阳极位置对新型ABR-BEF系统处理性能及微生物群落的影响

宿程远,邓秋金,卢宇翔,覃容华,阮子欣,韦敬威,郑成志

阳极位置对新型ABR-BEF系统处理性能及微生物群落的影响

宿程远1*,邓秋金1,卢宇翔1,覃容华1,阮子欣1,韦敬威1,郑成志2

(1.广西师范大学环境与资源学院,珍稀濒危动植物生态与环境保护教育部重点实验室,广西 桂林 541004；2.广东粤港供水有限公司,广东 深圳 518021)

研究了阳极所处位置对新型厌氧折流板-生物电Fenton(ABR-BEF)系统处理中药废水效能与产电能力的影响,并对各格室污泥的疏松胞外聚合物(LB-EPS)及紧密胞外聚合物(TB-EPS)组分情况进行了分析,继而通过高通量测序技术对系统中微生物群落演替进行了探讨.结果表明,当将阳极电极位置由系统的第4格室调整到第3、第2格室后,由于阳极与阴极距离的增大,COD平均去除率由原来的90%分别下降到70%和65%;输出电压由149.8mV降至95.3mV、50.0mV左右,同时最大功率密度由76.78mW/m3减少到55.57mW/m3和52.87mW/m3;但阴极室对邻苯二酚的降解率仍保持在95%左右.改变阳极位置后LB-EPS、TB-EPS中蛋白质含量均下降,TB-EPS尤为明显;而对于多糖而言,阳极在第3号格室时,各组分多糖含量最高.阳极位置由第4格室改为第2格室后,第1到第4格室甲烷丝状菌属()所占比例分别增大到71.09%、72.47%、58.03%和76.79%;在总细菌纲水平上产电菌所属的d变形菌纲(Deltaproteobacteria)在第1到第4格室中分别减少了2.54%、6.06%、4.40%和4.87%,阳极与阴极距离的增大使得产电菌数量减少,这成为该系统产电能力下降的重要原因.

ABR-BEF；阳极位置；产电性能；微生物群落；胞外聚合物

废水处理过程中厌氧生物处理技术具有能耗低、污泥产量少、抗冲击负荷能力强、可产生能源等优点,具有良好的环境与社会经济效益[1-2].但当废水中含有难生物降解的高分子污染物或有毒物质时,由于此类物质的存在会导致产甲烷菌的活性受到抑制,若此类废水直接进入厌氧反应器,往往使得厌氧反应器的处理效率降低,甚至造成厌氧反应器运行失败,因此,需对这部分难生物降解或有毒废水进行物化预处理,而后再进行生物处理.Fenton技术作为典型的高级氧化处理方法,具有高效、反应条件温和、设备简单等优点,对于去除水中难生物降解污染物具有良好的效果.但单一Fenton技术处理成本较高,更限制其应用的是需新建Fenton预处理单元,这无疑会增加占地与基建投资. Feng等研究发现,微生物燃料电池(MFC)的阴极(铁碳电极)可生成Fenton体系所需的H2O2,从而构成自我维持、无需外源电力的生物电Fenton系统(Bio- electro-Fenton),具有不需要持续投加H2O2与铁盐的优点,在去除污染物的同时可产生电能,因此新型生物电Fenton技术成为当前研究的热点[3-4].当前国内外研究表明,生物电Fenton在难降解有机物的可持续降解方面具有巨大潜力,曾亚琼等利用生物电Fenton系统去除水体中痕量有机微污染物雌激素,结果发现该体系对雌二醇的最佳去除率达到90%,化学氧化是该体系去除雌二醇的主要途径[5-6].

