重庆交通大学陈垚教授团队：结合三维生物膜电极系统的新型生态浮床强化氮磷去除
第一作者：吴清宇
通讯作者：陈垚
通讯单位：重庆交通大学河海学院
图片摘要
成果简介
近日，重庆交通大学河海学院陈垚教授团队在环境领域著名学术期刊Journal of Environmental Management上发表了题为“Enhanced nitrogen and phosphorus removal by a novel ecological floating bed integrated with three-dimensional biofilm electrode system”的论文。论文研究了新型电化学强化生态浮床（EC-EFB）对含氮污染物，磷污染物和有机污染物的去除性能，考察了不同的电流密度（0.51 mA/cm2, 1.01 mA/cm2 和2.02 mA/cm2）和每日电解时间（6 h, 12 h 和24 h）对EC-EFB除污性能的影响，并分析了浮床植物以及填料表面生物膜对电场的响应，推断了EC-EFB可能的增强除污机理。
引言
生态浮床技术作为有效的水体净化技术之一，近年来受到广泛关注。然而以往的研究表明，水体中污染物的胁迫会导致浮床植物活性下降并影响其除污效果；同时，随着时间的推移，浮床填料逐渐吸附饱和，或由于水体理化性质的改变使其向外界释放污染物，导致浮床反而成为水体污染的来源。因此，如何提高传统生态浮床技术的脱氮除磷性能并增强其稳定性是一个值得思考的问题。
在这项研究中，我们构建了传统生态浮床（T-EFB）和电化学强化型生态浮床（EC-EFB），使用模拟富营养化水体考察两种浮床的除污效果，并评估了电流密度以及每日电解时间对EC-EFB除污性能的影响，分析了浮床植物以及填料表面生物膜对电场的响应，推断了EC-EFB可能的增强除污机理。
图文导读
如图1(a)所示，在微生物的驯化阶段前期，沸石上的微生物数量相对较低，这可能和沸石与微生物之间的静电排斥效应有关。而施加电场后的微生物附着数量明显提高，到第24 d，EC-EFB （J-1）沸石表面附着的微生物数量达到了3.63 × 106 CFU/g，显著高于T-EFB。说明施加电场可能提高了沸石的电吸附性能，从而有利于微生物的附着。
胞外聚合物（EPS）在生物膜的形成中起着至关重要的作用。如图1(b)所示，EPS含量呈先上升后下降的趋势，这可能是由于驯化用水中的葡萄糖浓度降低，导致细菌提高了EPS作为营养来源的比例所致。但从16 d开始，EPS含量急剧下降。其原因可能是：（1）电场的抑制作用使微生物的EPS分泌减慢或停止；（2）适应通电环境的部分微生物在电场的刺激下代谢加强，在碳源相对缺乏的条件下加速了对EPS的消耗。第20 d后，部分适应电场的微生物数量逐渐增加，EPS分泌增多，蛋白质和多糖含量也有所提高。
图1 (a)微生物驯化阶段填料表面负载的微生物数量，(b) 微生物驯化阶段填料表面生物膜中的EPS含量
如图2(a)所示，由于沸石对NH4+-N优异的吸附性能以及电化学的直接/间接氧化作用，运行3 d后，EC-EFB （J-1）和EC-EFB （J-2）组中的NH4+-N基本被去除。而EC-EFB （J-3）组去除NH4+-N的效果较差，可能是由于：（1）较大的电流导致植物组织受损后被微生物分解释放出NH4+-N；（2）电刺激对硝酸盐同化还原过程的促进作用。同时，如图2b-c所示，EC-EFB在去除NO3--N和TN方面均优于T-EFB，原因可能和EC-EFB的自养和异养反硝化作用增强有关。
磷污染物含量是判断水体富营养化程度的重要指标之一。因此，本研究考察了T-EFB和EC-EFB对TP的去除效率。如图2(d)所示，EC-EFB在TP去除方面明显优于T-EFB。对于T-EFB, TP浓度在24 h内迅速下降，几天后逐渐上升至0.30 mg/L。此外，结果显示，提高电流密度有利于EC-EFB除磷性能的提升。
