填料對電極氨氧化型CW-MFC耦合系統(tǒng)運行性能的影響

范洪勇,王華偉,潘玲陽,儲 剛,孫英杰,王 振*

填料對電極氨氧化型CW-MFC耦合系統(tǒng)運行性能的影響

范洪勇1,2,王華偉1,潘玲陽3,儲 剛2,孫英杰1,王 振2*

(1.青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,山東 青島 266033；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,安徽 合肥 230036；3.安徽新華學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院,安徽 合肥 230088)

在基于電極氨氧化作用的人工濕地-微生物燃料電池(CW-MFC)耦合系統(tǒng)中設(shè)置陽極層,探究了陽極層中不同種類填料對系統(tǒng)運行性能及其微生物學(xué)特征的影響.結(jié)果表明,利用電極氨氧化型CW-MFC處理生活污水時,陽極層中填料的理化特性可顯著影響電活性氨氧化生物膜中的微生物群落結(jié)構(gòu)及功能微生物數(shù)量,進(jìn)而會造成裝置脫氮產(chǎn)電性能的差異.相較于石英砂和沸石,當(dāng)選用廢磚塊作為陽極層填料時,其較大的比表面積、較高的EC值及Fe含量提高了參與電極氨氧化反應(yīng)的功能微生物(尤其是、、和)的豐度及活性,CW-MFC中的電極氨氧化作用隨之得以強化,其運行性能亦較理想,此時系統(tǒng)的COD、TP、TN和NH4+-N去除率分別可達(dá)(87.29±2.06)%、(92.52±3.20)%、(87.10±2.27)%和(96.49±0.76)%,其輸出功率密度峰值為0.60W/m3,出水水質(zhì)滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)一級A標(biāo)準(zhǔn).

人工濕地-微生物燃料電池(CW-MFC)；填料；電極氨氧化；生物電化學(xué)；脫氮

優(yōu)化人工濕地(CW)的氨氮去除效果是提升該工藝污水凈化能力的難點[1].近年來,有文獻(xiàn)指出可借助生物電化學(xué)手段優(yōu)化CW的運行性能[2].由于CW填料層中形成的氧化還原電位梯度與微生物燃料電池(MFC)的工藝特點高度契合,使得人工濕地-微生物燃料電池(CW-MFC)耦合技術(shù)得以不斷發(fā)展并日益受到重視[3].相關(guān)研究認(rèn)為,較于傳統(tǒng)CW工藝,CW-MFC耦合系統(tǒng)的凈化能力(包括脫氮能力)及穩(wěn)定性均能得到提升[3-4].

隨著生物電化學(xué)脫氮技術(shù)的發(fā)展以及對“氮循環(huán)”研究的深入.He等[5]指出,以NH4+-N為唯一能源的MFC可產(chǎn)生高達(dá)0.078mA的電流峰值,系統(tǒng)脫氮效率穩(wěn)定在(49.2±5.9)%,此時陽極電活性生物膜中的優(yōu)勢菌群為,推測該類微生物在厭氧條件下具有直接以NH4+-N為燃料進(jìn)行產(chǎn)電的能力,或者可通過化能自養(yǎng)代謝合成有機物為產(chǎn)電菌提供能量.而后有文獻(xiàn)[6-9]報道,MFC中可形成電活性氨氧化生物膜,此類生物膜可進(jìn)行電極氨氧化反應(yīng),即其中的電活性微生物能以固體電極為電子受體將NH4+-N厭氧氧化為NO--N或氣態(tài)氮化合物(如N2或N2O等).該發(fā)現(xiàn)為生物電化學(xué)強化人工濕地脫氮性能的提高提供了新思路,如能在CW-MFC的陽極區(qū)域培育電活性氨氧化生物膜并以此強化系統(tǒng)中電極氨氧化作用,應(yīng)可在一定程度上彌補人工濕地在處理含氨氮廢水(特別是低C/N廢水)時的缺陷,實現(xiàn)其脫氮性能的高效與穩(wěn)定.Srivastava等[10]證實,CW-MFC中的確可發(fā)生電極氨氧化反應(yīng),系統(tǒng)的TN和NH4+-N去除率較對照組提高了20.0%和13.6%,其填料層堵塞的風(fēng)險亦得以降低.作者通過前期實驗也得出,當(dāng)以NH4+-N為唯一電子供體時,通過調(diào)控外加電極電勢可實現(xiàn)CW-MFC中電極氨氧化作用的發(fā)生.然而,上述研究還發(fā)現(xiàn),CW-MFC中電極氨氧化作用的強度偏低,系統(tǒng)的脫氮產(chǎn)電性能不理想,故有必要對電極氨氧化型CW-MFC進(jìn)行優(yōu)化.

