曝气量对微氧MFCs处理低C/N废水的影响

刘若男(太原学院建筑与环境工程系，山西 太原 030000)

0 引言

近几年，随着社会经济与工业的发展，排入水中的氮素急剧增加，造成了水环境的污染，危害人类的身体健康及生态系统。在我国现有的城镇污水处理厂中，高达65%以上的污水处理厂脱氮过程中存在碳源不足的问题。污水进水中的氨氮较高，污水进水碳氮比(chemical oxygen demand/total nitrogen, C/N)较低现象更为普遍，碳源不能满足微生物脱氮的要求。因此，进行高效的废水脱氮并实现能源节约是可持续发展目标的关键。对于处理低碳氮比废水，传统的生物脱氮工艺效率较低，能耗需求较高，污泥产量大，并且经常需要外加碳源和碱度来维持正常反应[1-2]。微生物燃料电池(microbial fuel cells, MFCs)作为一种新型污水处理工艺可以解决上述问题。在MFC脱氮过程中，碳源被充分利用，一方面是依靠异养反硝化菌通过对环境中的有机碳源的代谢产生电子进行反硝化，另一方面是自养反硝化菌通过外电路接收由阳极氧化有机物产生的电子进行反硝化。因此，解决了传统脱氮过程对于碳源的高度需求问题，这是MFC在废水脱氮处理方面极大的优势。以往的研究已经证明，与完全硝化反硝化脱氮相比，通过短程硝化和反硝化脱氮可以节省25%的耗氧量，减少40%的碳源[3]。短程硝化即在脱氮时营造适合氨氧化菌(ammonia oxidizing bacteria, AOB)生存的条件，使氨氮(NH4+-N)在硝化过程中被氧化成亚硝酸盐氮(NO2--N)而不是硝酸盐氮(NO3--N)，接着NO2--N被还原成氮气去除。研究发现氧气是影响短程硝化反硝化非常关键的因素之一[3]。负责短程硝化的菌属氨氧化菌(ammonia oxidizing bacteria, AOB)的O2饱和常数较亚硝酸盐氧化菌(nitrite-oxidizing bacteria, NOB)低，更适合在微氧的条件下生存[4]。因此可以通过控制曝气量从而控制溶解氧的溶度，从而达到筛选亚硝化菌AOB进行短程硝化反硝化的目的。实验将MFC与短程硝化和反硝化过程结合脱氮处理低C/N废水。过程中控制阴极氧浓度为微氧状态以获得微氧条件，富集有利于短程硝化反硝化的菌群。反应器阴极与阳极单独进水，废水中的有机污染物在阳极室中降解通过外电路提供电子供阴极脱氮使用。阴极室处理含400 mg·L-1COD和400 mg·L-1NH4+-N的低C/N废水，实验过程中没有投加额外的碳源和碱度。讨论了微氧条件下曝气量对MFCs生物阴极脱氮的影响，得到最优曝气量。此外，研究了曝气量对MFCs阴极微生物群落结构的影响以及实现脱氮的功能菌种。

1 材料与方法

1.1 实验装置

本实验构建六个双室生物阴极MFCs。每个反应器阳极与阴极室均由两个250 mL的玻璃容器组成，净反应体积为200 mL。反应器中间被阳离子交换膜CEM(Ultrex CMI-7000, Membranes International Inc.,Ringwood, NJ, USA)分隔开，碳刷用作为阴阳极材料。阴阳极室之间通过导线连接，以1 000 Ω电阻作为负载。污泥取自污水厂浓缩池污泥，接种量为30 mL。阴阳极分别单独进水。反应器置于25 ℃的环境中启动。

1.2 进水组分

阳极进水组分为 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矿物质元素溶液。阴极进水组分为 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矿物质元素溶液[5]。

