Effects of electrochemical intervention on the remediation of black-odorous water: insights into microbial community dynamics and functional shifts in sediments

電化學(xué)干預(yù)對(duì)黑臭水體修復(fù)的影響：深入了解沉積物中微生物群落動(dòng)態(tài)和功能變化

來(lái)源：Water Science & Technology Vol 87 No 11, 2776 doi: 10.2166/wst.2023.169

 

論文總結(jié)與分析

摘要核心內(nèi)容

 

論文提出了一種電化學(xué)干預(yù)技術(shù)（施加2.5V、5V、10V電壓）用于修復(fù)黑臭水體。研究發(fā)現(xiàn)：

 

電壓提升底泥氧化性：顯著提高沉積物氧化還原電位（ORP），抑制H?S、NH?和CH?等惡臭氣體排放。

微生物群落重構(gòu)：典型產(chǎn)甲烷菌（Methanosarcina、Methanolobus）和硫酸鹽還原菌（Desulfovirga）豐度下降，而化能異養(yǎng)菌（Dechloromonas、Azospira等）豐度上升。

功能轉(zhuǎn)變：硫酸鹽還原和產(chǎn)甲烷功能受抑制，有機(jī)物生化降解能力增強(qiáng)，CO?排放量顯著增加。

 

研究目的

 

開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、無(wú)污染的黑臭水修復(fù)技術(shù)。

闡明電壓干預(yù)對(duì)底泥氧化條件、惡臭氣體排放及微生物群落的影響機(jī)制。

探究電化學(xué)干預(yù)下微生物功能（硫循環(huán)、產(chǎn)甲烷、有機(jī)物降解）的轉(zhuǎn)變規(guī)律。

 

研究思路

 

graph LR

A[黑臭水模擬] --> B[電壓干預(yù)實(shí)驗(yàn)]

B --> C[2.5V/5V/10V處理組 vs 對(duì)照組]

C --> D[監(jiān)測(cè)水質(zhì)與氣體排放]

D --> E[分析底泥微生物群落]

E --> F[功能預(yù)測(cè)與機(jī)制解析]

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及意義

 

水質(zhì)參數(shù)（圖2）

 

數(shù)據(jù)：pH、EC（電導(dǎo)率）、DO（溶解氧）、ORP-W（水體氧化還原電位）、ORP-S（底泥氧化還原電位）、NH??-N（氨氮）、色度、濁度。

意義：

ORP-S↑（最高+157 mV）證明電壓有效改善底泥氧化性（圖2e）。

高電壓組（5V/10V）DO恢復(fù)延遲（圖2c），因陰極阻礙復(fù)氧。

 

氣體排放速率（圖3）

 

數(shù)據(jù)：H?S、NH?、CH?排放↓（最高降幅70%），CO?排放↑（10V組達(dá)243.9 μmol·h?1）。

意義：電壓抑制還原性惡臭氣體，促進(jìn)有機(jī)物礦化為CO?。

 

間隙水離子（圖4）

 

數(shù)據(jù)：SO?2?濃度波動(dòng)（電壓抑制硫酸鹽還原），NO??濃度在低氧組（M/H）↓（因硝酸鹽還原增強(qiáng)）。

意義：證實(shí)電壓改變電子受體競(jìng)爭(zhēng)（SO?2? vs NO??）。

 

微生物群落（圖5）

 

 

數(shù)據(jù)：

產(chǎn)甲烷菌（Methanosarcina、Methanolobus）和SRB（Desulfovirga）豐度↓（10V組最低）。

化能異養(yǎng)菌（Dechloromonas、Azospira）豐度↑（圖5b）。

意義：電壓通過(guò)提升ORP抑制厭氧菌，促進(jìn)好氧/兼性菌主導(dǎo)有機(jī)物降解。

 

功能預(yù)測(cè)（圖6）

 

數(shù)據(jù)：FAPROTAX預(yù)測(cè)顯示電壓組硫酸鹽還原↓、化能異養(yǎng)↑。

意義：微生物功能轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)污染物降解路徑改變。

 

結(jié)論

 

電壓有效性：5V/10V顯著提升底泥ORP（圖2e），抑制H?S/NH?/CH?排放（降幅38–61%），但可能增加水體濁度（圖2h）。

微生物機(jī)制：

厭氧菌（SRB、產(chǎn)甲烷菌）受ORP↑抑制（圖5, 圖6）。

化能異養(yǎng)菌（如Dechloromonas）利用有機(jī)物產(chǎn)生CO?（圖3d）。

技術(shù)瓶頸：陰極析氧受阻導(dǎo)致DO恢復(fù)延遲，需優(yōu)化電極設(shè)計(jì)。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

測(cè)量方法與目的

 

技術(shù)原理：使用Unisense微電極系統(tǒng)（尖端100μm）直接測(cè)量沉積物ORP（ORP-S），空間分辨率達(dá)毫米級(jí)。

校準(zhǔn)：采用標(biāo)準(zhǔn)溶液兩點(diǎn)校準(zhǔn)，確保數(shù)據(jù)可靠性。

關(guān)鍵指標(biāo)：ORP-S（沉積物氧化還原電位），反映底泥氧化性（圖2e）。

 

研究意義

 

精準(zhǔn)量化氧化性改善：

ORP-S從-154 mV升至+157 mV（圖2e），直接證明電壓有效提升底泥氧化性，為抑制厭氧過(guò)程（硫酸鹽還原、產(chǎn)甲烷）提供核心證據(jù)。

揭示微生物響應(yīng)機(jī)制：

ORP-S↑與SRB（Desulfovirga）豐度↓顯著負(fù)相關(guān)（圖5b），驗(yàn)證厭氧菌對(duì)氧化環(huán)境的敏感性。

關(guān)聯(lián)氣體排放：

ORP-S↑與H?S/NH?/CH?排放↓強(qiáng)相關(guān)（圖7a），建立“電壓→ORP↑→厭氧過(guò)程抑制→惡臭氣體減少”的因果鏈。

技術(shù)優(yōu)化指導(dǎo)：

ORP-S提升幅度（L組>M/H組）揭示電壓效率閾值，提示2.5V可能為最佳能耗比方案。

 

生態(tài)工程價(jià)值

 

微尺度監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)：克服傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)法反映底泥微環(huán)境的局限，為黑臭水修復(fù)提供原位評(píng)估工具。

機(jī)制解析關(guān)鍵：ORP-S數(shù)據(jù)直接關(guān)聯(lián)電化學(xué)干預(yù)與微生物功能響應(yīng)，支撐技術(shù)優(yōu)化（如電極布局調(diào)整以緩解陰極復(fù)氧阻礙）。

 

總結(jié)：Unisense電極數(shù)據(jù)是解析電壓干預(yù)機(jī)制的核心，通過(guò)高精度ORP-S測(cè)量，證實(shí)電化學(xué)技術(shù)通過(guò)調(diào)控沉積物氧化性重構(gòu)微生物群落，最終驅(qū)動(dòng)污染物降解路徑從厭氧產(chǎn)惡臭氣體轉(zhuǎn)向好氧礦化。