近年來,在CW-MFC中填充高性能填料以改善其運行性能的研究日益引起關(guān)注[11].不同填料的填充可造成CW-MFC污水處理效果及其產(chǎn)電能力的差異.究其原因,一方面源于不同填料對污染物的吸附容量不同,進(jìn)而影響到了CW-MFC的水質(zhì)凈化及產(chǎn)電效果;另一方面則歸因于填料不同的理化特性對系統(tǒng)中功能微生物(尤其是電活性微生物)的定殖、豐度和活性有著不同程度的影響.此外,不同填料的填充還會造成CW-MFC中微生物電子傳遞效率、電容、電荷傳遞阻抗(ct)和溶液電阻(s)等的差異[12-13].為此,填料的甄選成為了改善CW-MFC運行效能的重要手段.迄今為止,顆?；钚蕴俊⑹w粒、脫水鋁污泥(DAS)、沸石、火山巖和黃鐵礦等相繼被填充至CW-MFC的填料層中,且上述填料的使用均在不同程度上提高了系統(tǒng)的凈污和產(chǎn)電效果[13-16].據(jù)此推測,適宜種類填料的選用也應(yīng)能強化CW-MFC中的電極氨氧化作用,進(jìn)而提高系統(tǒng)的脫氮產(chǎn)電性能.

通常而言,對CW中的填料進(jìn)行優(yōu)選多側(cè)重于提高其除磷能力[17],而該手段是否能夠強化CW- MFC中的電極氨氧化作用目前尚未可知,相應(yīng)的作用機制亦待明晰.本研究基于前期工作基礎(chǔ)[18],結(jié)合污水生態(tài)處理工藝特點,考察并比較了3種常見填料(即石英砂、沸石和廢磚塊)對電極氨氧化型CW- MFC污水處理效果及產(chǎn)電性能的影響,探究了對應(yīng)條件下系統(tǒng)中的微生物特性.以此為基礎(chǔ),解析并闡釋了不同填料對系統(tǒng)中電極氨氧化作用的強化機制,研究結(jié)果可為新型CW工藝的研發(fā)及低C/N廢水的高效處理提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

CW-MFC小試裝置為PVC材質(zhì),其高度和內(nèi)徑分別為110cm和20cm,構(gòu)型如圖1所示.由圖1可知,進(jìn)水管位于裝置底部,出水管安裝于距裝置頂部20cm處,另沿裝置管壁縱向設(shè)置有4個水樣采集管,其與裝置頂部的距離分別為35、55、70和90cm.各裝置中填充有100cm厚的填料層[孔隙率范圍為(37～41)%],自下而上依次為20cm厚礫石承托層(粒徑為2～5cm)、20cm厚底部公分石層(粒徑為0.5～1cm)、15cm厚陽極層、40cm厚上部公分石層(粒徑為0.5～1cm)和5cm厚粗砂層.其中,陽極層外部被不銹鋼網(wǎng)包裹,內(nèi)含粒徑范圍為0.5～1cm的待試填料,中間埋設(shè)有石墨板(長×寬×厚=10×4×1cm);上部公分石層中埋設(shè)陰極,材質(zhì)亦為石墨板(長×寬×厚=10×4×1cm),陰極埋設(shè)位置距裝置頂部距離為20cm.CW-MFC的陽極和陰極采用直徑1mm的鈦絲與1000Ω的外電阻連接形成閉合回路.另外,CW-MFC的填料層表面種植有4株石菖蒲.

根據(jù)陽極層中填充填料的不同將反應(yīng)裝置分為3組,分別標(biāo)記為R1(填充石英砂)、R2(填充沸石)和R3(填充廢磚塊).同時,另設(shè)置了3組反應(yīng)裝置(分別標(biāo)記為R1-O、R2-O和R3-O)作為R1、R2和R3的對照組.R1-O、R2-O和R3-O的結(jié)構(gòu)和組成分別與R1、R2和R3一致,但各對照裝置的陰陽極之間并未連接,類似于垂直潛流人工濕地.

1.2 運行條件

各組CW-MFC正式運行前,以合肥市望塘污水處理廠的二沉池污泥作為接種污泥,對陽極層中填料進(jìn)行了為期1個月的掛膜培養(yǎng).而后,各組裝置均以上向流模式連續(xù)運行了120d.期間,各裝置的水力負(fù)荷(HLR)設(shè)為0.16m3/(m2·d),即其進(jìn)水量和水力停留時間(HRT)分別約為5L/d和2d.試驗階段各裝置中的污水水溫維持在(14～23)℃.

1.3 進(jìn)水水質(zhì)

各組CW-MFC的進(jìn)水均為經(jīng)初沉后的生活污水,其中耗氧有機物(以COD計,下同)、TP、TN、NH4+-N、NO2--N和NO3--N的濃度分別為(159.34± 8.60),(5.66±0.28),(51.04±1.80),(50.59±1.86),(0.07±0.03)和(0.17±0.07)mg/L.

