微生物燃料电池-人工湿地系统利用餐厨残渣强化反硝化用于农村污水处理研究

本研究针对人工湿地(CW)处理农村污水时碳源不足导致脱氮效率低的问题，创新性地利用农村易得的餐厨残渣（米饭、面条、油菜秸秆）作为外加碳源，通过微生物燃料电池-人工湿地(MFC-CW)耦合系统，显著提升了总氮(TN)和硝酸盐氮(NO3--N)去除率（达90%以上），同时增强了系统发电性能（功率密度提高56-70%），为农村污水低碳处理提供了经济有效的解决方案。

　　

随着农村工业和农业的快速发展，农村水体污染问题日益严重。人工湿地（Constructed Wetland, CW）作为一种可持续的生态污水处理技术，因其低成本、易维护和良好的处理效果，特别适用于处理分布分散的农村污水。然而，农村污水通常经过化粪池沉淀分解后才进入后续处理流程，导致碳含量相对较低而氮含量较高，这使得CW在处理农村污水时经常面临碳源不足的问题，从而导致脱氮效率低下。因此，有必要添加外加碳源来提高农村污水的反硝化效率。

餐厨残渣是日常生活中产生的垃圾，在农村地区，餐厨残渣基本上来源于农村家庭的食物和作物废弃物，主要由瓜果、蔬菜和其他餐厨剩余物组成，占农村垃圾的30.7%。由于其来源丰富，选择餐厨残渣作为农村污水处理的碳源非常方便，成本几乎可以忽略不计。学者们已经发现餐厨废物发酵液可以作为外加碳源，这种碳源不易对水体造成二次污染，其反硝化效果可与传统液体碳源相媲美。相比之下，直接使用餐厨残渣作为外加碳源可以使收集和制备更加方便。

大多数餐厨残渣是固体形式，与传统液体碳源相比，固体碳源具有通过分解过程提供持续碳源的优点。而且，大多数餐厨残渣如蔬菜、水果残渣和玉米食品在食物制备过程中产生的有机废物，含有大量的天然纤维素和半纤维素。在农村地区，餐厨残渣剩余生物质具有良好的生物可利用性，不会造成二次污染。因此，本研究探索了使用餐厨残渣作为外加碳源的可行性。

米饭、面条和油菜秸秆在餐厨残渣中占比较高。本研究中的餐厨残渣涵盖了农村日常生活中产生的易降解有机废物。米饭、面条和油菜秸秆在中国农村餐厨残渣中具有代表性。米饭和面条是中国农村日常饮食中最常见的主食，在食物垃圾中占很大比例，它们富含淀粉，可以迅速水解成葡萄糖支持即时反硝化。油菜是中国农村常见的蔬菜，其茎秆在厨房垃圾中也占很大比例，富含木质纤维素，可以通过纤维素降解提供缓释碳源。

本研究通过静态释放和静态反硝化实验探索了使用餐厨残渣作为碳源的可行性，通过将其添加到微生物燃料电池-人工湿地（MFC-CW）中，研究了餐厨残渣对低碳氮比污水处理的效果。论文发表在《Journal of Hazardous Materials Advances》上。

为开展本研究，研究人员采用了几个关键技术方法：首先构建了MFC-CW实验系统，使用PVC材料制作了两个并联的垂直流人工湿地模拟系统；其次进行了餐厨残渣的静态碳释放实验，测定了不同材料（油菜秸秆、碱处理油菜秸秆、米饭、面条）的化学需氧量（COD）释放特性；第三开展了静态反硝化实验，评估了不同碳源在厌氧条件下的硝酸盐氮去除效果；最后通过连续流实验，在MFC-CW系统中添加70 g/m2的餐厨残渣碳源，监测了污染物去除效果和发电性能变化，并采用高通量16S rRNA基因测序技术分析了微生物群落结构变化。

3.1. 餐厨残渣的静态释放性能

通过对五种餐厨残渣生物质（油菜秸秆、1%NaOH处理的油菜秸秆（1%NH-RSs）、3%NaOH处理的油菜秸秆（3%NH-RSs）、米饭和面条）进行碳氮释放分析发现，所有餐厨残渣生物质在2-8小时内都表现出COD的快速释放，8小时后进入稳定释放阶段。面条的碳释放最高，10天内累积达到349.35 mg/g。1%NaOH处理的油菜秸秆表现出比未处理和3%NaOH处理的油菜秸秆更高的碳释放能力和稳定性，最大C/N比为52.26，COD释放为286.08 mg/g。米饭的C/N比最高，最大达到56.93。

