電極氨氧化全程自養(yǎng)脫氮技術(shù)

基于亞硝化的全程自養(yǎng)脫氮（CANON）工藝是一種新型的單級(jí)自養(yǎng)生物脫氮技術(shù)。與傳統(tǒng)生物脫氮工藝相比，其在低碳氮比（C/N）廢水治理中具有諸多優(yōu)勢(shì)。近年來，隨著CANON工藝應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，相繼有學(xué)者嘗試?yán)么思夹g(shù)脫除城鎮(zhèn)生活污水中的氮素。然而，由于城鎮(zhèn)生活污水的水溫通常低于25℃，其中的NH4+-N含量普遍偏低且水質(zhì)波動(dòng)較大，CANON工藝對(duì)此類廢水的脫氮效果不盡人意。經(jīng)分析可知，當(dāng)CANON工藝處理城鎮(zhèn)生活污水時(shí)，其中的短程硝化作用易因亞硝酸鹽氧化菌（NOB）過量增殖而失穩(wěn)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)脫氮性能常呈惡化狀態(tài)。

CANON反應(yīng)體系依賴于好氧氨氧化微生物和厭氧氨氧化菌（AnAOB）的高效協(xié)同，其中，短程硝化（NH4+-N→NO2--N）可為厭氧氨氧化（ANAMMOX）反應(yīng)提供電子受體――NO2--N，故該過程的實(shí)現(xiàn)是確保CANON工藝順利運(yùn)行的前提。為此，當(dāng)CANON工藝應(yīng)用于城鎮(zhèn)生活污水治理時(shí)，需保障系統(tǒng)中短程硝化和ANAMMOX反應(yīng)之間的平衡。由當(dāng)前研究可知，溶解氧（DO）調(diào)控被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)生活污水短程硝化的有效途徑，但有研究指出，當(dāng)裝置運(yùn)行溫度低于25℃時(shí)，無論何種曝氣模式均不能有效實(shí)現(xiàn)此類污水的短程硝化，NOB增殖無法得到有效抑制。

隨著生物電化學(xué)工藝日益應(yīng)用于污水脫氮領(lǐng)域，微生物電化學(xué)氨氧化技術(shù)不斷發(fā)展。目前已有文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，生物電化學(xué)系統(tǒng)（BES）中可發(fā)生電極氨氧化反應(yīng)，即電活性生物膜能以陽極為電子受體將NH4+-N氧化并產(chǎn)能。作者前期研究證實(shí)，在特定運(yùn)行條件下，BES中培育的電活性生物膜可通過電極氨氧化作用實(shí)現(xiàn)NH4+-N的厭氧氧化與NO2--N的累積，此發(fā)現(xiàn)為NO2--N的穩(wěn)定獲取提供了新思路；另一方面，生物電化學(xué)技術(shù)還可提高AnAOB的豐度與活性，利于該菌群與相關(guān)電活性微生物之間實(shí)現(xiàn)協(xié)作。鑒于此，在前期研究基礎(chǔ)上，如能借助生物電化學(xué)強(qiáng)化措施將電活性氨氧化微生物與AnAOB耦合，進(jìn)而構(gòu)建基于電極氨氧化的全程自養(yǎng)脫氮反應(yīng)體系，則可彌補(bǔ)CANON工藝在處理城鎮(zhèn)生活污水時(shí)存在的短程硝化難實(shí)現(xiàn)且穩(wěn)定性差的缺陷。然而，基于電極氨氧化的全程自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的構(gòu)建方式及啟動(dòng)性能目前尚待探究，其中的耦合機(jī)制亦不明晰。

