電化學(xué)技術(shù)強化厭氧氨氧化細(xì)菌活性研究.pdf

1、以厭氧氨氧化技術(shù)為核心的脫氮工藝已逐漸成為污水處理領(lǐng)域的研究熱點。與傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝相比，厭氧氨氧化工藝具有經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、高效和環(huán)境友好的特點。然而，由于厭氧氨氧化細(xì)菌倍增時間長、生長緩慢，導(dǎo)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(guī)模快速應(yīng)用于實際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(jìn)厭氧氨氧化細(xì)菌的活性，進(jìn)而加快細(xì)菌的生長速率以達(dá)到快速啟動厭氧氨氧化工藝的目的。本文旨在通過電化學(xué)技術(shù)強化厭氧氨氧化細(xì)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(jìn)行了深入的探索。本論文主要內(nèi)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(yīng)器，促進(jìn)了厭氧氨氧化細(xì)菌的活性，取得了良好的脫氮效果。當(dāng)靜電場強度為2 V/cm，電場總作用時間為18h/day，電場連續(xù)作用時間和間歇時間分別為9h和3h時，經(jīng)過160天的培養(yǎng)，厭氧氨氧化反應(yīng)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(xì)菌的活性產(chǎn)生抑制，但是當(dāng)靜電場撤除之后，厭氧氨氧化細(xì)菌的活性可以緩慢恢復(fù)。對靜電場施加前后的反應(yīng)器內(nèi)菌種進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，外加靜電場會導(dǎo)致厭氧氨氧化細(xì)菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的不規(guī)則變化，細(xì)胞色素c酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)顯示這種不規(guī)則變化可能使厭氧氨氧化小體內(nèi)部的細(xì)胞色素c的儲存量增加。
　　(2)通過將三電極應(yīng)用于厭氧氨氧化反應(yīng)器，構(gòu)建了三電極生物膜體系，提高了厭氧氨氧化細(xì)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(xì)菌的活性。當(dāng)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(yīng)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(xì)菌的活性。當(dāng)電極電勢為0.08 V，運行時間達(dá)到188天時，三電極厭氧氨氧化反應(yīng)器的氮去除率達(dá)到了0.91 kg-N/m3/d，相比對照反應(yīng)器提升了27.2％。三電極生物膜體系改變了厭氧氨氧化細(xì)菌的菌膠團(tuán)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(yīng)器的菌種分析發(fā)現(xiàn)，三電極體系導(dǎo)致厭氧氨氧化細(xì)菌的關(guān)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(jīng)過長期培養(yǎng)之后發(fā)現(xiàn)，三電極反應(yīng)器中的厭氧氨氧化細(xì)菌16S rRNA拷貝數(shù)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(dǎo)致了厭氧氨氧化細(xì)菌結(jié)構(gòu)的不規(guī)則變化。
　　(3)針對電極生物膜厭氧氨氧化細(xì)菌掛膜性能差的缺點，利用還原態(tài)氧化石墨烯(Reduced Graphene Oxide，RGO)對電極進(jìn)行改性，并將改性電極應(yīng)用于電極生物膜厭氧氨氧化反應(yīng)器取得了比較好的脫氮效果。實驗發(fā)現(xiàn)，RGO的加入能促進(jìn)厭氧氨氧化細(xì)菌及其關(guān)鍵酶的活性。100 mg/L的RGO的

7、加入導(dǎo)致厭氧氨氧化細(xì)菌的活性增強了17.2％。并且通過實驗發(fā)現(xiàn)，RGO的加入能極大的加快細(xì)菌關(guān)鍵酶酶促反應(yīng)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(yīng)。以活性污泥為種泥啟動厭氧氨氧化反應(yīng)器實驗表明，100 mg/L RGO可以明顯加快厭氧氨氧化細(xì)菌的生長速率，最終將厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動周期減少了26.9％。實驗還發(fā)現(xiàn)可以通過化學(xué)方法將RGO用于修飾電極，將RGO/PPy電極應(yīng)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(yǎng)反硝化細(xì)菌能夠在不添加有機物的情況下去除硝氮的特性，構(gòu)建了電極生物膜-厭氧氨氧化-自養(yǎng)反硝化耦合體系，并取得了良好的脫氮效果。耦合自養(yǎng)工藝的最佳工作電壓為1.5 V。通過調(diào)整耦合工藝進(jìn)水亞硝氮和氨氮的比例，可以取得更好的脫氮效果。當(dāng)進(jìn)水比例調(diào)整為1.5時，耦合工藝的氮去除效率最高達(dá)到了99.1％，其中