《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Bioelectrochemical system-aided sewer gas control: a feasibility study via semi-continuous operation
编辑推荐：
生物电化学系统（BES）在新建（NS）和现有（ES）污水管道环境中对甲烷和硫化氢的控制效果及机制研究。在NS环境中，施加-0.2V阴极电位使甲烷产量降低41.6%，可能与增强电生成作用及抑制乙酸竞争相关；而硫化氢产量增加102.4%，因硫酸盐还原菌富集。增大电极面积或降低乙酸浓度可缓解硫化氢问题，当pH<5时硫化氢减少73%。ES环境中微生物活性较低，BES控制效果有限。研究证实BES在NS环境可有效抑制甲烷，但硫化氢控制需进一步优化条件。
孙月|王晓宇|Jordi Vanes|王佳敏|Annemiek ter Heijne|Huub Rijnaarts|陈卫山
瓦赫宁根大学与研究中心环境技术系，邮政信箱17号，6700 AA，瓦赫宁根，荷兰
摘要
生物电化学系统（BES）在无需化学添加剂的情况下控制污水中的甲烷和硫化物方面显示出潜力，但它们在不同污水环境中的表现仍不甚明了。本研究评估了BES在新建设（NS）和现有（ES）污水环境中的有效性及其作用机制。在NS环境中，施加-0.2 V（相对于Ag/AgCl）的阳极电位可将甲烷产量降低38.5-44.6%（平均41.6%），相比开路对照组。甲烷的减少可能与电生作用的增强有关，这加剧了对乙酸盐的竞争并/或导致了pH值的降低。相反，硫化物的产量增加了57.9-175.8%（平均102.4%），这与电活性硫酸盐还原菌（如Desulfovibrio）的富集相吻合（在开路对照组中为4.8-5.6%）。将阳极表面积加倍和/或降低进水中的乙酸盐浓度可以防止硫化物产量的不希望增加，并在pH值降至5以下时实现硫化物控制（约73%的减少）。在ES环境中，相同的阳极电位引起的电活性细菌活性显著低于NS环境（约0.2 mA vs. 约3.3 mA），导致甲烷和硫化物的缓解效果有限。使用真实的生活污水进行的进一步实验验证了BES在NS环境中抑制甲烷的可行性（32.2-65.3%，平均51.4%），而电流生成引起的pH值降低不足以控制硫化物。本研究展示了BES在NS环境中减少甲烷的潜力，同时也揭示了在可生物降解底物有限条件下的硫化物控制挑战。
引言
污水系统是城市基础设施的重要组成部分，负责收集和输送废水到下游的污水处理设施。然而，污水系统中的微生物活动会产生甲烷和硫化物等有害气体，带来重大的管理挑战[1]。甲烷是一种强效的温室气体，其全球变暖潜力约为二氧化碳的21倍[2]。在美国，污水系统估计占市政废水部门总甲烷排放量的约11%[3]。硫化物是导致污水系统中混凝土腐蚀的主要因素。多项研究表明，这种由硫化物引起的腐蚀可将混凝土结构的使用寿命从预期的100年缩短至仅30-50年[4]，[5]。在澳大利亚，硫化物引起的腐蚀每年造成的污水基础设施损失估计约为1亿美元[6]。
目前控制污水中甲烷和硫化物的策略主要依赖于反复添加化学物质，如[7]，[8]所述。这些策略的主要缺点是成本较高（实际上），通常难以长期维持，并且在城市环境中操作不便[9]。
生物电化学系统（BES）作为一种无需化学添加剂的策略，显示出抑制污水气体（CH?和H?S）的潜力[10]。在BES中，生物阳极上的电活性细菌（EAB）可以氧化有机底物（例如乙酸盐）或无机化合物（例如硫化物），产生的电子随后通过外部电路传递到阴极，在那里发生还原反应[11]，[12]。在污水系统中，好氧层中的氧气可以作为阴极还原反应的潜在最终电子受体[13]。生物阳极可能通过三种机制抑制甲烷和硫化物的产生：（1）EAB可能与产甲烷古菌（MA）和硫酸盐还原菌（SRB）竞争有机底物，因为EAB、MA和SRB可利用的有机底物类型相似[14]，[15]，[16]；（2）EAB氧化底物过程中释放的质子与电流生成密切相关（乙酸盐与H?的摩尔比为1:9），导致阳极表面附近局部酸化，可能抑制MA的活性[10]，[17]；（3）某些EAB可以在特定阳极电位下将硫化物氧化为元素硫[18]。因此，BES具有抑制污水系统中有害气体产生的潜力。