基于此,本课题组将厌氧处理与生物电Fenton技术进行了结合,开发了新型厌氧折流板-生物电Fenton反应器(ABR-BEF),旨在发挥生物电Fenton对难生物降解及有毒物质高效去除的优势,为厌氧反应器的良好运行提供保障;同时废水中的污染物通过厌氧分解生成简单化合物,以保证生物电Fenton体系电能的输出.以往对生物电Fenton技术的研究主要集中在电极的选择上,而当生物电Fenton阳极所处位置发生改变时,其底物类型会发生变化,这将直接影响到产电效能以及电子的转移,并进一步影响到污染物的降解与系统中的微生物群落,而电极上微生物群落的鉴定可为深入了解微生物对反应器稳定性增强的协同作用和交互作用提供科学的借鉴[7].中药废水中不仅含有木质素、生物碱、鞣质、蒽醌等天然有机物,同时含有难降解的多环芳烃类等物质,使得该类废水具有生物毒性强、有机物浓度高等特点[8].因此本文以中药废水为研究对象,通过改变阳极所处位置,研究了ABR-BEF反应器对污染物的去除能力与产电性能,并分析了反应器中污泥胞外聚合物(EPS)的组分以及微生物群落的变化情况,从而为该新型反应器的设计与优化提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 实验装置与实验过程

如图1所示, ABR-BEF反应器材质为有机玻璃,长为42cm、宽为5cm、高为15cm,有效容积约为2.5L,主体结构包括四个格室,最后的小格室设为生物电Fenton的阴极室,两部分用法兰相接并以一质子交换膜(PEM,Nafion117)隔开.起初4号格室作为生物电Fenton的阳极室;阳极材料采用是纤维碳刷(CTN310,东丽),由碳丝和钛丝组成;使用亲水性碳布(W0S1002,125mm×60mm)通过改性负载铁作为阴极的基材[8],而后卷成直径为40mm,高为60mm柱状作阴电极;阴阳两电极选用钛丝(1mm)相连并接电阻箱(ZX21,上海东茂),正常运行电阻箱调至1000Ω.电压采用数据采集卡(PISO-813U,泓格)连接电脑进行采集,每1min记录一次.阴极室使用空气泵(ACO001,日生)进行曝气,气体流量通过阀门调节,溶解氧控制在2~4mg/L.

图1 装置示意

中药废水取自桂林某制药厂,其COD浓度为1900~2900mg/L,氨氮浓度为70~140mg/L,悬浮物含量为150~220mg/L,通过蠕动泵(BT100-2J,兰格)将废水输送进反应器中;由于中药废水中多含有酚类物质,为了考察该反应器对酚类物质的去除性能,将人工配制的含有150mg/L的邻苯二酚废水泵入阴极室,12h后将阴极室废水通过小型蠕动泵(KCP-C,卡默尔)回流至第1格室.整个实验过程共分3个周期,即阳极室依次从4号格室换到3号格室,最后调整到2号格室,每2个星期为一个周期.

1.2 分析方法

COD的测定采用快速消解法;邻苯二酚浓度采用紫外分光光度法测定,测定波长为276nm[9].

输出电压数据自动记录生成TXT文件保存于电脑中,用Origin软件对其进行处理;通过调节电阻箱改变外电阻(50Ω~5kΩ)获得功率密度与电流密度,从而绘制功率密度曲线与极化曲线[10].

每个运行阶段的末期对各格室的污泥取样,进行EPS组分的分析,污泥中EPS的提取参照文献[11-14],其多糖和蛋白质组分含量测定分别采用蒽酮比色法和考马斯亮蓝比色法[11-14],每个样品测定3次取平均值.

利用高通量技术分析ABR-BEF系统内的微生物群落变化情况,利用试剂盒(OMEGA,E.Z.N.ATMMag-Bind Soil DNA Kit)对DNA进行提取,利用Qubit2.0DNA检测试剂盒对DNA进行精确定量;古菌PCR扩增分为三轮,细菌PCR扩增分为两轮;扩增结束后,利用MiSeq Illumina测序平台上进行高通量测序;利用RDP(核糖体数据库项目)分类器对OTUs(运算分类单位)(以97%的序列相似阈值处理)进行分类分析,得到各分类学水平下物种的组成及相对丰度[15-17].