1.4 分析方法

1.4.1 水樣采集及分析方法 每天采集各裝置進(jìn)出水水樣進(jìn)行分析;當(dāng)各組裝置穩(wěn)定運行時,通過水樣采集管采集填料層中的水樣,以考察系統(tǒng)中污染物濃度的沿程變化.所有水樣均設(shè)置3平行.水樣中COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN和TP的測定均參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)[19],裝置出水中Fe3+/Fe2+含量的測定參照文獻(xiàn)[16].

1.4.2 電壓和電流測定 各試驗組的輸出電壓每隔3min由數(shù)據(jù)采集模塊自動采集并存儲于與其連接的電腦中;而后根據(jù)歐姆定律(=/ex)可計算出電流,其中,為電流值(mA);為裝置輸出電壓(mV);ex為裝置外接電阻(Ω).

1.4.3 電流密度和功率密度計算 各試驗組的電流密度(V)和功率密度(V)分別可根據(jù)式V=/(ex·anode)和V=2/(ex·anode)計算獲得.其中,為裝置輸出電壓(mV);ex為裝置外接電阻(Ω);anode為陽極層有效體積(m3).

1.4.4 極化曲線、功率密度曲線和表觀內(nèi)阻測定 極化曲線和功率密度曲線采用穩(wěn)態(tài)放電法[20]測定,即在各試驗組穩(wěn)定運行時,調(diào)節(jié)其外接電阻,使外接電阻值由10000Ω逐級降至1Ω;期間,記錄每個阻值下裝置穩(wěn)定運行時的輸出電壓值;而后;將V作為橫坐標(biāo),和V作為縱坐標(biāo),分別繪制極化曲線和功率密度曲線.CW-MFC的表觀內(nèi)阻(int)可通過計算極化曲線斜率獲得.

1.4.5 陽極層中填料來源及其理化特性分析 陽極層中待試填料分別為石英砂、沸石和廢磚塊.其中,石英砂和沸石均購自河南某水處理濾料工廠,而廢磚塊則收集自安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)附近的房屋拆遷工地.填料孔隙率的測定參照文獻(xiàn)[21];填料比表面積采用比表面積分析儀進(jìn)行測定;填料水溶性鹽總量(EC)采用電導(dǎo)率儀進(jìn)行測定(以純水為浸提劑,浸提劑與填料的比例為5:1);填料對氨氮的等溫吸附試驗亦參照文獻(xiàn)[21]進(jìn)行;填料表面微觀形貌采用場發(fā)射掃描電鏡(SEM)進(jìn)行觀察.

1.4.6 生物膜樣品采集 試驗階段末,分別在R1、R2和R3中采集生物膜樣品以便用于后續(xù)相關(guān)分析.在各試驗裝置中采集2組生物膜樣品,而后將其分別標(biāo)記為S1C、S1E、S2C、S2E、S3C和S3E.其中,“C”表示該樣本采自陽極層中靠近石墨板的中間區(qū)域,“E”表示該樣本采自陽極層中遠(yuǎn)離石墨板的邊緣區(qū)域.

1.4.7 DNA提取與高通量測序 使用DNA試劑盒(D5625-01Omega USA)對各生物膜樣品中的DNA進(jìn)行提取純化.提取后的DNA產(chǎn)物經(jīng)紫外分光光度計測定核酸濃度和純度,檢測合格后進(jìn)行擴(kuò)增,并對擴(kuò)增后PCR產(chǎn)物使用濃度1.8%的瓊脂糖凝膠電泳檢測其完整性.本研究選擇16S rDNA V3+V4可變區(qū)片段進(jìn)行PCR擴(kuò)增,引物序列為341F(5'- CCTACG GGNGGCWGCAG-3')和805R(5'-GACT- ACHVGGG TATCTAATCC-3').擴(kuò)增后PCR產(chǎn)物經(jīng)純化、定量和均一化形成測序文庫,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Illumina NovaSeq6000平臺進(jìn)行高通量測序.測序分析后,根據(jù)Barcode序列區(qū)分各個樣本的數(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Clean reads.為了研究樣品的物種組成多樣性,對所有樣品的Clean reads進(jìn)行聚類,以97%的一致性(Identity)將序列聚類成OTUs (Operational Taxono-mic Units),然后對OTUs的代表序列進(jìn)行物種注釋.

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 28.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析;采用one-way ANOVA進(jìn)行方差分析(<0.01);采用Origin 2021作圖,圖中相關(guān)數(shù)據(jù)為(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差);文中污染物去除(轉(zhuǎn)化)率、累積率等計算方法均參考文獻(xiàn)[22].

