刘洪波团队：微生物 大作用 弱电强化助力污水深度脱氮

近日，净水小编了解到，上海理工大学刘洪波教授团队在微生物弱电强化微碳源污水深度脱氮研究方面取得突破，2020年共有3篇系列高水平论文成果发表在Science of the Total Environment（IF：6.551）等国际知名期刊。为促进成果分享交流，小编邀请了刘洪波教授团队对成果进行整理。

研究背景

近年来，经济快速发展的同时环境污染问题日益凸显，水环境恶化。城市污水中含有大量的有机物和氮、磷等无机污染物，未经处理的污水排入环境中容易污染受纳环境，如黑臭水体形成、土壤及地下水的污染以及生态失衡。生物处理法无疑是各种污水处理方法最为经济有效的方法，而污水处理脱氮过程中碳源不足已成为普遍的现象，在碳源不足的条件下，大多数污水厂即使采用前置缺氧生物强化脱氮工艺，出水总氮仍然偏高，且主要以硝酸盐形式存在。在生物污水处理中，除外加碳源、对传统污水生物处理工艺的改进以及引进新工艺等方法应对污水处理碳源不足的问题外，电极固定化酶、MFC、MEC、BER 等多种形式的生物电刺激方法逐步应用于低C/N 污水生物反硝化处理以增强微生物代谢活性，提供自养反硝化脱氮电子供体等形式提升脱氮效率。研究证明微生物弱电刺激能够增强微生物代谢活性，但其作用机制目前尚不明确，许多科学问题亟待解决

其中几个关键问题为：（1）由于微生物弱电产电的不稳定性，导致其在实际污废水处理应用上存在一定的困难，如何优化微生物电化学与传统污水处理系统的结合方式？（2）如何提升微生物电化学产电稳定性？其机理机制是什么？（3）微生物电刺激电流强度与处理效果之间的关系目前争议较大；（4）对弱电刺激脱氮效果的现有研究大多停留在去除效果分析上，弱电刺激如何影响含氮废水的处理效果？它的具体作用途径是什么？（5）弱电刺激对含氮废水中的微生物产生了哪些具体的影响？

针对以上问题，课题组对微生物弱电应用于含氮废水的处理进行了作用效果与机理方面的研究，并将其与传统污水生物处理工艺相结合，计划为污水处理提供微生物弱电刺激方面的技术支持。

主要研究内容

构建了一种微生物电化学结合传统污水处理方式的耦合系统：ABR-MFC-MEC来处理污废水，系统地研究了ABR-MFC-MEC处理污水的工艺构型优化和快速启动条件（电刺激电压，进水基质浓度，单室/双室MFC）。

通过合成氨基官能化的Fe₃O₄颗粒包覆的碳毡，构建微生物燃料电池（MFCs），并将其废水处理性能与非官能化的Fe₃O₄进行比较，讨论氨基官能化的Fe₃O₄涂层电极对MFC去除污染物的影响并研究其作用机制。

研究不同电压强度（0.1、0.2、0.4、0.6V）对微生物弱电刺激脱氮技术处理污水效果的影响，基于EPS三维荧光光谱图分析、试验组和对照组门水平群落组成的相似性及差异性Heatmap 图及微生物种群OUT 水平序列聚类的差异性图与微生物种群种水平丰度百分比分析等技术方法，揭示了微生物弱电刺激下系统分子层面物质与微生物优势菌群种类数量的变化，从微生物与分子角度分析微生物弱电刺激强化脱氮的具体实现路径及作用机理。

文章重点亮点简介

1ABR-MFC-MEC系统的快速启动课题组构建的微生物电化学耦合ABR系统的启动研究分为ABR的启动与MFC、MEC的单独启动。研究表明，当进水CODMn浓度为1 600 mg/L，去除率稳定为81.2%时可认为ABR单元启动成功。保持pH值在7.2~7.5对于快速启动的成功至关重要，课题组研究显示将温度控制在32°C时可以提高COD去除率，且在启动阶段存在硝酸盐时，ABR的COD去除率下降。

当沼气产量与底物降解稳定时可认为MEC启动成功。合适的电压强度可以加速导电细菌在阳极表面的富集并加速碳源消耗，从而缩短启动时间。

双室MFC可快速消耗底物浓度，比单室MFC启动速度快，且产电多于单室MFC。单双室电化学系统各自启动成功后与ABR池体联合运行，采用连续流进水方式处理不同COD负荷的粪便污水。随着进水负荷的增加，单双室耦合系统的COD去除率依旧稳定在99.2％和98.9％，但NH4+-N去除率略有下降。比较联合运行后的单双室MFC，发现双室系统可以保持较高的输出电压。当进水CODMn为3000mg/L，其最高输出电压为（400.0±5.0） mV，并且可以保持15h稳定的电力输出后缓慢下降。