图2 电流密度对EC-EFB的(a)NH4+-N, (b) NO3--N, (c) TN和(d) TP去除效果的影响
图3(a-c)显示了每日电解时间对EC-EFB脱氮的影响。第6 d时，T-EFB和EC-EFB中的NH4+-N几乎被完全去除。同时，可能受实验时的温度影响，T-EFB的脱氮性能相比于上一阶段明显下降。对于EC-EFB, NO3--N和TN去除效果随每日电解时间的不同而呈现波动变化。
如图3(d)所示，T-EFB和EC-EFB均能够在24 h内有效去除TP。但TP的浓度在随后的几天中均会逐渐升高，特别是在T-EFB中，其TP浓度在第7 d时已接近初始值（0.50 mg/L）。而对于EC-EFB，延长每日电解时间可以显著改善磷的浸出。综上，可以看出，EC-EFB中TP的去除过程很可能与电化学过程有关。
图3 每日电解时间对EC-EFB的(a)NH4+-N, (b) NO3--N, (c) TN和(d) TP去除效果的影响
为进一步阐明EC-EFB的除污机理，我们设计了一系列吸附实验。结果显示，NH4+-N可通过填料的吸附过程得到快速去除，但是对于NO3--N、TP以及COD的去除效果较差。然而在施加电场后，NH4+-N以及TP的去除则均有显著的提高，其24h的去除率分别从73.21%和2.01%提升至94.74%以及35.68%。NH4+-N去除性能的提升很可能和电化学过程的直接/间接氧化有关。而对于TP而言，如图4(c)所示，在施加电场后（EC-Filler），NO3--N的去除率没有明显提升，因此我们推测电吸附可能不是提高TP去除的主要原因。从之前的实验结果可以看出，在第1 d后，无论是T-EFB还是EC-EFB，其水体中的NO3--N浓度均会逐渐升高，说明水体中的溶解氧浓度的升高可能导致吸附在填料表面的NH4+-N通过硝化过程生成了NO3--N，而这一过程也导致了该反应周围的水体pH值的下降，从而影响了水体中磷的存在形态，也因此导致了T-EFB中磷的不断浸出。而对于EC-EFB而言，由于电解过程中的析氢反应，OH- 能在阴极不断产生，从而能够与水体中的H2PO4-和HPO42-结合生成PO43-，并进一步和水体中通过离子交换过程析出的Ca2+与Mg2+结合形成Ca3(PO4)2、Mg3(PO4)2以及Ca5OH(PO4)3沉淀，完成EC-EFB中总磷的去除。
图4 (a)填料直接吸附和(c) EC-Filler过程在24h内的污染物去除效率，以及相应的反应动力学(b)和(d)
实验还测定了T-EFB 和EC-EFB中的植物生理生化指标。结果显示，T-EFB植物叶片中的超氧化物歧化酶（SOD）活性以及丙二醛（MDA）含量均较高，这可能和水体中高浓度污染物的胁迫有关，而通过适当的电解（0.51 mA/cm2, 24 h），浮床植物叶片中的SOD活性以及MDA含量均有明显下降，这表明适当的电解有利于缓解水体中污染物对植物的胁迫并提高植物的活性。然而，EC-EFB植物叶片中的叶绿素含量均有所下降，其中EC-EFB（J-3）组中的植物叶绿素含量最低，表明过大的电流反而对植物的生长造成了明显的影响。此外，如图5(d)所示，EC-EFB（J-1）植物叶片中的蛋白质含量明显多于其余组别，这表明EC-EFB（J-1）中的植物可能具有更高的生理活性。植物叶片含糖量的测定结果显示，EC-EFB（J-2）和EC-EFB（J-3）中的植物叶片可溶性糖含量显著高于T-EFB和EC-EFB（J-1）组，而T-EFB和EC-EFB（J-1）组之间区别不大。此外，如图5(f)所示，T-EFB中的植物根系活力明显高于EC-EFB组，且电流密度越大，根系活力越低，表明长时间的电解对植物根系造成了负面影响。
图5 Cyperus alternifolius L.在T-EFB和EC-EFB中的生理指标