2 結(jié)果與討論

2.1 運行性能

由表1和圖2(a)可知,試驗期間3組CW-MFC的COD去除率始終維持在85%以上.CW通常有著理想的有機物去除效果[23],本試驗結(jié)果亦然.圖3(a)表明,當(dāng)污水依次流經(jīng)礫石承托層、底部公分石層和陽極層后,其中的有機物可被削減80%以上.其中,陽極層中的填料種類會影響有機物在該區(qū)域的降解量.對于R1、R2和R3,其陽極層的COD去除負(fù)荷分別為5.25、7.80和8.92g/(m2·d).由表1和圖2(b)亦可知各裝置的除磷性能:當(dāng)陽極層中填料分別為石英砂和沸石時,R1和R2出水中的TP濃度分別由試驗階段初的0.73和0.38mg/L增至第16d的3.42mg/L和第25d的3.52mg/L,而后維持在(4.14±0.25)和(3.45±0.40)mg/L;而當(dāng)陽極層中填充廢磚塊時,R3的除磷能力優(yōu)于R1和R2,其出水中的TP濃度一直穩(wěn)定在(0.42±0.17)mg/L.基于圖3(b)斷定,各系統(tǒng)除磷性能的差異應(yīng)主要歸因于陽極層中填充填料的不同.有研究證實,公分石、石英砂、沸石和廢磚塊具備不同的磷素吸附容量.其中,廢磚塊對磷素的理論飽和吸附量可達(dá)0.60mg/g,明顯高于其他3種填料(0.03,0.05,0.12mg/g)[24].相應(yīng)地,R3中陽極層的TP去除負(fù)荷為0.66g/(m2·d),該區(qū)域的磷素去除量約占裝置磷素去除總量的79.58%.另發(fā)現(xiàn),電化學(xué)強化措施不會顯著影響各組CW-MFC的有機物和TP去除效果,R1-O、R2-O和R3-O出水中的COD與TP濃度分別較R1、R2和R3無明顯變化.

表1 CW-MFC穩(wěn)定運行時的出水水質(zhì)

如表1和圖2(c)～(f)所示,3組CW-MFC的氮素轉(zhuǎn)化性能差異明顯.R1的運行性能在歷經(jīng)45d后漸趨穩(wěn)定,其出水中的TN和NH4+-N濃度分別穩(wěn)定在(33.62±2.25)和(30.00±1.94)mg/L,此時系統(tǒng)的TN去除率(TNRE)和氨氮轉(zhuǎn)化率(AOE)分別為(34.85± 2.71)%和(40.18±2.83)%.相較而言,R2和R3的脫氮性能有了不同程度的優(yōu)化.其中,R2的TNRE和AOE在其運行37d后維持在(61.26±5.17)%和(71.28± 1.62)%,即此時裝置出水中的TN和NH4+-N濃度分別為(20.08±2.86)mg/L和(13.37±1.94)mg/L.當(dāng)R3在試驗階段運行43d后,其TNRE和AOE分別較R1和R2增至(87.10±2.27)%和(96.49±0.76)%,此時裝置出水中TN、NH4+-N、NO3--N和NO2--N濃度分別為(6.64±1.08),(1.76±0.36),(4.39±0.75)和(0.49±0.20) mg/L.對于R1-O、R2-O和R3-O,其TNRE和AOE均<10%,表明電化學(xué)措施是實現(xiàn)CW中電極氨氧化作用發(fā)生的前提,且此措施會影響CW-MFC的脫氮效果.由圖3(c)～(e)得出,當(dāng)R1、R2和R3穩(wěn)定運行時,其陽極層是NH4+-N氧化與TN脫除的主要區(qū)域,兩種形態(tài)氮素在此區(qū)域的去除量分別占各裝置NH4+-N與TN去除總量的80.89%和78.22%、86.81%和83.17%、91.06%和85.96%.

圖4所示為穩(wěn)定運行階段各組裝置陽極層中的生物膜含量.從中可知,R1、R2和R3的陽極層中的生物膜含量分別穩(wěn)定在(2.47±1.13)、(5.62±1.74)和(7.45±1.06)mg/g.比較發(fā)現(xiàn),R3陽極層中的生物膜含量高于R1和R2,分別是兩組系統(tǒng)的1.32和3.01倍.據(jù)此推斷,陽極層中填料種類的不同會導(dǎo)致其中的生物膜含量呈現(xiàn)較大差異,當(dāng)填充廢磚塊時,R3陽極層中的生物膜含量較高.

