劉洪波團(tuán)隊(duì)：微生物 大作用 弱電強(qiáng)化助力污水深度脫氮
近日，凈水小編了解到，上海理工大學(xué)劉洪波教授團(tuán)隊(duì)在微生物弱電強(qiáng)化微碳源污水深度脫氮研究方面取得突破，2020年共有3篇系列高水平論文成果發(fā)表在Science of the Total Environment（IF：6.551）等國際知名期刊。為促進(jìn)成果分享交流，小編邀請(qǐng)了劉洪波教授團(tuán)隊(duì)對(duì)成果進(jìn)行整理。
研究背景
近年來，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)環(huán)境污染問題日益凸顯，水環(huán)境惡化。城市污水中含有大量的有機(jī)物和氮、磷等無機(jī)污染物，未經(jīng)處理的污水排入環(huán)境中容易污染受納環(huán)境，如黑臭水體形成、土壤及地下水的污染以及生態(tài)失衡。生物處理法無疑是各種污水處理方法最為經(jīng)濟(jì)有效的方法，而污水處理脫氮過程中碳源不足已成為普遍的現(xiàn)象，在碳源不足的條件下，大多數(shù)污水廠即使采用前置缺氧生物強(qiáng)化脫氮工藝，出水總氮仍然偏高，且主要以硝酸鹽形式存在。在生物污水處理中，除外加碳源、對(duì)傳統(tǒng)污水生物處理工藝的改進(jìn)以及引進(jìn)新工藝等方法應(yīng)對(duì)污水處理碳源不足的問題外，電極固定化酶、MFC、MEC、BER 等多種形式的生物電刺激方法逐步應(yīng)用于低C/N 污水生物反硝化處理以增強(qiáng)微生物代謝活性，提供自養(yǎng)反硝化脫氮電子供體等形式提升脫氮效率。研究證明微生物弱電刺激能夠增強(qiáng)微生物代謝活性，但其作用機(jī)制目前尚不明確，許多科學(xué)問題亟待解決
其中幾個(gè)關(guān)鍵問題為：（1）由于微生物弱電產(chǎn)電的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致其在實(shí)際污廢水處理應(yīng)用上存在一定的困難，如何優(yōu)化微生物電化學(xué)與傳統(tǒng)污水處理系統(tǒng)的結(jié)合方式？（2）如何提升微生物電化學(xué)產(chǎn)電穩(wěn)定性？其機(jī)理機(jī)制是什么？（3）微生物電刺激電流強(qiáng)度與處理效果之間的關(guān)系目前爭議較大；（4）對(duì)弱電刺激脫氮效果的現(xiàn)有研究大多停留在去除效果分析上，弱電刺激如何影響含氮廢水的處理效果？它的具體作用途徑是什么？（5）弱電刺激對(duì)含氮廢水中的微生物產(chǎn)生了哪些具體的影響？
針對(duì)以上問題，課題組對(duì)微生物弱電應(yīng)用于含氮廢水的處理進(jìn)行了作用效果與機(jī)理方面的研究，并將其與傳統(tǒng)污水生物處理工藝相結(jié)合，計(jì)劃為污水處理提供微生物弱電刺激方面的技術(shù)支持。
主要研究內(nèi)容
構(gòu)建了一種微生物電化學(xué)結(jié)合傳統(tǒng)污水處理方式的耦合系統(tǒng)：ABR-MFC-MEC來處理污廢水，系統(tǒng)地研究了ABR-MFC-MEC處理污水的工藝構(gòu)型優(yōu)化和快速啟動(dòng)條件（電刺激電壓，進(jìn)水基質(zhì)濃度，單室/雙室MFC）。
通過合成氨基官能化的Fe3O4顆粒包覆的碳?xì)，?gòu)建微生物燃料電池（MFCs），并將其廢水處理性能與非官能化的Fe3O4進(jìn)行比較，討論氨基官能化的Fe3O4涂層電極對(duì)MFC去除污染物的影響并研究其作用機(jī)制。
研究不同電壓強(qiáng)度（0.1、0.2、0.4、0.6V）對(duì)微生物弱電刺激脫氮技術(shù)處理污水效果的影響，基于EPS三維熒光光譜圖分析、試驗(yàn)組和對(duì)照組門水平群落組成的相似性及差異性Heatmap 圖及微生物種群OUT 水平序列聚類的差異性圖與微生物種群種水平豐度百分比分析等技術(shù)方法，揭示了微生物弱電刺激下系統(tǒng)分子層面物質(zhì)與微生物優(yōu)勢(shì)菌群種類數(shù)量的變化，從微生物與分子角度分析微生物弱電刺激強(qiáng)化脫氮的具體實(shí)現(xiàn)路徑及作用機(jī)理。
文章重點(diǎn)亮點(diǎn)簡介