根据MA和SRB的活性，污水系统可以分为两种不同类型：新建设的污水（NS）环境，其特征是MA和SRB的初始活性较低；以及现有污水（ES）环境，其中MA和SRB的活性已经较高。这意味着将BES引入NS环境可以从一开始就赋予其MA、SRB和EAB的活性。相比之下，ES环境最初主要适合MA和SRB的活动，而随后引入BES是否能够触发EAB的活性仍不确定。
迄今为止，关于EAB、SRB和MA之间竞争的研究仍然有限。Sun等人[10]之前的一项研究在静态环境中（即在批次反应器中）研究了EAB、MA和SRB之间的竞争。该研究发现，在模拟的NS环境中，-0.2 V的阳极电位可以降低甲烷产量，但硫化物的产量没有得到缓解[10]。尽管该研究探讨了阳极电位对模拟ES环境中EAB、MA和SRB之间竞争的影响，但实验时间较短（仅4天）。此外，该研究中使用的批次模式操作和高初始乙酸盐浓度（1 g/L）与实际污水条件不同，实际污水条件通常表现为连续或半连续流动，且易于生物降解的COD浓度相对较低（通常在65-200 mgCOD/L范围内[19]。因此，当在相关污水操作条件下评估时，EAB、SRB和MA之间的微生物竞争在NS和ES环境之间的差异仍不清楚。
本研究旨在通过检查半连续流动条件下EAB、SRB和MA之间的竞争来研究阳极电位控制污水气体的效果。双室BES反应器中的阳极室被设计用于模拟污水废水中的深层厌氧层，其中共存EAB、SRB和MA。配备阳离子交换膜的双室配置用于最小化阴极反应对阳极室中厌氧微生物过程的干扰。研究了以下关键参数对EAB、SRB和MA之间竞争的影响：（1）两种不同的污水环境：NS环境和ES环境；（2）不同的阳极电位；（3）不同的阳极表面积；（4）不同的进水乙酸盐浓度。最后，通过四个使用真实生活污水的半连续双室BES反应器评估了BES在实际应用中抑制甲烷和硫化物的可行性。
实验系统设计
实验室系统设计
基于BES的污水系统主要使用双室BES反应器构建，并在半连续模式下运行（图S1）。每个反应器的阳极室和阴极室分别含有约250 mL的阳极液和阴极液。每个反应器的阳极室和阴极室通过一个面积为8 cm2的阳离子交换膜（Fumasep FKS，Fumatech BWT GmbH）连接。阳极和阴极由石墨毡制成
-0.2 V的阳极电位在NS环境中的电流生成效果优于ES环境
施加相同的-0.2 V阳极电位在NS环境中的电流生成高于ES环境（p<0.05）。如图2a所示，R5和R6（NS环境）的平均电流分别为约3.4 mA和3.3 mA，远高于R3和R4（ES环境）的约0.2 mA。微生物群落分析表明，最常见且生产力最高的电活性细菌Geobacter和Shewanella的相对丰度
结论
本研究首次探讨了在半连续流动条件下使用BES减轻NS和ES环境中甲烷和硫化物产生的可行性。结果表明，施加阳极电位可以在NS环境中减少甲烷产量，但在ES环境中无效。这种差异归因于NS环境中阳极电位对电流生成的刺激作用更为显著
CRediT作者贡献声明
陈卫山：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。Annemiek ter Heijne：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。Huub Rijnaarts：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。Jordi Vanes：撰写——初稿、可视化、研究。王佳敏：撰写——初稿、方法论、研究。孙月：撰写——初稿
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家留学基金委（资助编号201909370058）和瓦赫宁根大学与研究中心的支持。作者感谢瓦赫宁根大学与研究中心环境技术系实验室团队及其工作人员Pieter Gremmen和Vinnie de Wilde在分析方法和实验装置设计方面的支持。第一作者孙月衷心感谢他的妻子尹淑君（南开大学）的支持