2 氨基官能化的Fe₃O₄涂层电极对MFC去除污染物的影响及作用机理

课题组通过合成涂有氨基官能化Fe₃O₄颗粒的碳毡，构建微生物燃料电池（MFCs），可同时产生微生物能和提高污染物去除率。首先通过合成氨基官能化的Fe3O4涂层电极，对氨基官能化的Fe3O4涂层电极和非氨基化Fe3O4涂层电极进行表征。进而对微生物燃料电池的电化学性能，产电功率和废水处理效果进行对比分析，探讨了氨基化对阳极电极处理污水效果的增强作用。

结果表明，氨基-Fe₃O₄包覆的阳极比Fe₃O₄包覆的阳极具有更高的NH₄⁺-N去除效率，氨基-Fe₃O₄阳极的最大功率密度可达208.67mW /㎡ 。质子化氨基NH₄⁺的存在可以快速建立细菌电极系统并促进电子转移，有利于带负电细菌的附着，从而解释了这一发现。

3 揭示不同强度微生物弱电刺激下系统的脱氮效果

课题组提出了一种以微生物燃料电池输出电压为电源的生物弱电刺激技术来强化反硝化效果，试验发现弱电刺激电压为0.1、0.2、0.4 和0.6 V时均有利于强化微生物反硝化脱氮，弱电刺激强度偏低或偏高脱氮效率提升幅度下降；其中，弱电刺激电压0.2V时效果最佳。

4 弱电刺激作用影响具有电子转移功能的芳香类蛋白质的含量

在最佳弱电刺激强度（0.2 V）下的污泥EPS三维荧光光谱图中可以明显看出，试验组中三维荧光光谱图I 和II 区荧光强度和区域面积高于对照组。根据荧光光谱分区可知I 和II 主要为芳香蛋白质类物质，由此说明，弱电刺激有利于提升微生物代谢，提高芳香类蛋白质的分泌。而先前的研究显示，芳香类氨基酸、蛋白质在微生物细胞间电子传递尤其是长距离传递中具有充当电子转移中继站的作用。据此本研究提出弱电刺激反硝化脱氮过程可通过促进微生物芳香类蛋白质的分泌的形式增强微生物细胞之间的电子传递效应，从而提高脱氮效果。

5 弱电刺激作用下异养反硝化微生物比例下降，自养反硝化菌比例升高

试验组和对照组门水平群落组成的相似性及差异性Heatmap 图可以发现试验组和对照组之间颜色存在明显的差异，说明微生物种群在0.2 V 弱电刺激作用下发生了改变。

采用Fisher 准确性检验的微生物种群OUT（Operational Taxonomic Units）水平序列聚类试验组和对照组间的差异性，从中可以明显地看出，弱电刺激对微生物种群结构产生了影响。

试验组和对照组间的微生物种群种水平丰度百分比，在弱电刺激作用下，梭杆菌门（Sacibacteria）等异养型微生物菌属及互营型微生物比例总体呈现下降趋势，而陶厄氏菌属（Thauera）等自养型微生物比例总体呈现上升趋势。

从微生物角度证明了适当的弱电刺激（本研究中最佳效果为0.2V）可以增加含氮废水中脱氮优势菌群的数量，从而提高脱氮效果。且自养型微生物比例的提升也有助于处理碳源含量较低的污废水，相较于对照组，试验组中更高含量的COD 也印证了这一观点。

[1] Hongbo Liu， Yicheng Lv， Suyun Xu， Zhongbing Chen， Eric Lichtfouse. Configuration and rapid start-up of a novel combined microbialelectrolytic process treating fecal sewage.Science of the Total Environment, 2020,705

[2] Hongbo Liu，Yi Zhang，Yanhong Zhou a，Zhongbing Chen b，Eric Lichtfouse. Self-provided microbial electricity enhanced wastewater treatment using carbon feltanode coated with amino-functionalized Fe3O4. 2020,33

[3] Hongbo Liu, Feiyu Ouyang, Zihua Chen, Zhongbing Chen, Eric Lichtfouse. Weak Electricity Stimulates Biological Nitrate Removal of Wastewater: Hypothesis and First Evidences.Science of the Total Environment, 2020,Available online

团队简介

刘洪波教授，从事市政污水处理与回用、固体废弃物处理与资源化研究；国际水协（IWA）青年委员会委员，上海市曙光学者，中国创造学会理事，中国城市卫生环境协会公厕委专家组成员，《工业水处理》、《净水技术》等杂志青年编委。正在主持或主持完成了包括国家重点研发计划、国家自然科学基金、比尔及梅琳达·盖茨基金会创新项目在内的国际、国家、省部级课题十余项，发表高水平论文90 余篇，出版英文专著（章节）3本，授权发明专利10项，主编环保技术手册一部（副主编），环保白皮书咨询报告一本（主编），专著一本（共同主编）。参编2项国际标准，2 项国家环保标准（规范）。

团队所获奖项：（1）“比尔盖茨”基金会“重新发明厕所”全球遴选并获批资助团队 （2014年）；（2）原国家旅游局第一届厕所创新大赛“最佳理念”奖（2016年）；（3）60%以上的毕业研究生会获得各级“优秀毕业生”，“优秀论文”，“优秀报告”等称号。