在低温条件下，使用铁改性活性炭电极的厌氧挡板反应器中，通过电化学方法增强厌氧氨氧化（anammox）工艺的氮去除效果

《Bioresource Technology》：Electrochemical enhancement of anammox nitrogen removal in anaerobic baffled reactors equipped with iron-modified activated carbon electrodes under reduced temperatures

氮去除效率提升的低温厌氨氧化-MEC系统研究：通过铁改性活性炭电极优化微生物群落结构及电子传递，实现7℃下0.18 kg·m?3·d?1氮去除率，25℃时6天内提升至0.44 kg·m?3·d?1。

　　

作者：季琳燕、姜洪昌、陈曦、陈晓、孔凌照、高明、钱飞月

单位：苏州科技大学环境科学与工程学院，中国江苏省苏州市学府路99号，邮编215009

摘要

本研究将一种新型的厌氧氨氧化-微生物电解池（anammox-MEC）系统集成到厌氧挡板反应器（ABRs）中，以在较低温度下提高氮去除效率。系统评估了颗粒活性炭（GAC）和铁改性活性炭（Fe@GAC）作为电极材料的效果，探讨了电极组成、施加电压和操作温度对反应器性能、颗粒和生物膜生物量、微生物群落结构以及氮代谢途径的影响。结果表明，基于Fe@GAC的MECs显著提升了氮去除性能，并有助于快速恢复受低温抑制的ABRs功能。在7℃和0.9V的条件下，anammox-MEC系统的氮去除速率（NRR）为0.18 kg·m^?3·d^?1；当温度升高至25℃时，6天内NRR增加到0.44 kg·m^?3·d^?1。与颗粒污泥相比，电极相关的生物膜富集了更多的厌氧氨氧化细菌，尤其是 Kuenenia和Brodadia菌株，并表现出更强的耐寒性。这一现象通过核心厌氧氨氧化功能基因（hzs、hdh和nxr）的丰度增加以及与电活性细菌（如、Azospira>和Pseudomonas）的协同作用得到证实。Fe@GAC电极的主要作用是在弱电刺激下通过铁的氧化还原循环促进硝酸盐的还原。这些发现为在低温条件下应用anammox-MEC系统处理富氮废水提供了实际指导。

引言

微生物电解池（MECs）结合了微生物代谢和电化学反应，驱动非自发的化学反应并实现高效的电子转移，从而提高整体系统性能（Ailijiang等人，2016；De La Fuente等人，2022；Wang等人，2026）。这类系统在先进废水处理应用中显示出巨大潜力，尤其是当与太阳能结合作为可持续能源时（Pandey等人，2021）。最近，Shaw等人（2020）证实，依赖细胞外电子转移（EET）的厌氧氨氧化细菌（AnAOB）可以在不积累硝酸盐或亚硝酸盐的情况下将铵完全转化为氮气。迄今为止，多项研究已将MECs与厌氧氨氧化过程（anammox-MEC）相结合，构建了电极介导的氮去除系统，其中铵（NH₄⁺）作为电子供体，亚硝酸盐（NO₂^?）或三价铁（Fe(III)）作为电子受体（De La Fuente等人，2022；Yin等人，2015；Kokabian等人，2018）。在生物电极附近，持续的弱电刺激促进了细胞外聚合物物质（EPS）的分泌，有利于形成致密的生物膜，并使细胞能够将电子传递给适当的受体（Yin等人，2015）。此外，施加的电位可以刺激生物膜上功能细菌的富集，并塑造微生物群落以适应不同的外部电压。Cai等人（2022）观察到电养反硝化菌（如Thauera、Hydrogenophaga和< />）和厌氧氨氧化细菌（AnAOB）的增殖，强调了持续电刺激在强化生物膜内整合氮代谢途径中的作用。