圖4 穩(wěn)定運行期間CW-MFC陽極層中的生物膜含量

CW-MFC中可培育出電活性氨氧化生物膜,其主導(dǎo)的電極氨氧化作用可實現(xiàn)系統(tǒng)中NH4+-N的厭氧氧化與TN的脫除[10].上述結(jié)果證實,電極氨氧化作用能在CW-MFC中發(fā)生,且陽極層中適宜填料的填充優(yōu)化了電極氨氧化型CW-MFC的凈污性能.究其原因,應(yīng)歸因于:適宜填料具備相對較大的磷素吸附容量,可提高對進(jìn)水中磷素的吸附效果;適宜填料可使陽極層中持有足夠數(shù)量的微生物,利于功能微生物(尤其是電活性微生物)的富集及電極氨氧化作用的強化,由此改善了系統(tǒng)的有機物及氮素去除性能.比較可知,當(dāng)陽極層中填充廢磚塊時,R3的污水處理效果較理想,出水水質(zhì)滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)[25]一級A標(biāo)準(zhǔn).

2.2 電化學(xué)性能

如圖5所示,R1在穩(wěn)定運行時的輸出電壓為(430.96±24.63)mV.與之相比,R2和R3的輸出電壓值分別增加了約40%和49%.由此可知,陽極層中適宜種類填料的填充會強化CW-MFC的電壓輸出,當(dāng)陽極層中填充廢磚塊時,R3在穩(wěn)定運行階段的輸出電壓達(dá)(642.34±21.82)mV.在試驗階段末,測定了開路運行的各試驗組的電化學(xué)特性.R1、R2和R3的功率密度曲線和極化曲線如圖6所示.從中可知,對于以石英砂為陽極層填料的R1,其開路電壓為549.77mV;而當(dāng)陽極層填料分別為沸石和廢磚塊時,R2和R3的開路電壓分別增至719.20和744.48mV,為R1的1.31和1.35倍.與之相呼應(yīng),3組CW-MFC的功率密度峰值分別為0.15,0.51, 0.60W/m3,即R3的功率密度峰值最高,其次分別為R2和R1.另基于圖6計算可知,陽極層中填料種類的不同導(dǎo)致3組CW-MFC的int出現(xiàn)差異:R1的int約為579.16Ω,而R2和R3的int分別較R1降至305.04和278.76Ω.結(jié)合前述結(jié)果判斷,陽極層中適宜種類填料的填充有助于提高CW-MFC的產(chǎn)電性能.究其原因,應(yīng)歸因于:(1)適宜的填料利于陽極層中電活性氨氧化微生物的富集,使陽極反應(yīng)速率增大,提高了電極氨氧化作用的強度;(2)陽極層中質(zhì)子產(chǎn)量的增加以及填料較優(yōu)異的理化特性在一定程度上降低了質(zhì)子和離子的傳質(zhì)阻力,從而有效降低了CW-MFC的內(nèi)阻.對于R3而言,該系統(tǒng)在穩(wěn)定運行時的產(chǎn)電性能以及污染物去除效果均較理想,優(yōu)于R1和R2.

圖5 CW-MFC輸出電壓

圖6 CW-MFC極化曲線和功率密度曲線

2.3 微生物多樣性及其群落結(jié)構(gòu)特征

利用多樣性分析(α)來反映6組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)計結(jié)果如表2所示.表2表明,各組樣品測序的樣本文庫覆蓋度(Coverage指數(shù))均大于0.99,表明測序?qū)悠犯采w度高,能較好地反映樣品的真實情況;對采集的6組生物膜樣本進(jìn)行測序后,共得到12215個OTU,分析可得:陽極層中不同種類填料的填充導(dǎo)致采自該區(qū)域的生物膜樣本的OTU數(shù)目出現(xiàn)差異,相較于石英砂和沸石,廢磚塊的填充使得陽極層中樣本的OTU數(shù)處于較高水平.由表2還可知,S3C的Chao1指數(shù)和Ace指數(shù)分別為3076.72和3091.76,高于S2C(2512.55和2522.31)和S1C(1691.79和1644.18); S3E的Chao1指數(shù)(2730.08)和Ace指數(shù)(2711.98)亦高于S2E(2304.14和2258.68)和S1E(1517.48和1496.99).另一方面,相較于R2和R3,采集自R1的S1C和S1E均具有相對較高的Simpson指數(shù)(0.9753和0.9648)和Shannon指數(shù)(6.4349和6.2490).Chao1指數(shù)和Ace指數(shù)側(cè)重于體現(xiàn)群落的豐富度,兩指數(shù)越大,表明群落的豐富度越高[26];而Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)則綜合考慮了群落的豐富度和群落均勻度,兩者數(shù)值越高也就代表群落的多樣性越高[27].上述結(jié)果表明,陽極層中適宜種類填料的填充有助于提高CW-MFC中功能微生物的豐度,并可產(chǎn)生定向馴化效應(yīng),使微生物群落的多樣性降低.當(dāng)陽極層中填充廢磚塊時,R3中電活性微生物及其協(xié)作菌群的豐度和活性均應(yīng)得到了較大程度的提升.

