劉洪波團隊：微生物 大作用 弱電強化助力污水深度脫氮
近日，凈水小編了解到，上海理工大學劉洪波教授團隊在微生物弱電強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表在Science of the Total Environment（IF：6.551）等國際知名期刊。為促進成果分享交流，小編邀請了劉洪波教授團隊對成果進行整理。
研究背景
近年來，經濟快速發展的同時環境污染問題日益凸顯，水環境惡化。城市污水中含有大量的有機物和氮、磷等無機污染物，未經處理的污水排入環境中容易污染受納環境，如黑臭水體形成、土壤及地下水的污染以及生態失衡。生物處理法無疑是各種污水處理方法最為經濟有效的方法，而污水處理脫氮過程中碳源不足已成為普遍的現象，在碳源不足的條件下，大多數污水廠即使采用前置缺氧生物強化脫氮工藝，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、對傳統污水生物處理工藝的改進以及引進新工藝等方法應對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用于低C/N 污水生物反硝化處理以增強微生物代謝活性，提供自養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微生物代謝活性，但其作用機制目前尚不明確，許多科學問題亟待解決
其中幾個關鍵問題為：（1）由于微生物弱電產電的不穩定性，導致其在實際污廢水處理應用上存在一定的困難，如何優化微生物電化學與傳統污水處理系統的結合方式？（2）如何提升微生物電化學產電穩定性？其機理機制是什么？（3）微生物電刺激電流強度與處理效果之間的關系目前爭議較大；（4）對弱電刺激脫氮效果的現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）弱電刺激對含氮廢水中的微生物產生了哪些具體的影響？
針對以上問題，課題組對微生物弱電應用于含氮廢水的處理進行了作用效果與機理方面的研究，并將其與傳統污水生物處理工藝相結合，計劃為污水處理提供微生物弱電刺激方面的技術支持。
主要研究內容
構建了一種微生物電化學結合傳統污水處理方式的耦合系統：ABR-MFC-MEC來處理污廢水，系統地研究了ABR-MFC-MEC處理污水的工藝構型優化和快速啟動條件（電刺激電壓，進水基質濃度，單室/雙室MFC）。
通過合成氨基官能化的Fe3O4顆粒包覆的碳氈，構建微生物燃料電池（MFCs），并將其廢水處理性能與非官能化的Fe3O4進行比較，討論氨基官能化的Fe3O4涂層電極對MFC去除污染物的影響并研究其作用機制。
研究不同電壓強度（0.1、0.2、0.4、0.6V）對微生物弱電刺激脫氮技術處理污水效果的影響，基于EPS三維熒光光譜圖分析、試驗組和對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方法，揭示了微生物弱電刺激下系統分子層面物質與微生物優勢菌群種類數量的變化，從微生物與分子角度分析微生物弱電刺激強化脫氮的具體實現路徑及作用機理。
文章重點亮點簡介
1ABR-MFC-MEC系統的快速啟動課題組構建的微生物電化學耦合ABR系統的啟動研究分為ABR的啟動與MFC、MEC的單獨啟動。研究表明，當進水CODMn濃度為1 600 mg/L，去除率穩定為81.2%時可認為ABR單元啟動成功。保持pH值在7.2~7.5對于快速啟動的成功至關重要，課題組研究顯示將溫度控制在32°C時可以提高COD去除率，且在啟動階段存在硝酸鹽時，ABR的COD去除率下降。
當沼氣產量與底物降解穩定時可認為MEC啟動成功。合適的電壓強度可以加速導電細菌在陽極表面的富集并加速碳源消耗，從而縮短啟動時間。
雙室MFC可快速消耗底物濃度，比單室MFC啟動速度快，且產電多于單室MFC。單雙室電化學系統各自啟動成功后與ABR池體聯合運行，采用連續流進水方式處理不同COD負荷的糞便污水。隨著進水負荷的增加，單雙室耦合系統的COD去除率依舊穩定在99.2％和98.9％，但NH4+-N去除率略有下降。比較聯合運行后的單雙室MFC，發現雙室系統可以保持較高的輸出電壓。當進水CODMn為3000mg/L，其最高輸出電壓為（400.0±5.0） mV，并且可以保持15h穩定的電力輸出后緩慢下降。
2 氨基官能化的Fe3O4涂層電極對MFC去除污染物的影響及作用機理