本研究以電極氨氧化型序批式生物膜反應(yīng)器（SBBR）為試驗(yàn)裝置，接種ANAMMOX污泥后將其置于常溫下處理模擬城鎮(zhèn)生活污水，隨后以外加陽極電勢(shì)調(diào)控為主要手段嘗試構(gòu)建了基于電極氨氧化的全程自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的啟動(dòng)性能及微生物學(xué)特征進(jìn)行了探究；其間，著重考察了不同外加陽極電勢(shì)下系統(tǒng)脫氮產(chǎn)電性能的變化，解析了相應(yīng)條件下系統(tǒng)中的微觀生物學(xué)特征。本研究旨在為新型生物脫氮工藝的研發(fā)及設(shè)計(jì)提供參考。

1、材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

以SBBR為實(shí)驗(yàn)裝置，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要將其劃分為4組，包括1組試驗(yàn)組（標(biāo)記為R1）和3組對(duì)照組（標(biāo)記為R2、R3和R4）。如圖1所示，R1由不銹鋼制成，其內(nèi)徑和有效容積分別為10cm和2.0L；裝置陽極（工作電極）取自氨氧化型BES，材質(zhì)為石墨氈，其長度、寬度和厚度分別為20cm、20cm和3mm，表面附著電活性氨氧化生物膜，此工作電極在試驗(yàn)期間被卷成圓筒狀并安裝在R1中；陰極（對(duì)電極）為不銹鋼池體；參比電極設(shè)為飽和甘汞電極（SCE）且被安裝于陽極附近。將上述3電極分別通過導(dǎo)線與恒電位儀（上海昕瑞，DJS-292C）相連。實(shí)驗(yàn)伊始，將30mL的ANAMMOX污泥接種至R1中，而后開展后續(xù)研究。對(duì)于3組對(duì)照組，R2被設(shè)置為非生物對(duì)照組，其與恒電位儀相連，但其陽極（尺寸同上）表面無生物膜，裝置中也未接種ANAMMOX污泥。此外，R3與恒電位儀相連，其陽極（尺寸同上）同樣未附著生物膜，但裝置中接種了30mL的ANAMMOX污泥；R4的陽極類型與R1一致，裝置中也接種了30mL的ANAMMOX污泥，但其外電路為斷路狀態(tài)。

1.2 運(yùn)行條件

各組SBBR每天運(yùn)行4個(gè)周期，每個(gè)周期時(shí)長6h，包含進(jìn)水階段、反應(yīng)階段、排水階段和閑置階段，4個(gè)階段的時(shí)長分別為15、330、10和5min。其中，在進(jìn)水階段和閑置階段分別向各裝置中吹入高純氦氣以保障其厭氧環(huán)境，另利用恒電位儀調(diào)控R1、R2和R3在反應(yīng)階段的陽極電勢(shì)（vs。SCE）。此外，實(shí)驗(yàn)期間各裝置中的水溫維持在14-23℃。

本研究共持續(xù)了214個(gè)周期，其間R1、R2和R3共經(jīng)歷了6個(gè)試驗(yàn)階段（依次標(biāo)記為a、b、c、d、e和f），其外加陽極電勢(shì)對(duì)應(yīng)設(shè)為0.00、0.30、0.50、0.60、0.80和0.60V。

1.3 接種生物膜（污泥）與進(jìn)水水質(zhì)

R1和R4中附著有電活性氨氧化生物膜的石墨氈均取自已成功啟動(dòng)的氨氧化型BES。在前期試驗(yàn)中，當(dāng)氨氮濃度設(shè)為50.87(±2.54)mg/L且外加陽極電勢(shì)恒定為0.50V時(shí)，氨氧化型BES的NH4+-N氧化率（AOE）、NO2--N累積率（NiAE）和NO3--N累積率（NaAE）分別為99.33%(±0.11%)、88.08%(±2.07%)和2.25%(±0.42%)。此外，接種至R1、R3和R4中的ANAMMOX污泥購于福建省三明市某ANAMMOX中試系統(tǒng)，為絮狀和顆粒狀混合污泥，其MLSS約9500mg/L，分析發(fā)現(xiàn)，種泥中含有的AnAOB主要為隸屬于浮霉菌門（Planctomycetota）的CandidatusBrocadia。