表2 生物膜樣品中細(xì)菌群落豐富度和多樣性分析

由圖7可知各生物膜樣本的聚類情況.從中可知,對于各系統(tǒng)而言,邊緣區(qū)域樣本中的微生物群落結(jié)構(gòu)異于中間區(qū)域樣本;由于陽極層中填充了不同種類的填料,導(dǎo)致S3C的微生物特性與其他2組中間區(qū)域樣本(即S1C和S2C)有顯著區(qū)別;3組邊緣區(qū)域樣本之間也存在微生物群落結(jié)構(gòu)上的差異,即S1E中的微生物群落不同于其他2組樣本(S2E和S3E).圖7亦表明了各樣本中相對豐度較高的30種菌屬的豐度變化特征,結(jié)合圖8可得,S1C中的優(yōu)勢菌屬包括(6.96%),(4.00%),(1.15%),(1.10%),(1.44%),(0.68%)和(3.22%).其中,隸屬AOB,是參與短程硝化(NH4+-N→NO2--N)過程的功能菌屬[28];屬AnAOB,可主導(dǎo)ANAM- MOX反應(yīng)[29];,,和均包含部分種類的反硝化菌,其可在缺氧或好氧條件下將NO--N還原[30];則屬于Bacteroidota,其被證實可采用分泌內(nèi)生電子穿梭體的手段協(xié)助電活性微生物完成胞外電子傳遞過程,故有助于提高電活性生物膜的電子傳遞效率[6].對于同樣取自R1的S1E,該樣本中的優(yōu)勢菌屬仍包括,,和-.然而,S1E中和的含量卻較S1C顯著降低,兩者的占比分別僅為0.41%和1.25%.陽極層中適宜填料的填充可有效提高CW-MFC中特定功能菌屬的豐度,尤其對于取自R3的2組樣本,S3C中,和的占比分別高達(dá)11.81%、5.44%和8.49%;而S3E除了含有較高含量的(3.38%)和(6.23%)之外,(4.03%)和(1.98%)的豐度亦有所提高.相較于R1和R2,廢磚塊的填充還促進(jìn)了R3中的富集.作為BES中一種常見的電活性功能菌屬[31],在S3C中的百分含量可達(dá)4.73%.需注意的是,各試驗組中邊緣區(qū)域樣本的含量均顯著低于中間區(qū)域樣本.即使對于R3,其樣本S3E中的相對豐度僅維持在1.91%,為S3C的16.17%.

圖7 各生物膜樣本中前30個功能菌屬的豐度聚類熱圖

結(jié)合上述結(jié)果和前期研究[18]推斷,,,,,-,,和應(yīng)是參與CW-MFC中電極氨氧化反應(yīng)的8種主要功能菌屬,這些功能菌屬在陽極層中的豐度會因適宜填料的填充而升高,進(jìn)而可強化系統(tǒng)中電極氨氧化作用的強度.其中:(1)是主導(dǎo)系統(tǒng)中NH4+-N氧化的功能菌屬.有報道已證實,-不僅可以O(shè)2為電子受體將NH4+-N氧化為NO2--N[28],還能以固體陽極為電子受體將NH4+-N厭氧氧化為NO2--N[5-6,8],則該菌屬在電極氨氧化過程中應(yīng)可實現(xiàn)裝置中NH4+-N的氧化(即NH4+-N →NO2--N).

圖8 生物膜樣本中主要菌屬相對豐度

另一方面,也應(yīng)參與了氨氮的厭氧氧化.作為一種電化學(xué)活性菌,具有氨氧化功能基因[32],能在BES中將NH4+-N轉(zhuǎn)化為N2[7],則的富集有助于系統(tǒng)中電極氨氧化反應(yīng)的強化;(2)通過參與電極氨氧化反應(yīng)實現(xiàn)了系統(tǒng)中TN的脫除.為一類AnAOB,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[33],則該菌屬可通過與協(xié)作實現(xiàn)脫氮.期間,的活性及豐度亦可在電場作用下得以提高;(3)提高了電極氨氧化作用的強度.作為一類化能異養(yǎng)菌,可采用分泌內(nèi)生電子穿梭體(即黃素類化合物)的手段協(xié)助完成電極氨氧化反應(yīng),并能在一定程度上提高電活性生物膜的電子傳遞效率;同時,在氧化NH4+-N時產(chǎn)生的有機物又可被所利用[6];(4),,和-應(yīng)在電極氨氧化過程中參與了NO--N的脫除.如前所述,上述4類菌屬分別包含可進(jìn)行反硝化作用的功能微生物,其可還原代謝產(chǎn)生的NO2--N,亦可還原代謝產(chǎn)生的NO3--N,而進(jìn)水中挾帶的有機物、功能微生物的代謝副產(chǎn)物和植物根系的分泌物均可為此過程提供所需的有機碳源.基于此推斷,上述菌屬主導(dǎo)下的電極氨氧化過程可能包括如下反應(yīng):

