Pin-point denitrification for groundwater purification without direct chemical dosing: Demonstration of a two-chamber sulfide-driven denitrifying microbial electrochemical system  

無需直接投加化學藥劑的地下水凈化精確定點反硝化：一個兩室硫化物驅動反硝化微生物電化學系統的示范  

來源：Water Research, Volume 182, 2020, Article 115918  

《水研究》，第182卷，2020年，文章編號115918  

 

摘要

摘要指出，地下水中的硝酸鹽濃度因氮肥的集約使用而持續上升。當前硝酸鹽去除技術受限于高運行成本或不可避免的二次污染。本研究提出了一種雙室硫化物驅動反硝化微生物電化學系統（SD-DMES），在其陰極室中進行反硝化。該系統以硫化物（而非傳統的有機底物）在陽極室被氧化產生的電子來驅動陰極反硝化。通過200天（100個周期）的批次運行評估了該系統的長期性能。在陽極微生物的輔助下，硫化物可直接氧化為硫酸鹽，從而避免了陽極鈍化。在陰極微生物的催化下，實現了完全反硝化，無亞硝酸鹽或氧化亞氮積累。得益于功能微生物的電自養特性，實現了高的電子利用效率，陽極（硫化物氧化）和陰極（反硝化）分別達到80%和85%。電極電位觀測和微生物分析均表明，細胞色素c是陰極反硝化電子傳遞的關鍵介質。基于浮游和生物膜微生物樣品分析，提出了陽極和陰極的胞外電子轉移生物過程，分別涉及固定化和浮游功能微生物的直接和介導電子傳遞。本研究證明了在不犧牲水質的情況下（通過分離處理模式）凈化硝酸鹽污染地下水的可行性。該概念可擴展至更廣泛的領域，即需要對水體進行生物拋光（如廢水 effluent 的后置反硝化）但又不希望引入 unwanted 二次污染的情況。

 

研究目的

開發并驗證一種新型的雙室微生物電化學系統（SD-DMES），利用硫化物作為陽極電子供體，實現對硝酸鹽污染地下水的高效、無二次污染的反硝化處理，并闡明其反應機理、長期運行性能及微生物群落結構。

 

研究思路

1.  系統構建：設計并構建一個H型雙室微生物電化學反應器（陽極室和陰極室），中間由陽離子交換膜（CEM）隔開。

2.  長期運行評估：使用真實硫化物廢水（來自硫酸鹽還原生物反應器）作為陽極進料，模擬硝酸鹽污染地下水作為陰極進料，在200天（100個周期）內連續運行系統，監測系統性能（電流、硫化物/硝酸鹽去除、硫酸鹽生成、中間產物等）。

3.  批次實驗驗證：在系統穩定后，進行三組對比批次實驗（生物陽極+生物陰極、非生物陽極+生物陰極、生物陽極+非生物陰極），以探究微生物在陽極硫氧化和陰極反硝化中的具體作用。

4.  化學與微生物分析：使用離子色譜、微傳感器（如Unisense N2O微傳感器）等手段監測硫、氮化合物的轉化；通過16S rRNA高通量測序分析陽極和陰極的生物膜及浮游微生物群落結構，鑒定功能菌群。

5.  機理闡釋：基于電化學數據、中間產物濃度和微生物群落信息，提出系統內（陽極和陰極）的電子傳遞機制。

 

測量的數據及研究意義

1.  電流生成：監測系統長期運行（200天）的電流變化。該數據反映了系統電子傳遞的整體活性和穩定性，是系統性能的核心指標。

2.  陽極室性能：硫化物去除速率、硫酸鹽生成速率（圖1a, 1b）。這些數據用于評估陽極硫化物氧化的效率、途徑（是生成S0還是SO42-）以及陽極微生物的活性。硫酸鹽的生成直接證明了生物催化氧化的重要性。

 

3.  陰極室性能：硝酸鹽去除速率、亞硝酸鹽和氧化亞氮（N2O）的濃度變化（圖2a, 2b）。這些數據用于評估陰極反硝化的完整性（是否積累有毒有害中間產物）和效率。

 

