【生物阴极MES及其脱氮效能研究的文献综述4400字】

生物阴极MES及其脱氮效能研究的文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u13751生物阴极MES及其脱氮效能研究的文献综述 165041.1生物脱氮研究进展 198341.2微生物电化学系统生物阴极脱氮原理 3133951.3生物阴极脱氮研究进展 45180参考文献 61.1生物脱氮研究进展氮是生命体不可缺少的物质，是合成蛋白质、核酸等生命基础物质不可或缺的元素。氮元素在生态系统中循环再生，是地球生态系统物质循环的重要组成部分（图1-8）。多种生命体参与氮的循环和转化，而越来越多的人类活动导致过量的氮排放进入自然水体中，超过水体自然循环净化能力，导致水体富营养化，破坏生态系统平衡，因此污水中过量的含氮污染物需要经过脱氮处理把含氮污染物转化为氮气后再排放。污水生物脱氮是利用具有氮转化能力的微生物把含氮污染物经过硝化与反硝化等过程转化为氮气。氮在生活污水中多以氨氮的形式存在，因此传统生物脱氮过程先利用好氧氨氧化菌（ammoniaoxidizingbacteria，AOB）将氨氮氧化为亚硝酸盐氮，再利用亚硝酸盐氧化菌（nitriteoxidizingbacteria，NOB）转化为硝酸盐，完成硝化过程。随后，反硝化菌在缺氧条件下将硝酸盐还原为氮气，如公式1-8至1-10所示。AOB和NOB多为好氧自养菌，需要曝气提供氧气，反硝化菌则多为厌氧异养菌，需要消耗大量有机物完成反硝化过程。在污水碳源不足时，需要额外添加碳源如甲醇、乙醇、乙酸钠等维持反硝化效率。传统反硝化过程容易产生中间产物如NO与N2O，N2O的温室效应是CO2的300倍，因此，需要调控反硝化条件降低中间产物的积累。为了降低能耗，节约成本，减少有害副产物的释放，利用微生物氮代谢新途径，构建生物脱氮新工艺，是目前脱氮工艺研究的热点。NH4NO2NO3图1-8氮循环主要途径[79][2][78][78][79][79]ADDINNE.Ref.{F434D894-2C23-4FBF-B304-BB78D98C547E}Fig.1-8Mainwaysofnitrogencycle短程硝化反硝化过程缩短了硝化过程，氨被氧化为亚硝酸盐后不进一步氧化为硝酸盐，亚硝酸盐直接被反硝化菌还原为氮气。由于硝化过程缩短，直接降低了硝化过程需氧量、硝化污泥产量和曝气能耗。反硝化过程从亚硝酸盐开始，反硝化过程缩短直接降低了反硝化过程对COD的需求量，同时反硝化速率提高，污泥量减少，降低了运营成本。实现短程硝化反硝化的技术难点是有效抑制亚硝酸盐氧化过程。由于氨氧化菌和亚硝酸氧化菌的微生物动力学不同，因此对条件因素的响应有差异。影响氨氧化菌和亚硝酸氧化菌的条件因素主要有温度、DO值、pH值、游离氨浓度和泥龄等。通过调控影响因素可抑制亚硝酸氧化菌的活性并保持氨氧化菌的活性，使亚硝酸根实现积累。同步硝化反硝化（simultaneousnitrificationanddenitrification，SND）是在一个反应器内实现硝化和反硝化的过程。实现SND要考虑宏观环境、微区环境和微生物类型三个层面[80]ADDINNE.Ref.{8AEE8B64-BC53-42AD-A1A8-433506322080}。宏观环境指的是一个反应器内控制曝气使不同区域DO条件不同，硝化菌在好氧区生长，反硝化菌在曝气不足的缺氧区生长，同一反应器内形成了不同的功能分区，发生“SND”现象，如图1-7所示。微区环境指当污泥絮体或生物膜生长到一定尺寸或厚度后，不同厚度区域的微生物生长条件不同，氧向絮体内或膜内扩散受到阻碍，在污泥絮体或生物膜外氧浓度较高，利于硝化微生物生长，向内由于氧传质受阻和被外层微生物消耗，氧浓度下降，为反硝化菌生长提供有利环境，硝化菌和反硝化菌生长在同一系统中，实现同步硝化反硝化过程。在微生物层面，目前多种菌属被发现具有异养硝化-好氧反硝化的能力，不同菌属的代谢通路有所差别，有的菌种能利用多种氮源代谢，有的菌种把氨氮转化为羟胺（NH2OH），再将羟胺转化为氮气，无法利用硝酸盐、亚硝酸盐等氮源。