各組裝置進(jìn)水為模擬廢水，由50mmol/L的磷酸鹽緩沖液（pH=7.5）配制而成。在配置模擬廢水時(shí)，先將上述緩沖液進(jìn)行高壓蒸汽滅菌（T=121℃，t=20min），冷卻后再添加NH4Cl（0.19g/L），以便使其中的NH4+-N濃度維持在50(±5)mg/L（即相當(dāng)于城鎮(zhèn)生活污水中NH4+-N的濃度）。模擬廢水在注入SBBR之前，需通入高純氦氣（t=20min）以除去其中的DO。

1.4 分析方法

1.4.1 水樣和生物膜樣品的采集

每周期采集各組裝置的進(jìn)出水水樣，樣品設(shè)置3個(gè)平行；分別在本研究的第37、63、91、127、155和213個(gè)周期開展R1中生物膜樣品的采集工作，獲取的6組生物膜樣品對(duì)應(yīng)標(biāo)記為S1、S2、S3、S4、S5和S6。

1.4.2 水樣分析方法

依照文獻(xiàn)中方法測(cè)定水樣中TN、NH4+-N、NO2--N和NO3--N的含量，用WTW-Multi 340i型便攜式水質(zhì)分析儀原位檢測(cè)各裝置中的水溫和DO濃度。

1.4.3 電流密度測(cè)定

各裝置的電流密度（J）可根據(jù)公式J=//A計(jì)算獲得，其中，/為電流值（μA），由恒電位儀測(cè)得；A為工作電極投影面積（cm2）。

1.4.4 胞外聚合物測(cè)試方法

依照堿提取法對(duì)生物膜樣品的胞外聚合物（extracellularpolymericsubstances，EPS）進(jìn)行提取。EPS中多糖含量的測(cè)定參照苯酚-硫酸法，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為葡萄糖；EPS中蛋白質(zhì)含量的測(cè)定參照考馬斯亮藍(lán)法。

1.4.5 功能酶活性測(cè)試方法

依照文獻(xiàn)中方法對(duì)生物膜樣品進(jìn)行預(yù)處理，而后提取其中的細(xì)胞色素c（Cyt-c）、亞硝酸還原酶（Nir）、肼合成酶（HZS）和肼脫氫酶（HDH），并利用酶標(biāo)儀測(cè)定4種功能酶的活性。

1.4.6 DNA提取與高通量測(cè)序

對(duì)各生物膜樣品中的DNA進(jìn)行提取純化。產(chǎn)物檢測(cè)合格后對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)增，并對(duì)擴(kuò)增后的PCR產(chǎn)物進(jìn)行完整性檢測(cè)。本研究選擇16SrDNAV3+V4可變區(qū)片段進(jìn)行PCR擴(kuò)增，引物序列為341F（5′-CCTACGGGNGGCWGCAG-3′）和805R（5′-GACTACHVGGGTATCTAATCC-3′）。擴(kuò)增后PCR產(chǎn)物經(jīng)純化、定量和均一化形成測(cè)序文庫，建好的文庫隨后用Qsep-400方法進(jìn)行質(zhì)檢，最后由百邁客生物科技股份有限公司基于IlluminaNovaSeq6000平臺(tái)進(jìn)行高通量測(cè)序。測(cè)序分析后，根據(jù)Barcode序列區(qū)分各個(gè)樣本的數(shù)據(jù)，進(jìn)行嵌合體過濾，得到可用于后續(xù)分析的有效數(shù)據(jù)，即Cleanreads。為了研究樣品的物種組成多樣性，對(duì)所有樣品的Cleanreads進(jìn)行聚類，以97%的一致性（identity）將序列聚類成OTUs（operationaltaxonomicunits），然后對(duì)OTUs的代表序列進(jìn)行物種注釋。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS28.0對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；采用OneWayANOVA進(jìn)行方差分析；采用Origin2018作圖；參照文獻(xiàn)對(duì)反應(yīng)裝置的污染物去除率、轉(zhuǎn)化率和累積率等進(jìn)行計(jì)算。