厌氧氨氧化过程在处理富铵废水以及与部分亚硝化作用和反硝化作用结合的主流生活污水处理中展现了巨大潜力（Lackner等人，2014）。然而，低温胁迫仍然是维持工艺稳定性和效率的关键挑战（Kosgey等人，2021）。在低温条件下（10–20℃），AnAOB倾向于降低生物合成活动，优先将能量分配给核心代谢功能，导致厌氧氨氧化活性显著下降（Kouba等人，2022a）。同时，竞争性亚硝酸盐氧化菌（NOB）和异养菌的增殖会损害工艺性能（Zhao等人，2024）。尽管先前的研究表明，对MECs施加适当的电压可以促进AnAOB的富集并提高厌氧氨氧化系统的氮去除性能，但关于在低温下启动和运行集成anammox-MEC系统的研究仍较为有限。此外，成本效益高且广泛可用的碳基电极是工程应用厌氧氨氧化-MEC系统的有希望的候选材料（Manjunatha和Uslu，2022）。

具有氧化还原活性Fe(II)/Fe(III)物种的生物相容性铁材料被广泛用于通过建立电子穿梭途径来增强碳基电极的电化学活性（Li等人，2024；Xia等人，2023）并调节微生物代谢（Wang等人，2021；Giangeri等人，2023）。例如，纳米级的Fe₃S₄（Park等人，2020）和原子级分散的Fe–N–C（Jin等人，2022）电催化剂可以在生理条件下作为可控的“人工酶”，选择性驱动NO₂^?的一电子还原为氮氧化物（NO），这是厌氧氨氧化途径中的关键中间体。最近，Dou等人（2025）报告称，在AnAOB和铁氧化物之间形成导电桥可以显著增强电子流动，从而在不添加外源亚硝酸盐的情况下实现超过97%的铵去除效率。这种高效的EET触发了Fe(II)/Fe(III)氧化还原信号，协调了微生物代谢。这些发现为提高适应低温的厌氧氨氧化群落的代谢性能提供了有前景的策略。

在本研究中，将厌氧氨氧化-微生物电解池系统集成到在低温下运行的厌氧挡板反应器（ABR）中，使用颗粒活性炭（GAC）和铁改性活性炭（Fe@GAC）作为电极材料。系统研究了电极类型、施加电压和反应器温度对氮去除性能、颗粒和生物膜生物量、微生物群落多样性以及氮代谢途径的影响。Fe@GAC电极显著提升了反应器性能，并帮助厌氧氨氧化-MEC系统快速从低温抑制中恢复，为这种集成工艺在实际处理富氮废水中的应用提供了实验依据。

实验装置

一系列实验室规模的改良型ABRs（R1–R8），每个反应器包含两个相同的隔室（C1和C2），总工作体积为1.7升，用于连续处理合成富氮废水。反应器R1作为对照组，未集成MEC（表1）。MEC由两个钛网框架（55 × 55 × 40毫米，平均孔径1–2毫米）组成，作为阳极和阴极的导电支撑，内部填充了商业化的木质基材料

反应器性能

如图1所示，在第一阶段，反应器温度从30℃降至15℃对ABR性能和MLVSS浓度产生了显著不利影响。众所周知，AnAOB在中温条件（30–35℃）下表现出最佳活性，其特定物种的生长速率范围为0.06至0.21 d^?1，而低温会显著抑制生物体的厌氧氨氧化活性（Zhang和Okabe，2020；Kouba等人，2022a）。尽管如此，TIN（...

结论

本研究开发的Fe@GAC电极的厌氧氨氧化-微生物电解池系统在低温下有效提升了ABRs的氮去除性能。在7℃时，anammox-MEC系统的氮去除速率为0.18 kg·m^?3·d^?1；6天后，这一速率升至25℃时的0.44 kg·m^?3·d^{?1 Kuenenia和Brodadia AnAOB的富集，并表现出更强的耐寒性，这归因于关键厌氧氨氧化功能基因（hzs、hdh...}

CRediT作者贡献声明

季琳燕：撰写初稿，进行实验研究。姜洪昌：进行实验研究。陈曦：数据整理。陈晓：方法学设计。高明：撰写、审稿与编辑，争取资金。钱飞月：撰写、审稿与编辑，监督工作，资源调配，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所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：32202148）和江苏省研究生研究与创新项目（项目编号：SJCX25_1864）的支持。