不同接种源对微生物电解池去除水中氨氮的影响

李 涵，赵开心，王 菲，吴大付，郭丽丽

（1.河南科技学院，河南 新乡 453003；2.河南师范大学，河南 新乡 453007；3.河南科技大学，河南 洛阳 471000）

随着工农业的快速发展，化工、化肥、养殖等行业产生了大量氨氮废水〔1-2〕。如果这类废水排入河流湖泊，将加剧水体富营养化、毒害水生生物，也严重危害饮用水安全。目前报道最多的氨氮废水处理方法主要有吹脱法、吸附法、化学沉淀法、离子交换法、折点氯化法等物化法〔3-7〕，但物化法存在运行成本高、对运行环境要求严格、易产生二次污染等缺点，并不是理想的处理技术。生物法具有运行成本低、无二次污染、可回收有用物质、条件温和等优点，克服了物化法的一些缺点〔8〕，在处理氨氮废水方面具有良好的应用前景。

生物法利用微生物将污水中的氨氮最终转化为N2，去除效果较好，但往往需要补充碳源，且具有占地面积大、操作复杂、启动缓慢等弊端。生物电化学法将电化学法与生物法相结合，弥补了2种方法单独运行时的不足，有效提高了反应器内的生物脱氮性能，已成为废水处理技术发展的趋势〔9-10〕。生物电化学系统（BES）主要包括微生物燃料电池（MFC）和微生物电解池（MEC）。生物电化学法脱氮时，外加电压可显著影响微生物的活性、生长速率及新陈代谢，从而影响微生物的硝化作用，同时废水电解产生的部分中间产物也可将氨氮转化为氮气〔11-12〕。因此，生物电化学脱氮具有更高效、节能的优点。Xue WU等〔13〕采用MEC模式对阴极室模拟废水和实际废水（NH4+-N质量浓度为1 g/L）进行处理，二者的氨氮回收率分别为94%和79%。Tingting ZHU等〔14〕构建了单室BES，当阳极电势控制为-0.5 V时，氨氧化速率加快。

目前，有关不同微生物接种源对双室MEC处理氨氮废水的影响还未见报道，本研究以小麦根际土壤、回流污泥、曝气池污泥为微生物接种源，以碳毡为阴极电极材料，利用双室MEC去除模拟废水中的氨氮，考察不同微生物接种源和外加电压对氨氮去除率的影响，并对阴极室的碳毡进行高通量测序，重点分析微生物的多样性。

1 材料及方法

1.1 试剂、废水及微生物接种源

试剂主要包括磷酸盐（PBS）缓冲液、矿物质溶液。矿物质溶液成分包含50 mg/L EDTA、4.32 mg/L MnSO4·H2O、5.00 mg/L FeSO4·7H2O、4.15 mg/L CaCl2·2H2O、1.61 mg/L CoCl2·6H2O、2.20 mg/L ZnSO4、1.57 mg/L CuSO4·5H2O、0.1 mg/L H3BO3、1.1 mg/L Na2MoO4。

模拟废水成分：1.8 g/L Na2HPO4、0.66 g/L NaH2PO4、0.1 g/L KCl、1 g/L NaHCO3、0.1 g/L NH4Cl、0.012 g/L MgSO4、25 mL/L矿物质溶液。

本研究微生物接种源选择回流污泥、曝气池污泥和小麦根际土壤。回流污泥和曝气池污泥取自新乡市骆驼湾污水处理厂，常规指标见表1。小麦根际土壤采集自试验田，采用5点取样法，去除土壤表层可见的动植物残体，深挖到20 cm处，将根系和土壤一同装入无菌袋中，放于4℃冰盒内带回实验室；到实验室后将根系取出，轻轻抖掉根系表层的土壤，用毛刷将附着在根系上的土壤刷下；将5个样点的根际土壤混匀并过筛（1 mm），即得到实验用的根际土壤，常规指标见表2。