在氮释放方面，油菜秸秆和面条始终表现出较高的TN释放水平。未处理油菜秸秆在10天内的累积氮释放最高，达到8.01 mg/g。碱处理破坏了油菜秸秆的木质纤维素结构，虽然加速了氮的初始释放，但部分有机氮转化为不溶性形式，导致累积氮释放减少。1%NH-RSs和3%NH-RSs的NH₄⁺-N/TN比率约为30.77%和28.67%，远高于未处理油菜秸秆。米饭（15.6%）和面条（20.4%）的NH₄⁺-N/TN比率显著低于1%NH-RSs，表明油菜秸秆释放出更多生物可利用氮，而米饭和面条保留了较高的有机氮比例。

3.2. 餐厨残渣的静态反硝化性能

在静态反硝化实验中，选择了未处理油菜秸秆、1%NH-RSs、米饭和面条进行实验。所有四种餐厨残渣生物质碳源在24小时时都显示出明显的反硝化效率，NO₃^--N去除率迅速增加，然后从第5天开始逐渐减缓。其中，米饭残渣表现出最好的去除效率，在第5天时NO₃^--N去除率达到98.7%，将NO₃^--N降至0.36 mg/L。从第4天到第10天，去除率稳定在96%左右，溶液中的NO₃^--N浓度保持在1 mg/L以下。

1%NH-RSs残渣的去除率与米饭相似，但稍慢一些。在第5天，1%NH-RSs对硝酸盐的去除迅速增加到93.2%，在后期阶段，去除率保持在94.1%左右，硝酸盐浓度在1.5 mg/L左右波动。添加未处理油菜秸秆和面条碳源的最初24小时内，NO₃^--N浓度显著增加，达到40.08 mg/L和39.59 mg/L，高于空白对照样品中的NO₃^--N浓度，这表明餐厨残渣可能首先释放氮。

3.3. 餐厨残渣在MFC-CW中的污染物去除效果

3.3.1. 氮去除

从实验结果可以看出，未添加餐厨残渣的MFC-CW-1系统实现了约67.31%的TN去除效率和58.05%的NO₃^--N去除效率。添加1%NH-RSs后，反硝化效率逐渐提高，最高TN去除达到83.79%。前4天反硝化速率较慢，从第5天开始逐渐增加。出水平均TN浓度比未添加额外碳源的MFC-CW-1降低了1.62 mg/L。

添加米饭残渣的MFC-CW-2系统出水平均TN浓度降至2.31 mg/L。最初，装置出水中的TN浓度显著下降，后期出水浓度逐渐稳定，达到90.39%的TN去除率，平均提高了18.17%。添加米饭残渣后的NO₃^--N去除率与TN相匹配，最高NO₃^--N去除率为89.07%，平均去除率为79.75%，比无碳源时提高了23%。出水平均NO₃^--N浓度降至2.12 mg/L。

两个MFC-CW系统在NH₄⁺-N去除效率上没有显著差异，去除效率约为96%。出水浓度保持在约0.28 mg/L。NH₄⁺-N的去除主要依赖于硝化作用，高硝化性能可能与湿地中覆盖大量微生物的砾石填料有关。

3.3.2. COD去除

两个MFC-CW系统在添加餐厨残渣前的出水平均COD浓度分别为5.59 mg/L和5.77 mg/L。添加米饭碳源的MFC-CW-2出水浓度开始下降，去除率从85.35%增加到95.71%。在后期，COD去除率随着碳源的移除逐渐下降，最终恢复到未添加碳源时的水平。

添加1%NH-RSs碳源的MFC-CW-1出水平均COD浓度为5.13 mg/L，与未添加碳源阶段相比没有显著波动。添加米饭碳源的MFC-CW-2出水平均COD浓度为5.09 mg/L。根据先前的研究，纤维素和半纤维素易于水解，反硝化的主要碳源来自纤维素水解的副产物，因此出水COD浓度不受餐厨残渣添加的影响。

