Electrifying biotrickling filters for the treatment of aquaponics wastewater

用于處理水生廢水的電氣化生物滴濾器

來源：Bioresource Technology 319 (2021) 124221

 

1. 摘要內(nèi)容

 

論文提出了一種基于微生物電化學(xué)技術(shù)（MET）的電化生物滴濾池（BTF）系統(tǒng)，用于處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水（高銨、低碳氮比）。通過結(jié)合好氧區(qū)（非導(dǎo)電PVC顆粒）和電化學(xué)缺氧區(qū)（極化導(dǎo)電石墨顆粒），系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高效的氮去除：

 

最高銨去除率（N-NH??RR）：94 gN·m?3·d?1

最高硝酸鹽去除率（N-NO??RR）：43 gN·m?3·d?1

出水滿足水培標(biāo)準(zhǔn)（銨<0.8 mg/L，亞硝酸鹽<0.3 mg/L），能耗低至8.3×10?2 kWh·gN?1。

該系統(tǒng)無需外部曝氣或添加化學(xué)品，為水產(chǎn)養(yǎng)殖閉環(huán)（aquaponics）和低碳氮比廢水處理提供了可持續(xù)方案。

 

2. 研究目的

 

開發(fā)低成本、易組裝、易操作的廢水處理系統(tǒng)，解決水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的核心問題：

 

高銨含量（50 mgN-NH??·L?1）和低碳氮比（C/N<3），導(dǎo)致傳統(tǒng)脫氮工藝效率低下。

滿足水培系統(tǒng)（hydroponics）的嚴(yán)格水質(zhì)要求（低銨、適量硝酸鹽），實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖-水培的閉環(huán)循環(huán)。

 

3. 研究思路

 

采用分階段優(yōu)化設(shè)計(jì)，測試四種反應(yīng)器配置：

 

初代設(shè)計(jì)（A/B/C型）：

A型：僅用PVC顆粒（非導(dǎo)電），模擬傳統(tǒng)生物濾池。

B型：非極化石墨顆粒（導(dǎo)電但無外加電壓）。

C型：極化石墨顆粒（陰極電位控制為-0.3 V）。

 

測試參數(shù)：水力停留時(shí)間（HRT: 0.3–1.1 d）、進(jìn)水溶氧（N?沖洗 vs. 未沖洗）。

 

優(yōu)化設(shè)計(jì)（D型）：

上半?yún)^(qū)：PVC顆粒（好氧硝化區(qū)）。

下半?yún)^(qū)：極化石墨顆粒（電化學(xué)反硝化區(qū)），通過不銹鋼網(wǎng)優(yōu)化電位分布。

 

測試參數(shù)：HRT（0.3–1.2 d）、水位（50% vs. 75%）、極化/非極化模式。

 

4. 測量數(shù)據(jù)及其研究意義

 

以下數(shù)據(jù)均來自文檔中的圖表，關(guān)鍵測量指標(biāo)及其意義如下：

 

銨（N-NH??）濃度：

來源：圖2（N?沖洗進(jìn)水）、圖3（未沖洗進(jìn)水）、圖4（D型反應(yīng)器）。

意義：評(píng)估硝化效率。例如，圖2顯示A型在HRT 0.4 d時(shí)達(dá)到峰值（56±15 gN·m?3·d?1），表明PVC顆粒優(yōu)化了氧傳遞；圖4顯示D型在HRT 0.3 d時(shí)達(dá)94±44 gN·m?3·d?1，證明組合設(shè)計(jì)提升硝化活性。

 

 

 

 

硝酸鹽（N-NO??）與總氮（TN）去除率：

來源：圖2B、圖3B（A/B/C型）、圖4B（D型）。

意義：量化系統(tǒng)脫氮能力。圖4B顯示D型在HRT 0.7 d時(shí)TN去除率達(dá)43±2 gN·m?3·d?1，表明極化石墨區(qū)提供了穩(wěn)定電子供體，替代傳統(tǒng)有機(jī)碳源。

 

