“倒置 T” 型生物膜电极反应器：破解低 COD/N 废水脱氮难题的新钥匙

《Eco-Environment & Health》：Mechanistic insights into nitrogen removal performance and electron competition with mixed electron donor supply in a biofilm electrode reactor

在废水处理中，传统生物脱氮面临诸多挑战，如异养反硝化需大量有机碳源且易引发二次污染，自养反硝化细菌增殖慢。研究人员围绕生物膜电极反应器（BER）展开研究，发现其在低 COD/N 条件下脱氮性能优异，为废水脱氮提供新方向。

　　在废水处理的领域中，氮元素作为常见的污染物，其排放受到严格限制。传统的生物脱氮方法，虽然应用广泛，但也存在不少问题。异养反硝化依赖有机碳作为电子供体，理论上去除 1.0 g NO3? -N 需要 2.86 g COD，然而在实际应用中，为实现完全反硝化，所需的有机碳输入远超该理论值，这不仅增加了成本，还可能因添加外部有机碳源而引入二次污染 。自养反硝化虽被视为低碳技术，可减少间接碳排放，但自养反硝化细菌的增殖速度有限，阻碍了其在工程中的广泛应用。因此，探寻更高效、环保的废水脱氮技术迫在眉睫。

为了解决这些问题，国内研究人员开展了关于生物膜电极反应器（Biofilm Electrode Reactor，BER）的研究。他们在 BER 中构建了独特的 “倒置 T” 型电极配置，模拟混合营养反硝化环境，深入探究了不同进水有机电子供体剂量下，单一异养脱氮和混合营养脱氮过程的差异，以及微生物和反硝化功能酶对混合营养反硝化系统的响应。研究成果发表在《Eco-Environment 》上，为废水脱氮技术的发展提供了新的思路和方向。

在研究方法上，研究人员首先配置了模拟废水，以 KNO₃为氮源，CH₃OH 为有机碳源，设置不同的 COD/N 比。采用自行设计改造的 BER 反应器，其阳极是石墨棒，阴极是不锈钢板，形成 “倒置 T” 型结构，并使用聚氨酯泡沫作为生物膜载体。实验过程中，通过控制电流、温度、水力停留时间（HRT）等条件，对比 BER 和生物膜反应器（Biofilm Reactor，BR）的脱氮性能。同时，运用多种分析技术，如对水样进行NO3? -N、NO2? -N、N₂O-N 和 COD 等指标的检测，对微生物样本进行胞外聚合物（EPS）、电子传递系统活性（ETSA）、酶活性以及微生物群落组成分析，还通过批次试验研究电子竞争特性。

在研究结果方面：

• 不同 COD/N 比下的脱氮性能：在不同 COD/N 比条件下，BER 系统的NO3? -N 去除效率均优于 BR 系统，即便在 COD/N 比接近理论值 2.86 时，BER 系统的去除效率仍显著提高约 20%，但同时出现了明显的NO2? 积累（6 - 8 mg/L）。此外，系统运行过程中未观察到明显的氨积累，表明不存在异化硝酸盐还原为铵（DNRA）过程。而且，微生物对电刺激的适应时间会因有机碳供应减少而延长。
• EPS、ETSA 和反硝化酶分析：电刺激使 BER 系统中微生物的 EPS 产量增加，尤其是在阳极附近，这有助于微生物利用电子进行底物降解，但过厚的 EPS 层可能会限制电子传递。ETSA 在 BER 系统各区域均有所增加，阴极附近增加尤为显著，表明电刺激促进了微生物细胞内的电子传递。对反硝化呼吸链相关酶的评估发现，BER 系统中 NADH、Complex I、Nar 等酶的浓度变化与NO3? -N 去除效率相关，而 Nir 浓度下降，导致其酶活性受损，NO2? 降解能力变差。
• 微生物群落分析：不同的 COD/N 比影响微生物群落多样性，较低的碳供应有利于自养反硝化菌的富集。在门水平上，Proteobacteria 等优势菌门在不同条件下相对稳定；在属水平上，随着碳供应减少，非异养反硝化功能菌属的相对丰度增加。此外，一些自养或电活性反硝化菌在阳极附近富集，这可能与 BER 的独特电极配置和氢气扩散过程有关。
• 电子分布和潜在代谢途径分析：通过批次试验分析不同电子受体组合下的氮降解情况，发现电子竞争在混合营养反硝化过程中不可避免。在多种电子受体共存时，NO3? 和 N₂O 的降解受到抑制，NO2? 的降解也受到影响，且 Nir 在电子竞争中能力最弱。综合分析得出，BER 系统中硝酸盐去除是异养反硝化、氢自养反硝化和电刺激共同作用的结果，其中异养反硝化贡献超过 70% 的NO3? -N 去除。

研究结论表明，BER 系统在相对低 COD/N 条件下，展现出卓越的氮去除性能。这得益于弱电刺激和原位 H₂生成的协同作用，它们促进了电子传递，调节了关键酶的活性，刺激了功能微生物的活性。同时，BER 系统富集了多种氢自养反硝化微生物和电活性微生物，进一步提升了脱氮能力。然而，研究也发现，尽管氢气可作为额外电子供体，但在有限的进水有机碳条件下，电子竞争依然存在。该研究为低 COD/N 比废水的处理提供了一种高效的技术方案，对推动废水处理领域的发展具有重要意义，不过未来还需开展中试实验，进一步评估其在实际废水处理中的性能，并进行技术经济分析。