4. MFC-CWs的发电性能

添加餐厨残渣前，MFC-CW-1和MFC-CW-2的平均输出电压分别为29 mV和32 mV。添加餐厨残渣后，两个MFC-CW系统的输出电压在前几天达到最大值238 mV和234 mV。这表明添加餐厨残渣生物质可以有效影响系统的电化学性能并增加能量产生。随后，输出电压随时间逐渐下降。

与未添加餐厨残渣的条件相比，添加1%NH-RSs和米饭残渣后，MFC-CW-1和MFC-CW-2的最大功率密度分别增加了70%和56%，最高达到1.54 mW/m2和1.28 mW/m2。添加餐厨残渣生物质后，MFC-CW-1和MFC-CW-2的最大电流密度分别为2.93 mA/m2和2.7 mA/m2，内阻增加到3083.2 Ω和2661.7 Ω。移除残渣后，内阻分别降至2822.5 Ω和2167.8 Ω。

5. 微生物群落分析

在门水平上，Proteobacteria是两个系统中最丰富的优势门（32.91%-61.95%）。先前的研究表明Proteobacteria通常在MFC-CWs中占主导地位。作为废水处理系统中的主要微生物群体，它可以促进氮循环效率。在MFC-CW-2中，阴极中Proteobacteria的丰度相对较高，表明添加米饭可能有助于增强MFC-CW的反硝化效率，加速内部电子转移，并优化生物发电。

Chloroflexi和Acidobacteriota也是主要门类，具有强大的有机物降解能力并在环境中广泛分布。在MFC-CW-2的阳极中，Nitrospirota（3.45%）和Actinobacteriota（2.29%）的丰度相对高于其他门类。Actinobacteriota主导氨化作用，而Nitrospirota的富集增强了硝化作用，有助于提高MFC-CW-2的硝化活性。Acidobacteriota与MFC系统中的生物发电正相关。

在属水平上，与MFC-CW-1相比，MFC-CW-2中Hyphomicrobium的比例更高，阴极中的丰度（11.62%）略高于阳极（9.47%）。Hyphomicrobium是一种反硝化细菌属，因此在阴极添加米饭残渣可能会增强Hyphomicrobium的代谢能力，从而提高反硝化效率。Stenotrophobacter在添加米饭的MFC-CW-2中的阴极丰度（8.72%）比MFC-CW-1（4.35%）增加了一倍。这种化学有机异养菌代谢米饭衍生的短链脂肪酸（C2-C4），同时表达narG编码的硝酸盐还原酶进行反硝化，这解释了其与峰值NO₃^--N去除（89.07%）的正相关关系。

norank_o_Chloroplast的丰度也相对较高，属于蓝藻门。这一关键属有效增强人工湿地中的氮磷循环，加速电子转移，并通过伴随的生物能源生产改善反硝化。作为硝化-反硝化过程中的关键微生物分类单元，它在MFC-CW-1的阴极（7.03%）和阳极（6.89%）中没有显示出显著的丰度差异，但在MFC-CW-2的阴极中略有下降，这可能会影响反硝化和发电效率。此外，Defluviimonas属的丰度也相对较高（7.31%），在MFC-CW-1中丰度更高。Defluviimonas促进有机物降解和系统发电。

本研究分析了在MFC-CW系统中使用餐厨残渣生物质作为外加碳源的可行性。选择1%NH-RSs和米饭残渣作为外加碳源，观察它们在MFC-CWs中的反硝化和发电效果。在餐厨残渣生物质中，米饭残渣显示出最高的C/N比，最大C/N比达到56.93。1%NH-RSs的碳释放能力和稳定性高于未处理和3%NH-RSs，最大C/N比为52.26，COD释放为286.08 mg/g。米饭残渣实现了高达90.39%的TN去除和最高的1.29 mW/m2发电量。1%NH-RSs实现了83.79%的最大TN去除率和1.55 mW/m2的最高发电量。因此，米饭残渣作为外加碳源可以更有效地提高MFC-CW系统的反硝化效率。高通量测序结果显示，在MFC-CW的阴极添加生物质增加了与硝化、反硝化和有机物降解相关的分类单元的丰度和代谢。在农村污水处理中有效利用农村餐厨残渣可以减少环境污染，促进农村环境的可持续发展。