硫化物自养反硝化-厌氧氨氧化-MFC耦合系统中同步脱氮、脱硫与产电的性能及功能菌群

《Bioelectrochemistry》：Performance and functional flora of simultaneous nitrogen removal, desulfurization and electricity generation in sulfide autotrophic denitrification-anammox-MFC coupled system

　　

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  SAD-厌氧氨氧化 - 微生物燃料电池实现了同步脱硫、脱氮及发电。
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  在 300 mg S/L 条件下，总氮去除率为 82.1%（HRT 60 小时），功率密度为 1406.25 mW/m³（HRT 24 小时）。
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  阳极：Thiobacillus & Sulfuricurvum；阴极：Ca. Brocadia & 未分类 f_PHOS-HE36。
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  该系统实现了含硫氮废水的低碳、正能量处理。

引言

包括皮革加工、化学工程、制药、橡胶加工和采矿在内的许多行业产生并排放大量含有硫（SO₄^2?、S^2?）和氮（有机氮、NH₄⁺-N）的废水 [1], [2], [3]。在厌氧条件下，硫酸盐容易还原为有毒、腐蚀性和恶臭的硫化物（S^2?）[4]。此类废水的直接排放会引发一系列水环境问题，包括富营养化、溶解氧耗竭和生态系统破坏，最终威胁人类健康和水安全 [5], [6]。传统的生物脱氮技术，主要基于硝化和异养反硝化，是一种成熟的技术。然而，它本质上是一个能耗和资源密集型过程，碳排放高。在“双碳”目标背景下，此类传统脱氮方法变得越来越不可持续 [7]。

在此背景下，自养生物处理工艺作为有前景的替代方案应运而生。其中，硫化物自养反硝化（SAD）和厌氧氨氧化（anammox）是两种实现低碳脱氮的领先技术 [8], [9]。特别是，厌氧氨氧化被广泛认为是目前可用的最高效的生物脱氮技术。它在厌氧条件下运行，利用铵（NH₄⁺）和亚硝酸盐（NO₂^?）作为底物产生氮气（N₂）。它不需要曝气，不使用外部有机碳源，污泥产率仅为常规过程的 10% 左右，能耗降低超过 60%，并显著降低温室气体（CO₂ 和 N₂O）排放 [10], [11]。然而，厌氧氨氧化存在关键局限性，包括亚硝酸盐供应困难和厌氧氨氧化菌（AnAOB）严格的增长要求 [12], [13]。SAD 工艺可以为厌氧氨氧化提供互补解决方案。SAD 的中间产物亚硝酸盐正是厌氧氨氧化所需的底物。几项研究探讨了这种耦合系统 [14], [15]，但硫化物对微生物的毒性抑制和不稳定的亚硝酸盐供应仍是主要障碍。已探讨了一些改进策略，例如，Yang 等人 [16] 采用凝胶固定化技术增强了硫化物自养反硝化菌（SADB）和厌氧氨氧化菌（AnAOB）在恶劣条件下的生存能力，Ma 等人 [17] 使用沸石粉增强了 AnAOB 对亚硝酸盐的竞争性。

近年来，微生物燃料电池（MFC）在废水脱氮中的应用为克服上述瓶颈提供了解决方案。在双室 MFC 中，质子交换膜对阳极室和阴极室的物理分离可以有效隔离有毒物质（如硫化物）与位于对面室内的敏感微生物（如 AnAOB）。在此配置中，阳极室内的硫氧化菌（SOB）氧化硫化物并产生电子，这些电子通过外部电路传输到阴极 [18], [19]。阴极可以设计为进行部分反硝化以产生亚硝酸盐，用作后续厌氧氨氧化反应的关键中间体。因此，SAD-厌氧氨氧化 -MFC 耦合系统的概念对于含氮硫废水的自养、低碳和正能量处理具有重要的理论潜力。

鉴于此，本研究构建了一种新型的 SAD-厌氧氨氧化 -MFC 耦合系统，系统研究了关键操作参数（污泥接种比例、外电阻、硫化物浓度和 HRT）对系统协同脱氮、脱硫和发电性能的影响，并确定最佳操作条件。我们分析了参与氮硫代谢的功能细菌和微生物群落，揭示了硫化物毒性缓解机制以及功能微生物之间的协同代谢相互作用。这项工作建立了一种高效稳定的耦合工艺，为含硫氮废水的处理提供了技术方案。

章节摘要

实验装置

本实验采用 H 型双室 MFC 反应器，正如我们在之前的工作中所述 [20]。反应器由阳极室和阴极室组成，每个室的有效体积为 200 mL，由阳离子交换膜（CEM, CMI-7000 s, 美国）隔开。碳纤维刷被固定为每个室内的电极，每个室都配备了一个参比电极。电极距底部 1–2 cm，并连接到电阻箱

污染物去除效果

硫化物自养反硝化菌（SADB）与厌氧氨氧化菌（AnAOB）之间的代谢协同（即亚硝酸盐产生与消耗之间的匹配关系）直接影响总氮去除效率和电子转移路径 [22]。

在阴极室内，在不同硫化物自养反硝化污泥与厌氧氨氧化污泥的接种体积比（SADB:AnAOB = 2:1, 1:1, 1:2, 1:3）下，污染物去除效率如图 1a 和 b 所示。硫化物去除

结论

在本研究中，成功优化了 SAD-厌氧氨氧化 -MFC 耦合系统，以实现从含硫氮废水中同步脱氮、脱硫和发电。最佳操作条件确定如下：SAD 与厌氧氨氧化污泥接种比为 1:2，外电阻为 500 Ω，进水硫化物浓度为 300 mg S/L，HRT 为 60 小时。在这些条件下，系统实现了 82.11% 的总氮去除效率，基于厌氧氨氧化

CRediT 作者贡献声明

Changzi Guo: 撰写 – 审稿与编辑，项目管理，资金获取，概念化。Dongchan Xi: 撰写 – 原稿，正式分析，数据整理。Liyuan Shao: 撰写 – 原稿，调查，正式分析，数据整理。Xuemei Chen: 验证，调查。Dongting Fan: 验证，调查。Yong Zhang: 验证，调查。Huimin Liu: 验证，调查。

利益冲突声明

作者声明他们之间没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到 河北省科技计划项目（项目编号：26243602D）、西安市科技计划项目（项目编号：23GXFW0005）以及 2024 年 大学生创新创业训练计划（S202410708101）的资助。

Changzi Guo|Dongchan Xi|Liyuan Shao|Xuemei Chen|Dongting Fan|Yong Zhang|Huimin Liu