硝化类型对高盐废水MFC性能影响研究

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高盐废水种类繁多,来源广泛,具有污染物浓度高、成分复杂等特点。氮元素是高盐废水中常见的污染物,过量的氮元素会造成水体富营养化,导致水污染现象加剧,因此亟需探索更加经济高效、绿色环保的水处理新技术,对高盐废水进行脱氮处理及资源化回收利用。微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)能够利用微生物将废水中有机物的化学能部分转化为电能输出,同时也可以转化去除废水中的N、P等污染物,具有广阔的应用前景。在处理含有氨氮的高盐废水时,生物硝化过程为关键步骤,近年来研究人员提出了不同于传统自养硝化的异养硝化概念,但是关于高盐体系下自养硝化和异养硝化对MFC的性能影响尚未见报道。本研究构建自养硝化微生物燃料电池(AN-MFC)和异养硝化微生物燃料电池(HN-MFC),以人工配制的模拟废水为燃料,探究阴极硝化类型对高盐废水MFC脱氮除碳效率及产电性能影响。此外,本研究还考察了阴极液溶解氧浓度对不同硝化类型MFC的性能影响,为提高高盐废水MFC的产电和污染物去除性能打下理论基础。微生物是MFC的核心和关键组成部分,本研究运用16S r RNA基因测序技术,对实验MFC电极生物膜的菌群结构进行分析,探明及阐述阴极不同硝化类型高盐废水MFC生物脱氮与产电反应机理。本研究获得的主要结论如下:(1)AN-MFC的产电和污染物去除性能均优于HN-MFC。在产电方面,二者的产电周期分为88 h和102 h,输出电压均会产生突跃,在突跃前的平均电压分别为(456±5)m V和(362±5.8)m V,突跃后的平均电压分别为(519±3.6)m V和(421±2)m V,库伦效率分别为11.26%和10.79%,最大功率密度分别为3.81 W/m~3和2.90W/m~3,内阻分别为140?和195?;在污染物去除方面,二者均能实现阴极100%的NH4+-N去除,去除速率分别为2.20 mg/(L·h)和1.74 mg/(L·h),出水TN浓度和去除率分别为(14.05±0.41)mg/L和(86.45±0.43)%、(26.14±1.22)mg/L和(74.50±0.30)%,阳极出水COD浓度和去除率分别为(135.5±2.78)mg/L和(86.45±0.40)%、(103.56±1.25)mg/L和(89.65±0.65)%。(2)改变阴极液的溶解氧浓度为2 mg/L、3.5 mg/L、5 mg/L、6.5 mg/L四个水平,研究表明阴极溶解氧浓度对阴极自养硝化高盐废水MFC和阴极异养硝化高盐废水MFC的性能影响不同。1)在阴极液溶解氧为5 mg/L时,AN-MFC能获得最佳的产电与脱氮除碳性能,最大输出电压为521 m V,最大功率密度为3.81 W/m~3,电池内阻为145?,库伦效率为11.14%。阴极出水NH4+-N和TN去除率分别为100%和(88.01±0.73)%,阳极出水COD去除率为(89.84±0.91)%。2)在阴极液溶解氧为6.5 mg/L时,HN-MFC能获得最佳的产电与脱氮除碳性能,最大输出电压为434 m V,与最大功率度为3.57 W/m~3,电池内阻为180?,库伦效率为11.22%。阴极液NH4+-N和TN去除率分别为100%和(73.32±0.65)%,阴极液和阳极液的COD去除率分别为(89.55±0.43)%和(88.99±0.57)%。(3)分析微生物测序结果,MFC电极生物膜的微生物物种丰富度和多样性均高于相应的接种污泥,同一MFC中阳极生物膜的微生物物种丰富度小于阴极,物种多样性高于阴极。在门水平下,AN-MFC和HN-MFC优势菌门组成相似,阳极主要优势菌门包括Proteobacteria、Chloroflexi和Bacteroidetes;阴极主要优势菌门包括Proteobacteria、Bacteroidetes、Chloroflexi和Actinobacteriota。在属水平下,AN-MFC和HN-MFC阳极微生物优势菌属组成差别不大,主要优势菌种为产电菌(如unclassified_f_Comamonadaceae、Thauera)和厌氧发酵菌(如norank_f_Anaerolineaceae、Lentimicrobium、norank_o_SBR1031),也有一定丰度的反硝化菌。AN-MFC阴极电极优势菌属为自养硝化细菌(如norank_f_Xanthomonadaceae、Nitrosomonas、SM1A02)和产电菌(如narank_f_Xanthomonadaceae、Luteibacter),HN-MFC阴极电极优势菌属为降解有机物的化能异养型细菌(如norank_f_NS9_marine_group、norank_f_A4b)和异养硝化细菌(如Pseudomonas、unclassified_f_Rhodocyclaceae、unclassified_f_Rhodanobacteraceae)。
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