新型电导载体强化反硝化脱氮工艺构建及胞外电子传递-反硝化功能菌协作机制研究

Targetting at wastewater lack of carbon source and electron donor in the process of denitrification, a novel technology will be developed to strengthen denitrification by exploring efficient denitrifying bacteria, regulating the autotrophic denitrification and enhancing their functional contribution, and strengthening electron transfer and utilization efficiency to promote denitrification. In this project, new carrier material of tourmaline with spontaneous polarization will be used to build a biofilter reactor for denitrification enhancement. The research will focus on the regulation of autotrophic nitrogen in process of electron transfer, and interaction mechanisms of extracellular electron transfer bacteria and denitrifiers. A new dynamic model of denitrification will be established. The electrochemical properties of the electron transfer capability will be analyzed. Enrichment and construction of autotrophic denitrification and heterotrophic denitrification will be disclosed, and denitrification efficiency of different concentrations of organic carbon will be analyzed. The contribution of extracellular electron transfer to denitrification will be further calculated and evaluated. Based on the composition and structure analysis of electron transfer bacteria and denitrification bacteria in the system, the interactive mechanism between extracellular electron transfer bacteria and denitrifying bacteria will be revealed. And the possible pathway of electron transfer between functional bacteria and tourmaline surface will be put forward.

针对当前废水深度脱氮过程中碳源不足、电子供体缺乏的问题，从发掘高效反硝化菌、调控自养反硝化功能贡献、强化反硝化过程电子传递与利用效率的角度提升反硝化作用潜力，探索强化脱氮技术新思路。本项目利用具有自发电极特性的电气石载体构建新型强化反硝化工艺，重点研究基于胞外电子传递过程的自养脱氮强化路径调控，解析新型载体系统中形成的胞外电子传递-反硝化菌协作机制，建立新型强化脱氮反硝化动力学模型。研究将基于电化学分析电气石类新型载体的电子传递能力，进而富集并构建自养反硝化与异养反硝化混合功能体系，分析不同浓度碳源条件下的反硝化效率，计算新型载体的电子传递过程对氮素脱除贡献；解析系统内电子传递菌与脱氮菌组成与结构，揭示胞外电子传递菌与反硝化菌的协作机制，探讨微生物在电气石表面获得电子的途径。

针对当前废水深度脱氮过程中碳源不足、电子供体缺乏的问题，本研究采用具有导电特性的填料制备强化生物载体，利用胞外电子传递作用构建了新型生物载体强化脱氮工艺。研究结果主要包括：(1) 分析并表征了电气石颗粒的电化学活性，制备了电气石载体。采用电气石粒径为0.6-20μm，是具有自发极性的电偶极子，Fe、Mg元素原子数百分含量比为0.58。25℃时电气石水溶液Zeta电位为-34.4mV，带负电荷。通过细胞增殖实验表明，投加量为1g/L时体系活性污泥增殖率最大，比未添加的对照组增加了14.3%。电气石颗粒能够显著提高活性污泥中氨单加氧酶（AOM）、亚硝酸盐氧化还原酶（NOR）、硝酸盐还原酶（NAR）、亚硝酸盐还原酶（NIR）的相对活性，分别增加了24.3%、32.6%、26.1%和28.6%。（2）研究了低温（10℃-15℃）和常温（20℃±2℃）两个条件下电气石颗粒强化SBR反应器的脱氮效能和稳定性。电气石颗粒能够提高SBR反应器启动期的处理效能，缩短启动时间。低温条件下添加了电气石载体的强化组氨氮、硝氮、总氮的出水浓度均低于对照组，亚硝氮出水无显著差异。常温条件下，强化组出水氮素均低于对照组。研究结果表明电气石强化作用在一定程度上有益于反硝化处理系统的功能菌生长和效能增强。（3）进一步制备了电气石球形载体，构建了新型电气石载体强化生物脱氮工艺。通过电气石、粉煤灰和黏土的载体制备，虽然比电气石颗粒的电化学活性有所降低、电导阻力变大，但与同等条件下的陶粒载体相比，电气石载体是一种具有电化学活性和较小电导内阻的功能载体。稳定运行四个月，电气石强化组的TN出水浓度维持在16.87±0.33 mg/L，平均去除率为67.73%，较陶粒载体组高8.49%。经电气石强化的亚硝酸盐还原酶活性在35d、70d和110d分别提高了22%、32%和44%。进一步分析电气石强化工艺中微生物演替变化，红假单胞菌Rhodopseudomonas和硫杆菌Thiobaca是与电子传递及反硝化作用相关的菌群。电气石载体对系统功能菌群具有更加明显的定向富集和聚集作用，对系统脱氮效能强化菌群协作产生了重要促进影响。 . 本研究揭示了新型载体提升反硝化作用的潜力，将为发掘高效反硝化菌、调控自养反硝化功能贡献、强化反硝化过程的电子传递与利用效率提供前期研究支持，探索强化脱氮技术新思路。