近(jin)日，凈水(shui)小編(bian)(bian)了(le)解到，上海理工大(da)學劉洪波教授團隊(dui)在微(wei)生物弱電強化微(wei)碳(tan)源污水(shui)深度脫氮研究方面取得突(tu)破，2020年共有(you)3篇(pian)系列高(gao)水(shui)平論文成(cheng)果發表在Science of the Total Environment（IF：6.551）等國(guo)際知名期刊。為(wei)促進(jin)成(cheng)果分(fen)享交(jiao)流，小編(bian)(bian)邀請了(le)劉洪波教授團隊(dui)對(dui)成(cheng)果進(jin)行(xing)整(zheng)理。

研究背景

近年來，經濟(ji)快速發展(zhan)的(de)(de)(de)同時(shi)環境(jing)污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)染問題日益凸顯(xian)，水(shui)(shui)(shui)(shui)環境(jing)惡化(hua)。城(cheng)市污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)中含(han)有大量的(de)(de)(de)有機(ji)物(wu)(wu)和氮(dan)(dan)(dan)、磷等(deng)(deng)無機(ji)污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)染物(wu)(wu)，未(wei)經處(chu)(chu)理(li)(li)的(de)(de)(de)污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)排入環境(jing)中容易污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)染受納(na)環境(jing)，如黑臭水(shui)(shui)(shui)(shui)體形成、土壤(rang)及(ji)地(di)下水(shui)(shui)(shui)(shui)的(de)(de)(de)污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)染以(yi)及(ji)生(sheng)態失(shi)衡。生(sheng)物(wu)(wu)處(chu)(chu)理(li)(li)法(fa)無疑是各種(zhong)污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)(chu)理(li)(li)方(fang)法(fa)最(zui)為經濟(ji)有效(xiao)的(de)(de)(de)方(fang)法(fa)，而污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)(chu)理(li)(li)脫氮(dan)(dan)(dan)過(guo)程中碳源(yuan)不(bu)足已(yi)成為普遍的(de)(de)(de)現(xian)象，在(zai)碳源(yuan)不(bu)足的(de)(de)(de)條(tiao)件(jian)下，大多(duo)數(shu)污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)廠即使采用前置缺氧(yang)生(sheng)物(wu)(wu)強(qiang)化(hua)脫氮(dan)(dan)(dan)工藝，出水(shui)(shui)(shui)(shui)總氮(dan)(dan)(dan)仍然(ran)偏(pian)高，且主(zhu)要以(yi)硝酸(suan)鹽形式存在(zai)。在(zai)生(sheng)物(wu)(wu)污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)(chu)理(li)(li)中，除外(wai)加(jia)碳源(yuan)、對傳統污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)生(sheng)物(wu)(wu)處(chu)(chu)理(li)(li)工藝的(de)(de)(de)改(gai)進以(yi)及(ji)引(yin)進新工藝等(deng)(deng)方(fang)法(fa)應對污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)(chu)理(li)(li)碳源(yuan)不(bu)足的(de)(de)(de)問題外(wai)，電極固定化(hua)酶、MFC、MEC、BER 等(deng)(deng)多(duo)種(zhong)形式的(de)(de)(de)生(sheng)物(wu)(wu)電刺激方(fang)法(fa)逐步(bu)應用于(yu)低C/N 污(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)生(sheng)物(wu)(wu)反(fan)硝化(hua)處(chu)(chu)理(li)(li)以(yi)增強(qiang)微生(sheng)物(wu)(wu)代謝活性(xing)，提(ti)供自養反(fan)硝化(hua)脫氮(dan)(dan)(dan)電子供體等(deng)(deng)形式提(ti)升脫氮(dan)(dan)(dan)效(xiao)率(lv)。研(yan)究證明(ming)(ming)微生(sheng)物(wu)(wu)弱(ruo)電刺激能夠增強(qiang)微生(sheng)物(wu)(wu)代謝活性(xing)，但(dan)其作用機(ji)制目前尚不(bu)明(ming)(ming)確，許多(duo)科學問題亟待解決