亞硝酸鹽（N-NO??）濃度：

來源：表1（最佳出水條件）。

意義：監(jiān)測毒性中間產(chǎn)物。表1顯示D型（水位75%）出水亞硝酸鹽為0.2±0.2 mg/L（<0.3 mg/L限值），證明系統(tǒng)避免了亞硝酸鹽積累風(fēng)險(xiǎn)。

 

 

溶解氧（DO）與氧化亞氮（N?O）：

來源：正文3.3節(jié)（使用丹麥Unisense電極測量）。

意義：DO數(shù)據(jù)（如D型出水<0.2 mg/L）驗(yàn)證缺氧區(qū)有效性；N?O數(shù)據(jù)（“rarely detected”）證實(shí)低溫室氣體排放（詳見第6節(jié)解讀）。

 

能耗：

來源：表1（不同設(shè)計(jì)的單位氮去除能耗）。

意義：評(píng)估經(jīng)濟(jì)可行性。D型能耗8.3×10?2 kWh·gN?1，低于傳統(tǒng)脫氮工藝（如有機(jī)碳添加），凸顯技術(shù)優(yōu)勢。

 

5. 結(jié)論

 

材料組合優(yōu)化：

PVC顆粒提升好氧硝化（氧傳遞效率高），極化石墨顆粒實(shí)現(xiàn)可控反硝化（陰極電子供體替代有機(jī)碳）。

D型設(shè)計(jì)（PVC+極化石墨）性能最佳：銨去除率94 gN·m?3·d?1，總氮去除率43 gN·m?3·d?1（圖4A）。

 

水質(zhì)達(dá)標(biāo)與可持續(xù)性：

D型在水位75% + HRT 1.0 d時(shí)，出水銨=0.5±0.4 mg/L、亞硝酸鹽=0.2±0.2 mg/L（表1），滿足FAO水培標(biāo)準(zhǔn)。

低能耗（8.3×10?2 kWh·gN?1）和免化學(xué)品添加，適用于水產(chǎn)養(yǎng)殖閉環(huán)及城市低碳氮比廢水處理。

 

技術(shù)普適性：

系統(tǒng)通過簡單改造（如電位分布優(yōu)化）提升傳統(tǒng)生物濾池，為微生物電化學(xué)技術(shù)（MET）的實(shí)際應(yīng)用提供新范式。

 

6. Unisense電極測量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

 

數(shù)據(jù)來源：丹麥Unisense液相親氧化亞氮（N?O）微傳感器，用于測量D型反應(yīng)器出水中的N?O濃度（正文3.3節(jié)）。

 

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：

 

直接引用文檔："N?O was rarely detected in the effluent when testing the different HRTs."（3.3節(jié)）

 

研究意義：

 

驗(yàn)證環(huán)境安全性：

N?O是強(qiáng)效溫室氣體（全球變暖潛能值比CO?高265倍），傳統(tǒng)脫氮工藝常因不完全反硝化導(dǎo)致N?O積累。

本研究中N?O“幾乎未檢出”，表明電化學(xué)反硝化（陰極電位-0.2±0.1 V）避免了N?O生成副反應(yīng)，減少系統(tǒng)碳足跡。

 

佐證反應(yīng)器設(shè)計(jì)的有效性：

低N?O排放與陰極電位控制（-0.2±0.1 V）直接相關(guān)，證明極化石墨區(qū)提供了穩(wěn)定的電子傳遞路徑，促進(jìn)反硝化菌將NO??完全還原為N?，而非中間產(chǎn)物N?O。

這一結(jié)果突顯了組合設(shè)計(jì)（好氧區(qū)+缺氧區(qū)）的生態(tài)合理性：好氧區(qū)充分硝化減少NO??積累（N?O前體），缺氧區(qū)電位控制優(yōu)化反硝化路徑。

 

技術(shù)優(yōu)勢：

相比傳統(tǒng)生物濾池（依賴異養(yǎng)反硝化，易產(chǎn)生N?O），本系統(tǒng)基于自養(yǎng)電化學(xué)反硝化，避免了有機(jī)碳添加帶來的污泥問題，同時(shí)最小化溫室氣體風(fēng)險(xiǎn)，契合循環(huán)生物經(jīng)濟(jì)（Circular Bioeconomy）理念。