在UASB（升流式厌氧污泥床）中形成导电性厌氧颗粒污泥以提高反硝化性能：聚吡咯、电活性细菌和电活性物质之间的协同导电机制

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：The formation of conductive anaerobic granular sludge to enhance denitrification performance in UASB: the synergistic conductivity mechanism with polypyrrole, electroactive bacteria and electroactive substances

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  PPY加速了硝盐的还原，并降低了批量试验中的剩余亚硝酸盐含量。
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  添加PPY的UASB系统在硝盐负荷增加的情况下仍能保持较高的硝盐去除率。
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  添加PPY的试验组显示ETSA和ATP水平升高，EPS的氧化还原特性也发生了变化。
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  添加PPY后，污泥的电导率从1.40 S m^?1小幅升至1.47 S m^?1。
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  PPY引起的代谢变化、EPS变化以及微生物群落结构的改变促进了电子传递。

引言

由于人口增长、工业和农业活动的增加，以及气候变化对水文循环的干扰日益严重，水质下降已成为全球性问题[1]、[2]。全球最常见的水质问题是水体富营养化，这主要是由硝盐污染引起的[3]、[4]。此外，肥料生产废水中的硝盐浓度高达960 mg·L^-1，而皮革或焦化废水中NO₃^--N的含量则达到300-500 mg·L^-1 [5]。高浓度的硝盐不仅通过富营养化影响水生系统，还会转化为亚硝酸盐，从而对人类健康造成慢性疾病和癌症风险[6]。因此，从受污染的水体中去除NO₃^--N至关重要。

目前，去除硝盐的经典方法是生物反硝化处理技术，该技术因其环保性和低能耗等优点而在污水处理厂得到广泛应用。上流式厌氧污泥床（UASB）反应器中的厌氧颗粒化过程受到生物量聚集、胞外聚合物物质（EPS）介导的黏附作用、流体力学选择以及物理化学相互作用的影响[7]、[8]。与悬浮污泥相比，致密厌氧颗粒污泥（AGS）具有更高的生物量保留能力、更良好的沉淀性能以及在较短的水力停留时间内的稳定运行[9]。然而，长期暴露于钙环境中可能会促进矿物质沉积和团聚，从而降低孔隙通透性和活性生物量[10]、[11]。据报道，导电聚合物（如PPY）可以改变其他生物系统中的微生物氧化还原反应和电子传递过程[12]、[13]。

导电聚合物的结构与微生物的导电菌毛相似，这些菌毛已被证明可以促进电子传递。研究表明，5 mM的聚苯胺磺酸盐可使反硝化速率加快2.05倍，而300 mg·L^-1的聚吡咯（PPY）可通过加速电子传递和增强微生物代谢，将硒（IV）的生物还原率提高到99.98%[12]、[13]。此外，PPY还能通过提高相关酶的活性和稳定性来增强电子传递系统的效率[14]。同样重要的是，带正电的PPY链与细菌细胞壁之间的强烈静电相互作用[15]。因此，PPY有助于在颗粒污泥形成过程中聚集大量微生物，同时作为导电聚合物增强微生物代谢和电子传递。此外，PPY具有优异的生物相容性、内在导电性、长期稳定性及耐用性，并且成本低廉、易于获取[16]、[17]。目前，PPY主要应用于水质控制技术，如分离与净化、氧化还原过程及抗菌消毒[17]。然而，PPY在UASB中AGS生物反硝化领域的应用尚不充分。特别是，目前尚不清楚PPY对UASB反应器中反硝化AGS的影响机制，尤其是它是否改变了污泥的物理化学性质、微生物代谢、EPS的氧化还原特性和微生物群落结构，以及这些变化是否伴随着反硝化效果的改善。

基于此，本研究探讨了添加PPY是否会导致以下方面的协同变化：(i) 颗粒的物理和电化学性质；(ii) 微生物代谢指标及EPS的氧化还原特性；(iii) 反硝化过程中的微生物群落结构。这些指标的综合评估有助于确定观察到的现象是否更符合有利于电子传递的微环境，而不仅仅是特定EET/DIET途径的独立证据。

章节摘录

UASB反应器和种子污泥

使用了一个由聚甲基丙烯酸甲酯制成的柱状反应器（直径6.0 cm，高度56.8 cm，总体积1.0 L）来研究PPY对高浓度硝盐反硝化的影响（见图S1）。UASB中的种子污泥取自二次沉淀池的回流污泥。反应器中加入了0.7 L的种子污泥，其混合液中悬浮固体（MLSS）浓度为28.60 g·L^-1，挥发性悬浮固体（MLVSS）浓度为10.40 g·L^-1。

操作参数和合成废水

经过192天后...

PPY对反硝化效率的影响

为了研究PPY对反硝化性能的影响，首先进行了批量实验，分别测定了无PPY组、添加PPY组的NO₃^--N和NO₂^--N浓度。如图S2a所示，无PPY组在84小时内NO₃^--N浓度没有显著变化，表明PPY无法物理吸收或化学还原NO₃^--N。而在添加PPY的组中，NO₃^--N的还原速率分别为3.50、5.64、7.62和8.93 mg·L^-1·h^-1。

结论

本研究评估了PPY添加对AGS系统中反硝化性能及相关污泥特性的影响。批量实验表明，PPY提高了硝盐的还原速率；长期运行的UASB系统在硝盐负荷逐渐增加的情况下仍能保持稳定的硝盐去除率，并降低了剩余亚硝酸盐浓度。添加PPY的试验组还表现出较高的ETSA和ATP水平，EPS组成也发生了变化，污泥的电导率略有上升。

未引用的参考文献

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CRediT作者贡献声明

杨文山：撰写——初稿撰写、调查、数据整理、概念构思。 任波：指导、方法论设计。 侯亚楠：正式分析、概念构思。 卢彩才：可视化处理、调查。 李海波：资源协调、正式分析。 郭婷婷：撰写——审稿与编辑、概念构思。 陈志：调查、正式分析。 郭建波：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了台州市500精英人才计划（编号22DSX005083）的支持。

利益冲突

本研究不存在需要声明的利益冲突。

著者：杨文山 | 李海波 | 卢彩才 | 侯亚楠 | 任波 | 陈志 | 郭婷婷 | 郭建波