摘要

由于吡啶的高度頑固性和毒理學(xué)性質(zhì)，傳統(tǒng)的厭氧生物過程常受限于低去除率和差的工藝穩(wěn)定性。在本研究中，開發(fā)了一種電輔助厭氧系統(tǒng)以增強廢水中吡啶的生物降解。結(jié)果表明，在施加0.3 mA直流電的情況下，厭氧反應(yīng)器對吡啶生物降解的性能和穩(wěn)定性顯著提高，其中吡啶和總有機碳去除效率以及NH4-N形成效率分別高達(dá)100.0%、96.1±1.2%和60.1±2.1%。電刺激導(dǎo)致的致密生物膜以及生物陽極中的微好氧環(huán)境可能促進(jìn)了厭氧反應(yīng)器中吡啶的生物礦化。此外，與吡啶生物降解相關(guān)的物種（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。本研究表明，電刺激將是增強厭氧系統(tǒng)中廢水中吡啶去除的一種潛在替代方法。

1. 引言

吡啶是N-雜環(huán)化合物的典型代表，常見于制藥、油漆、橡膠、殺蟲劑和石油工業(yè)等排放的廢水。吡啶由于其毒性和致畸性，對人類健康和環(huán)境質(zhì)量具有不利影響。因此，迫切需要開發(fā)有效且經(jīng)濟(jì)可行的方法來從廢水中去除吡啶。

已開發(fā)多種技術(shù)用于從廢水中去除吡啶。物理化學(xué)方法如物理吸附、光催化氧化和微波氧化存在不同缺點，包括化學(xué)回收、高成本和高能耗。吡啶生物降解的生物方法，既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)有效，應(yīng)能克服物理化學(xué)方法的各種不足。吡啶在好氧條件下的生物降解已在先前研究中廣泛報道，但該過程不僅需要大量曝氣費用，還可能導(dǎo)致令人厭惡的氣味。因此，近年來厭氧條件下吡啶生物降解引起越來越多興趣。不幸的是，由于吡啶的高度頑固性和毒理學(xué)性質(zhì)，傳統(tǒng)的厭氧生物過程常受限于低去除率和差的工藝穩(wěn)定性。因此，尋求一種改進(jìn)的操作方案以實現(xiàn)厭氧條件下有效吡啶降解是一項緊迫但具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

近年來，電刺激厭氧系統(tǒng)用于強化幾種持久性有機污染物的轉(zhuǎn)化，但也是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，以在厭氧條件下實現(xiàn)有效的吡啶降解。在這種方法中，通常采用電極系統(tǒng)代替化學(xué)品作為陰極電子供體或陽極電子匯。與常規(guī)厭氧系統(tǒng)本身相比，已證明電輔助厭氧過程可有效刺激微生物代謝包括生長和活性，并增強微生物的生物降解效率，這取決于所施加的直流電。此外，電刺激已顯示對微生物群落進(jìn)化有直接影響，導(dǎo)致對獨特環(huán)境的適應(yīng)和特定功能的發(fā)展。例如，微生物群落分析表明，當(dāng)施加直流電時，用于多環(huán)芳烴和酚類生物降解的細(xì)菌物種被富集。還觀察到，當(dāng)在以聚丙烯填料為載體的生物膜反應(yīng)器上施加直流電時，酚去除效率提高了33%。

本研究旨在研究電刺激增強厭氧系統(tǒng)中吡啶生物降解的可行性。開發(fā)了一種電輔助厭氧系統(tǒng)并連續(xù)運行170天。本研究的具體目標(biāo)包括：（1）研究各種關(guān)鍵因素對反應(yīng)器性能的影響；（2）使用微電極測量探索生物陽極微環(huán)境的特征和相互作用；（3）闡明電刺激下厭氧系統(tǒng)中微生物群落的變化。

2. 材料與方法

2.1. 反應(yīng)器、接種物和底物

管式厭氧反應(yīng)器由丙烯酸塑料構(gòu)建，尺寸為8厘米（直徑）×10厘米（寬度）。其有效容積為500毫升。一對石墨氈（GF）（φ=6厘米，電極距離3厘米，中國Chemshine Carbon Co.）被裝入?yún)捬醴磻?yīng)器形成電生物反應(yīng)器，如圖S1支持信息（SI）所示。將Ag/AgCl參比電極（相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極為+0.197 V）插入系統(tǒng)進(jìn)行電位測量。電極連接到穩(wěn)壓直流電源（PS-302D-2，深圳兆信電子有限公司，中國）；電流通過鈦絲控制。電輔助厭氧系統(tǒng)的輸出電壓用數(shù)字萬用表（VC9807At，VICTOR，中國）記錄。

厭氧反應(yīng)器接種從處理含吡啶廢水的3.4升實驗室規(guī)模生物反應(yīng)器取出的0.2升污泥?；旌弦簯腋」腆w的初始濃度為4.5克/升。合成廢水的組成如下：磷酸鹽緩沖液（7毫摩爾/升，pH=7.0）、MgSO4·7H2O（0.2克/升）、CaCl2（0.05克/升）和根據(jù)先前研究的痕量元素溶液SL-4（1毫升/升）。合成廢水通過蠕動泵連續(xù)送入?yún)捬醴磻?yīng)器底部，并經(jīng)過陽極然后陰極區(qū)。吡啶以所需濃度作為唯一碳源投加到厭氧反應(yīng)器。分析純吡啶（純度>99.9%）購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司（上海，中國）。厭氧反應(yīng)器的溫度在水浴中保持在35±2°C。

2.2. 反應(yīng)器操作

實驗期分為五個階段，每個階段的實驗條件總結(jié)于SI表S1。所有實驗均在厭氧反應(yīng)器中以連續(xù)模式進(jìn)行。在啟動期階段I，厭氧反應(yīng)器接種并連續(xù)投加含100毫克/升吡啶的合成廢水，水力停留時間（HRT）為72小時。電路開路，因此厭氧反應(yīng)器被視為對照系統(tǒng)。一旦反應(yīng)器中吡啶完全降解，其進(jìn)水濃度逐漸增加至300毫克/升，以評估高吡啶負(fù)荷率下的反應(yīng)器性能。當(dāng)反應(yīng)器性能達(dá)到穩(wěn)態(tài)（根據(jù)穩(wěn)定的吡啶和總有機碳（TOC）去除以及NH4-N形成判斷），電路閉合，電流逐漸增加至0.3毫安，同時連續(xù)投加含300毫克/升吡啶的合成廢水到厭氧反應(yīng)器，隨后18天在陽極和陰極形成生物膜。在階段II，研究進(jìn)水吡啶濃度在300-600毫克/升范圍內(nèi)對反應(yīng)器性能的影響，以吡啶去除和NH4-N形成為指標(biāo)，控制電流為0.3毫安，HRT為72小時。厭氧反應(yīng)器在每個吡啶濃度下至少運行6天以達(dá)到穩(wěn)定性能。對照實驗也在非生物電解系統(tǒng)中進(jìn)行，HRT為72小時，進(jìn)水吡啶濃度為300毫克/升，施加直流電為0.3毫安。在階段III，評估施加電流在0-0.4毫安范圍內(nèi)對吡啶去除的影響，進(jìn)水吡啶濃度為500毫克/升，隨后30天內(nèi)進(jìn)行。在階段IV，評估HRT對吡啶氧化的作用，施加電流為0.3毫安。在階段V，施加電流和HRT分別保持在0.3毫安和36小時，評估乙酸鈉投加量在0-15.8毫摩爾范圍內(nèi)的影響。