1ABR-MFC-MEC系統(tǒng)的快速啟動(dòng)課題組構(gòu)建的微生物電化學(xué)耦合ABR系統(tǒng)的啟動(dòng)研究分為ABR的啟動(dòng)與MFC、MEC的單獨(dú)啟動(dòng)。研究表明，當(dāng)進(jìn)水CODMn濃度為1 600 mg/L，去除率穩(wěn)定為81.2%時(shí)可認(rèn)為ABR單元啟動(dòng)成功。保持pH值在7.2~7.5對(duì)于快速啟動(dòng)的成功至關(guān)重要，課題組研究顯示將溫度控制在32°C時(shí)可以提高COD去除率，且在啟動(dòng)階段存在硝酸鹽時(shí)，ABR的COD去除率下降。
當(dāng)沼氣產(chǎn)量與底物降解穩(wěn)定時(shí)可認(rèn)為MEC啟動(dòng)成功。合適的電壓強(qiáng)度可以加速導(dǎo)電細(xì)菌在陽極表面的富集并加速碳源消耗，從而縮短啟動(dòng)時(shí)間。
雙室MFC可快速消耗底物濃度，比單室MFC啟動(dòng)速度快，且產(chǎn)電多于單室MFC。單雙室電化學(xué)系統(tǒng)各自啟動(dòng)成功后與ABR池體聯(lián)合運(yùn)行，采用連續(xù)流進(jìn)水方式處理不同COD負(fù)荷的糞便污水。隨著進(jìn)水負(fù)荷的增加，單雙室耦合系統(tǒng)的COD去除率依舊穩(wěn)定在99.2％和98.9％，但NH4+-N去除率略有下降。比較聯(lián)合運(yùn)行后的單雙室MFC，發(fā)現(xiàn)雙室系統(tǒng)可以保持較高的輸出電壓。當(dāng)進(jìn)水CODMn為3000mg/L，其最高輸出電壓為（400.0±5.0） mV，并且可以保持15h穩(wěn)定的電力輸出后緩慢下降。
2 氨基官能化的Fe3O4涂層電極對(duì)MFC去除污染物的影響及作用機(jī)理
課題組通過合成涂有氨基官能化Fe3O4顆粒的碳?xì)，?gòu)建微生物燃料電池（MFCs），可同時(shí)產(chǎn)生微生物能和提高污染物去除率。首先通過合成氨基官能化的Fe3O4涂層電極，對(duì)氨基官能化的Fe3O4涂層電極和非氨基化Fe3O4涂層電極進(jìn)行表征。進(jìn)而對(duì)微生物燃料電池的電化學(xué)性能，產(chǎn)電功率和廢水處理效果進(jìn)行對(duì)比分析，探討了氨基化對(duì)陽極電極處理污水效果的增強(qiáng)作用。
結(jié)果表明，氨基-Fe3O4包覆的陽極比Fe3O4包覆的陽極具有更高的NH4+-N去除效率，氨基-Fe3O4陽極的最大功率密度可達(dá)208.67mW /㎡ 。質(zhì)子化氨基NH4+的存在可以快速建立細(xì)菌電極系統(tǒng)并促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移，有利于帶負(fù)電細(xì)菌的附著，從而解釋了這一發(fā)現(xiàn)。
3 揭示不同強(qiáng)度微生物弱電刺激下系統(tǒng)的脫氮效果
課題組提出了一種以微生物燃料電池輸出電壓為電源的生物弱電刺激技術(shù)來強(qiáng)化反硝化效果，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)弱電刺激電壓為0.1、0.2、0.4 和0.6 V時(shí)均有利于強(qiáng)化微生物反硝化脫氮，弱電刺激強(qiáng)度偏低或偏高脫氮效率提升幅度下降；其中，弱電刺激電壓0.2V時(shí)效果最佳。
4 弱電刺激作用影響具有電子轉(zhuǎn)移功能的芳香類蛋白質(zhì)的含量
在最佳弱電刺激強(qiáng)度（0.2 V）下的污泥EPS三維熒光光譜圖中可以明顯看出，試驗(yàn)組中三維熒光光譜圖I 和II 區(qū)熒光強(qiáng)度和區(qū)域面積高于對(duì)照組。根據(jù)熒光光譜分區(qū)可知I 和II 主要為芳香蛋白質(zhì)類物質(zhì)，由此說明，弱電刺激有利于提升微生物代謝，提高芳香類蛋白質(zhì)的分泌。而先前的研究顯示，芳香類氨基酸、蛋白質(zhì)在微生物細(xì)胞間電子傳遞尤其是長距離傳遞中具有充當(dāng)電子轉(zhuǎn)移中繼站的作用。據(jù)此本研究提出弱電刺激反硝化脫氮過程可通過促進(jìn)微生物芳香類蛋白質(zhì)的分泌的形式增強(qiáng)微生物細(xì)胞之間的電子傳遞效應(yīng)，從而提高脫氮效果。
5 弱電刺激作用下異養(yǎng)反硝化微生物比例下降，自養(yǎng)反硝化菌比例升高