目前仍有新的异养硝化-好氧反硝化菌被发现，代谢途径和影响因素等也需进一步研究。图1-9同步硝化反硝化示意图Fig1-9schematicdiagramofsimultaneousnitrificationanddenitrification厌氧氨氧化(anaerobicammoniumoxidation，Anammox)是指厌氧氨氧化菌(anaerobicammoniaoxidationbacteria，AnAOB)在厌氧条件下，以无机碳为碳源，以氨为电子供体，以亚硝酸为电子受体产生氮气的过程。实际上氨与亚硝酸盐的反应比例为1:1.32，生成氮气和硝酸盐。AnAOB的代谢途径较复杂，目前有两种代谢模型被广泛认可，分为是以NH2OH和NO为重要中间产物的代谢过程，再经过相关转化途径生成氮气。厌氧氨氧化脱氮具有无需有机碳源，污泥产量低，运行成本低等优势，已在多个国家的污水处理厂被启动。但是厌氧氨氧化菌的生长周期长，对环境要求较高，运行调控较难，这些是阻碍厌氧氨氧化大规模应用的限制因素。NH4NH41.2微生物电化学系统生物阴极脱氮原理微生物电化学系统（Microbialelectrochemicalsystem，MES）由阳极、阴极和外电路构成，在生物阳极上，电活性微生物（exoelectrogenicbacteria）被大量富集，利用有机物进行生长代谢的同时释放出电子给阳极材料，并通过外电路传输到阴极，电子在阴极被阴极的还原过程所利用。生物反硝化脱氮是获得电子的还原过程，因此常与MES阴极耦合，在MES阴极实现反硝化是MES脱氮的主要途径。由于产电微生物释放电子也能被其他微生物利用，微生物种间电子传递使MES阳极也可实现反硝化过程，同时不影响系统产电性能。硝化过程也可与MES耦合，利用不同的功能分区，在同一反应器内实现硝化和反硝化过程。近年来，有研究利用MES进行氨回收，当废水中氨氮浓度高时，利用MES回收氨制备高价值的化工原料，可提高MES的应用范围。传统生物脱氮过程中，硝化需要曝气维持氧浓度，反硝化需要充足的有机物，而MES系统利用空气阴极三相界面反应提供氧气，电活性反硝化菌为自养微生物，因此MES脱氮能降低能耗和有机质需求，降低运行成本。1.3生物阴极脱氮研究进展1.3.1生物阴极脱氨氮在MES中可利用硝化阴极实现氨氮的去除，由于硝化过程是好氧反应，因此需要人工曝气或者利用特殊电极设计来获取氧气。He等[81]ADDINNE.Ref.{5D7EFEE3-9310-42EC-A6E8-D9072282440C}设计了单室旋转阴极MES，利用人工配水评价了MES产电和脱氮性能。利用石墨毡串联阴极，使石墨毡部分浸没在水中，部分暴露在空气中，同时利用电动泵使石墨毡电极旋（图1-9A），使硝化生物阴极不曝气也能获得足够的氧气。结果表明，MES只有在水中有氨氮时才会产生电流，说明硝化反应在阴极起到了重要作用。Zhang等[82][2][81][81][82][82]ADDINNE.Ref.{E8AE9D4B-ECAC-4992-BCEE-126D11554612}也构建了单室旋转生物阴极MES处理含氨氮的废水，发现MES生物阴极不仅发生了硝化反应而且实现了硝酸根的还原。在碳氮比为5:1时，系统对总氮去除率达到90%以上，说明在适当的条件下，MES生物阴极能够同步实现硝化和反硝化。VirdisB等[83]ADDINNE.Ref.{8334FF66-71F3-4765-BCB7-76DE8408524C}直接将MES系统与同步硝化反硝化耦合，在双室MES中实现了同步硝化反硝化（图1-9B）。在曝气条件下氨氮被氧化为硝酸根，硝酸根再被自养反硝化还原为氮气，该系统对总氮去除率也可达到90%以上。Xie等[84]ADDINNE.Ref.{0991AAB2-CE83-419D-99BF-4240CEC9BAFC}利用好氧MES和缺氧MES的组合工艺实现了含有氨氮的人工废水的高效净化（图1-9C），MES的最大氨氮和总氮去除率分别达到97.4%和97.3%。双室MES或多个MES组合联用的脱氮系统中，存在系统构建复杂、反应器运行不便、曝气耗能高等缺点。