Substantial enhancement of anaerobic pyridine bio-mineralization by electrical stimulation

電刺激顯著增強厭氧吡啶生物礦化

來源：Water Research, Volume 130, 2018, Pages 291-299

《水研究》，第130卷，2018年，第291-299頁

 

摘要

摘要部分闡述了由于吡啶的高抗性和毒性，傳統(tǒng)厭氧生物過程通常受到低去除率和差 process 穩(wěn)定性的限制。本研究開發(fā)了一個電輔助厭氧系統(tǒng)，以增強廢水中吡啶的生物降解。結(jié)果顯示，在施加0.3 mA直流電的情況下，厭氧反應(yīng)器的性能和穩(wěn)定性顯著提高，吡啶和總有機(jī)碳去除效率以及NH4-N形成率分別高達(dá)100.0%、96.1±1.2%和60.1±2.1%。電刺激導(dǎo)致的緊湊生物膜以及生物陽極中的微好氧環(huán)境可能促進(jìn)厭氧反應(yīng)器中的吡啶生物礦化。此外，與吡啶生物降解相關(guān)的物種（如Desulfovibrio、Dokdonella、Hydrogenophaga和Paracoccus）在陽極生物膜中富集，這可能是反應(yīng)器性能更好的另一個原因。本研究證明電刺激是增強厭氧系統(tǒng)中吡啶去除的潛在替代方案。

 

研究目的

研究目的是開發(fā)一種電輔助厭氧系統(tǒng)，以增強吡啶的生物降解，解決傳統(tǒng)厭氧過程因吡啶的高抗性和毒性導(dǎo)致的低去除率和差穩(wěn)定性的問題。具體目標(biāo)包括調(diào)查關(guān)鍵因素對反應(yīng)器性能的影響，探索生物陽極的微環(huán)境特性，以及闡明電刺激下微生物群落的變化。

 

研究思路

研究思路通過實驗室規(guī)模的管式厭氧反應(yīng)器進(jìn)行，反應(yīng)器內(nèi)填充石墨氈電極，施加直流電。實驗分為五個階段，分別改變 influent 吡啶濃度（100-600 mg/L）、施加電流（0-0.4 mA）、水力停留時間（HRT，24-72 h）和乙酸劑量（0-16 mM），以評估反應(yīng)器性能。定期監(jiān)測吡啶濃度、TOC、NH4-N等參數(shù)，使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察生物膜形態(tài)，通過丹麥Unisense微電極測量生物陽極中的氧濃度和pH剖面，并利用高通量測序技術(shù)分析微生物群落結(jié)構(gòu)。通過統(tǒng)計分析和比較，確定電刺激對吡啶降解的增強機(jī)制。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 測量了吡啶降解效率、TOC去除效率和NH4-N形成效率，數(shù)據(jù)來自Fig. 1和Fig. 2。研究意義：這些數(shù)據(jù)顯示電刺激顯著提高了吡啶礦化率，在0.3 mA電流下達(dá)到近完全去除，證明電刺激能有效增強厭氧過程，為處理高毒性廢水提供新策略。

 

 

2 測量了生物膜形態(tài)通過SEM，數(shù)據(jù)來自Fig. 3。研究意義：電刺激導(dǎo)致生物膜更緊湊和分層，增強了微生物對吡啶毒性的抵抗力和生物膜穩(wěn)定性，支持了反應(yīng)器性能的改善。

 

3 測量了生物陽極中的氧濃度和pH剖面使用丹麥Unisense微電極，數(shù)據(jù)來自Fig. 4。研究意義：氧濃度在生物膜內(nèi)部分布顯示微好氧環(huán)境（0.23 mg/L），pH變化表明NH4-N釋放和消耗，這促進(jìn)了吡啶的好氧降解路徑，解釋了電刺激下降解效率提高的機(jī)制。

 

4 測量了微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性通過高通量測序，數(shù)據(jù)來自Fig. 5。研究意義：電刺激富集了吡啶降解菌如Desulfovibrio、Dokdonella等，同時減少了群落多樣性，表明電刺激選擇性促進(jìn)功能菌種，直接關(guān)聯(lián)到降解性能提升。

 

 

結(jié)論

1 電刺激顯著增強了厭氧吡啶生物礦化，在0.3 mA電流下實現(xiàn)高效去除，提高了反應(yīng)器對高吡啶負(fù)荷和短HRT的耐受性。

2 電刺激促進(jìn)了緊湊生物膜形成和生物陽極微好氧環(huán)境，這些物理和化學(xué)變化共同支持了吡啶降解微生物的活性和穩(wěn)定性。

3 微生物群落分析顯示電刺激富集了關(guān)鍵吡啶降解菌種，如Desulfovibrio和Paracoccus，這些菌種的代謝活動是性能增強的主要生物原因。

4 經(jīng)濟(jì)性分析表明電輔助系統(tǒng)操作成本低，能源消耗少，具有大規(guī)模應(yīng)用的潛力，為處理工業(yè)含吡啶廢水提供了可行方案。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense微電極測量生物陽極中的氧濃度和pH剖面數(shù)據(jù)的研究意義在于提供了高分辨率的空間微環(huán)境信息，從而深入揭示電刺激下生物膜內(nèi)部的化學(xué)梯度如何影響微生物代謝和吡啶降解。具體地，氧濃度測量顯示在生物膜深度0-1500μm范圍內(nèi)，氧濃度從0.03 mg/L增加到0.23 mg/L，表明陽極表面產(chǎn)生了微好氧條件，這有利于吡啶的好氧降解路徑，因為吡啶在好氧條件下更易被氧化礦化。pH剖面顯示從生物膜表面到1600μm深度，pH從7.36上升到7.81，反映了NH4-N釋放（來自吡啶脫氮）的堿化效應(yīng)，隨后pH下降至7.35，可能 due to 質(zhì)子產(chǎn)生或氨去除過程，這些變化共同優(yōu)化了微生物酶的活性。這些微環(huán)境數(shù)據(jù)直接解釋了電刺激如何通過創(chuàng)建微好氧區(qū)促進(jìn)吡啶降解，并幫助理解微生物群落的空間分布和功能，為優(yōu)化電生物系統(tǒng)提供了關(guān)鍵參數(shù)。此外，這種實時微測量技術(shù)增強了我們對厭氧反應(yīng)器中電-生物耦合過程的理解，支持了未來反應(yīng)器設(shè)計和操作策略的改進(jìn)。