)分隔開，碳刷用作為陰陽極材料。陰陽極室之間通過導(dǎo)線連接，以1 000 Ω電阻作為負(fù)載。污泥取自污水廠濃縮池污泥，接種量為30 mL。陰陽極分別單獨(dú)進(jìn)水。反應(yīng)器置于25 ℃的環(huán)境中啟動(dòng)。

1.2 進(jìn)水組分

陽極進(jìn)水組分為 0.51g·L-1CH3COOH (400 mg·L-1COD)，0.13 g·L-1KCl, 0.23 g·L-1NH4Cl (60 mg·L-1NH4+-N)，4.66 g·L-1KH2PO4，2.24 g·L-1Na2HPO4，5 mL·L-1微量元素溶液，12.5 mL·L-1礦物質(zhì)元素溶液。陰極進(jìn)水組分為 0.51g·L-1CH3COOH (400 mg·L-1COD)，0.13 g·L-1KCl, 1.53 g·L-1NH4Cl (400 mg·L-1NH4+-N)，0.36 g·L-1KH2PO4，6.73 g·L-1Na2HPO4，5 mL·L-1微量元素溶液，12.5 mL·L-1礦物質(zhì)元素溶液[5]。

1.3 分析方法

研究中陰極電勢(shì)采用飽和甘汞電極(SCE, +0.242V標(biāo)準(zhǔn)氫電極)進(jìn)行測(cè)定?；瘜W(xué)需氧量(chemical oxygen demand，COD)，氨氮(NH4+-N)，亞硝態(tài)氮(NO2--N)，硝態(tài)氮(NO3--N)濃度均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)法進(jìn)行測(cè)定[6]。本實(shí)驗(yàn)微生物群落分析實(shí)驗(yàn)委托上海生工生物工程股份有限公司進(jìn)行。污泥樣品DNA采用試劑盒提取后，利用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)抽提的基因組DNA。高通量焦磷酸測(cè)序儀器為Illumina Miseq測(cè)序平臺(tái)。

2 結(jié)果與討論

2.1 曝氣量對(duì)微生物燃料電池脫氮性能的影響

人工配制的低C/N(1∶1)廢水一次性充滿反應(yīng)器后停止進(jìn)水進(jìn)行反應(yīng)，每個(gè)反應(yīng)周期為五天，期間維持陰極曝氣，使陰極處于微氧狀態(tài)。利用轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)6個(gè)反應(yīng)器的曝氣量分別為(0.54 mL·min-1、1.34 mL·min-1、2.31 mL·min-1、3.43 mL·min-1、4.12 mL·min-1和5.38 mL·min-1)，以研究曝氣量對(duì)微生物燃料電池陰極微氧狀態(tài)下短程硝化反硝化脫氮性能的影響得到最優(yōu)曝氣量。在五天的運(yùn)行中，除曝氣量為0.54 mL·min-1的反應(yīng)器NH4+-N去除率較低，為36.77%，其他曝氣量條件下NH4+-N去除率均大于80%，且曝氣量越大，NH4+-N去除率越高。說明在微氧條件下，曝氣量越高，DO越高，NH4+-N被氧化去除越多。曝氣量為1.34 mL·min-1、2.31 mL·min-1和3.43 mL·min-1條件下，NO2--N濃度隨著反應(yīng)的進(jìn)行逐漸增加，反應(yīng) 第 五 天 分 別 達(dá) 到31.15、33.45、30.95 mg·L-1。但1.34 mL·min-1、2.31 mL·min-1條件下NO3--N濃度一直保持較低水平，反應(yīng)第五天僅為5.88和6.88 mg·L-1，表明在這此曝氣量條件下，NH4+-N大部分被氧化為NO2--N，短程硝化效果較好。而曝氣量為3.43 mL·min-1條件下，NO3--N濃度可達(dá)40.44 mg·L-1。曝氣量為4.12 mL·min-1和5.38 mL·min-1條件下，由于曝氣量較大，NH4+-N去除率高，反應(yīng)開始時(shí)NH4+-N被氧化為NO2--N后，NO2--N又迅速被氧化為NO3--N。因此，NO2--N濃度僅在反應(yīng)第一天較高，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，NO2--N濃度迅速下降，反應(yīng)第五天分別為6.36和4.03 mg·L-1，而NO3--N濃度卻隨著反應(yīng)的進(jìn)行迅速增加，反應(yīng)第五天可分別達(dá)到118.78 mg·L-1、127.03 mg·L-1。此外，在曝氣量最低的條件下(0.54 mL·min-1)，NO2--N濃度與NO3--N濃度均低于1 mg·L-1，說明曝氣量太低時(shí)，氨氮的氧化較難進(jìn)行，從而影響短程硝化反硝化作用。

圖1顯示，曝氣量為1.34 mL·min-1和2.31 mL·min-1條件下，反應(yīng)第三天NO2--N積累率(NO2--N/NOx--N)分別達(dá)90.81%和90.33%，2.31 mL·min-1條件下的NO2--N積累率持續(xù)較高，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，雖有所下降，但在反應(yīng)第五天NO2--N積累率仍然達(dá)80%以上。曝氣量為3.43 mL·min-1NO2--N積累率隨著反應(yīng)的進(jìn)行呈逐漸升高趨勢(shì)，反應(yīng)期末達(dá)到43.36%，但遠(yuǎn)低于前兩種反應(yīng)條件下的NO2--N積累率值。曝氣量為4.12 mL·min-1和5.38 mL·min-1的條件下，NO2--N積累率僅在第一天較高，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，快速下降。直至反應(yīng)第五天，僅為5.05%和3.08%。曝氣量為0.54 mL·min-1條件下由于曝氣量太小，導(dǎo)致NH4+-N氧化不足，NO2--N濃度與NO3--N濃度均非常低，NO2--N積累率也較低。