2 结果与讨论

2.1 阳极位置改变对污染物去除的影响

由图2可知,阳极室在4号格室与阴极室相邻时,COD去除率在90%左右,说明微生物对污染物具有更好的吸附利用能力,并能较好地去除中药废水中的有机污染物.阳极位置换至3号格室时,COD的初始去除率仅为54.92%,原因是系统运行稳定不久,反应器内微生物对运行因子变化的反应较为敏感,而后升至70%左右.在第34d阳极位置换至2号格室时,COD去除率并未出现急剧下降,可能的原因是此时系统运行更为稳定,短期的环境变化未对系统产生明显影响,但在第35d至44d时,COD去除率由85.45%持续下降至 47.52%,而后缓慢上升至65%左右.这表明改变阳极室位置会降低反应器对COD的去除效率,原因是改变阳极位置会使反应器中微生物燃料电池组分提前接触中药废水,此时中药废水中有机负荷较大,毒性较强,微生物燃料电池的阳极可能对有机负荷的改变较为敏感,进而影响整个反应器对COD的去除效率;特别是当阳极位置换至2号格室时,COD去除率不仅出现较大波动,且明显降低.

阳极位置改变后,阴极室对邻苯二酚的去除情况如图2所示.阳极在4号格室时,12h后邻苯二酚去除率达到99.85%;阳极在3号和2号格室,邻苯二酚最终去除率在96.86%和97.07%;Gogoi等[9]以Fe3O4-CeO2为催化剂,探讨了多相类Fenton对邻苯二酚的去除效率,在最佳运行条件下,邻苯二酚的去除率为83.8%~89.2%,通过对比可知本ABR-BEF系统可实现对邻苯二酚的有效去除.具体表现为:阳极位置在4号格室时,处理30min后,邻苯二酚去除率仅为20.32%,而阳极在3号格室为33.81%,阳极在2号格室为22.76%;到420min时,阳极在4号格室去除率为93.16%,阳极在3、2号格室去除率分别为96.04%、95.54%.阳极在3、2号格室时,阴极室对邻苯二酚降解在330min时基本稳定.这说明改变阳极位置对邻苯二酚的去除影响不明显,可能的原因在于邻苯二酚的降解是靠阴极室中生成的H2O2与附着在阴极上的铁作用所产生的羟基自由基(·OH),而H2O2的生成跟阳极室传导过来的H+与阴极室中O2有关,虽然阳极与阴极距离的增大影响了H+的传导,但O2对H2O2的产生发挥着更为重要的作用.

2.2 阳极位置改变对产电性能的影响

输出电压是MFC反应器运行过程中一个重要的产电性能评价指标,因此本文对不同阳极位置时系统的电压输出情况进行了分析,阳极在4号格室时,输出电压由118.8mV缓慢上升到149.8mV,而后持续稳定产电;当阳极换至3号格室,电压下降至44.6mV,之后缓慢增加至120.3mV,能较稳定保持在95.3mV~125.0mV;当把阳极改变到2号格室时,电压从82.4mV升至94.7mV,之后保持小幅度波动并持续产电至第10h,最高产电到达107.2mV,短暂的增大之后开始回落,最后降到40mV.不同阳极位置所产生的电压有明显变化,其中阳极在4号格室时产生电压最高,也最为稳定,其次为3号格室,最后为2号格室.原因在于,改变阳极位置使得阴极与阳极距离增大,增加了反应器内阻,所要克服的阻力变大,进而产电量降低且出现不稳定的波动.

依次把外电阻由低到高(50Ω~5KΩ)的次序接到电路并运行一定时间,记录电压取平均值,绘出各运行条件下系统的功率密度曲线如图3所示.由图3可知,阳极位置在4号格室最大功率密度最大,在电流密度为311.36mA/m3时达到76.78mW/m3;其次是在3号格室,在183.51mA/m3时最大功率密度为55.57mW/m3;最后为在2号格室,在141.51mA/m3仅最大功率密度52.87mW/m3,由此可以看出,当改变阳极位置,最大输出功率明显下降,说明调整阳极位置,增大两电极之间距离会使电池功率下降.