2、結(jié)果與分析

2.1 運(yùn)行性能

由圖2和圖3可知，R1的脫氮性能受外加陽極電勢(shì)影響。當(dāng)外加陽極電勢(shì)為0.00V時(shí)，R1的脫氮性能在a階段不理想，其TN去除率（TNRE）與AOE均低于5%。隨著外加陽極電勢(shì)的提高，R1的脫氮性能逐漸得以優(yōu)化。當(dāng)外加陽極電勢(shì)為0.50V時(shí)，R1的TNRE和AOE穩(wěn)定在79.67%(±1.39%)和88.04%(±1.32%)，典型周期內(nèi)系統(tǒng)中NO3--N的生成量（ΔNO3--N）與NH4+-N的減少量（ΔNH4+-N）之比為0.08(±0.01)。據(jù)此分析，在特定陽極電勢(shì)下，R1中的電極氨氧化應(yīng)與ANAMMOX發(fā)生耦合，形成了類似CANON工藝的單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)，且該體系中的氮素轉(zhuǎn)化特征也與CANON反應(yīng)類似。值得注意的是，在上述3個(gè)階段，R1中的DO濃度始終低于0.10mg/L。在d階段初，因恒電位儀故障導(dǎo)致R1的外加陽極電勢(shì)出現(xiàn)波動(dòng)，系統(tǒng)運(yùn)行性能隨之惡化：在第94個(gè)周期，R1的TNRE和AOE驟降至19.79%(±1.95%)和23.61%(±3.39%)，該結(jié)果表明R1中全程自養(yǎng)脫氮作用的進(jìn)行依賴于適宜電勢(shì)的穩(wěn)定施加，當(dāng)外加陽極電勢(shì)波動(dòng)時(shí)，R1中的電極氨氧化反應(yīng)無法正常發(fā)生，使得NH4+-N氧化過程受阻，影響了系統(tǒng)的脫氮性能。而后恒電位儀修復(fù)并持續(xù)向R1提供0.60V的外加陽極電勢(shì)，系統(tǒng)脫氮性能逐漸恢復(fù)，其TNRE和AOE自第114個(gè)周期后穩(wěn)定在85.30%(±1.54%)和94.83%(±1.49%)，期間典型周期內(nèi)系統(tǒng)的ΔNO3--N/ΔNH4+-N為0.08(±0.06)，裝置中的DO濃度仍低于0.10mg/L。在e階段，將陽極電勢(shì)進(jìn)一步提高到0.80V，R1的TNRE和AOE分別降至59.22%(±3.45%)和78.28%(±3.26%)，此時(shí)裝置出水中的NO3--N出現(xiàn)累積，濃度達(dá)8.72(±1.69)mg/L，同時(shí)R1中的DO濃度增至0.85(±0.26)mg/L。在電解水的過程中，析氧反應(yīng)發(fā)生時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)E0（H2O/O2）應(yīng)需達(dá)到+1.23V（vs。SHE，pH=0），而如有微生物的催化作用，E0（H2O/O2）可降至+0.80V（vs。SHE，pH=7）。據(jù)此推斷，0.80V的陽極電勢(shì)可能導(dǎo)致R1的工作電極表面發(fā)生析氧反應(yīng)，致使系統(tǒng)脫氮效果惡化。為保障R1的脫氮性能，在f階段再次將陽極電勢(shì)降至0.60V，期間R1中的DO濃度降至0.10mg/L以下，系統(tǒng)的TNRE和AOE分別穩(wěn)定在88.36%(±1.50%)和96.96%(±0.54%)。本研究同時(shí)測(cè)定了R2、R3和R4的運(yùn)行性能。其中，3組裝置的TNRE與AOE均低于1%，且其中的DO含量在試驗(yàn)期間均小于0.07(±0.02)mg/L，由此證實(shí)R1中的電極氨氧化反應(yīng)和析氧作用均是相關(guān)微生物催化所致，且電極氨氧化的發(fā)生是確保后續(xù)ANAMMOX反應(yīng)高效進(jìn)行的前提。

