嵌入微生物燃料电池强化A2/O工艺生物脱氮除磷效率的机理研究

Developing the economical biological nitrogen and phosphorus removal technology with high efficiency has become the research emphasis in current sewage treatment area. In order to solve the problems within the A2/O process including the substrates competition, difficulty of removing total nitrogen and phosphorus both and high energy consumption, the applicant has done the primary study on embedding the continuous flowing membraneless biocathode microbial fuel cell (MFC) into A2/O process, which can enhance the biological nitrogen and phosphorus removal efficiency and produce electricity simultaneously. Then, for clarifying its mechanism, this project plans to use PCR-DGGE combined with two-dimensional polyacrylamide gel electrophoresis to investigate the changes of the functional microorganisms in A2/O process, which result from the embedment of MFC, and the correlation between the changes and the electricity producing processes will be illustrated accordingly. The main microorganism species in A2/O process influenced by power generation will also be studied by utilizing the conventional microbiological diagnosis coupled with bioinformatics method. Moreover, the physiological characteristics of microorganisms concerning nitrogen and phosphorus removal in A2/O process with and without embedding MFC will be analyzed. Through the researches above, the mechanism of embedding MFC into A2/O process to enhance its biological nitrogen and phosphorus removal efficiency could be revealed, which may establish the theoretical foundation of applying MFC to resolve the wastewater treatment and energy shortage problem.

开发经济、高效的生物脱氮除磷技术已成为当前污水处理领域的研究重点。针对目前A2/O工艺存在的基质竞争、总氮总磷难于同时去除以及高能耗问题，申请人在前期开展了将连续流无膜生物阴极微生物燃料电池（MFC）嵌入A2/O工艺，在强化其脱氮除磷效率的同时产生电能的初步研究。为明确其机理，本项目拟采用PCR-DGGE结合蛋白质双向电泳方法，从基因、蛋白水平研究A2/O工艺中的脱氮除磷功能微生物在嵌入MFC条件下发生的变化，阐明其与产电过程的相互关系；运用传统微生物培养技术结合生物信息学方法研究MFC产电过程对反应器中各主要类群微生物的动态影响；并深入探讨MFC嵌入对反应器中与脱氮除磷过程相关的微生物生理特性的影响。从而揭示嵌入MFC强化A2/O工艺生物脱氮除磷效率的作用机制，为应用MFC解决城市污水处理问题以及我国能源紧缺问题建立一定的理论基础。

开发经济、高效的生物脱氮除磷技术已成为当前污水处理领域的研究重点。针对目前传统的A2/O脱氮除磷工艺普遍存在的基质竞争、总氮总磷难于同时去除以及高能耗问题，本项目首先开展了将连续流无膜生物阴极微生物燃料电池（MFC）嵌入A2/O工艺，在强化其脱氮除磷效率的同时产生电能的预研究，确定其可行性，运用灰色关联度的方法研究了反应器输出电压、污染物的去除与外部环境条件包括温度、污泥浓度以及进水污染物浓度等之间的关系，并对反应器的运行参数进行了优化；随后，为明确其机理，本项目采用PCR-DGGE结合高通量测序技术、传统微生物培养技术结合生物信息学的方法，从基因水平研究了A2/O工艺缺氧区中的主要功能微生物在嵌入MFC条件下，其种类、数量以及微生物群落结构等所发生的变化，阐明其与产电过程的相互关系，以及嵌入MFC对A2/O反应器缺氧池中反硝化菌的影响以及反硝化菌的产电特性研究。研究结果表明：1）将MFC嵌入A2/O工艺后对污水有机物、总氮和总磷的去除均有一定的促进作用，分别可以将出水指标平均提高15.93%、9.25%和1.35%，验证了将MFC嵌入A2/O污水处理工艺以提高污染物去除率的可行性。2）在A2/O反应器内嵌入MFC后，缺氧区内反硝化和聚磷菌数量显著增加；DGGE与Miseq测序结果均表明，MFC产电能使反应器缺氧区微生物群落结构发生一定的变化：悬浮液中，具有反硝化功能的Thauera（陶厄氏菌属）由加入MFC产电前SO阶段的6.68%上升到MFC产电后PV阶段的12.56%，反硝化细菌Emticicia在加入MFC之前几乎不存在，而加入MFC产电后，在RV和PV阶段中分别占了3.31%和2.81%；另外，具有反硝化功能的Rheinheimera等在阴极板上大量富集，接收阳极传递过来的电子，参与产电。3）对缺氧区反硝化菌进行了分离纯化培养，得到8种优势脱氮菌，与高通量测序结果中显示的优势菌一致，以其中Pseudomonas aeruginosa为阴极产电菌构建生物阴极MFC，证明该菌可以产生电子中介体，用于电子的转移，从而获得电能，当外阻2000Ω时，最高输出电压为221.7mV，脱氮效率为58%。本研究揭示了嵌入MFC强化A2/O工艺生物脱氮除磷效率的作用机制，为应用MFC解决城市污水处理问题以及我国能源紧缺问题建立一定的理论基础。