电场强化火山岩系统的除磷性能及其微生物响应机制

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Phosphorus Removal Performance of Electric Field-Enhanced Volcanic Rock System and Its Microbial Response Mechanisms

　　

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  开发了一种新型电场-火山岩体系用于除磷。
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  电场促进了火山岩表面Ca、Fe、Al和Mg的富集。
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  电场改变了微生物多样性并富集了除磷细菌。
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  电场引起了微生物群落结构的明显垂直位移。
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  Comamonas和relA被鉴定为磷去除的关键预测因子。

引言

磷是各种生命形式所必需且有限的营养元素。然而，过量的磷输入已成为全球水体富营养化的主要驱动因素[1]，导致有害藻华、水体缺氧和生物多样性丧失，对生态平衡和人类水安全构成严重威胁[2]。生活污水排放是磷输入的人为来源之一，因此，开发高效且可持续的除磷技术对于环境保护至关重要。

目前，废水除磷技术主要包括物化学方法和生物方法[3]。其中，化学沉淀和吸附方法具有处理效果稳定的优势，但通常伴随着较高的化学试剂成本、高污泥产量以及潜在的二次污染[4]。相比之下，强化生物除磷（EBPR）被认为是一种更为可持续的替代方案，因其具有资源回收的潜力和较低的运营成本[5]。然而，该工艺依赖于聚磷菌（PAOs），这些菌群能够以聚磷酸盐（PolyP）的形式储存磷，并在除磷过程中发挥关键作用[6]；但其性能易受碳源供给、温度波动和抑制性物质等因素的影响[7]，导致系统稳定性较差。

为克服上述瓶颈，将多孔载体材料和外加电场协同引入生物处理系统已成为一种极具前景的强化策略。常用的废水处理介质包括沸石、生物炭、陶粒和活性炭，它们在离子交换容量、电导率、孔隙结构、机械稳定性和成本方面各具不同的特性。与这些材料相比，火山岩具有诸多优势，如来源广泛、成本低、机械强度较高、堆积密度较低以及表面粗糙多孔。这些特性不仅有利于污染物吸附，还能为微生物附着和生物膜形成提供较大的比表面积[8]。此外，火山岩通常富含Fe、Al和Ca等矿物成分，可能通过表面络合、沉淀和配体交换等过程促进磷的固定，从而在针对除磷的处理系统中具有一定优势[9]。

同时，电场的应用能够在阳极区和阴极区形成独特的电化学微环境[10]。现有研究表明，生物电化学系统（BES）通过电活性微生物（EAMs）与固体电极之间的胞外电子传递促进污染物的氧化还原转化[11]；BES可在电极及废水中直接产生各种活性氧物种（ROS），从而实现对微生物系统内氧化还原环境的时间-空间控制[12]。此外，外加电场可通过提供电子供体或受体、调节局部pH和氧化还原电位以及刺激ROS产生，直接或间接地调控微生物代谢过程[13]。当该电化学过程与火山岩等多孔载体结合时，其丰富的表面结构为微生物附着和生物膜形成提供了有利界面，从而为强化生物除磷创造条件。弱电刺激可促进微生物分泌胞外聚合物（EPS），从而加速生物膜成熟并增强其结构稳定性。同时，电场诱导的局部理化梯度可进一步重塑微生物群落内的竞争格局[14]、[15]。然而，现有研究主要聚焦于评估电场带来的出水水质整体改善[16]，而电场在垂直空间尺度上驱动基质内微生物群落演替的机制仍未得到充分探索。事实上，在电场作用下，由于电场强度分布不均匀以及质子迁移和离子传输过程的存在，反应器内不同层面会形成显著的理化梯度（如pH和氧化还原电位的差异）[17]。在此背景下，附着于火山岩表面的生物膜的群落结构和代谢途径可能经历明显的分层演化[18]。因此，电场在垂直空间尺度上调控微生物群落结构和功能的内在机制仍有待深入探究。

基于此，本研究开发了一种电场强化火山岩基质反应器，重点研究在电场影响下系统的除磷性能及其微观机制。具体包括：（i）评估外加电场对生活污水除磷效果的影响，并定量火山岩表面的磷吸附容量；（ii）揭示外加电场引起的火山岩表面形貌和元素组成变化；（iii）分析火山岩基材不同深度处表面微生物群落的多样性、结构和垂直分层特征；（iv）识别电场驱动的关键功能微生物群落和潜在代谢途径，阐明电场强化除磷的机制。

章节片段

电场强化火山岩模拟系统的构建

实验在西南林业大学实验室进行。本研究设计了两个处理系统（图1）：常规火山岩处理系统（CK）和电场强化火山岩处理系统（EF）。每组处理设置三个平行重复，共计六个反应器。反应器主体由刚性材料制成的圆柱形容器构成，高40 cm，直径20 cm，内部填充火山岩

电场对生活污水除磷效果的影响

在整个实验期间，各系统进水TP和PO?3?-P的平均浓度分别为5.98和5.55 mg/L（图2a和2b），而出水浓度总体呈下降趋势。其中，选取系统进入相对稳定运行阶段后连续10个运行周期的代表性数据，对比CK和EF的除磷性能。特别是出水浓度

结论

本研究构建了一种电场强化火山岩系统，发现该系统显著提高了TP和PO?3?-P的去除效率。在电场的加入下，TP和PO?3?-P的平均去除率分别达到63.32%和68.50%。该除磷增强效应背后的机制主要包括两个方面：首先，火山岩的吸附作用。电场的加入显著增加了阳离子的含量

CRediT作者贡献声明

祁丹辉：指导、方法论、调查研究、概念构思。刘宇根：指导、项目管理。刘媛媛：写作——审稿与编辑、指导、项目管理。彭一阳：可视化、调查研究、数据整理。苏少灿：可视化、调查研究。王子琪：调查研究、形式分析、数据整理。周红霞：写作——审稿与编辑、写作——初稿、可视化、方法论、调查研究、形式分析，

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究受云南省重点研发计划项目（项目编号：202502AE090046）、中央引导地方科技发展基金项目（项目编号：202607AB040005）以及云南省科技厅创新团队项目（项目编号：202605AS350012）资助。

周红霞|刘宇根|祁丹辉|刘媛媛|彭一阳|苏少灿|王子琪