2.2 電流密度變化

由圖4可知，隨著R1外加陽極電勢(shì)的變化，該系統(tǒng)在各周期的電流密度峰值對(duì)應(yīng)出現(xiàn)波動(dòng)。其中，R1的電流密度峰值在外加陽極電勢(shì)為0.60V時(shí)可達(dá)545.08(±5.03)μA/cm2.分析可得，R1的輸出電流密度與其TNRE、AOE、NiAE和NaAE均呈正相關(guān)關(guān)系（圖5），且與AOE的相關(guān)性（0.98***，P≤0.001）最高。據(jù)此斷定，R1的產(chǎn)電性能在很大程度上受制于電活性微生物對(duì)NH4+-N的厭氧氧化過程。

2.3 EPS含量及成分變化

對(duì)6組生物膜樣本中的EPS含量及成分進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果如圖6所示。當(dāng)外加陽極電勢(shì)由0.00V增至0.60V時(shí)，對(duì)應(yīng)生物膜樣本中的EPS含量由234增至560mg/g（以VSS計(jì)）；隨著外加陽極電勢(shì)進(jìn)一步增至0.80V，S5中的EPS含量出現(xiàn)下降，為518mg/g；而后將外加陽極電勢(shì)穩(wěn)定在0.60V后，取自f階段末的S6中的EPS含量穩(wěn)定在554mg/g。其中，S4和S6中的EPS含量均高于其他4組樣本。由此判斷，特定范圍陽極電勢(shì)的施加會(huì)提高R1中電活性微生物的EPS分泌量，應(yīng)能促進(jìn)相關(guān)功能微生物在陽極表面生長和富集，并利于其活性的提高；此外，EPS的多層結(jié)構(gòu)還會(huì)阻止某些有毒物質(zhì)進(jìn)入微生物體內(nèi)，有助于微生物抵御外界環(huán)境變化帶來的不利影響。另一方面，對(duì)于提取自S4和S6的EPS，其中蛋白質(zhì)（proteins，PN）含量較其他樣本有顯著提高，且2組樣本EPS中PN與多糖（polysaccharides，PS）含量的比值（PN/PS）分別可達(dá)1.32和1.30，亦高于S1（0.75）、S2（0.77）、S3（0.92）和S5（1.10）。該結(jié)果表明，對(duì)R1施加特定范圍的陽極電勢(shì)可增加其EPS中蛋白質(zhì)的含量，進(jìn)而可提高PN/PS?？紤]到蛋白質(zhì)比例升高會(huì)增強(qiáng)細(xì)胞表面的疏水性，PN/PS的增大進(jìn)一步證實(shí)微生物更易在R1的工作電極表面附著和聚集。

2.4 微生物多樣性及其群落結(jié)構(gòu)特征

對(duì)采集的6組生物膜樣本進(jìn)行測(cè)序后，共獲得80353條高質(zhì)量序列，聚類劃分后共產(chǎn)生496個(gè)OTUs。利用多樣性分析（α）來反映各生物膜樣本中微生物群落豐度和多樣性，α多樣性指數(shù)的統(tǒng)計(jì)如表1所示。表1表明，6組樣品測(cè)序的樣本文庫覆蓋度（coverage指數(shù)）均大于0.99，表明測(cè)序?qū)悠犯采w度高，能較好地反映樣品的真實(shí)情況。另由表1可知，隨著外加電勢(shì)由0.00V增至0.60V，樣本的Chao1指數(shù)和Ace指數(shù)逐漸升高，由379.4和394.0分別增至444.9和447.8；與此同時(shí)，樣本的Simpson指數(shù)和Shannon指數(shù)卻逐步下降，由0.960和5.91分別降至0.916和5.29.隨著外加電勢(shì)進(jìn)一步增至0.80V后，樣本的Chao1指數(shù)、Ace指數(shù)、Simpson指數(shù)和Shannon指數(shù)分別降至421.9、438.9、0.862和4.64.Chao1指數(shù)和Ace指數(shù)是衡量微生物群落豐富度的兩項(xiàng)指標(biāo)，其數(shù)值越大，表明群落的豐富度越高，而Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)則可用來評(píng)估群落的豐富度和群落均勻度，兩者的數(shù)值與群落多樣性成正比。由上述結(jié)果判斷，適宜強(qiáng)度陽極電勢(shì)的施加有助于提高系統(tǒng)中部分功能微生物的豐度，并可產(chǎn)生定向馴化效應(yīng)，導(dǎo)致微生物群落的多樣性降低；而當(dāng)陽極電勢(shì)過高時(shí)，裝置中微生物的生長代謝均不同程度地受到抑制，致使樣品中微生物群落的豐度與多樣性均下降。

