电化学辅助增强厌氧氨氧化细菌及关键酶活性规律研究

Slow growth rate and long starting-up peirod have already bottlenecked the application of anammox process for nitrogen removal. However, some researches have demonstrated that bioelectrochemical technology could enhance the activity of microbes and accelerate their growth rate. In this reseach, we want to deeply explore the relationship between electrochemical effects and anammox bacteria activity and further investigate the electrochemical effects on the activity and conformation of the key enzymes of anammox bacteria. Moreover,the impacts of electrochemistry on the variations of microbial community attached on the electrodes will also be evaluated. Generally, we hope to find the key factor that could improve the activity or accelerate the growth rate of anammox bacteria and further promote its rapid application in industrial scales.

厌氧氨氧化细菌缓慢的生长速率、较长的启动周期已经成为制约其广泛应用的主要瓶颈。电化学作用能够提高微生物的代谢活性和加快其生长速率。本研究将电化学辅助作用与厌氧氨氧化工艺相结合，提出了针对高含氮废水的高效生物处理方法。主要研究内容包括电化学辅助强化-厌氧氨氧化反应体系的构建及脱氮性能评价；电化学辅助作用与厌氧氨氧化细菌反应活性、生长速率间的相互关系研究；在电化学辅助作用下附着在电极上的微生物群落的变化规律研究；电化学辅助作用对于厌氧氨氧化细菌关键酶构象和活性的影响规律研究。通过本研究，旨在获得增强厌氧氨氧化细菌活性或加快其生长速率的关键因素，从而缩短厌氧氨氧化反应器的启动周期，增强反应体系的脱氮性能。

首先，探讨外加静电场对厌氧氨氧化细菌活性的影响。序批实验发现电场强度为2 V/cm，电场作用时间为20 min可以增强细菌17.2%的活性。连续反应器实验发现，2 V/cm静电场连续24 h会对细菌的活性产生了明显的抑制。但是，该抑制作用可以完全恢复。当静电场强度为2V/cm，电场作用时间为18 h/day，静电场的连续作用时间和间歇时间分别9 h和3 h时，厌氧氨氧化工艺的脱氮效率提高39%。静电场的施加导致了厌氧氨氧化细菌的细胞结构出现了明显的不规则变化，会增加厌氧氨氧化小体内部的细胞色素c储存量。其次，将电极生物膜技术应用于厌氧氨氧化工艺，发现当工作电极与参比电极之间的电势差为0.08 V时，反应体系具有最佳的脱氮效率。在最佳的电极电势条件下运行118天后，脱氮效率提高27.2%。分析发现，三电极电化学体系中的厌氧氨氧化菌群的胞外聚合物分泌量增加了1.19倍；并且，胞外聚合物的PN/PS比例从0.43增加到了1.07，这种比例的改变不利于污泥颗粒化形成，促进了电极生物膜形成。随后，研究了RGO对于厌氧氨氧化细菌活性的影响。序批实验发现，100 mg/L的RGO的可增强17.2%的细菌活性，厌氧氨氧化细菌的HDH的反应速率最高提高了1.75倍。RGO能加速甚至能代替辅酶Q参与酶促反应。以活性污泥为种泥，100 mg/L RGO的添加能够将厌氧氨氧化反应器的启动周期缩短26.9%。FISH和16S rRNA拷贝数分析表明，RGO加速了厌氧氨氧化细菌的生长。而且，将改性的RGO/PPy电极应用于电极生物膜厌氧氨氧化工艺，脱氮效率提高了37.5%。TEM证明RGO能进入厌氧氨氧化细胞膜影响厌氧氨氧化进程。SEM发现，RGO还有助于厌氧氨氧化生物膜的形成；TEM显示，RGO和RGO/PPy电极都改变了厌氧氨氧化细菌的形态结构。最后，构建基于电极生物膜技术的厌氧氨氧化和自养反硝化耦合工艺。当电压为1.5 V时，耦合工艺实现了出水中硝酸盐的完全去除。当进水亚硝氮和氨氮比例为1.5时，耦合工艺的总氮去除效率高达99.1%，其中厌氧氨氧化细菌和反硝化细菌的贡献分别为79.4%和19.7%。