曝氣量對微氧MFCs處理低C/N廢水的影響

劉若男(太原學院建筑與環境工程系，山西 太原 030000)

0 引言

近幾年，隨著社會經濟與工業的發展，排入水中的氮素急劇增加，造成了水環境的污染，危害人類的身體健康及生態系統。在我國現有的城鎮污水處理廠中，高達65%以上的污水處理廠脫氮過程中存在碳源不足的問題。污水進水中的氨氮較高，污水進水碳氮比(chemical oxygen demand/total nitrogen, C/N)較低現象更為普遍，碳源不能滿足微生物脫氮的要求。因此，進行高效的廢水脫氮并實現能源節約是可持續發展目標的關鍵。對于處理低碳氮比廢水，傳統的生物脫氮工藝效率較低，能耗需求較高，污泥產量大，并且經常需要外加碳源和堿度來維持正常反應[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，一方面是依靠異養反硝化菌通過對環境中的有機碳源的代謝產生電子進行反硝化，另一方面是自養反硝化菌通過外電路接收由陽極氧化有機物產生的電子進行反硝化。因此，解決了傳統脫氮過程對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勢。以往的研究已經證明，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省25%的耗氧量，減少40%的碳源[3]。短程硝化即在脫氮時營造適合氨氧化菌(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被還原成氮氣去除。研究發現氧氣是影響短程硝化反硝化非常關鍵的因素之一[3]。負責短程硝化的菌屬氨氧化菌(ammonia oxidizing bacteria, AOB)的O2飽和常數較亞硝酸鹽氧化菌(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，從而達到篩選亞硝化菌AOB進行短程硝化反硝化的目的。實驗將MFC與短程硝化和反硝化過程結合脫氮處理低C/N廢水。過程中控制陰極氧濃度為微氧狀態以獲得微氧條件，富集有利于短程硝化反硝化的菌群。反應器陰極與陽極單獨進水，廢水中的有機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，實驗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MFCs生物陰極脫氮的影響，得到最優曝氣量。此外，研究了曝氣量對MFCs陰極微生物群落結構的影響以及實現脫氮的功能菌種。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

本實驗構建六個雙室生物陰極MFCs。每個反應器陽極與陰極室均由兩個250 mL的玻璃容器組成，凈反應體積為200 mL。反應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線連接，以1 000 Ω電阻作為負載。污泥取自污水廠濃縮池污泥，接種量為30 mL。陰陽極分別單獨進水。反應器置于25 ℃的環境中啟動。

1.2 進水組分

陽極進水組分為 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礦物質元素溶液。陰極進水組分為 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礦物質元素溶液[5]。

1.3 分析方法

研究中陰極電勢采用飽和甘汞電極(SCE, +0.242V標準氫電極)進行測定。化學需氧量(chemical oxygen demand，COD)，氨氮(NH4+-N)，亞硝態氮(NO2--N)，硝態氮(NO3--N)濃度均采用國家標準法進行測定[6]。本實驗微生物群落分析實驗委托上海生工生物工程股份有限公司進行。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抽提的基因組DNA。高通量焦磷酸測序儀器為Illumina Miseq測序平臺。

2 結果與討論

2.1 曝氣量對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器后停止進水進行反應，每個反應周期為五天，期間維持陰極曝氣，使陰極處于微氧狀態。利用轉子流量計調節6個反應器的曝氣量分別為(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)，以研究曝氣量對微生物燃料電池陰極微氧狀態下短程硝化反硝化脫氮性能的影響得到最優曝氣量。在五天的運行中，除曝氣量為0.54 mL·min-1的反應器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濃度隨著反應的進行逐漸增加，反應 第 五 天 分 別 達 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，反應開始時NH4+-N被氧化為NO2--N后，NO2--N又迅速被氧化為NO3--N。因此，NO2--N濃度僅在反應第一天較高，隨著反應的進行，NO2--N濃度迅速下降，反應第五天分別為6.36和4.03 mg·L-1，而NO3--N濃度卻隨著反應的進行迅速增加，反應第五天可分別達到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，氨氮的氧化較難進行，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，反應第三天NO2--N積累率(NO2--N/NOx--N)分別達90.81%和90.33%，2.31 mL·min-1條件下的NO2--N積累率持續較高，隨著反應的進行，雖有所下降，但在反應第五天NO2--N積累率仍然達80%以上。曝氣量為3.43 mL·min-1NO2--N積累率隨著反應的進行呈逐漸升高趨勢，反應期末達到43.36%，但遠低于前兩種反應條件下的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，隨著反應的進行，快速下降。直至反應第五天，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

經過計算，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陰極可以實現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，氧氣濃度對AOB和反硝化細菌共存最有利，而NOB被抑制。此條件下，AOB對氧的親和力比NOB好，AOB的增長速率更大，這樣也可以補償由于微氧狀態的低DO引起的AOB菌代謝活性降低。因此，曝氣量可以被認為是控制AOB和NOB活性的一個條件。當曝氣量超過這一值時，曝氣量對反硝化作用的抑制增強，對NOB菌的抑制減弱，NOB的活性增強，甚至超過AOB，導致NO2--N積累率和TN去除率降低。反應的第5天，大部分NH4+-N被消耗，AOB的電子供體大大減少，NOB活性隨氧氣供應量的增加而提高，導致NO3--N濃度快速增加，NO2--N生成速率降低，與之前的報道一致。當曝氣量持續上升至4.12 mL·min-1及5.38 mL·min-1時，絕大多數NH4+-N被氧化為NO3--N,NO3--N在反應過程中得到很大程度的積累。這是因為，在高曝氣量條件下，NOB活性顯著增加，這種條件更適合NOB的生長。而反硝化菌由于曝氣量的增加導致反硝化作用減弱，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 曝氣量過低會抑制AOB和NOB的活性，導致只有少量的NH4+-N被氧化，因此TN的去除率也相應較低。

2.2 曝氣量對微生物燃料電池陰極生物群落結構的影響

取三個有代表性的曝氣量(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行高通量測序。通過高通量測序分析MFCs生物陰極的微生物群落分布。研究結果表明，在屬水平上，屬于Proteobacteria門的Thauera菌屬占主導地位，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大于其他條件。結合本文的脫氮數據可知，這一條件下NO2--N濃度與NO2--N積累率也較高。此外，還有報道表明Thauera菌株具有NO2--N積累的能力。研究證實，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序分析

3 結語

實驗將MFC與短程硝化和反硝化過程結合脫氮處理低C/N廢水，得出以下結論：(1)實驗成功啟動生物陰極微生物燃料電池反應器并在MFCs生物陰極中實現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是實現短程硝化和反硝化作用的最優曝氣量條件，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，Thauera是生物陰極中的主要反硝化菌屬，它對NO2--N的積累起很大的作用。