1.3 分析方法

研究中阴极电势采用饱和甘汞电极(SCE, +0.242V标准氢电极)进行测定。化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)，氨氮(NH4+-N)，亚硝态氮(NO2--N)，硝态氮(NO3--N)浓度均采用国家标准法进行测定[6]。本实验微生物群落分析实验委托上海生工生物工程股份有限公司进行。污泥样品DNA采用试剂盒提取后，利用1%琼脂糖凝胶电泳检测抽提的基因组DNA。高通量焦磷酸测序仪器为Illumina Miseq测序平台。

2 结果与讨论

2.1 曝气量对微生物燃料电池脱氮性能的影响

人工配制的低C/N(1∶1)废水一次性充满反应器后停止进水进行反应，每个反应周期为五天，期间维持阴极曝气，使阴极处于微氧状态。利用转子流量计调节6个反应器的曝气量分别为(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)，以研究曝气量对微生物燃料电池阴极微氧状态下短程硝化反硝化脱氮性能的影响得到最优曝气量。在五天的运行中，除曝气量为0.54 mL·min-1的反应器NH4+-N去除率较低，为36.77%，其他曝气量条件下NH4+-N去除率均大于80%，且曝气量越大，NH4+-N去除率越高。说明在微氧条件下，曝气量越高，DO越高，NH4+-N被氧化去除越多。曝气量为1.34 mL·min-1、2.31 mL·min-1和3.43 mL·min-1条件下，NO2--N浓度随着反应的进行逐渐增加，反应 第 五 天 分 别 达 到31.15、33.45、30.95 mg·L-1。但1.34 mL·min-1、2.31 mL·min-1条件下NO3--N浓度一直保持较低水平，反应第五天仅为5.88和6.88 mg·L-1，表明在这此曝气量条件下，NH4+-N大部分被氧化为NO2--N，短程硝化效果较好。而曝气量为3.43 mL·min-1条件下，NO3--N浓度可达40.44 mg·L-1。曝气量为4.12 mL·min-1和5.38 mL·min-1条件下，由于曝气量较大，NH4+-N去除率高，反应开始时NH4+-N被氧化为NO2--N后，NO2--N又迅速被氧化为NO3--N。因此，NO2--N浓度仅在反应第一天较高，随着反应的进行，NO2--N浓度迅速下降，反应第五天分别为6.36和4.03 mg·L-1，而NO3--N浓度却随着反应的进行迅速增加，反应第五天可分别达到118.78 mg·L-1、127.03 mg·L-1。此外，在曝气量最低的条件下(0.54 mL·min-1)，NO2--N浓度与NO3--N浓度均低于1 mg·L-1，说明曝气量太低时，氨氮的氧化较难进行，从而影响短程硝化反硝化作用。

图1显示，曝气量为1.34 mL·min-1和2.31 mL·min-1条件下，反应第三天NO2--N积累率(NO2--N/NOx--N)分别达90.81%和90.33%，2.31 mL·min-1条件下的NO2--N积累率持续较高，随着反应的进行，虽有所下降，但在反应第五天NO2--N积累率仍然达80%以上。曝气量为3.43 mL·min-1NO2--N积累率随着反应的进行呈逐渐升高趋势，反应期末达到43.36%，但远低于前两种反应条件下的NO2--N积累率值。曝气量为4.12 mL·min-1和5.38 mL·min-1的条件下，NO2--N积累率仅在第一天较高，随着反应的进行，快速下降。直至反应第五天，仅为5.05%和3.08%。曝气量为0.54 mL·min-1条件下由于曝气量太小，导致NH4+-N氧化不足，NO2--N浓度与NO3--N浓度均非常低，NO2--N积累率也较低。

图1 亚硝态氮积累率

图2显示，曝气量为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与5.38 mL·min-1条件下，总氮(total nitrogen, TN)去除率分别为34.27%、73.04%、74.71、67.44%、55.26%、54.78%。曝气量为2.31 mL·min-1的条件下TN去除率最高

