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利用异养硝化-好氧反硝化菌构建生物阴极进行低C/N比废水的反硝化性能研究

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水体中氨氮浓度过高造成水体富营养化；地下水或饮用水中硝氮浓度超标时对人身健康造成威胁。生物脱氮因其效率高、成本低、二次污染小等特点被广泛应用，新型生物脱氮尤其是异养硝化-好氧反硝化细菌的发现使同时硝化反硝化成为现实，成为脱氮方面的研究热点。而这些处理工艺过程中废水的C/N比都较高，一般在 8，而许多废水尤其是地下水或饮用水中只含有少量的碳源，因此寻找一种处理低 C/N比废水的处理方法非常有必要。电化学方法尤其是生物电化学系统（BES）的开发由于阴极还原所需的电子可以从外界电极中获得，使阴极处理低 C/N比废水能够容易实现，弥补了生物脱氮中碳源不足的劣势。考虑到BES中有机物是能源的提供者，氨氮可作为潜在的电子供体，本文阳极选择含氨氮的有机废水作为电解液，并且选择具有异养硝化性能的微生物作为接种物。利用BES阴极电化学还原优势，在阴极处理低 C/N比废水，又由于阳极氨氮的扩散迁移，本文实验中阴极选择能够同时硝化的异养反硝化细菌作为接种菌。 本文以焦化厂活性污泥中富集筛选得到混合菌群作为阳极接种菌，将其命名为 MAS。以本实验室分离出来的异养硝化-好氧反硝化菌株Acinetobacter sp.Y1作为阴极接种菌。通过构建生物阴极BES，研究阴极不同C/N比条件下的反硝化性能和产电性能，并探究了阴极低C/N比条件下利于阴极反硝化率和产电性能的条件控制和影响因素，既为含氨氮的有机废水提供了处理方法，同时为低C/N比废水脱氮提供了理论依据。 以生物阴极 MFC为研究对象，主要研究了阴极不同 C/N 比条件下阴极反硝化情况及系统产电性能，实验研究结果表明：阴极 C/N比分别为 8、2时，其阴极硝氮降解率分别为 98.77%、83.21%，与摇瓶中的培养条件相比分别提高了 31%、63%，表明通过生物-电化学耦合作用提高了阴极硝酸盐的反硝化效率。第一次实现了异养硝化-好氧反硝化菌Y1在MFC中的使用，证明了菌株Y1可从外界碳刷电极上获取电子，在MFC中实现低C/N比废水的电化学反硝化。 以生物阴极M3C为研究对象，主要研究了阴极在低C/N比时，阴极不同控制电位条件下阴极反硝化情况，实验结果表明：（1）阴极电位的控制范围较广，在-0.1~ +0.1 V（vs. SCE）范围内都能促进阴极反硝化；（2）阴极最佳控制电位为-0.1 V（vs. SCE）时，阴极硝氮的最大降解率和去除速度分别为 98.28%、49.70 mg/L/d，与阴极不控制电位的对照组相比，降解速度提高了 3.7 倍。在阴极合适的控制电位条件下，阴极中间产物亚硝氮的积累量在第1d达到峰值后快速下降至几乎为0。 以生物阴极MFC为研究对象，主要研究了阴极在低C/N比2时，影响电池系统降解特性和产电性能的因素。实验研究成果表明：（1）通过电镜扫描图片及降解效果可知不同挂膜方式对 MFC 系统的启动影响较大；（2 ）最佳负载电阻为 1000 Ω，阴极硝氮最大降解率和去除速度分别为83.61%、83.96 mg/L/d，阳极COD和系统氨氮的最大去除率分别为92.43%、76.68%。（3）阴极和阳极最佳底物分别为柠檬酸钠和乙酸钠，此时 MFC系统总内阻最小，阴极硝氮最大降解率达 99%，最大去除速度达 87.71 mg/L/d，阳极COD和系统氨氮的最大去除率分别为96.51%、88.21%。（4）两极室导电材料的填充实验表明，在阴阳极均填充导电材料有助于提升降解效率和导电性能，阴极硝氮最大降解率为 99.99%，最大去除速度为99.36 mg/L/d，阳极 COD和系统氨氮的最大去除率分别为 97.0%、95.81%，而且阳极导电材料的填充效果比阴极填充的效果要更佳。

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