同时由图3可知,在开路状态下,阳极在4、3、2号格室的平衡电压分别为424.9,439.6和429.6mV;由于电路处于开路状态而不存在电流,因此损失的电压与电子转移和电流无关,而跟阳极中微生物分解污染物的过程有关.一旦接通外电路,电路中即存在有电流,微生物燃料电池即开始对外做功,随着电流密度的增大,跟电流密度相关的极化开始出现.阳极在4号格室时,当电流密度由0增大到258.99mA/m3,电压从424.9mV迅速降低到256.4mV,在电流密度比较低的时候,ABR-BEF的极化主要表现在阳极室中微生物的代谢和电子的转移以及阴极氧气还原所需要克服反应壁垒,也就是活化极化.随着电流密度的增大,电压下降趋势变缓,此时活化极化开始被欧姆极化取代.对比阳极在3、2号格室,电压随电流密度的变大呈现出良好的线性关系,整个过程未发现活化极化,均为欧姆极化主导,但电流密度与功率密度明显低于阳极在4号格室时;且阳极在2号的比在3号格室的要低,两电极间距越大,ABR-BEF内阻变大,因此造成电压、功率密度和电流密度的下降.

2.3 阳极位置改变对污泥EPS组成的影响

EPS是由微生物在一定的环境条件下所分泌的高分子聚合物,主要成分是一些大分子物质,如蛋白质、多糖及核酸,类似于微生物的细胞内成分;较厚的EPS层可起到预防与保护作用,从而减少有害物质侵蚀微生物[18];同时污泥的絮凝性、沉降性能以及在反应器中的高度持留也与EPS的组分结构有较大关系[19-20].在EPS中,蛋白质与多糖占据75%-90%,蛋白质影响絮凝体的疏水性,而多糖是亲水性聚合物,可逆性地吸收和散发水或生物液体[21],本文分析了不同阳极位置情况下,ABR-BEF反应器中各个格室污泥EPS的蛋白和多糖组分,其比率结果如图4所示.

由图4可知,阳极在4号格室时,LB-EPS和TB-EPS的蛋白质与多糖比率最高,分别达到了29.20~38.65和10.40~12.84;而阳极在3号格室分别仅为0.87~10.62和0.30~0.98,在2号格室为8.35~11.67和1.01~1.41.TB-EPS的蛋白质和多糖比相较LB-EPS有所下降但趋于平稳,在同一条件下各个格室的比率相差不大,这是因为TB-EPS处于EPS的核心区域,受外界干扰较少.阳极从4号格室改变到3号和2号格室,蛋白质与多糖比值下降明显,造成其比值下降可能是因为更换电极位置后,该反应器稳定性下降,微生物活性遭受影响从而未能最大程度利用中药废水中污染物质,因此分泌出来的EPS中含有较多的多糖聚合物,从而保护微生物不受侵害;过多的多糖会使污泥絮凝沉降效果变差[22-25],使反应器处理效率下降,污泥的絮凝性和稳定性在阳极位置处于4号格室时最优,这与COD去除效率下降的结果相一致,在2号格室次之,3号格室最差.同时随着废水由第1格室依次流到第4格室,废水中有机污染物减少,因此后面格室EPS中的蛋白质与多糖比值出现上升的趋势,这在阳极位于第3号和2号格室时尤为明显.

2.4 阳极位置改变对古菌群落的影响

鉴于阳极位置第4号格室与第2号格室时, ABR-BEF系统对中药废水处理效能变化较为明显,因此采用高通量测序技术分析了阳极在第4格室与第2格室时,系统中各个格室古菌群落结构与分布情况,结果如图5与图6所示.