4.  批次實驗中的硫/氮化合物變化：詳細展示了不同實驗 scenario（BSBN, ASBN, BSAN）下，硫化物、硫酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、N2O等隨時間的變化規律（圖3, 4, 5）。這些數據至關重要地揭示了微生物在陽極（防止鈍化、促進完全氧化）和陰極（確保完全反硝化）中不可或缺的作用。

 

 

5.  微生物群落結構：陽極和陰極的生物膜及浮游微生物的群落組成和豐度（表2, 表3, 圖6, 圖7）。這些數據直接關聯了系統功能與特定的微生物種群（如陽極的Pseudomonas, Desulfuromonas；陰極的Sulfurimonas, Paracoccus），為機理闡釋提供了生物學證據。

 

 

 

 

6.  氧化亞氮（N2O）濃度：使用Unisense微傳感器測量陰極液相中的溶解N2O濃度（文中提及但未明確指向特定圖表，通常此類數據包含在反應歷程曲線中，如圖3、4、5中的N2O數據點）。該數據對于評估反硝化過程的溫室氣體排放潛力和過程完整性極為關鍵。

 

結論

1.  SD-DMES系統可長期穩定運行（200天），成功實現了對硝酸鹽污染地下水的高效凈化，且無需向待處理水體中直接投加化學藥劑，避免了二次污染。

2.  陽極微生物（如Pseudomonas, Desulfuromonas）的存在至關重要，它們催化硫化物完全氧化為硫酸鹽，避免了元素硫（S0）積累導致的陽極鈍化。

3.  陰極微生物（如Sulfurimonas, Paracoccus, Thiobacillus）確保了硝酸鹽的完全還原至氮氣，避免了亞硝酸鹽和溫室氣體氧化亞氮（N2O）的積累。

4.  系統表現出高的電子利用效率（陽極80%，陰極85%，整體68%），優于傳統異養反硝化。

5.  機理上，陽極和陰極均涉及復雜的電子傳遞過程，包括生物膜的直接電子傳遞和浮游微生物的介導電子傳遞。細胞色素c被確定為陰極電子傳遞的關鍵介質。

6.  該“分離處理”概念具有廣泛適用性，可用于處理特性迥異的水流，充分利用各種潛在電子供體，而無需擔心它們混合后可能產生的不利影響。

 

使用丹麥Unisense電極測量出來的數據有什么研究意義  

使用丹麥Unisense公司的N2O微傳感器（Nitrous Oxide Microsensor）測量陰極液相中溶解的氧化亞氮（N2O）濃度，在本研究中具有至關重要的環境意義和過程指示意義：  

1.  評估環境友好性與過程完整性：N2O是一種強效溫室氣體，其全球變暖潛勢是CO2的約300倍。在生物脫氮過程中，N2O作為一種中間產物可能積累并釋放。通過高精度、高時空分辨率的Unisense微傳感器在線監測N2O的濃度動態（產生與消耗），可以精確評估該SD-DMES系統反硝化過程的完整性及其環境友好性。本研究結果表明系統在穩定運行期實現了N2O的近乎完全還原，意味著該技術幾乎不產生溫室氣體排放，這是一個巨大的環境優勢。

2.  揭示反硝化路徑與微生物活性：N2O的積累通常與反硝化過程不完整、電子供應不足或某些環境條件（如pH、溶解氧）抑制了N2O還原酶（nosZ）的活性有關。監測N2O的出現、峰值和消失的時間序列數據（如圖3、4、5所示），有助于揭示陰極反硝化的代謝路徑動態，推斷功能微生物（尤其是含有nosZ基因的菌群）的活性與適應過程。例如，本研究觀察到運行初期有N2O短暫積累，而穩定后則無積累，這反映了陰極微生物群落逐漸成熟，獲得了完整的反硝化能力。

3.  優化運行控制：實時監測N2O可以為系統優化提供即時反饋。如果檢測到N2O積累，可以提示操作者可能需要調整陰極電位、水力停留時間、或硝酸鹽/電子供體比例等參數，以促使N2O進一步還原為N2，從而提高處理效率和減少溫室氣體排放。

 

綜上所述，Unisense N2O微傳感器提供的關鍵數據不僅是評價SD-DMES系統環境績效的核心指標，也是深入理解陰極微生物反硝化過程機理、優化系統運行不可或缺的工具。