各生物膜樣本的微生物群落結(jié)構(gòu)如圖7所示。S1中的優(yōu)勢(shì)菌屬包括Nitrosomonas、CandidatusBrocadia、Empedobacter和Geobacter，其相對(duì)豐度分別為7.84%、4.25%、2.80%和2.74%。其中，Nitrosomonas隸屬AOB，是參與短程硝化過程的功能菌屬；CandidatusBrocadia隸屬AnAOB，可主導(dǎo)ANAMMOX反應(yīng)，Empedobacter和Geobacter則是BES中常見的兩種功能菌屬。隨著外加陽極電勢(shì)逐步提升至0.60V，上述4種菌屬在生物膜樣本中的占比隨之提高。對(duì)于S4，其中Nitrosomonas、CandidatusBrocadia、Empedobacter和Geobacter的相對(duì)含量分別增至16.39%、14.64%、6.82%和8.10%。而后在0.80V的外加陽極電勢(shì)下，S5中Nitrosomonas（15.69%）、CandidatusBrocadia（10.09%）、Empedobacter（5.23%）和Geobacter（6.88%）的相對(duì)豐度較S4出現(xiàn)了不同程度的降低，但該樣本中Nitrospira（4.53%）的相對(duì)含量卻明顯增加。Nitrospira隸屬NOB，為參與生物硝化過程（即NO2--N→NO3--N）的功能菌屬，此菌屬占比的提高應(yīng)歸因于0.80V陽極電勢(shì)下電極表面的析氧反應(yīng)。將f階段的外加陽極電勢(shì)再次設(shè)置為0.60V后，S6中Nitrosomonas、CandidatusBrocadia、Empedobacter、Geobacter和Nitrospira的百分含量最終穩(wěn)定在17.67%、16.28%、7.59%、8.84%和0.78%。

另由圖8可知，R1的脫氮性能與系統(tǒng)中4種功能菌屬（即Nitrosomonas、CandidatusBrocadia、Geobacter和Empedobacter）的相對(duì)豐度均呈正相關(guān)關(guān)系。其中，系統(tǒng)的TNRE和AOE分別與其中的Nitrosomonas含量呈極顯著相關(guān)關(guān)系（0.95**，P≤0.01；0.92**，P≤0.01）；同時(shí)，此兩項(xiàng)指標(biāo)與其他3種功能菌屬的相對(duì)豐度亦呈顯著正相關(guān)。另值得注意的是，R1的輸出電流密度與系統(tǒng)中Nitrosomonas和Empedobacter的含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（0.84*，P≤0.05；0.82*，P≤0.05），結(jié)合2.2中結(jié)果推測(cè)，Nitrosomonas和Empedobacter參與下的NH4+-N氧化過程可顯著影響R1的產(chǎn)電性能。