阳极在第4格室时,第1到第4格室所得测序序列数分别为70468、74326、74989、64417,Chao1指数分别为45267、35984、39869、43883,Shannon指数分别为3.37、2.83、3.40、3.14;而阳极调整到第2格室时,第1到第4格室的测序序列数分别为51582、66234、61839、65108,Chao1指数分别为11929、20320、23800、32322,Shannon指数分别为2.24、2.64、2.23、1.94,可见阳极调整到第2格室后,微生物群落的丰富度与多样性均出现了减少.由图5可知,在纲水平下,阳极在4号格室时,在第1格室中,甲烷微菌纲(Methanomicrobia)丰度比例为47.47%,甲烷杆菌纲(Methanobacteria)丰度比例为49.13%;第2格室中,甲烷微菌纲(Methanomicrobia)丰度比例为56.65%,甲烷杆菌纲(Methanobacteria)丰度比41.12%;第3格室中,甲烷微菌纲(Methanomicrobia)所占的丰度比为79.30%,热变形菌纲(Thermoprotei)所占的丰度比为11.36%;第4格室中,甲烷微菌纲(Methanomicrobia)丰度比例为53.89%,热变形菌纲(Thermoprotei)丰度比例为28.32%,甲烷杆菌纲(Methanobacteria)丰度比例14.37%.具有产电能力的产电微生物所在的盐杆菌纲(Halobacteria)在4号格室中的相对丰度为1.30%.改变阳极位置后(由第4格室改变到第2格室),在古菌纲水平上主要有甲烷微菌纲(Methanomicrobia)、甲烷杆菌纲(Methanobacteria)、热变形菌纲(Thermoprotei)及热原体纲(Thermoplasmata),其中甲烷微菌纲(Methanomicrobia)为优势菌,在各格室的相对丰度分别为78.22%、81.33%、66.72%和79.7%,其次为甲烷杆菌纲(Methanobacteria)对应相对丰度为13.53%、15.73%、12.03%和9.86%;而热变形菌纲(Thermoprotei)在3,4号格室占17.43%和8.55%,可知, 在阳极位置由4号格室更改至2号格室后,反应器中甲烷微菌纲(Methanomicrobia)增多而甲烷杆菌纲(Methanobacteria)减少,产电菌所属的盐杆菌纲(Halobacteria)减少到检测限值以下,产电微生物减少是产电效率降低的重要原因.

(a)阳极位置在第4格室

(b)改变阳极位置后

图5 阳极位置改变前后古菌纲水平circos图

Fig.5 Circos of archaea at the class level with changing the position of anode

继而分析了阳极位置改变前后该反应器各格室中古菌属水平上丰度的变化情况(1~4表示阳极位置在第4格室,1¢~4¢表示阳极位置在第2格室),由图6可知,阳极在4号格室时,各格室的甲烷丝状菌属(Methanothrix)丰度比例分别为36.31%,50.31%, 64.88%,39.4%,甲烷丝状菌属(Methanothrix)是3格室中优势菌群;甲烷杆菌属(Methanobacterium)丰度比例分别为40.93%,40.94%,5.06%,13.99%;在各个格室中甲烷绳菌属(Methanolinea)丰度比少于10%,甲烷丝状菌属(Methanothrix)和甲烷杆菌属(Methanobacterium)占的比例相对较多.改变阳极位置后(即阳极位于第2格室),反应器中各格室古菌属水平上微生物群落结构大体一致,优势菌群仍为甲烷丝状菌属(Methanothrix),相对丰度分别为71.09%、72.47%、58.03%和76.79%,除3号格室有所下降外,其他3个格室的甲烷丝状菌属(Methanothrix)均有所增加;其次为甲烷杆菌属(Methanobacterium),在各个格室的相对丰度为12.69%、15.53%、11.94%和9.75%,较阳极在4号格室时均有所降低,因此在改变阳极位置后,反应器的厌氧主导位置更强烈,而产电菌属衰减,这与前面的产电效率下降结果是一致的.同时甲烷杆菌属(Methanobacterium)所占比例减少,可能该菌属能利于的基质种类更为丰富,其数量的减少影响了COD的去除效果.