其(qi)中幾個關(guan)鍵問(wen)題為(wei)：（1）由于(yu)微生(sheng)物(wu)(wu)弱(ruo)電(dian)(dian)(dian)(dian)產(chan)電(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)不(bu)穩(wen)定性，導致其(qi)在實際污廢(fei)水處理(li)(li)(li)應(ying)用上存在一(yi)定的(de)困難，如何(he)優(you)化微生(sheng)物(wu)(wu)電(dian)(dian)(dian)(dian)化學與(yu)傳統(tong)(tong)污水處理(li)(li)(li)系統(tong)(tong)的(de)結(jie)合方式？（2）如何(he)提(ti)升(sheng)微生(sheng)物(wu)(wu)電(dian)(dian)(dian)(dian)化學產(chan)電(dian)(dian)(dian)(dian)穩(wen)定性？其(qi)機理(li)(li)(li)機制是什么(me)？（3）微生(sheng)物(wu)(wu)電(dian)(dian)(dian)(dian)刺激(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)流強(qiang)度(du)與(yu)處理(li)(li)(li)效(xiao)(xiao)(xiao)果(guo)(guo)之間(jian)的(de)關(guan)系目前爭議(yi)較(jiao)大；（4）對弱(ruo)電(dian)(dian)(dian)(dian)刺激(ji)脫氮效(xiao)(xiao)(xiao)果(guo)(guo)的(de)現有(you)研究大多停留在去除效(xiao)(xiao)(xiao)果(guo)(guo)分析上，弱(ruo)電(dian)(dian)(dian)(dian)刺激(ji)如何(he)影響含(han)氮廢(fei)水的(de)處理(li)(li)(li)效(xiao)(xiao)(xiao)果(guo)(guo)？它(ta)的(de)具(ju)體作用途(tu)徑是什么(me)？（5）弱(ruo)電(dian)(dian)(dian)(dian)刺激(ji)對含(han)氮廢(fei)水中的(de)微生(sheng)物(wu)(wu)產(chan)生(sheng)了哪些具(ju)體的(de)影響？

針對(dui)以(yi)上問(wen)題，課題組對(dui)微生物(wu)弱(ruo)電應用(yong)于(yu)含氮廢水的(de)處理(li)進行了作用(yong)效(xiao)果與(yu)機理(li)方(fang)面的(de)研究，并將其與(yu)傳(chuan)統污水生物(wu)處理(li)工藝(yi)相結(jie)合，計劃為污水處理(li)提供微生物(wu)弱(ruo)電刺(ci)激方(fang)面的(de)技(ji)術支持。

主要研究內容

構(gou)建了(le)一種微生物(wu)電化(hua)學(xue)結合傳(chuan)統(tong)污(wu)水處理(li)方式(shi)的(de)耦合系統(tong)：ABR-MFC-MEC來處理(li)污(wu)廢水，系統(tong)地(di)研(yan)究了(le)ABR-MFC-MEC處理(li)污(wu)水的(de)工(gong)藝(yi)構(gou)型優化(hua)和快速啟動(dong)條件（電刺激(ji)電壓，進水基質(zhi)濃度，單室(shi)/雙(shuang)室(shi)MFC）。

通過(guo)合成氨(an)(an)基官能化的(de)(de)Fe3O4顆粒包覆的(de)(de)碳氈，構建微生物(wu)燃料電(dian)池(chi)（MFCs），并(bing)將其廢水處理性能與非官能化的(de)(de)Fe3O4進行比較，討(tao)論氨(an)(an)基官能化的(de)(de)Fe3O4涂層電(dian)極對(dui)MFC去除(chu)污染物(wu)的(de)(de)影響(xiang)并(bing)研究其作用機(ji)制。

研究不同(tong)電(dian)壓(ya)強(qiang)度(du)（0.1、0.2、0.4、0.6V）對微(wei)(wei)(wei)生(sheng)物(wu)弱電(dian)刺(ci)激脫(tuo)氮(dan)技術處理(li)污(wu)水效果(guo)的(de)影響，基(ji)于EPS三(san)維熒光(guang)(guang)光(guang)(guang)譜圖(tu)分(fen)(fen)(fen)(fen)析、試(shi)驗(yan)組(zu)和對照組(zu)門水平(ping)群落組(zu)成的(de)相(xiang)似性及(ji)差(cha)異性Heatmap 圖(tu)及(ji)微(wei)(wei)(wei)生(sheng)物(wu)種(zhong)(zhong)群OUT 水平(ping)序列(lie)聚(ju)類(lei)的(de)差(cha)異性圖(tu)與微(wei)(wei)(wei)生(sheng)物(wu)種(zhong)(zhong)群種(zhong)(zhong)水平(ping)豐度(du)百分(fen)(fen)(fen)(fen)比(bi)分(fen)(fen)(fen)(fen)析等技術方法，揭示了(le)微(wei)(wei)(wei)生(sheng)物(wu)弱電(dian)刺(ci)激下系統(tong)分(fen)(fen)(fen)(fen)子層面物(wu)質與微(wei)(wei)(wei)生(sheng)物(wu)優(you)勢菌群種(zhong)(zhong)類(lei)數(shu)量的(de)變化(hua)，從微(wei)(wei)(wei)生(sheng)物(wu)與分(fen)(fen)(fen)(fen)子角(jiao)度(du)分(fen)(fen)(fen)(fen)析微(wei)(wei)(wei)生(sheng)物(wu)弱電(dian)刺(ci)激強(qiang)化(hua)脫(tuo)氮(dan)的(de)具體實現路徑(jing)及(ji)作用(yong)機(ji)理(li)。

