通过细胞外电子转移实现电导性膜辅助的厌氧氨氧化生物膜反应器（MBR），在亚硝酸盐缺乏条件下提升氮去除效率

《ACS ES&T Engineering》：Electrically Conductive Membrane-Assisted Anammox MBR via Extracellular Electron Transfer for Enhanced Nitrogen Removal under Nitrite-Deficient Conditions

　　

摘要

传统的厌氧铵氧化（anammox）过程依赖亚硝酸盐（NO₂^–）作为铵离子（NH₄⁺）氧化的电子受体。然而，在富含铵离子的 wastewater 中，亚硝酸盐的含量往往不足，因此需要复杂的预处理来达到 1:1.32 的铵离子与亚硝酸盐的化学计量比。最近的研究表明，厌氧铵氧化细菌（AnAOB）能够进行细胞外电子转移（EET），这为减少亚硝酸盐的需求提供了一条可能途径。但如何在亚硝酸盐缺乏的条件下实现高效且稳定的电子转移仍不清楚。为此，研究人员开发了一种配备导电膜的电化学厌氧铵氧化膜生物反应器（Amx-EMBR），将 AnAOB 的富集与 EET 帮助的氮去除过程结合在一起。通过促进 AnAOB 在阳极上的密集积聚，显著增强了从 AnAOB 到阳极的电子转移效率，从而使系统能够实现基于 EET 的亚硝酸盐氧化。当进水中的铵离子浓度为 250 mg/L、亚硝酸盐浓度为 150 mg/L 时，该反应器的总氮去除效率达到约 90%，相比不使用电场的反应器提高了 32.8%。¹⁵N 标记实验、核黄素实验以及羟胺（NH₂OH）干扰实验证实了电子转移驱动的氮去除途径的存在。同时，宏基因组分析进一步支持了电极依赖性的铵离子氧化和细胞外电子转移的遗传潜力。此外，该反应器在长期运行过程中表现出较低的膜污染。这项研究展示了一种在亚硝酸盐缺乏条件下增强氮去除效率的有效策略，突破了传统厌氧铵氧化过程对进水铵离子与亚硝酸盐比例的严格化学计量限制。