試驗(yàn)組和對(duì)照組門水平群落組成的相似性及差異性Heatmap 圖可以發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)組和對(duì)照組之間顏色存在明顯的差異，說明微生物種群在0.2 V 弱電刺激作用下發(fā)生了改變。
采用Fisher 準(zhǔn)確性檢驗(yàn)的微生物種群OUT（Operational Taxonomic Units）水平序列聚類試驗(yàn)組和對(duì)照組間的差異性，從中可以明顯地看出，弱電刺激對(duì)微生物種群結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響。
試驗(yàn)組和對(duì)照組間的微生物種群種水平豐度百分比，在弱電刺激作用下，梭桿菌門（Sacibacteria）等異養(yǎng)型微生物菌屬及互營型微生物比例總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而陶厄氏菌屬（Thauera）等自養(yǎng)型微生物比例總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。
從微生物角度證明了適當(dāng)?shù)娜蹼姶碳ぃū狙芯恐凶罴研Ч麨?.2V）可以增加含氮廢水中脫氮優(yōu)勢(shì)菌群的數(shù)量，從而提高脫氮效果。且自養(yǎng)型微生物比例的提升也有助于處理碳源含量較低的污廢水，相較于對(duì)照組，試驗(yàn)組中更高含量的COD 也印證了這一觀點(diǎn)。
[1] Hongbo Liu， Yicheng Lv， Suyun Xu， Zhongbing Chen， Eric Lichtfouse. Configuration and rapid start-up of a novel combined microbialelectrolytic process treating fecal sewage.Science of the Total Environment, 2020,705
[2] Hongbo Liu，Yi Zhang，Yanhong Zhou a，Zhongbing Chen b，Eric Lichtfouse. Self-provided microbial electricity enhanced wastewater treatment using carbon feltanode coated with amino-functionalized Fe3O4. 2020,33
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團(tuán)隊(duì)簡介
劉洪波教授，從事市政污水處理與回用、固體廢棄物處理與資源化研究；國際水協(xié)（IWA）青年委員會(huì)委員，上海市曙光學(xué)者，中國創(chuàng)造學(xué)會(huì)理事，中國城市衛(wèi)生環(huán)境協(xié)會(huì)公廁委專家組成員，《工業(yè)水處理》、《凈水技術(shù)》等雜志青年編委。正在主持或主持完成了包括國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、比爾及梅琳達(dá)·蓋茨基金會(huì)創(chuàng)新項(xiàng)目在內(nèi)的國際、國家、省部級(jí)課題十余項(xiàng)，發(fā)表高水平論文90 余篇，出版英文專著（章節(jié)）3本，授權(quán)發(fā)明專利10項(xiàng)，主編環(huán)保技術(shù)手冊(cè)一部（副主編），環(huán)保白皮書咨詢報(bào)告一本（主編），專著一本（共同主編）。參編2項(xiàng)國際標(biāo)準(zhǔn)，2 項(xiàng)國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范）。
團(tuán)隊(duì)所獲獎(jiǎng)項(xiàng)：（1）“比爾蓋茨”基金會(huì)“重新發(fā)明廁所”全球遴選并獲批資助團(tuán)隊(duì) （2014年）；（2）原國家旅游局第一屆廁所創(chuàng)新大賽“最佳理念”獎(jiǎng)（2016年）；（3）60%以上的畢業(yè)研究生會(huì)獲得各級(jí)“優(yōu)秀畢業(yè)生”，“優(yōu)秀論文”，“優(yōu)秀報(bào)告”等稱號(hào)。
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