文章重點亮點簡介

1ABR-MFC-MEC系統的(de)快速(su)啟動(dong)課題組構建的(de)微生(sheng)物電(dian)化學耦(ou)合ABR系統的(de)啟動(dong)研究(jiu)(jiu)分(fen)為(wei)(wei)ABR的(de)啟動(dong)與MFC、MEC的(de)單獨啟動(dong)。研究(jiu)(jiu)表(biao)明(ming)，當進水(shui)CODMn濃度(du)為(wei)(wei)1 600 mg/L，去(qu)除率(lv)穩(wen)定為(wei)(wei)81.2%時可認為(wei)(wei)ABR單元(yuan)啟動(dong)成(cheng)功。保持pH值(zhi)在(zai)7.2~7.5對于快速(su)啟動(dong)的(de)成(cheng)功至關重要，課題組研究(jiu)(jiu)顯示將溫度(du)控(kong)制在(zai)32°C時可以提高COD去(qu)除率(lv)，且在(zai)啟動(dong)階段存在(zai)硝酸鹽(yan)時，ABR的(de)COD去(qu)除率(lv)下降。

當沼氣產(chan)量與底物降解(jie)穩定(ding)時(shi)可認為MEC啟動成(cheng)功(gong)。合(he)適的(de)電(dian)壓強度可以加(jia)速(su)(su)導電(dian)細菌在(zai)陽極表(biao)面的(de)富集并加(jia)速(su)(su)碳源消耗(hao)，從而(er)縮(suo)短啟動時(shi)間。

雙室(shi)MFC可快速消耗(hao)底物濃度，比單室(shi)MFC啟動速度快，且(qie)產電(dian)多于(yu)單室(shi)MFC。單雙室(shi)電(dian)化學系統各自啟動成功后(hou)與(yu)ABR池體聯(lian)合(he)運(yun)行，采用連續流(liu)進(jin)(jin)水方式處理不(bu)同(tong)COD負(fu)荷(he)(he)的(de)糞便污水。隨著進(jin)(jin)水負(fu)荷(he)(he)的(de)增加，單雙室(shi)耦(ou)合(he)系統的(de)COD去(qu)除(chu)率(lv)依舊(jiu)穩定在99.2％和98.9％，但(dan)NH4+-N去(qu)除(chu)率(lv)略(lve)有下(xia)降。比較聯(lian)合(he)運(yun)行后(hou)的(de)單雙室(shi)MFC，發現雙室(shi)系統可以保持較高的(de)輸(shu)出(chu)(chu)電(dian)壓。當進(jin)(jin)水CODMn為(wei)3000mg/L，其最高輸(shu)出(chu)(chu)電(dian)壓為(wei)（400.0±5.0） mV，并且(qie)可以保持15h穩定的(de)電(dian)力輸(shu)出(chu)(chu)后(hou)緩慢(man)下(xia)降。