图2 总氮去除率

经过计算，曝气量为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与5.38 mL·min-1条件下，C/N分别为1.39、1.08、1.09、1.24、1.78、1.80。理论上，硝化和反硝化的C/N比必须大于2.86。如果采用短程硝化反硝化工艺，废水的C/N应不超过1.71 。前四种条件下C/N比均低于1.71，曝气量为4.12 mL·min-1与5.38 mL·min-1条件下C/N比也低于2.86。这证明在微氧条件下处理低C / N废水，MFCs阴极可以实现短程硝化和反硝化作用，使碳源不再是氮去除的限制因素，节省了碳源。

如前所述，在2.31 mL·min-1的曝气量条件下，有较高的NO2--N累积率和TN的去除率，是最佳的短程硝化反硝化脱氮条件。曝气量为2.31 mL·min-1时，氧气浓度对AOB和反硝化细菌共存最有利，而NOB被抑制。此条件下，AOB对氧的亲和力比NOB好，AOB的增长速率更大，这样也可以补偿由于微氧状态的低DO引起的AOB菌代谢活性降低。因此，曝气量可以被认为是控制AOB和NOB活性的一个条件。当曝气量超过这一值时，曝气量对反硝化作用的抑制增强，对NOB菌的抑制减弱，NOB的活性增强，甚至超过AOB，导致NO2--N积累率和TN去除率降低。反应的第5天，大部分NH4+-N被消耗，AOB的电子供体大大减少，NOB活性随氧气供应量的增加而提高，导致NO3--N浓度快速增加，NO2--N生成速率降低，与之前的报道一致。当曝气量持续上升至4.12 mL·min-1及5.38 mL·min-1时，绝大多数NH4+-N被氧化为NO3--N,NO3--N在反应过程中得到很大程度的积累。这是因为，在高曝气量条件下，NOB活性显着增加，这种条件更适合NOB的生长。而反硝化菌由于曝气量的增加导致反硝化作用减弱，TN去除率降低。而在最低曝气量条件下(0.54 mL·min-1)，NH4+-N去除率，NO2--N浓度和积累速率，TN去除率均不理想。其原因可能是 曝气量过低会抑制AOB和NOB的活性，导致只有少量的NH4+-N被氧化，因此TN的去除率也相应较低。

2.2 曝气量对微生物燃料电池阴极生物群落结构的影响

取三个有代表性的曝气量(0.54 mL·min-1，2.31 mL·min-1、5.38 mL·min-1)条 件 下MFCs生 物阴极的污泥样品进行高通量测序。通过高通量测序分析MFCs生物阴极的微生物群落分布。研究结果表明，在属水平上，属于Proteobacteria门的Thauera菌属占主导地位，曝气量由低到高(0.54 mL·min-1、2.31 mL·min-1、5.38 mL·min-1)条件下，所占比例分别为8.89%、39.86%和3.85%。Nitrosomonas为常见的氨氧化菌属，所占比例分别为0.17%、1.65%和0.66%。曝气量为2.31 mL·min-1条件下这两种菌属的丰度远大于其他条件。结合本文的脱氮数据可知，这一条件下NO2--N浓度与NO2--N积累率也较高。此外，还有报道表明Thauera菌株具有NO2--N积累的能力。研究证实，Thauera是短程硝化和反硝化生物阴极的主要菌属，在NO2--N积累率较高的情况下所占比例也较高，说明其有助于NO2--N的积累。

图3 污泥样品的高通量测序分析

3 结语

实验将MFC与短程硝化和反硝化过程结合脱氮处理低C/N废水，得出以下结论：(1)实验成功启动生物阴极微生物燃料电池反应器并在MFCs生物阴极中实现微氧条件下短程硝化反硝化处理低C/N废水。(2)微氧条件下，曝气量为2.31 mL·min-1是实现短程硝化和反硝化作用的最优曝气量条件，并且脱氮效果最好。(3)阴极室中的微生物群落中Nitrosomona为MFCs阴极主要的氨氧化菌属。(4)研究证实，Thauera是生物阴极中的主要反硝化菌属，它对NO2--N的积累起很大的作用。