微生物群落分析结果表明，随着电流密度提高，Proteobacteria、Bacteroidota以及Firmicutes三种细菌所占比例逐渐增大。而Actinobacteriota和Chloroflexi对电场的适应能力较差，其随电流密度的增大，相对丰度均呈下降趋势。而降低电流大小后，Actinobacteriota和Proteobacteria重新成为了优势菌门。此外，EC-EFB中的Bacteroidota、Chloroflexi以及Patescibacteria的相对丰度均高于T-EFB组，其中Bacteroidota和Chloroflexi均在自然界的碳氮循环中起着重要的作用，而Patescibacteria常与反硝化细菌共同存在于地下水中，并对脱氮过程起着重要作用，在本实验中这种细菌可能参与了反硝化过程，从而提高了浮床对碳源的利用效率，强化了脱氮效果。
在属水平上， Unclassfied_f_Rhodobacteraceae在T-EFB（J）和EC-EFB (J-1)组中占比较高，之后随着电流密度的提高，比例有所下降。另一种优势菌属为Micropruina，但其丰度受电流密度影响较大，提高电流密度后，这种细菌的丰度明显下降。Thermomonas的丰度随电流密度的增大有所提升，但是当电流达到2.02 mA/cm2后，其丰度显著下降，生长受到抑制，说明较小的电流能够促进这种细菌的繁殖，而过大的电流则会抑制其生长。此外，Hydrogenophaga的相对丰度随电流密度增大而提高，这可能和更大的电流密度提高了氢气的生成速率有关。结果显示，Unclassified_f_comamonadaceae对电场环境较为适应，其相对丰度随电流密度的提高而增大，而这种细菌被发现参与了厌氧氨氧化过程，这提高了浮床对NH4+-N的去除性能，此外，结果显示，在降低电流密度后，Micropruina成为了EC-EFB填料中的优势菌属，且当每日电解时间为12 h时，丰度最高。Unclassified_f_Comamonadaceade的丰度随电解时间的延长而增大，进一步说明了其在电场环境中良好的适应能力。结果显示，Rhodobacter的相对丰度受电解时间影响较大，当每日电解时间为12 h时，其丰度显著降低，Rhodobacter能够接受从阳极转移的电子从而参与氧还原过程，这在一定程度上解释了EC-EFB水体中溶解氧浓度较低的原因。EC-EFB组中的Thermomonas和Deinococcus丰度显著高于T-EFB（T）组，但随着电解时间的延长，其丰度逐渐降低。此外，电解增加了Zoogloea的丰度，其含有Nirs和Norz两种反硝化功能基因，从而参与反硝化，值得注意的是，在降低电流密度后，Nakamurella的丰度得到了提高。有研究表明，Nakamurella与土壤中的氮素污染物之间有强烈的相关性，这说明其可能参与了自然界的氮循环。
图6 T-EFB和EC-EFB填料表面的微生物群落结构：(a)和(b)门水平（相对丰度≥0.02），(c)和(d)属水平（丰度前50）
结论
综上所述，本研究首次将三维生物膜电极反应器与传统生态浮床结合，构建了EC-EFB，并探索了其脱氮除磷性能和增强除污机理。结果表明，与T-EFB相比，EC-EFB对氮磷污染物的去除效果明显增强，且EC-EFB中的植物具有更高的代谢活性。在电流密度为0.51 mA/cm2且每日电解时间为24 h的条件下，EC-EFB的MDA含量和SOD活性显著低于T-EFB。此外，生物膜分析表明，施加电场后，EC-EFB颗粒电极上的微生物数量和活性明显提高，从而有助于EC-EFB比T-EFB去除更多的污染物。微生物分析表明，电解可以显著改变颗粒电极表面的微生物群落结构，促进氮功能微生物的增殖。此外，阴极区域的析氢反应促进了EC-EFB中磷污染物的去除，从而抑制了磷的浸出。本研究为电化学辅助生态技术的推广应用提供了一定的理论依据。