表1 回流污泥和曝气池污泥常规指标Table 1 Index of reflux sludge and aeration tank sludge

表2 小麦根际土壤常规指标Table 2 Index of wheat roots soil

1.2 实验装置

主反应器采用双室MEC反应器，结构见图1。

图1 双室MEC反应器Fig.1 Two-chamber MEC reactor

如图1所示，采用阳离子交换膜将阴极室和阳极室分隔，阳离子交换膜材质为Nafion®N117膜，厚度为0.180 mm，交换容量≥0.90 mmol/g，CAS：31175-20-9 d.1.98。阴阳极室的有效工作容积均为100 mL，阴极材料为预处理（在沸水中煮2 h后自然风干）后的碳毡（50 mm×50 mm），阳极材料为石墨板（50 mm×50 mm）。采用与三电极系统相连的CHI1000C恒电位仪（上海辰华仪器公司）控制电极电位，以阴极为工作电极，阳极为对电极，Ag/AgCl电极（上海辰华仪器公司CHI111）为参比电极并置于阴极室中。

1.3 实验方法

在阴极室内加入回流污泥与模拟废水，在阳极室内加入PBS缓冲液。将阴阳极室放到显热磁力搅拌器上，分别设置4个电压：0.3、0.5、0.7、0.9 V。将设置好的4个MEC装置同时运行，并设置空白对照（不加电压）。每天定时取样，装置运行3 d后，将碳毡剪掉一小块保存，并检测其上的微生物类型。曝气池污泥与根际土壤接种源的操作同回流污泥。表3为MEC装置的运行条件，反应序号中R1、A1、S1分别表示回流污泥、曝气池污泥和根际土壤微生物接种源，V1、V2、V3、V4分别代表0.3、0.5、0.7、0.9 V的运行电压。此外，R0、A0、S0分别代表回流污泥、曝气池污泥和根际土壤的空白对照组。

表3 MEC的运行条件Table 3 Operating conditions of MEC

1.4 分析方法

每天取阴极室中的上清液，经0.22 μm玻璃纤维滤纸过滤后，使用纳氏试剂分光光度法测定上清液氨氮含量，并计算氨氮去除率。

1.5 高通量测序

高通量测序被广泛应用在工厂污染废水、土壤和大气中微生物多样性的分析，被称为“新一代的测序技术”〔15-17〕。采用高通量测序检测阴极碳毡上生物膜的微生物结构，并对微生物菌群进行OTU（可操作分类单元）分类〔18〕。本研究高通量测序送往上海派森诺生物公司测定。

2 结果与讨论

2.1 不同接种源MEC的氨氮去除效果

不同微生物接种源的MEC中氨氮去除率随运行电压的变化见图2。

图2 不同微生物接种源的MEC中氨氮去除率随运行电压的变化Fig.2 The removal rate of ammonia nitrogen in MEC of different microbial inoculation sources varies with operating voltage

由图2可以看出，电压对不同微生物接种源的MEC的影响有较大不同。以回流污泥为接种源的MEC，随着电压的增大（0.3～0.5 V），氨氮去除率也相应提高，在电压为0.5 V时，氨氮去除效果最佳，去除率达到75.00%；电压超过0.5 V后氨氮去除率又出现下降趋势，0.9 V时氨氮去除率降至最低（2%）。以根际土壤为接种源的MEC，随着电压的升高，氨氮去除率也逐渐升高，在电压为0.9 V时最佳，氨氮去除率为50.52%。而曝气池污泥在电压刺激下对氨氮的去除效果不佳，在最佳电压0.9 V时仅取得了36.02%的氨氮去除率，原因可能是曝气池污泥中具有硝化能力的微生物含量较少，不利于氨氮的转化去除。同一外加电压下，不同微生物接种源的MEC中氨氮去除率也差别较大，电压低于0.9 V时，以回流污泥为接种源的MEC的氨氮去除效果较好；而电压为0.9 V时，根际土壤的氨氮去除率最高。因此，不同微生物接种源的MEC在去除模拟废水中氨氮时都有其最佳外加电压，不同外加电压和接种源对氨氮去除率的影响也呈现不同趋势。