他跪伏着，听到天葬师的喉咙里发出了一连串怪异的咒语，繁琐而冗长。咒语结束后，周围陷入了长时间的沉默，除了桑烟经过骷髅头的呜咽声，再无其他声响。在这种单调的声音中，青辰觉得自己陷入了一种昏昏欲睡的状态，这种状态，令他在事后一度觉得非常困惑。按理说，那时的他在满怀期望地等待着神明的到来，怎么会睡呢？后来，他从其他人的口中了解到，那一刻，不只自己，每一个人都有过那种昏昏欲睡的状态。他推测，是有什么东西在那段时间降临了，它的到来，让人们的精神高度恐惧，为了防止精神崩溃，大脑及时开启了自我防御机能，选择性地屏蔽了它，让人们以昏睡般的麻木状态来度过那段时光。

图6 阳极位置改变前后古菌属水平上丰度分布 Fig.6 Abundance of archaea at the genus level with changing the position of anode

2.5 阳极位置改变对总细菌群落的影响

考察了ABR-BEF系统内总细菌群落的演替情况,绘制了阳极在反应器不同位置时,各格室总细菌群落分布的Heatmap图,如图7所示.

图7 改变阳极位置总细菌门水平物种丰度热图 Fig.7 Heatmap of bacteria at the phylum level with changing the position of anode

阳极在第4格室时,第1到第4格室的测序序列数分别为68168、71684、42097、66317,Chao1指数分别为32573、112329、66961、107138,Shannon指数分别为5.56、5.96、6.25、6.12;而阳极调整到第2格室时,第1到第4格室的测序序列数分别为59609、68352、52443、82641,Chao1指数分别为19554、28715、22524、23060,Shannon指数分别为5.50、5.24、5.35、5.16.由图7可知,改变阳极位置后,反应器中总细菌在门水平上群落结构未发生明显变化,其中绿弯菌门(Chloroflexi)、厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)在阳极位置改变后相对丰度热度仍保持一致,且在各个格室中的热度值变化不大,说明改变阳极位置对这四个门类的总菌种影响不大;阳极在4号格室时,绿弯菌门(Chloroflexi)在1号格室中的热度值较低,在后三个格室均有较高的热度值.改变阳极位置后,变形菌门(Proteobacteria)的丰度出现了下降,而许多产电菌属于变形菌门,因此使得系统的产电性能出现了下降.根据热图的样本聚类,阳极位置在4号格室时,4号格室与2号格室菌群更接近,差别最大为1号格室;在阳极位置改变到2号格室后,2号格室变成与3号格室菌群更为接近.

(3) 动物园的安全警示是否充足。根据城市动物园管理规定第三章第二十一条：动物园管理机构应当完善各项安全设施，加强安全管理，确保游人、管理人员和动物的安全。动物园方应该设置足够多且位于醒目位置的警示牌、在危险区域安排足够多的巡逻车、安装数量充足的监控摄像头保证二十四小时的不停歇监控, 在发现游客有危险举动时应立即上前劝阻与阻拦。

继而从纲水平对总细菌群落的变化情况进行了分析,由图8可知,阳极位置改变前后ABR-BEF系统内总细菌纲水平上结构大致以厌氧绳菌纲(Anaerolineae)(13.83%~41.72%)、梭菌纲(Clostridia) (13.17%~21.36%)、δ变形菌纲(Deltaproteobacteria) (4.82%~12.78%)和浮霉菌门(Planctomycetia) (0.57%~22.98%)为主.改变阳极位置后,反应器各格室中的厌氧绳菌纲(Anaerolineae)(在产甲烷生物系统中具有降解碳水化合物和其他细胞材料的重要作用)的相对丰度均有不同幅度增加,分别增加了4.34%、10.59%、10.19%和17.03%,说明在改变阳极位置后,使整个反应器中厌氧产甲烷能力增强,其中4号格室增幅最大.具有产电能力的梭菌纲(Clostridia)、d变形菌纲(Deltaproteobacteria)在4号格室的相对丰度减少,分别减少了4.30%和2.54%;梭菌纲(Clostridia)在前3个格室的相对丰度分别增加了6.56%、8.41%和4.36%,但d变形菌纲(Deltaproteobacteria)却下降了6.06%、4.40%和4.87%,而此时反应器的产电效能较阳极位置在4号格室时降低,表明d变形菌纲(Deltaproteobacteria)具有更高效的产电能力,因此在改变阳极位置后,反应器产电效率下降[6,26-27].混合产电菌的协同作用能增强该反应器运行的稳定性并提高系统的产电效能[28].

