ACS ES&T Engineering | 磁性生物炭促进厌氧氨氧化快速启动及稳定运行

厌氧氨氧化工艺（anammox）作为一种节能环保的生物脱氮工艺被广泛应用于生物废水处理中。厌氧氨氧化菌（AnAOB）以NO ₂ ^- -N为电子受体，在缺氧条件下将NH ₄ ⁺ -N氧化为氮气，该过程无需碳源参与，可实现自养脱氮。与传统的硝化-反硝化工艺相比，厌氧氨氧化工艺具有无需投加有机碳、节省曝气62.5%、能耗低等优点。然而，厌氧氨氧化反应器的启动通常需要较长的时间，因为AnAOB生长缓慢，倍增时间长，在7~20 天，并且具有较低的细胞产量。特别是污泥很容易被污水冲走，使得在实际应用过程中AnAOB的富集成问题。因此，加速厌氧氨氧化启动过程，促进AnAOB的大量富集，并确保厌氧氨氧化反应器的适当运行是至关重要的，为此正在进行许多研究工作。

为了解决上述问题， 苏州科技大学环境科学与工程学院陈重军和浙江省农业科学院刘玉学合作 ，探究了添加磁性生物炭对厌氧氨氧化效能及微生物富集的影响。磁性生物炭对厌氧氨氧化的启动时间最短，比空白对照组（CK）缩短15~24天。FCS300（300℃制备的磁性生物炭）的血红素 c 产量最高（0.123μmol/g VSS）。FCS300中的胞外聚合物（EPS）具有最低的Rct（12.6kΩ）和显著较高的电子传递能力。 Candidatus Jettenia 是反应器成功启动后的主要的功能菌属，其在悬浮污泥和生物炭中的分布具有空间差异性。研究结果表明，磁性生物炭可能通过电子穿梭机制或直接种间电子转移缩短厌氧氨氧化的启动时间来改善电子转移。

图1.  热解生物炭和磁性生物炭对厌氧氨氧化反应器启动和脱氮性能的影响。

根据进水和出水NH ₄ ⁺ -N浓度的不同，启动阶段可分为三个阶段：（1）细菌水解阶段（出水NH ₄ ⁺ -N高于进水）;（2）活性提高（出水NH ₄ ⁺ -N逐渐降低，出水NO ₂ ^- -N先升高后降低）;稳定运行期（NH ₄ ⁺ -N和NO ₂ ^- -N按比例协同去除）。根据厌氧氨氧化反应化学计量比判断启动是否成功，各反应器启动时间分别为：FCS500需要50天，FCS700需要56天，FCS300需要59天，CS700需要64天，CK需要73天，CS300需要75天，CS500需要80天。而磁性生物炭厌氧氨氧化的启动时间最短，比CK缩短15~24天，热解生物炭缩短6~26天。在添加热解生物炭的反应器中，只有CS700的启动时间优于CK，而CS300和CS500分别比CK长2天和5天。

图2. 厌氧氨氧化污泥特性：（a）血红素c含量；（b）EPS中PN和PS的含量；（c）循环伏安（CV）曲线和（d）电化学阻抗谱（EIS）。

热解生物炭反应器的血红素 c 为0.045~0.091μmol/g VSS，磁性生物炭反应器的血红素 c 为0.081~0.123μmol/g VSS。最高浓度为FCS300（0.123μmol/g VSS），与CS300（0.055μmol/g VSS）存在显著差异。两个反应器之间的启动时间差为16天，表明血红素 c 的差异对应于实际启动效果。与CS500相比，FCS500中血红素 c 的浓度增加了82.4%；与FCS700相比，CS700中血红素 c 的浓度增加了12.8%。特殊的孔隙结构和丰富的电子位点可能增强微生物活性，导致CS700具有比FCS500和FCS700更高的血红素 c 。事实上，所有具有磁性生物炭的反应器都具有比CK更高的血红素 c （0.073 μmol/g VSS）。

在相应温度下，磁性生物炭的EPS分别比热解生物炭高10.25mg/gVSS、16.91mg/gVSS和7.99mg/gVSS，平均比CK高8.38mg/g VSS。特别是，FCS500具有最高的EPS（88.05mg/gVSS），对应于其最短的启动时间和最优的脱氮能力。值得注意的是，转移微生物所需的营养物质主要发生在污泥分泌的EPS中。因此，添加富铁磁性生物炭可以影响EPS分泌的总量，以及提高代谢效率。EPS中的特定蛋白质是导电的，可以促进微生物之间的电子转移，通过CV和EIS来确定电子转移行为。在施加相同的外部电压，不同组之间的响应电流有显著差异。当Ep=-1.0V时，三种磁性生物炭的响应电流分别比对应温度的热解生物炭高13.8%（300℃）、18.6%（500℃）和1.2%（700℃）。当Ep=0.0V时，也会出现类似的现象。这表明EPS在电化学活性方面具有不同的行为。EIS拟合曲线的半圆直径表示EPS的电子转移电阻（Rct），磁性生物炭的Rct平均比热解生物炭低6.5%，表明磁化可以提高EPS的电子传递能力。其中，CK的Rct比生物炭处理平均高6.8%。这些数据证明了添加生物炭对提高AnAOB中EPS的电子传递能力是有效的。

图3. 前100属微生物关联网络：（a）FCS300；（b）FCS500；（c）FCS700；（d）CK；（e）所有样本（Spearman相关系数 r ² >6，p<0.001）。

通过构建微生物关联网络，可视化功能微生物之间的关系，进一步揭示厌氧氨氧化启动过程中微生物群落之间的相互作用。这五个网络中的大多数节点都在前10个门中，其中最大的比例属于 Proteobacteria ，平均为43.5%，而 Planctomycetes 的比例不到3.9%。微生物群落结构表明，磁性生物炭可以在污泥和生物炭中大量富集 Candidatus Jettenia 。此外，在该网络中还发现了另一个属于 Planctomycetes 的菌属 OM190 。特别的事 OM190 ，经常与大型藻类共存，可能是一种纤维素降解剂，适合于饥饿条件，在低氮负荷下的厌氧氨氧化启动中发挥更大的作用。与CK相比，磁性生物炭的边数平均高35.1%，正相关系数和平均加权度显著高于CK。此外，正相关和负相关比例变化显著，磁性生物炭提高了微生物的协同生存。在没有生物炭的情况下，微生物的竞争预计会更加激烈，模块化程度也会降低。同时，AnAOB与其他细菌之间存在竞争与合作关系，而 Proteobacteria 和 Chloroflexi 在厌氧氨氧化菌属结构中具有潜在的优势功能。 

图4.  磁性生物炭对厌氧氨氧化启动的电子传递机理影响。

综上所述，磁性生物炭的添加对厌氧氨氧化具有重要意义，可以显著缩短厌氧氨氧化启动时间。磁性生物炭能促进血红素 c 的形成，增强细胞活性，加速厌氧氨氧化过程。EPS在FCS300中的Rct最低（12.6kΩ），电化学活性最好，电子传递能力最强。三种磁性生物炭反应器中AnAOB的空间分布有显著差异。厌氧氨氧化启动过程中主要有两种电子传递机制：以FCS300为主的电子穿梭机制和以FCS500和FCS700为主的直接微生物种间电子传递机制。

相关论文发表在 ACS ES&T Engineering 上，苏州科技大学环境科学与工程学院硕士研究生安天一为文章的第一作者，陈重军教授为通讯作者。