課題組通過合成涂有氨基官能化Fe3O4顆粒的碳氈，構建微生物燃料電池（MFCs），可同時產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，對氨基官能化的Fe3O4涂層電極和非氨基化Fe3O4涂層電極進行表征。進而對微生物燃料電池的電化學性能，產電功率和廢水處理效果進行對比分析，探討了氨基化對陽極電極處理污水效果的增強作用。
結果表明，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208.67mW /㎡ 。質子化氨基NH4+的存在可以快速建立細菌電極系統并促進電子轉移，有利于帶負電細菌的附著，從而解釋了這一發現。
3 揭示不同強度微生物弱電刺激下系統的脫氮效果
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來強化反硝化效果，試驗發現弱電刺激電壓為0.1、0.2、0.4 和0.6 V時均有利于強化微生物反硝化脫氮，弱電刺激強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時效果最佳。
4 弱電刺激作用影響具有電子轉移功能的芳香類蛋白質的含量
在最佳弱電刺激強度（0.2 V）下的污泥EPS三維熒光光譜圖中可以明顯看出，試驗組中三維熒光光譜圖I 和II 區熒光強度和區域面積高于對照組。根據熒光光譜分區可知I 和II 主要為芳香蛋白質類物質，由此說明，弱電刺激有利于提升微生物代謝，提高芳香類蛋白質的分泌。而先前的研究顯示，芳香類氨基酸、蛋白質在微生物細胞間電子傳遞尤其是長距離傳遞中具有充當電子轉移中繼站的作用。據此本研究提出弱電刺激反硝化脫氮過程可通過促進微生物芳香類蛋白質的分泌的形式增強微生物細胞之間的電子傳遞效應，從而提高脫氮效果。
5 弱電刺激作用下異養反硝化微生物比例下降，自養反硝化菌比例升高
試驗組和對照組門水平群落組成的相似性及差異性Heatmap 圖可以發現試驗組和對照組之間顏色存在明顯的差異，說明微生物種群在0.2 V 弱電刺激作用下發生了改變。
采用Fisher 準確性檢驗的微生物種群OUT（Operational Taxonomic Units）水平序列聚類試驗組和對照組間的差異性，從中可以明顯地看出，弱電刺激對微生物種群結構產生了影響。
試驗組和對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）等異養型微生物菌屬及互營型微生物比例總體呈現下降趨勢，而陶厄氏菌屬（Thauera）等自養型微生物比例總體呈現上升趨勢。
從微生物角度證明了適當的弱電刺激（本研究中最佳效果為0.2V）可以增加含氮廢水中脫氮優勢菌群的數量，從而提高脫氮效果。且自養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，相較于對照組，試驗組中更高含量的COD 也印證了這一觀點。
[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
[3] Hongbo Liu, Feiyu Ouyang, Zihua Chen, Zhongbing Chen, Eric Lichtfouse. Weak Electricity Stimulates Biological Nitrate Removal of Wastewater: Hypothesis and First Evidences.Science of the Total Environment, 2020,Available online
團隊簡介
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（IWA）青年委員會委員，上海市曙光學者，中國創造學會理事，中國城市衛生環境協會公廁委專家組成員，《工業水處理》、《凈水技術》等雜志青年編委。正在主持或主持完成了包括國家重點研發計劃、國家自然科學基金、比爾及梅琳達·蓋茨基金會創新項目在內的國際、國家、省部級課題十余項，發表高水平論文90 余篇，出版英文專著（章節）3本，授權發明專利10項，主編環保技術手冊一部（副主編），環保白皮書咨詢報告一本（主編），專著一本（共同主編）。參編2項國際標準，2 項國家環保標準（規范）。
團隊所獲獎項：（1）“比爾蓋茨”基金會“重新發明廁所”全球遴選并獲批資助團隊 （2014年）；（2）原國家旅游局第一屆廁所創新大賽“最佳理念”獎（2016年）；（3）60%以上的畢業研究生會獲得各級“優秀畢業生”，“優秀論文”，“優秀報告”等稱號。
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