图8 阳极位置改变前后反应器各格室总细菌纲水平上丰度分布 Fig.8 Abundance of bacteria at the class level with changing the position of anode

3 结论

3.1 随着阳极室的前提,阳极与阴极间距增大使得ABR-BEF系统对COD去除率由90%降低至65%,最大功率密度由76.78mW/m3降至52.87mW/m3,但对邻苯二酚的去除率均保持在95%以上,该反应器为含有毒工业废水的有效处理提供了新思路.

3.2 改变阳极位置后污泥EPS的多糖和蛋白质组分发生明显变化,阳极位置在4号格室时各格室的LB-EPS和TB-EPS中的蛋白质含量最高,从而有利于厌氧污泥保持良好的絮凝性能;阳极位置在3号格室时,LB-EPS与TB-EPS中的多糖含量最高.

3.3 阳极位置由第4格室改变到第2格室后,具有产电能力的Clostridia、Deltaproteobacteria在第4格室的相对丰度减少,Halobacteria减少到检测限值以下,从而造成ABR-BEF系统产电能力的下降.

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Effects of anode position on the performance and microbial community of the novel ABR-BEF system.

SU Cheng-yuan1*, DENG Qiu-jin1, LU Yu-xiang1, QIN Rong-hua1, RUAN Zi-xin1, WEI Jing-wei1, ZHENG Cheng-zhi2

(1.Key Laboratory of Ecology of Rare and Endangered Species and Environmental Protection, School of Environment and Resources, Guangxi Normal University, Guilin 541004, China；2.Guangdong Yuegang Water Supply Co., Ltd., Shenzhen 518021, China). China Environment Science, 2019,39(9)：3770~3779

Abstract：In this study, the effect of the position of anode on the efficiency and electricity generation of the novel anaerobic baffle reactor-bioelectricity Fenton (ABR-BEF) system were investigated for treatment traditional Chinese medicine (TCM) wastewater. The components of loosely-bound extracellular polymeric substances (LB-EPS) and tightly-bound extracellular polymeric substances (TB-EPS) in the sludge were also measured. Finally, the high-throughput sequencing technology was used to analyze the variation of microbial community in the system at different anode positions. The results showed that when the position of anode electrode was changed from the 4th compartment to the 3rd and 2nd compartment, the COD removal rate was reduced from 90% to 70% and 65%, respectively, due to the distance between anode and cathode gradually increasing. Meanwhile, the voltage output was declined from 149.8mV to 95.3mV and 50.0mV, and the maximum power density was decreased to 76.78mW/m3 to 55.57mW/m3 and 52.87mW/m3, respectively. However, the removal rate of catechol in the cathode chamber was remained around 95%. After changing the position of anode, the protein content in the LB-EPS and TB-EPS was decreased, especially TB-EPS. In addition, the polysaccharides content of LB-EPS and TB-EPS was the highest when the position of anode was changed into the 3rd compartment. When the position of anode was changed from the 4th compartment to the 3rd and 2nd compartment, the abundance of Methanothrix was increased to 71.09%, 72.47%, 58.03% and 76.79% in each compartment at the genus level of archaea. While the abundance of Deltaproteobacteria, which was a class contained electrogenic bacteria, was reduced to 2.54%, 6.06%, 4.40% and 4.87%, respectively. The increasing of the distance between anode and cathode was leaded to reduce the abundance of electrogenic bacteria, which was an important reason for the decrease of the electricity generation capacity of the ABR-BEF system.

Key words：ABR-BEF；position of anode；electricity generation；microbial community；extracellular polymeric substances

中图分类号：X703

文献标识码：A

文章编号：1000-6923(2019)09-3770-10

作者简介：宿程远(1981-),男,河北晋州人,教授,博士,主要从事水及废水处理理论与技术研究.发表论文60余篇.

收稿日期：2019-03-06

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51641803);广西自然科学基金资助项目(2017GXNSFAA198277);深圳市科技计划(KJYY20170413170501147)

* 责任作者, 教授, suchengyuan2008@126.com