2.2 生物结构分析

2.2.1 门分类水平上的韦恩图

对3组不同微生物接种源的MEC阴极生物膜进行高通量测序，得到门分类水平上的OTU丰度矩阵。根据OTU丰度矩阵，使用R软件计算各样本组共有OTU的数量，并通过韦恩图直观地呈现各样本微生物的分布。图3为在4个不同电压下发生硝化反应的阴极生物膜在门分类水平上微生物的OTU数量。

图3 不同电压下不同接种源的MEC生物膜中微生物在门分类水平上的韦恩图Fig.3 Wenn diagram of the microbial community at the phylum level in MEC with different inoculation sources at different voltages

由图3（a）可知，以回流污泥为接种源的MEC阴极生物膜在4个运行电压下的总OTU数量为2 279，共有OTU数量为497，占总OTU数量的21.8%；0.3 V与0.5 V电压条件下共有OTU数量为983，占总OTU数量的43.1%。由图3（b）可知，以根际土壤为接种源的MEC阴极生物膜在4个运行电压下的总OTU数量为1 397，共有OTU数量为174，占 总OTU数量的12.5%；以根际土壤为接种源的硝化反应中，0.7 V与0.9 V电压条件下氨氮去除率相近（分别为43.92%和50.52%），共有OTU数量为434，占总OTU数量的31.1%；4个电压中独有OTU数量最多的是0.9 V，独有OTU数量为243，然后依次为0.5 V、0.7 V、0.3 V，独有OTU数量分别为169、121、116。由图3（c）可知，以曝气池污泥为接种源的MEC阴极生物膜在4个运行电压下的总OTU数量为2 576，共有OTU数量为543，占总OTU数量的21.1%。整体来看，外加电压对不同接种源的MEC阴极生物膜中微生物的生长影响较大。

2.2.2 门分类水平上微生物培养前后对比

模拟废水经不同接种源的MEC处理后，阴极生物膜上的微生物组成及数量会发生一定变化。外加电压通过促进或者抑制某些微生物的生长繁殖来影响氨氮的去除率。图4为最佳电压下不同接种源的MEC中微生物在门分类水平上培养前后的变化。

从图4（a）可以明显看出，回流污泥接种源培养前后MEC中的优势菌种均为Proteobacteria；在0.5 V电压下培养3 d后，Proteobacteria相对丰度明显增多，由原来的36.1%增加到68.4%；Chloroflexi相对丰度明显减少，由原来的24.1%减少到8.5%。根际土壤接种源培养前后MEC中的优势菌种均为Proteobacteria，相对丰度变化也不明显（85.7%→84.9%），Actinobacteria的相对丰度由9.5%增至11.9%〔图4（b）〕。由图4（c）可见，曝气池污泥接种源培养前后MEC中的优势菌种均为Proteobacteria，在0.9 V电压下培养3 d后，Proteobacteria相对丰度明显增多，由原来的36.4%增加到60.7%。Proteobacteria是3种不同接种源的MEC硝化反应过程中的优势菌门，该菌门包含大量具有硝化及反硝化作用的细菌，对水体的脱氮效果起重要作用。J.DESLOOVER等〔19〕报道了BES中自养脱氮的主要优势菌归属Proteobacteria，这些菌广泛依附在脱氮电极上，尽管数量不多，但脱氮效率比较高。Rui DU等〔20〕通过分析稳定运行的反硝化氨氧化反应器，也发现反应器中Proteobacteria为优势菌门。

图4 最佳电压下不同接种源的MEC培养前后微生物变化Fig.4 Microbial changes of MEC with different inoculation sources before and after culture under the optimum voltage

2.2.3 微生物群落属水平热图

为进一步分析不同微生物接种源细菌群落组成差异，利用热图（图5）聚类排名前30的细菌属，不同的微生物接种源和外加电压引起了各菌种不同的分布情况。

如图5所示，在A0、R0、S0、R1V2、A1V4和S1V4中，

图5 不同接种源在最佳电压下微生物属水平热图Fig.5 Microbial community heatmap analysis on genus level with different inoculation sources under the optimum voltage

