Substantial enhancement of anaerobic pyridine bio-mineralization by electrical stimulation

電刺激顯著增強厭氧吡啶生物礦化

來源：Water Research, Volume 130, 2018, Pages 291-299

《水研究》，第130卷，2018年，第291-299頁

 

摘要

摘要部分闡述了由于吡啶的高抗性和毒性，傳統厭氧生物過程通常受到低去除率和差 process 穩定性的限制。本研究開發了一個電輔助厭氧系統，以增強廢水中吡啶的生物降解。結果顯示，在施加0.3 mA直流電的情況下，厭氧反應器的性能和穩定性顯著提高，吡啶和總有機碳去除效率以及NH4-N形成率分別高達100.0%、96.1±1.2%和60.1±2.1%。電刺激導致的緊湊生物膜以及生物陽極中的微好氧環境可能促進厭氧反應器中的吡啶生物礦化。此外，與吡啶生物降解相關的物種（如Desulfovibrio、Dokdonella、Hydrogenophaga和Paracoccus）在陽極生物膜中富集，這可能是反應器性能更好的另一個原因。本研究證明電刺激是增強厭氧系統中吡啶去除的潛在替代方案。

 

研究目的

研究目的是開發一種電輔助厭氧系統，以增強吡啶的生物降解，解決傳統厭氧過程因吡啶的高抗性和毒性導致的低去除率和差穩定性的問題。具體目標包括調查關鍵因素對反應器性能的影響，探索生物陽極的微環境特性，以及闡明電刺激下微生物群落的變化。

 

研究思路

研究思路通過實驗室規模的管式厭氧反應器進行，反應器內填充石墨氈電極，施加直流電。實驗分為五個階段，分別改變 influent 吡啶濃度（100-600 mg/L）、施加電流（0-0.4 mA）、水力停留時間（HRT，24-72 h）和乙酸劑量（0-16 mM），以評估反應器性能。定期監測吡啶濃度、TOC、NH4-N等參數，使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察生物膜形態，通過丹麥Unisense微電極測量生物陽極中的氧濃度和pH剖面，并利用高通量測序技術分析微生物群落結構。通過統計分析和比較，確定電刺激對吡啶降解的增強機制。

 

測量的數據及研究意義

1 測量了吡啶降解效率、TOC去除效率和NH4-N形成效率，數據來自Fig. 1和Fig. 2。研究意義：這些數據顯示電刺激顯著提高了吡啶礦化率，在0.3 mA電流下達到近完全去除，證明電刺激能有效增強厭氧過程，為處理高毒性廢水提供新策略。

 

 

2 測量了生物膜形態通過SEM，數據來自Fig. 3。研究意義：電刺激導致生物膜更緊湊和分層，增強了微生物對吡啶毒性的抵抗力和生物膜穩定性，支持了反應器性能的改善。

 

3 測量了生物陽極中的氧濃度和pH剖面使用丹麥Unisense微電極，數據來自Fig. 4。研究意義：氧濃度在生物膜內部分布顯示微好氧環境（0.23 mg/L），pH變化表明NH4-N釋放和消耗，這促進了吡啶的好氧降解路徑，解釋了電刺激下降解效率提高的機制。

 

4 測量了微生物群落結構和多樣性通過高通量測序，數據來自Fig. 5。研究意義：電刺激富集了吡啶降解菌如Desulfovibrio、Dokdonella等，同時減少了群落多樣性，表明電刺激選擇性促進功能菌種，直接關聯到降解性能提升。

 

 

結論

1 電刺激顯著增強了厭氧吡啶生物礦化，在0.3 mA電流下實現高效去除，提高了反應器對高吡啶負荷和短HRT的耐受性。

2 電刺激促進了緊湊生物膜形成和生物陽極微好氧環境，這些物理和化學變化共同支持了吡啶降解微生物的活性和穩定性。

3 微生物群落分析顯示電刺激富集了關鍵吡啶降解菌種，如Desulfovibrio和Paracoccus，這些菌種的代謝活動是性能增強的主要生物原因。

4 經濟性分析表明電輔助系統操作成本低，能源消耗少，具有大規模應用的潛力，為處理工業含吡啶廢水提供了可行方案。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense微電極測量生物陽極中的氧濃度和pH剖面數據的研究意義在于提供了高分辨率的空間微環境信息，從而深入揭示電刺激下生物膜內部的化學梯度如何影響微生物代謝和吡啶降解。具體地，氧濃度測量顯示在生物膜深度0-1500μm范圍內，氧濃度從0.03 mg/L增加到0.23 mg/L，表明陽極表面產生了微好氧條件，這有利于吡啶的好氧降解路徑，因為吡啶在好氧條件下更易被氧化礦化。pH剖面顯示從生物膜表面到1600μm深度，pH從7.36上升到7.81，反映了NH4-N釋放（來自吡啶脫氮）的堿化效應，隨后pH下降至7.35，可能 due to 質子產生或氨去除過程，這些變化共同優化了微生物酶的活性。這些微環境數據直接解釋了電刺激如何通過創建微好氧區促進吡啶降解，并幫助理解微生物群落的空間分布和功能，為優化電生物系統提供了關鍵參數。此外，這種實時微測量技術增強了我們對厭氧反應器中電-生物耦合過程的理解，支持了未來反應器設計和操作策略的改進。