電化學技術強化厭氧氨氧化細菌活性研究.pdf

1、以厭氧氨氧化技術為核心的脫氮工藝已逐漸成為污水處理領域的研究熱點。與傳統的硝化反硝化工藝相比，厭氧氨氧化工藝具有經濟、節能、高效和環境友好的特點。然而，由于厭氧氨氧化細菌倍增時間長、生長緩慢，導致厭氧氨氧化工藝啟動時間過長的缺點已成為該工藝大規?？焖賾糜趯嶋H廢水脫氮的較大阻礙。因此，本文試圖尋求一些快速有效的方法促進厭氧氨氧化細菌的活性，進而加快細菌的生長速率以達到快速啟動厭氧氨氧化工藝的目的。本文旨在通過電化學技術強化厭氧氨氧化細菌

2、的活性，重點考察了包括靜電場、電極生物膜等方式耦合厭氧氨氧化脫氮工藝的可能性，并對其作用機理進行了深入的探索。本論文主要內容包括以下幾個方面。
　　(1)利用合適的靜電場施加于厭氧氨氧化反應器，促進了厭氧氨氧化細菌的活性，取得了良好的脫氮效果。當靜電場強度為2 V/cm，電場總作用時間為18h/day，電場連續作用時間和間歇時間分別為9h和3h時，經過160天的培養，厭氧氨氧化反應器的脫氮效率提高了39％。靜電場強度過大或者作用時

3、間過長都會對厭氧氨氧化細菌的活性產生抑制，但是當靜電場撤除之后，厭氧氨氧化細菌的活性可以緩慢恢復。對靜電場施加前后的反應器內菌種進行分析發現，外加靜電場會導致厭氧氨氧化細菌的細胞結構發生明顯的不規則變化，細胞色素c酶鏈式反應顯示這種不規則變化可能使厭氧氨氧化小體內部的細胞色素c的儲存量增加。
　　(2)通過將三電極應用于厭氧氨氧化反應器，構建了三電極生物膜體系，提高了厭氧氨氧化細菌的掛膜性能，取得了良好的脫氮效果。實驗表明，在三電

4、級生物膜體系中，合適的電極電勢也能增強厭氧氨氧化細菌的活性。當工作電極與參比電極之間的電勢差為0.08 V時，三電極厭氧氨氧化反應器具有最好的脫氮效率，但是電極電勢超過0.08V可能會抑制厭氧氨氧化細菌的活性。當電極電勢為0.08 V，運行時間達到188天時，三電極厭氧氨氧化反應器的氮去除率達到了0.91 kg-N/m3/d，相比對照反應器提升了27.2％。三電極生物膜體系改變了厭氧氨氧化細菌的菌膠團胞外聚合物的含量，也改變了胞外聚合物

5、中蛋白和多糖的百分比。通過對不同反應器的菌種分析發現，三電極體系導致厭氧氨氧化細菌的關鍵酶肼脫氫酶(Hydrazine Hehydrogenase，HDH)，硝酸鹽還原酶(Nitrate Reductase，NAR)和亞硝酸鹽還原酶(Nitrite Reductase，NIR)活性分別增強了20％-50％。并且經過長期培養之后發現，三電極反應器中的厭氧氨氧化細菌16S rRNA拷貝數也增加了20.4％。不僅如此，透射電子顯微鏡（Tran

6、smission ElectronMicroscope，TEM）也顯示，三電極生物膜體系同樣導致了厭氧氨氧化細菌結構的不規則變化。
　　(3)針對電極生物膜厭氧氨氧化細菌掛膜性能差的缺點，利用還原態氧化石墨烯(Reduced Graphene Oxide，RGO)對電極進行改性，并將改性電極應用于電極生物膜厭氧氨氧化反應器取得了比較好的脫氮效果。實驗發現，RGO的加入能促進厭氧氨氧化細菌及其關鍵酶的活性。100 mg/L的RGO的

7、加入導致厭氧氨氧化細菌的活性增強了17.2％。并且通過實驗發現，RGO的加入能極大的加快細菌關鍵酶酶促反應速率，這是因為RGO具有比輔酶Q更強的電子傳遞能力，RGO能加快甚至能代替輔酶Q參與酶促反應。以活性污泥為種泥啟動厭氧氨氧化反應器實驗表明，100 mg/L RGO可以明顯加快厭氧氨氧化細菌的生長速率，最終將厭氧氨氧化反應器的啟動周期減少了26.9％。實驗還發現可以通過化學方法將RGO用于修飾電極，將RGO/PPy電極應用于電極生物

8、膜厭氧氨氧化工藝提高了37.5％的厭氧氨氧化脫氮效率。
　　(4)針對厭氧氨氧化工藝出水中存在硝氮的缺點，利用電極生物膜陰極附著自養反硝化細菌能夠在不添加有機物的情況下去除硝氮的特性，構建了電極生物膜-厭氧氨氧化-自養反硝化耦合體系，并取得了良好的脫氮效果。耦合自養工藝的最佳工作電壓為1.5 V。通過調整耦合工藝進水亞硝氮和氨氮的比例，可以取得更好的脫氮效果。當進水比例調整為1.5時，耦合工藝的氮去除效率最高達到了99.1％，其中