因此，单室MES耦合生物硝化和反硝化技术处理含氨氮的废水是比较经济易实现的途径。Yan等[85]ADDINNE.Ref.{6D3CA6A6-0E72-4117-A4A3-92C97E84DDBC}使用单室空气阴极MES处理含氨氮的废水（图1-9D），空气阴极先培养硝化细菌生物膜，硝化菌所需氧气来自于空气阴极的扩散，该过程无需曝气，同时在硝化膜的表面可实现反硝化生物膜的富集，成功在单室MES中实现了SND。图1-9MES生物阴极去除氨氮反应器[81,83-85]ADDINNE.Ref.{50CBD354-FFEE-4F7E-834B-181FF8317E3E}Fig.1-9MESwithbiocathodeforammoniaremovingreactor近年来，MES耦合ANAMMOX工艺成为污水脱氮的热点研究方向。对于硝化过程微生物的鉴定也随着高通量测试技术的成熟而越来越容易，对于不同培养条件驯化出的微生物群落都给出了详细的分析。1.3.2生物阴极脱硝氮由于电活性反硝化菌不需有机碳源，电子来自于阳极有机物释放的电子，对于低碳氮比废水的处理具有重要意义。Clauwaert[86]ADDINNE.Ref.{2B290852-261B-477D-A2EF-664A0E214DF8}等首次报道了MES阴极反硝化过程，证明MES生物阴极反硝化的可行性。为了避免受阳极影响，关于生物阴极MES反硝化的研究通常在双室MES中进行。生物阴极反硝化性能受多种因素影响，如水质条件、微生物群落结构、电极电位等均可以直接影响反硝化速率。常见的异养反硝化过程对碳的需求较高，碳氮比越低，反硝化效果越差。对于一些低碳氮比的废水，如生活污水，需要外加碳源才能实现较高的反硝化速率。对于MES的生物阴极自养反硝化而言，实现反硝化过程所需要的电子可通过微生物直接或间接电子传递过程从电极获得，因此不需要有机碳源的投加。在处理不同碳氮比的实际废水时，反硝化效果也有差异。有研究发现，当污水中的碳氮比略高时，阴极自养反硝化比例反而下降，此时阴极自养反硝化和异养反硝化并存，异养反硝化由于对阳极电子需求较低，可能会限制MES的产电性能[87,88]ADDINNE.Ref.{64C74E00-4E77-4D47-8E1A-83A6DDBC64BD}。已有多种电能营养型自养反硝化菌被报道，目前对于电能自养反硝化阴极内的微生物间和微生物与电极间的电子传递过程及机制还不清晰，需进一步研究。同时研究自养反硝化菌的培养条件，筛选合适的功能菌群，对低碳含氮废水处理就有重要意义。NO2-、N2O和NO是反硝化过程的中间产物，也是关键的污染物，通过驯化生物阴极微生物，这些污染物在生物阴极中也能获得高去除率。NO2-作为短程硝化反硝化的重要产物，是生物电化学与短程硝化反硝化工艺耦合的重要基础，构建短程反硝化生物阴极，在水力停留时间为8h时，NO2-去除率达到0.041±0.002kg-N/m3d[89]ADDINNE.Ref.{8AADCD5D-C03C-4DE2-B13D-3790317A090F}。JoachimDesloover等利用双室MES生物阴极直接还原N2O为N2，还原效率达到0.76-1.83kg-N/m3/d，同时系统库伦效率接近100%[90]ADDINNE.Ref.{D4EF861F-9BDB-4404-AD45-3E1B3C5F6C3F}。利用三电极体系培养生物阴极，发现反硝化相关微生物的附着能够实现NO还原[91]ADDINNE.Ref.{F9ED754F-2FEA-402C-9DA8-FB069A08AA85}。有研究者利用Fe(II)EDTA吸收NO后对利用生物阴极的Fe(II)EDTA-NO络合物进行还原，同时实现Fe(II)EDTA的再生，给出了Fe(II)EDTA-NO还原和Fe(III)EDTA还原再生Fe(II)EDTA在生物阴极的动力学模型[92]ADDINNE.Ref.{2BA11A0C-B11E-4C92-907C-CBA118928851}。参考文献[1] 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