关键词:
人工湿地-微生物电化学技术
污水处理
产电性能
微生物分析
摘要:
目前,我国生活污水排放总量已经超过工业废水,成为污水厂中废水的主要来源。为了进一步提高污染物去除效率并考虑到节能的需求,提出了将人工湿地(Constructed Wetland,CW)与微生物电化学技术(Microbial Electrochemical Technique,MET)相耦合(CW-MET)用于废水处理。一方面,CW与MET的结合提高了污染物去除效率,改善了传统CW占地面积较大的不足;另一方面,MET系统能降解废水中的有机污染物生成清洁电能。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)和微生物电解池(Microbial Electrolysis Cell,MEC)是MET在废水处理中最常见的形式,单独的CW-MFC与CW-MEC系统均已有较深入的研究,但很少有将MEC与CW-MFC联用的探索。在有机物浓度较低的阴极,MEC通过电解水产生H2,H2作为电子供体与NO3--N反硝化生成N2以强化脱氮效率,且MEC外电场的加入会对CW-MFC系统的产电和污染物去除性能产生影响。因此,本实验以与MEC耦合的CW-MFC系统(CW-MEFC)为实验组,以CW-MFC为对照组,分别研究了在不同外电压、工艺条件及进水水质下CW-MEFC系统对生活污水中污染物去除性能及电化学性能的变化情况及系统的微生物群落分布。主要结论如下:
(1)外电压的大小影响了电极上附着的产电微生物活性。0.3 V的外电压就可以提升CW-MEFC系统对COD和TP的去除率,但NH4+-N和TN的去除率在外电压为1.1 V时才有明显提升。与对照组相比,实验组的COD、NH4+-N、TN、TP的去除率分别提高了6.77%、16.28%、21.26%、16.61%。然而,CW-MEFC的MFC输出电压显著低于对照组,最大差值达到199.5 mV。
(2)工艺条件影响了系统溶解氧(DO)浓度、水流速度等。间歇式进水时,大气复氧作用使基质之间的DO浓度升高,对污染物的去除性能更好。适度延长水力停留时间(HRT)对污染物去除有利,但HRT过长可能会使得系统内的DO浓度不足,从而降低处理效果。在100 mg/L的COD负荷下,COD的去除率达到最高,但因为大量有机物都在阳极分解,到达阴极的碳源浓度过低而对其它污染物的去除率较低。随着COD负荷的提高,系统对NH4+-N、TN、TP的去除率均有提升。进水氮源浓度提高后,实验组对NH4+-N、NO3--N、TN的去除率均下降,但TP的去除率上升了 7.82%,NH4+-N浓度的升高促进了鸟粪石反应的正向发生。
(3)高通量测序结果表明,系统阴极微生物的物种丰度和多样性均高于阳极,对污染物去除和产电的贡献度更高,且阴极区植物根系促进了微生物的富集。相同位置下实验组微生物样品的Shannon指数大于对照组,MEC的加入促进了 CW-MFC阴、阳极微生物多样性的升高。系统的优势菌门为变形菌门、厚壁菌门和拟杆菌门等;优势菌纲为γ—变形菌纲、α-变形菌纲、拟杆菌纲等;地杆菌属作为最常见的电化学活性菌属,在6个样品中所占比例分别为 18.55%、16.18%、18.72%、23.54%、42.31%、7.18%。