2NH4+→ N2+ 8H++ 6e-(1)

NH4++ 2H2O → NO2-+ 8H++ 6e-(2)

NH4++ NO2-→ N2+ NO3-(3)

NO3-→ NO2-→ NO → N2O → N2(4)

另由圖7(b)可知,陽極層中電活性功能菌的分布呈現(xiàn)明顯的空間差異:(1)在陽極層中間區(qū)域的豐度較高,表明進(jìn)水中NH4+-N的厭氧氧化主要發(fā)生在此處;(2)陽極層邊緣區(qū)域存在著較高豐度的,,和-,預(yù)示著該區(qū)域為NO--N還原的主要場所;(3)陽極層各個區(qū)域中存在的豐度較高的則說明該層中大部分的氮素均可通過ANAMMOX反應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化.

2.4 填料理化特性及其與功能微生物之間的關(guān)系

研究發(fā)現(xiàn),濕地填料的孔隙率通常為30.0%～ 54.4%,比表面積宜為2.6～3.9m2/g[34].基于表3可知,本研究所用3種填料(即石英砂、沸石和廢磚塊)的孔隙率符合上述范圍值;另除石英砂比表面積(≈1.75m2·g-1)較小外,其他2種填料的比表面積亦均與上述結(jié)論一致.圖9所示為3種填料在試驗始末的表面微觀形貌變化.從中可知,沸石和廢磚塊表面較粗糙,微孔孔徑均為1～5μm,而石英砂表面則相對光滑,孔隙較少. Roseth[35]指出,當(dāng)填料表面分布有孔徑范圍為1～3μm的微孔時,微生物較易在其中掛膜和增殖.故與石英砂相比,沸石和廢磚塊的表面微結(jié)構(gòu)更利于生物膜生長.此推論在圖9中得到證實:對于試驗階段末采自3組系統(tǒng)的填料樣本,沸石和廢磚塊表面附有較高數(shù)量的微生物,其呈團(tuán)簇狀且以桿菌和球菌為主;相較而言,石英砂表面附著的微生物數(shù)量偏少且較為分散.由表3還可知,廢磚塊相較于石英砂和沸石具有更高的EC值,結(jié)合圖10推斷,廢磚塊在R3運行時可釋放一定量的Fe3+/Fe2+于填料層間隙水中.此外,沸石和廢磚塊對氨氮的理論飽和吸附量分別為1.02和0.89mg/g,是石英砂(≈0.21mg/g)的4.86和4.24倍.

表3 3種填料的部分理化特性

圖9 試驗前后各填料的表面微觀形貌對比

圖10 CW-MFC出水中Fe3+/Fe2+濃度

利用冗余分析(redundancy analysis,RDA)解析了不同種類填料對系統(tǒng)陽極層中微生物群落的影響機制(圖11).結(jié)果顯示,第一軸(RDA1)和第二軸(RDA2)對于整體信息的解釋率分別達(dá)到94.10%和5.66%,說明排序結(jié)果可信,陽極層中的8種功能微生物能夠顯著影響CW-MFC對污水的處理效果(尤其是脫氮效能).另由圖11可知,表3中所示的填料的理化特性是影響系統(tǒng)陽極層中微生物群落結(jié)構(gòu)的主要因子.其中,陽極層中各種功能菌屬的豐度與填料的孔隙率和比表面積均呈正相關(guān)關(guān)系,表明表面粗糙且比表面積大的填料更有利于上述8種功能微生物在陽極層中富集;填料對氨氮良好的吸附效果因可有效延長NH4+-N在系統(tǒng)陽極層中的水力停留時間而有助于和在該區(qū)域中截留和增殖,故此2種菌屬正比于填料對氨氮的理論飽和吸附量;陽極層中3種功能菌屬(即、和)的豐度與填料的EC值及裝置出水中的Fe2+/Fe3+含量呈正相關(guān)關(guān)系.有研究指出,隸屬于的部分功能菌具備“鐵呼吸”能力,可主導(dǎo)異化鐵還原反應(yīng)[31].故當(dāng)填料具有較高EC值且含有較高含量的Fe時,其可在系統(tǒng)運行時釋放一定量的Fe3+/Fe2+于間隙水中,由此應(yīng)可誘導(dǎo)在陽極層中增殖;同時,陽極層填料釋放的一定濃度的Fe2+/Fe3+也能在不同程度上增強和的豐度與活性,該結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)[36]的報道相符.值得注意的是,陽極層中,-,和的數(shù)量同樣正比于填料的EC值以及裝置出水中的Fe2+/Fe3+含量,該結(jié)果意味著Fe含量較高的填料的填充可能會誘導(dǎo)鐵自養(yǎng)反硝化作用在陽極層中發(fā)生[37].由此可知,相較于石英砂和沸石,廢磚塊更有利于參與電極氨氧化反應(yīng)的功能微生物在陽極層中定殖,同時提高了其豐度及活性,致使CW-MFC中的電極氨氧化作用得到較大程度的強化,系統(tǒng)的脫氮性能顯著提高.