2.5 AnAOB活性變化

在ANAMMOX過程中，參與反應(yīng)的功能性酶主要有Nir、HZS、HDH和Cyt-c，前3種功能酶可分別催化ANAMMOX反應(yīng)中NO2-向NO的轉(zhuǎn)化過程、NO和NH4+生成N2H4的過程以及N2H4的分解過程，而Cyt-c則在反應(yīng)過程中起到了電子傳遞的作用?？紤]到AnAOB為各組SBBR中主要的功能微生物，分別測(cè)定了各生物膜樣本的功能酶活性（圖9）。從中可知，與AnAOB在生物膜樣本中的相對(duì)含量變化相呼應(yīng)，S4和S6中4種功能酶的活性均不同程度地高于其他4組樣本。其中，S4和S6中Cyt-c的濃度為41.22(±3.86)和43.05(±4.53)nmol/L，分別約為S1、S2、S3和S5的3.10和3.24倍、2.06和2.15倍、1.64和1.72倍、1.26和1.32倍。同時(shí)，S4和S6中Nir、HZS和HDH的活性亦均高于S1、S2、S3和S5.分析可得，特定陽極電勢(shì)的施加不僅提高了裝置中AnAOB的相對(duì)豐度，也不同程度地增強(qiáng)了參與ANAMMOX過程的4種關(guān)鍵酶的活性，從而在整體上提升了ANAMMOX反應(yīng)的速率，使得底物（即NH4+-N和NO2--N）轉(zhuǎn)化速率增大。與S4和S6相比，S5中4種功能酶的活性及AnAOB的相對(duì)豐度有所下降，此結(jié)果很大程度上應(yīng)歸因于0.80V陽極電勢(shì)下R1中的析氧反應(yīng)，即此條件下DO濃度的升高以及NOB的過量增殖影響到了AnAOB的生長與代謝，進(jìn)而對(duì)其活性和豐度產(chǎn)生了抑制。

3、討論與結(jié)論

作為當(dāng)前備受關(guān)注的一種生物脫氮技術(shù)，ANAMMOX工藝在處理城鎮(zhèn)生活污水時(shí)面臨著反應(yīng)基質(zhì)（即NO2--N）難以穩(wěn)定獲取、AnAOB活性偏低兩大“瓶頸”問題。隨著生物電化學(xué)脫氮技術(shù)的發(fā)展，電極氨氧化反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)為破解上述難題提供了新思路。電極氨氧化作用在厭氧條件下可實(shí)現(xiàn)污水中NH4+-N的氧化與NO2--N的穩(wěn)定積累，避免了NOB的過度增殖，亦降低了工藝操作難度。本研究基于電極氨氧化裝置，借助接種ANAMMOX污泥和調(diào)控外加陽極電勢(shì)等手段成功構(gòu)建了基于電極氨氧化的全程自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)，在常溫下實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中NH4+-N的厭氧氧化與TN的高效脫除，從而彌補(bǔ)了基于短程硝化的ANAMMOX技術(shù)的缺陷，為城鎮(zhèn)生活污水高效脫氮開辟了新途徑，亦有助于新型生物脫氮工藝的研發(fā)與設(shè)計(jì)。