2 氨基官能化的Fe3O4涂層電極對MFC去除污染物的影響及作用機理

課題組(zu)通過合成(cheng)涂(tu)有(you)氨(an)(an)基(ji)(ji)官(guan)能(neng)化Fe3O4顆粒(li)的(de)碳氈(zhan)，構(gou)建微生(sheng)物(wu)(wu)燃(ran)(ran)料電池(chi)（MFCs），可同時產生(sheng)微生(sheng)物(wu)(wu)能(neng)和提高污染物(wu)(wu)去除率(lv)。首先通過合成(cheng)氨(an)(an)基(ji)(ji)官(guan)能(neng)化的(de)Fe3O4涂(tu)層(ceng)電極，對(dui)氨(an)(an)基(ji)(ji)官(guan)能(neng)化的(de)Fe3O4涂(tu)層(ceng)電極和非氨(an)(an)基(ji)(ji)化Fe3O4涂(tu)層(ceng)電極進行表征。進而對(dui)微生(sheng)物(wu)(wu)燃(ran)(ran)料電池(chi)的(de)電化學(xue)性能(neng)，產電功率(lv)和廢水處理(li)效果進行對(dui)比分析，探討了氨(an)(an)基(ji)(ji)化對(dui)陽極電極處理(li)污水效果的(de)增(zeng)強(qiang)作用。

結(jie)果表(biao)明，氨(an)基(ji)-Fe3O4包覆的(de)陽(yang)極比Fe3O4包覆的(de)陽(yang)極具有更(geng)高(gao)的(de)NH4+-N去除(chu)效率(lv)，氨(an)基(ji)-Fe3O4陽(yang)極的(de)最大功率(lv)密度(du)可(ke)達(da)208.67mW /㎡ 。質子化氨(an)基(ji)NH4+的(de)存在可(ke)以快速建立細(xi)菌電(dian)(dian)極系統并促(cu)進(jin)電(dian)(dian)子轉移，有利于帶負電(dian)(dian)細(xi)菌的(de)附著，從(cong)而解釋了這一發現。

3 揭示不同強度微生物弱電刺激下系統的脫氮效果

 課題組提出了(le)一種(zhong)以微(wei)生物(wu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)輸(shu)出電(dian)壓為電(dian)源的生物(wu)弱(ruo)(ruo)電(dian)刺(ci)激技術來強(qiang)化(hua)反(fan)(fan)硝化(hua)效果，試(shi)驗(yan)發現弱(ruo)(ruo)電(dian)刺(ci)激電(dian)壓為0.1、0.2、0.4 和0.6 V時(shi)均(jun)有(you)利于強(qiang)化(hua)微(wei)生物(wu)反(fan)(fan)硝化(hua)脫氮(dan)，弱(ruo)(ruo)電(dian)刺(ci)激強(qiang)度偏低或偏高(gao)脫氮(dan)效率提升(sheng)幅度下降；其中，弱(ruo)(ruo)電(dian)刺(ci)激電(dian)壓0.2V時(shi)效果最佳。

4 弱電刺激作用影響具有電子轉移功能的芳香類蛋白質的含量

在最佳弱電刺(ci)(ci)激強度（0.2 V）下的(de)污泥EPS三維(wei)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)光(guang)(guang)譜(pu)圖中可(ke)(ke)以明(ming)顯(xian)看出，試驗組(zu)中三維(wei)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)光(guang)(guang)譜(pu)圖I 和II 區熒(ying)(ying)光(guang)(guang)強度和區域(yu)面(mian)積高(gao)于(yu)對照組(zu)。根(gen)據(ju)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)光(guang)(guang)譜(pu)分區可(ke)(ke)知I 和II 主要為芳(fang)(fang)香(xiang)蛋白質類(lei)(lei)物(wu)質，由此說明(ming)，弱電刺(ci)(ci)激有(you)(you)利(li)于(yu)提(ti)(ti)升微生物(wu)代謝，提(ti)(ti)高(gao)芳(fang)(fang)香(xiang)類(lei)(lei)蛋白質的(de)分泌。而先前的(de)研究(jiu)顯(xian)示，芳(fang)(fang)香(xiang)類(lei)(lei)氨基酸、蛋白質在微生物(wu)細(xi)胞(bao)(bao)間電子(zi)傳(chuan)遞尤其是(shi)長距離傳(chuan)遞中具有(you)(you)充當電子(zi)轉移中繼站的(de)作用(yong)。據(ju)此本(ben)研究(jiu)提(ti)(ti)出弱電刺(ci)(ci)激反硝化脫氮(dan)過(guo)程可(ke)(ke)通過(guo)促進微生物(wu)芳(fang)(fang)香(xiang)類(lei)(lei)蛋白質的(de)分泌的(de)形式增強微生物(wu)細(xi)胞(bao)(bao)之間的(de)電子(zi)傳(chuan)遞效(xiao)應，從而提(ti)(ti)高(gao)脫氮(dan)效(xiao)果。