Pseudomonas、Alcanivorax、Hahella、Hyphomicrobium、Ferruginibacter、Nitrospira相 对 丰 度 较 高，其 中Pseudomonas的相对丰度分别为11.37%、11.89%、44.33%、24.34%、77.06%、23.97%，占据绝对优势。在本次研究中出现的功能菌属中，Pseudomonas为最常见的脱氮菌，属于革兰氏阴性菌，杆状，有极性鞭毛，部分为产孢菌。Pseudomonas随接种源和外加电压的不同呈现出不同的变化趋势，对回流污泥和曝气池污泥来说，外加电压显著增加了Pseudomonas的相对丰度；而对于根际土壤接种源，Pseudomonas的相对丰度出现小幅下降趋势。3种微生物接种源中，Nitrospira随着弱电流的出现相对丰度变化不是特别明显。外加电压提高了Alcanivorax的相对丰度，其在以回流污泥、曝气池污泥和根际土壤为接种源的MEC中的相对丰度都出现明显增加，分别由0、0、0.01%提升至3.78%、0.52%、2.45%。Hahella在以根际土壤为接种源的MEC中的相对丰度变化最为明显，从未检出增至17.43%。其他排名靠前的菌种丰度随着接种源和外加电压的不同也都呈现出不同的变化趋势。整体来看，以微生物聚集的程度为依据，微生物接种源为曝气池污泥和回流污泥的MEC阴极微生物组成较为接近，外加电压对其影响也呈现一定的相似性，而以根际土壤为接种源的反应器与前两者差别较大。

2.2.4 微生物群落Alpha多样性指数分析

对于微生物群落Alpha多样性，常用的度量指数主要包括侧重于体现群落丰富度的Chao1指数，以及兼顾群落均匀度的Shannon指数和Simpson指数。一般而言，Chao1指数越大，群落的丰富度越高；Shannon指数和Simpson指数越高，群落的多样性越高。不同微生物接种源的MEC在最佳电压下微生物的Alpha多样性指数如图6所示。

图6 最佳电压下不同接种源微生物的Alpha多样性指数Fig.6 Alpha diversity indexes of different inoculation sources under the optimum voltage

由图6可见，不同接种源的微生物的多样性和丰富度均有所不同，在最佳电压下，以回流污泥为接种源的MEC的Chao1最大，平均值为1 559.77；曝气池污泥次之，平均值为1 466.49；而根际土壤最低，平均值仅为812.13。以回流污泥和曝气池污泥为接种源的MEC的Shannon指数和Simpson指数较为接近，而以根际土壤为接种源的MEC的Shannon指数和Simpson指数低于前两者。随着外加电压的加入，以曝气池污泥和根际土壤为接种源的反应器微生物的Chao1指数、Shannon指数和Simpson指数均出现了上升，表明外加电压可以提高其微生物的多样性和丰富度；而回流污泥则出现了不同的变化，外加电压的刺激引起微生物丰富度的提高，而多样性则有一定程度的降低，结合氨氮的最佳去除效果（75%）是以回流污泥为接种源的MEC在外加电压0.5 V下得到的，可推测外加电压促使了硝化功能菌的聚集，从而提高了其去除氨氮的能力。

3 结论

（1）不同微生物接种源的MEC在去除模拟废水中氨氮时有着不同的最佳外加电压，外加电压对氨氮去除率的影响也呈现出不同趋势。以回流污泥、根际土壤、曝气池污泥为微生物接种源的MEC硝化过程中的最佳电压分别为0.5、0.9、0.9 V，氨氮去除率分别为75%、50.52%、36.02%。

（2）不同电压对不同接种源的MEC中微生物生长影响较大。Proteobacteria是以回流污泥、根际土壤和曝气池污泥为接种源的MEC硝化反应过程中起主要作用的微生物菌门。

（3）不同的微生物接种源和外加电压引起了菌种分布情况的不同，接种源为曝气池污泥和回流污泥的MEC中的微生物组成较为接近，外加电压对其影响也呈现一定的相似性，而以根际土壤为接种源的反应器与前两者差别较大。

（4）不同接种源的MEC中微生物的多样性和丰富度均有所不同，结合氨氮去除效果推测，外加电压促使了硝化功能菌的聚集，从而提高了其去除氨氮的能力。