生物电化学强化的富营养化水体污染物原位去除机理研究

With the rapid development of modern industry, agriculture, increasing amount of nitrogen and phosphorus pollutants excessively discharged to water bodies, causing the eutrophication of water bodies, and directly threatening human health and ecological security. For efficient in situ pollutants removal in Eutrophic water, this study build a algae-bioelectrochemical coupled processing system to combine in situ removal of contaminants and synchronization recovery of resource together based on a novel wastewater treatment technology - the biological electrochemical system (BES). This system can convert the chemical energy in Eutrophic water into electrical energy and generate an electric field between the anode and cathode, promoting the directional migration and enrichment of nitrogen and phosphorus pollutants in the system. The synergistic metabolism of cathode microbial and algae achieve the effective removal of pollutants. The key work in this research is the regulation and control of the coupling biological and electrochemical system. The main contents include the operation and regulation of the system, the development and examine of key materials, the coupling and enhanced removal mechanism of pollutants, optimization of the operating parameters in the system, and establishment of the directional-control strategy, analysis of the succession patterns of the key microbial community coupling the community analysis and regulation of niche. This research will provide a new process and technology base for the removal of the Eutrophic water pollutants and in situ resource recovery.

随着现代工业、农业的快速发展，越来越多的氮、磷污染物过度排放水体中，造成水体的富营养化，并直接危害到人类健康和生态安全。为实现富营养化水体中污染物的原位、高效去除，本研究结合近年来新兴的废水处理技术——生物电化学处理技术（BES），构建了集污染物原位去除及资源同步回收的藻类-生物电化学耦合处理系统。该系统可将富营养化水体中的化学能转化为电能，并在阴阳极间产生电场，推动水体中的氮、磷污染物定向迁移，并加速富集到该系统中，利用阴极微生物和藻类的协同代谢作用，实现污染物的有效去除。本项目以生物学和电化学的耦合调控为核心，围绕着系统构建、关键材料研发、污染物耦合及强化去除机制开展研究，优化系统运行参数，建立定向的调控策略，结合群落分析和生态位调控，解析系统内关键菌群的演替规律，为富营养化水体中污染物的原位去除及资源化回收提供新的处理工艺和技术基础。

近年来，我国的水域环境富营养化已经成为了我国水污染防治的核心问题之一。其中，氮、磷等污染物是控制水体富营养化的关键因子，整体性预防和降低水体中的氮、磷含量是控制水体富营养化的关键途径。为实现富营养化水体中氮、磷等污染物的原位、高效去除，本项目利用生物电化学系统产生的电场，构建了集污染物原位去除及资源同步回收的藻类-生物电化学耦合处理系统。在耦合系统设计、关键材料研发和耦合机制调控等方面以及在藻类—生物电化学耦合系统设计和构型开发、系统群落结构分析、污染物梯级转化和资源化利用等方面取得了相应的研究成果。通过COMSOL软件模拟，建立并优化了系统构型，表明电极间距的合理减小有利于提高原位电场强度和污染物去除效率；利用产电微生物对有机污染物的代谢作用，实现了污水中有机物的资源化利用，系统最大输出功率基于阴极截面积为450mW/m2。随后在阴极室中，利用小球藻类对氮、磷的同化吸收作用，最终实现了富营养化水体中氮磷污染物的原位定向转化和资源梯级利用；通过改变外电路电阻、外加电压强化、以及阴阳极连接内置钛网等措施对电场强度、电场分布及耦合系统结构进行优化，发现电极连接内置钛网有效调节了系统中原位电场的强度，使电场线集中于离子交换膜隔室，从而获得最佳富营养化水体效率。通过在阴阳极室中内置钛网并与相应电极连接调控系统内部电场，在停留时间为12 h外电阻10Ω时，系统对富营养化水体氨氮、硝氮和磷的去除率分别为96.2%、90.2%和89.3%。通过对微生物群落进行对比分析，阐明了系统各隔室中污染物的生物转化规律。通过施加外源菌剂，调节功能菌群的丰度，实现了含氮污染物的高效降解；本研究通过藻类—生物电化学耦合系统设计和构型优化，实现了富营养化水体和污水中能量提取和污染物的高效去除，这为解决富营养化水体污染物的原位去除难题提供新思路，积累了基础研究数据，也为实际应用奠定了基础。