上述結(jié)果表明，對(duì)于施加了生物電化學(xué)措施且接種了ANAMMOX污泥的R1，該系統(tǒng)雖以厭氧環(huán)境為主，但在特定外加電勢(shì)下，電極氨氧化可與ANAMMOX發(fā)生耦合，形成基于電極氨氧化的全程自養(yǎng)脫氮反應(yīng)體系，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)氮素的高效脫除。當(dāng)外加陽極電勢(shì)為0.60V時(shí)，R1能獲得理想的AOE和TN去除率。實(shí)驗(yàn)期間Nitrosomonas、CandidatusBrocadia、Geobacter和Empedobacter是參與R1中基于電極氨氧化的全程自養(yǎng)脫氮反應(yīng)的功能菌屬。其中：（1）Nitrosomonas主導(dǎo)了裝置中NH4+-N的轉(zhuǎn)化。作為一類化能自養(yǎng)菌，Nitrosomonas可在好氧條件下氧化NH4+-N為NO2--N。然而，有研究（包括作者前期實(shí)驗(yàn)）已證實(shí)，BES中的Nitrosomonas在厭氧環(huán)境下能以陽極為電子受體將NH4+-N氧化為NO2--N，則該菌屬可通過電極氨氧化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)R1中NH4+-N的轉(zhuǎn)化與NO2--N的累積。另一方面，Geobacter也應(yīng)參與了NH4+-N的厭氧氧化。作為一類典型的電化學(xué)活性菌，Geobacter具有氨氧化的相關(guān)功能基因，能參與BES中的電極氨氧化反應(yīng)，故斷定R1中的Geobacter有助于系統(tǒng)中NH4+-N的轉(zhuǎn)化；（2）CandidatusBrocadia通過ANAMMOX反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中TN的脫除。如前所述，CandidatusBrocadia為一類厭氧氨氧化微生物，其可在缺氧條件下以NO2--N為電子受體，氧化NH4+-N為N2和小部分的NO3--N，則該菌屬可通過與Nitrosomonas協(xié)作實(shí)現(xiàn)脫氮。期間，CandidatusBrocadia的活性及豐度亦可在電場(chǎng)作用下得以提高；（3）Empodebacter提高了電極氨氧化作用的強(qiáng)度。作為一類化能異養(yǎng)菌，Empodebacter與Nitrosomonas之間應(yīng)存在互生關(guān)系，即Nitrosomonas在氧化NH4+-N時(shí)產(chǎn)生的有機(jī)物可供Empodebacter利用，而Empodebacter在代謝過程中能分泌黃素類化合物，鑒于黃素類化合物可作為電子穿梭體介導(dǎo)微生物胞外電子傳遞，則Empedobacter可采用分泌內(nèi)生電子穿梭體的手段協(xié)助Nitrosomonas完成電極氨氧化反應(yīng)，并在一定程度上提高了電活性生物膜的電子傳遞效率。由上述結(jié)果還可知，過高的陽極電勢(shì)并不利于R1高效脫氮。在0.80V的陽極電勢(shì)下，系統(tǒng)的TN去除率及AOE分別降為59.22%(±3.45%)和78.28%(±3.26%)，且其出水中的NO3--N出現(xiàn)累積，推測(cè)此時(shí)基于電極氨氧化的全程自養(yǎng)脫氮作用遭到了削弱，從而惡化了系統(tǒng)的脫氮效果，而該結(jié)果可能歸咎于：（1）陽極表面的析氧反應(yīng)使系統(tǒng)中的厭氧環(huán)境被破壞，導(dǎo)致DO濃度升高與Nitrospira過量增殖，使裝置中的部分NO2--N進(jìn)一步氧化為NO3--N，進(jìn)而改變或抑制了相關(guān)功能微生物（如Nitrosomonas、CandidatusBrocadia等）的代謝途徑及活性；（2）陽極附近的電解水反應(yīng)因過高的外加電勢(shì)而增強(qiáng)，造成該區(qū)域pH值發(fā)生劇變，由此對(duì)功能微生物的活性產(chǎn)生了負(fù)面影響；（3）在過高的陽極電勢(shì)條件下，電活性生物膜中功能微生物的細(xì)胞膜發(fā)生了不可逆穿透或其胞體組分的直接氧化，致使其代謝活性下降?；谏鲜鐾普?，特定工況下R1中NH4+-N可能的轉(zhuǎn)化途徑如圖10所示。

需注意的是，目前仍未有證據(jù)明確證實(shí)Nitrosomonas具備胞外電子傳遞的能力，則電極氨氧化作用的反應(yīng)機(jī)理應(yīng)在后續(xù)研究中進(jìn)一步探索。另一方面，鑒于ANAMMOX反應(yīng)特點(diǎn)，R1的TN去除率始終≤89%且其出水中含有一定量的NO3--N，后續(xù)研究還應(yīng)探尋相關(guān)措施實(shí)現(xiàn)NO3--N的高效脫除，以便強(qiáng)化系統(tǒng)的脫氮效能。（來源：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，安徽新華學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，山東省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院有限公司）