5 弱電刺激作用下異養反硝化微生物比例下降，自養反硝化菌比例升高

試(shi)驗組和(he)對照組門水平群(qun)落組成的相似性(xing)(xing)及差異(yi)性(xing)(xing)Heatmap 圖(tu)可以發現試(shi)驗組和(he)對照組之(zhi)間顏(yan)色存在明顯的差異(yi)，說明微(wei)生物(wu)種(zhong)群(qun)在0.2 V 弱(ruo)電刺(ci)激作用下(xia)發生了改變。

采用Fisher 準確性檢驗的(de)(de)微生(sheng)(sheng)物(wu)種群OUT（Operational Taxonomic Units）水平序(xu)列聚類試驗組(zu)和對照組(zu)間的(de)(de)差異性，從中可(ke)以明顯地看出(chu)，弱電(dian)刺激對微生(sheng)(sheng)物(wu)種群結構產生(sheng)(sheng)了影響。

試驗組和對照組間的微(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)種(zhong)群種(zhong)水平豐度百分(fen)比(bi)，在弱(ruo)電刺激(ji)作用下(xia)(xia)，梭(suo)桿菌(jun)門（Sacibacteria）等異(yi)養(yang)型微(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)菌(jun)屬及互營型微(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)比(bi)例(li)總體呈(cheng)現(xian)下(xia)(xia)降(jiang)趨(qu)勢，而陶厄氏菌(jun)屬（Thauera）等自(zi)養(yang)型微(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)比(bi)例(li)總體呈(cheng)現(xian)上升趨(qu)勢。

從微生物角度證明了適當(dang)的(de)弱電刺激（本研究(jiu)中最(zui)佳(jia)效果(guo)為0.2V）可以增加(jia)含氮廢水中脫(tuo)氮優勢菌群的(de)數量，從而提高脫(tuo)氮效果(guo)。且自養型(xing)微生物比例(li)的(de)提升也有助(zhu)于處理碳源含量較低的(de)污廢水，相較于對照組，試驗組中更高含量的(de)COD 也印證了這一(yi)觀點。

[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

團隊簡介

劉(liu)洪波教授(shou)，從事市政污水(shui)處理與回用、固體廢棄物處理與資(zi)源化研究(jiu)；國(guo)(guo)(guo)際水(shui)協（IWA）青年(nian)委(wei)員會(hui)委(wei)員，上海市曙光學(xue)者，中(zhong)國(guo)(guo)(guo)創造學(xue)會(hui)理事，中(zhong)國(guo)(guo)(guo)城市衛生環境協會(hui)公廁委(wei)專(zhuan)家組成員，《工業水(shui)處理》、《凈水(shui)技術》等雜志青年(nian)編委(wei)。正在(zai)主(zhu)持(chi)或主(zhu)持(chi)完成了包括國(guo)(guo)(guo)家重點研發計劃、國(guo)(guo)(guo)家自然科學(xue)基金、比爾及梅琳達·蓋茨(ci)基金會(hui)創新項(xiang)目在(zai)內的國(guo)(guo)(guo)際、國(guo)(guo)(guo)家、省部級課(ke)題(ti)十(shi)余項(xiang)，發表高水(shui)平論文90 余篇，出版英文專(zhuan)著（章節）3本，授(shou)權發明專(zhuan)利10項(xiang)，主(zhu)編環保技術手冊一部（副主(zhu)編），環保白皮書咨詢報告一本（主(zhu)編），專(zhuan)著一本（共同主(zhu)編）。參編2項(xiang)國(guo)(guo)(guo)際標(biao)準，2 項(xiang)國(guo)(guo)(guo)家環保標(biao)準（規范）。

團隊(dui)所獲(huo)獎項(xiang)：（1）“比爾蓋(gai)茨(ci)”基金會(hui)“重(zhong)新發明廁所”全球遴選并獲(huo)批資助團隊(dui) （2014年）；（2）原國家(jia)旅(lv)游局(ju)第(di)一屆廁所創(chuang)新大賽“最(zui)佳理念”獎（2016年）；（3）60%以上的畢(bi)業研(yan)究(jiu)生會(hui)獲(huo)得(de)各(ge)級“優(you)秀(xiu)畢(bi)業生”，“優(you)秀(xiu)論(lun)文(wen)”，“優(you)秀(xiu)報(bao)告(gao)”等稱號。

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