圖1 亞硝態(tài)氮積累率

圖2顯示，曝氣量為0.54 mL·min-1、1.34 mL·min-1、2.31 mL·min-1、3.43 mL·min-1和4.12 mL·min-1與5.38 mL·min-1條件下，總氮(total nitrogen, TN)去除率分別為34.27%、73.04%、74.71、67.44%、55.26%、54.78%。曝氣量為2.31 mL·min-1的條件下TN去除率最高

圖2 總氮去除率

經(jīng)過計(jì)算，曝氣量為0.54 mL·min-1、1.34 mL·min-1、2.31 mL·min-1、3.43 mL·min-1和4.12 mL·min-1與5.38 mL·min-1條件下，C/N分別為1.39、1.08、1.09、1.24、1.78、1.80。理論上，硝化和反硝化的C/N比必須大于2.86。如果采用短程硝化反硝化工藝，廢水的C/N應(yīng)不超過1.71 。前四種條件下C/N比均低于1.71，曝氣量為4.12 mL·min-1與5.38 mL·min-1條件下C/N比也低于2.86。這證明在微氧條件下處理低C / N廢水，MFCs陰極可以實(shí)現(xiàn)短程硝化和反硝化作用，使碳源不再是氮去除的限制因素，節(jié)省了碳源。

如前所述，在2.31 mL·min-1的曝氣量條件下，有較高的NO2--N累積率和TN的去除率，是最佳的短程硝化反硝化脫氮條件。曝氣量為2.31 mL·min-1時(shí)，氧氣濃度對(duì)AOB和反硝化細(xì)菌共存最有利，而NOB被抑制。此條件下，AOB對(duì)氧的親和力比NOB好，AOB的增長(zhǎng)速率更大，這樣也可以補(bǔ)償由于微氧狀態(tài)的低DO引起的AOB菌代謝活性降低。因此，曝氣量可以被認(rèn)為是控制AOB和NOB活性的一個(gè)條件。當(dāng)曝氣量超過這一值時(shí)，曝氣量對(duì)反硝化作用的抑制增強(qiáng)，對(duì)NOB菌的抑制減弱，NOB的活性增強(qiáng)，甚至超過AOB，導(dǎo)致NO2--N積累率和TN去除率降低。反應(yīng)的第5天，大部分NH4+-N被消耗，AOB的電子供體大大減少，NOB活性隨氧氣供應(yīng)量的增加而提高，導(dǎo)致NO3--N濃度快速增加，NO2--N生成速率降低，與之前的報(bào)道一致。當(dāng)曝氣量持續(xù)上升至4.12 mL·min-1及5.38 mL·min-1時(shí)，絕大多數(shù)NH4+-N被氧化為NO3--N,NO3--N在反應(yīng)過程中得到很大程度的積累。這是因?yàn)椋诟咂貧饬織l件下，NOB活性顯著增加，這種條件更適合NOB的生長(zhǎng)。而反硝化菌由于曝氣量的增加導(dǎo)致反硝化作用減弱，TN去除率降低。而在最低曝氣量條件下(0.54 mL·min-1)，NH4+-N去除率，NO2--N濃度和積累速率，TN去除率均不理想。其原因可能是 曝氣量過低會(huì)抑制AOB和NOB的活性，導(dǎo)致只有少量的NH4+-N被氧化，因此TN的去除率也相應(yīng)較低。

2.2 曝氣量對(duì)微生物燃料電池陰極生物群落結(jié)構(gòu)的影響

取三個(gè)有代表性的曝氣量(0.54 mL·min-1，2.31 mL·min-1、5.38 mL·min-1)條 件 下MFCs生 物陰極的污泥樣品進(jìn)行高通量測(cè)序。通過高通量測(cè)序分析MFCs生物陰極的微生物群落分布。研究結(jié)果表明，在屬水平上，屬于Proteobacteria門的Thauera菌屬占主導(dǎo)地位，曝氣量由低到高(0.54 mL·min-1、2.31 mL·min-1、5.38 mL·min-1)條件下，所占比例分別為8.89%、39.86%和3.85%。Nitrosomonas為常見的氨氧化菌屬，所占比例分別為0.17%、1.65%和0.66%。曝氣量為2.31 mL·min-1條件下這兩種菌屬的豐度遠(yuǎn)大于其他條件。結(jié)合本文的脫氮數(shù)據(jù)可知，這一條件下NO2--N濃度與NO2--N積累率也較高。此外，還有報(bào)道表明Thauera菌株具有NO2--N積累的能力。研究證實(shí)，Thauera是短程硝化和反硝化生物陰極的主要菌屬，在NO2--N積累率較高的情況下所占比例也較高，說明其有助于NO2--N的積累。

圖3 污泥樣品的高通量測(cè)序分析

3 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)將MFC與短程硝化和反硝化過程結(jié)合脫氮處理低C/N廢水，得出以下結(jié)論：(1)實(shí)驗(yàn)成功啟動(dòng)生物陰極微生物燃料電池反應(yīng)器并在MFCs生物陰極中實(shí)現(xiàn)微氧條件下短程硝化反硝化處理低C/N廢水。(2)微氧條件下，曝氣量為2.31 mL·min-1是實(shí)現(xiàn)短程硝化和反硝化作用的最優(yōu)曝氣量條件，并且脫氮效果最好。(3)陰極室中的微生物群落中Nitrosomona為MFCs陰極主要的氨氧化菌屬。(4)研究證實(shí)，Thauera是生物陰極中的主要反硝化菌屬，它對(duì)NO2--N的積累起很大的作用。