基于生物电化学系统的氨氧化与反硝化偶联脱氮研究

Based on serious impact of ammonia on the aquatic environment, the total discharge of ammonia nitrogen has been included in the 12th Five-binding emission targets. It has been noted that electron donor is so little in ammonia wastewater with low C/N that complete denitrification is difficult. Bio-electrochemical system (BES), providing an effective mean of coupling anode ammonia oxidation with cathodic denitrification, can achieve complete biological nitrogen removal of ammonia wastewater with low C/N. In this project, a microbial electrolysis cell (MEC) as a kind of BES is established on the basis of the results of preliminary studies. Generation, transmission and reception of electron, reaction intermediates and metabolites are investigated by anode ammonia oxidation, cathodic denitrification and coupling reaction in the bio-electrochemical process, for clarifying the mechanism of bioelectrochemical denitrification coupling ammonia oxidation and denitrification and the key limiting factor. On this basis, we will build an ammonia oxidation and denitrification coupled denitrification system with ammonia as the substrate for auxiliary providing energy (electron) in bio-anode chamber and nitrite or/and nitrate as the electron acceptor in bio-cathode chamber, achieving the simultaneous removal of ammonia nitrogen and total nitrogen. Through this project, the inherent nature of the bio-electrochemical coupled ammonia oxidation and denitrification will be revealed, which can provide a scientific basis for the industrial application of bio-electrochemical coupled denitrification.

基于氨氮对水环境严重影响，国家已将其列入"十二五"约束性排放指标。大量低C/N氨氮废水缺乏电子供体，难于完全脱氮。生物电化学系统提供了一条阳极氨氧化偶联阴极反硝化的有效途径，是实现低C/N氨氮废水完全生物脱氮的重要方向。本项目拟在前期研究结果的基础上，建立基于生物电解池（microbial electrolysis cell，MEC）的生物电化学系统，通过阳极氨氧化、阴极反硝化、以及二者偶联的生物电化学过程，对其电子的产生、传递与接收，反应中间体及代谢产物等进行深入分析，阐明氨氧化与反硝化偶联脱氮的生物电化学机制及关键的限制因子。在此基础上，建立生物阳极以氨氮作为底物辅助提供能量（电子），以生物阴极亚硝酸盐（硝酸盐）为电子受体的氨氧化与反硝化偶联脱氮体系，实现氨氮与总氮的同时去除。通过本项目的研究，揭示生物电化学偶联氨氧化与反硝化的内在本质，为生物电化学偶联脱氮工业化应用提供科学依据。

针对低C/N氨氮废水生物脱氮的难题，本项基金基于生物电化学原理，通过构建不同的生物电化学系统，研究了阳极氨氧化过程、阴极反硝化过程、阳极氨氧化偶联反硝化及其电子传递机制，系统内优势微生物种群与代谢途径的关系，以此揭示BESs系统内氨氧化偶联反硝化的机制，为生物电化学系统脱氮应用奠定基础。研究结果表明，氨氮作为电子供体，氨氧化不仅可偶联反硝化脱氮，也能够通过阴极产氢的方式回收能源；电子供体或受体的多寡影响硝酸盐还原过程—反硝化/DNRA途径的选择。在研究过程中发现，不同生物电化学系统以及不同的有机碳条件下，均出现阳极氨氧化过程中伴随着同时反硝化现象，进一步分析了其中的优势微生物种群及其系统的电化学特征，得出在完全自养条件下，优势菌群主要为自养的氨氧化菌群（Nitrosomonas sp.）以及适应寡营养环境的反硝化菌群（Stenotrophomonas sp., Paracoccus sp.）构成，而在有机碳存在下，则以能够同时异养硝化/反硝化的陶厄氏菌群（Thauera sp.）为核心。阳极碳毡在氨氧化偶联反硝化过程中扮演着电子传递体的关键角色，反硝化途径获取了阳极的大量电子，使得传递到外电路的电流强度以及库伦效率都大幅下降，同时也降低生物电化学系统的能量输入。针对传统单室MFC气体扩散阴极材料选择以及构建繁琐的弊端，本项基金研制了新型的部分阴极暴露于空气的新型MFC脱氮系统，在对系统设计以及脱碳、脱氮的相关运行参数优化基础上、采用小区生活污水进行了长周期的运行，取得了稳定的COD、氨氮和总氮的高的去除效果。本项基金取得的成果不仅揭示了生物电化学系统内的氨氧化偶联反硝化的电子传递及其微生物种群的关系，而且通过对新型BESs系统的优化，实现了对实际的生活污水的同时脱碳、脱氮处理，具有商业化应用的巨大潜力。