Fe:CW-MFC出水中Fe3+/Fe2+含量;a:填料的氨氮理論飽和吸附量

3 結(jié)論

3.1 利用電極氨氧化型CW-MFC處理生活污水時,陽極層中的填料種類可顯著影響系統(tǒng)的脫氮產(chǎn)電性能.當(dāng)陽極層中填充廢磚塊時,R3的COD、TP、TN和NH4+-N去除率分別可達(dá)(87.29±2.06)%、(92.52±3.20)%、(87.10±2.27)%和(96.49±0.76)%,其輸出功率密度峰值為0.60W/m3,該系統(tǒng)出水水質(zhì)滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918- 2002)一級A標(biāo)準(zhǔn).

3.2 陽極層中適宜種類填料的填充可強化CW- MFC中的電極氨氧化作用,從而提高系統(tǒng)的TN去除性能.當(dāng)選用廢磚塊作為陽極層填料時,其較大的比表面積、較高的EC值及Fe含量提高了參與電極氨氧化反應(yīng)的功能微生物(尤其是、、和)的豐度及活性,使得R3中電極氨氧化作用的強度高于R2和R1.

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Effect of filter medium on operational performance of a constructed wetland-microbial fuel cell system based on electrode dependent ammonium oxidation.

FAN Hong-yong1,2, WANG Hua-wei1, PAN Ling-yang3, CHU Gang2, SUN Ying-jie1, WANG Zhen2*

(1.School of Environmental and Municipal Engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao 266033, China；2.School of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China；3.School of Urban Construction, Anhui Xinhua University, Hefei 230088, China)., 2023,43(11)：5833～5844

An anodic layer was installed in a constructed wetland-microbial fuel cell (CW-MFC) system based on electrode dependent ammonium oxidation, and this study was conducted to explore the operational performances and the associated microbial characteristics of the CW-MFCs as different kinds of filter media were introduced into their anodic layers. The results showed that, as the CW-MFC based on electrode dependent ammonium oxidation was adopted to treat domestic sewage, physicochemical properties of filter medium filled in the anodic layer could significantly affect microbial community structure of the electroactive ammonium oxidation biofilm and quantities of the associated functional microorganisms in the biofilm, leading to differences of nitrogen removal and electricity generation among the three devices. Compared with quartz sand and zeolite, broken bricks had lager specific surface area, higher EC value and Fe content, resulting that quantities and activities of the functional microbes involved in electrode dependent ammonium oxidation were increased in the CW-MFC filled broken bricks into the anodic layer. Correspondingly, electrode dependent ammonium oxidation was enhanced in the CW-MFC, and operational performance of the system could also be optimized. Regarding to the CW-MFC filled broken bricks into the anodic layer, its COD, TP, TN and NH4+-N removal rates could respectively reached up to (87.29±2.06)%, (92.52±3.20)%, (87.10±2.27)%, and (96.49±0.76)% during the stable operation phase, as well as the maximum power density of 0.60W/m3, effluent quality of the system could reach Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant (GB 18918-2002) class A standard.

constructed wetland-microbial fuel cell (CW-MFC)；filter medium；electrode dependent ammonium oxidation；bioelectrochemistry；nitrogen removal

X703

A

1000-6923(2023)11-5833-12

范洪勇(1987-),男,山東泰安人,副教授,博士,主要從事廢棄物資源化技術(shù)研究.發(fā)表論文20余篇.fanhongyong2012@163. com.

范洪勇,王華偉,潘玲陽,等.填料對電極氨氧化型CW-MFC耦合系統(tǒng)運行性能的影響 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2023,43(11):5833-5844.

Fan H Y, Wang H W, Pan L Y, et al. Effect of filter medium on operational performance of a constructed wetland-microbial fuel cell system based on electrode dependent ammonium oxidation [J]. China Environmental Science, 2023,43(11):5833-5844.

2023-03-22

國家自然科學(xué)基金項目(52370160);安徽省自然科學(xué)基金資助項目(2008085ME162);安徽省高等學(xué)?？茖W(xué)研究項目(2022AH040121);山東省自然科學(xué)青年基金項目(ZR2021QE109);山東省高等學(xué)校青年創(chuàng)新團(tuán)隊人才引育計劃“固體廢物污染控制與資源化創(chuàng)新團(tuán)隊”(2021)

* 責(zé)任作者, 副教授, zwang@ahau.edu.cn