摘要

由于吡啶的高度頑固性和毒理學性質，傳統的厭氧生物過程常受限于低去除率和差的工藝穩定性。在本研究中，開發了一種電輔助厭氧系統以增強廢水中吡啶的生物降解。結果表明，在施加0.3 mA直流電的情況下，厭氧反應器對吡啶生物降解的性能和穩定性顯著提高，其中吡啶和總有機碳去除效率以及NH4-N形成效率分別高達100.0%、96.1±1.2%和60.1±2.1%。電刺激導致的致密生物膜以及生物陽極中的微好氧環境可能促進了厭氧反應器中吡啶的生物礦化。此外，與吡啶生物降解相關的物種（Desulfovibrio、Dokdonella、Hydrogenophaga和Paracoccus）在陽極生物膜中富集，這可能是反應器性能更好的另一個原因。本研究表明，電刺激將是增強厭氧系統中廢水中吡啶去除的一種潛在替代方法。

1. 引言

吡啶是N-雜環化合物的典型代表，常見于制藥、油漆、橡膠、殺蟲劑和石油工業等排放的廢水。吡啶由于其毒性和致畸性，對人類健康和環境質量具有不利影響。因此，迫切需要開發有效且經濟可行的方法來從廢水中去除吡啶。

已開發多種技術用于從廢水中去除吡啶。物理化學方法如物理吸附、光催化氧化和微波氧化存在不同缺點，包括化學回收、高成本和高能耗。吡啶生物降解的生物方法，既環保又經濟有效，應能克服物理化學方法的各種不足。吡啶在好氧條件下的生物降解已在先前研究中廣泛報道，但該過程不僅需要大量曝氣費用，還可能導致令人厭惡的氣味。因此，近年來厭氧條件下吡啶生物降解引起越來越多興趣。不幸的是，由于吡啶的高度頑固性和毒理學性質，傳統的厭氧生物過程常受限于低去除率和差的工藝穩定性。因此，尋求一種改進的操作方案以實現厭氧條件下有效吡啶降解是一項緊迫但具有挑戰性的任務。

近年來，電刺激厭氧系統用于強化幾種持久性有機污染物的轉化，但也是一項具有挑戰性的任務，以在厭氧條件下實現有效的吡啶降解。在這種方法中，通常采用電極系統代替化學品作為陰極電子供體或陽極電子匯。與常規厭氧系統本身相比，已證明電輔助厭氧過程可有效刺激微生物代謝包括生長和活性，并增強微生物的生物降解效率，這取決于所施加的直流電。此外，電刺激已顯示對微生物群落進化有直接影響，導致對獨特環境的適應和特定功能的發展。例如，微生物群落分析表明，當施加直流電時，用于多環芳烴和酚類生物降解的細菌物種被富集。還觀察到，當在以聚丙烯填料為載體的生物膜反應器上施加直流電時，酚去除效率提高了33%。

本研究旨在研究電刺激增強厭氧系統中吡啶生物降解的可行性。開發了一種電輔助厭氧系統并連續運行170天。本研究的具體目標包括：（1）研究各種關鍵因素對反應器性能的影響；（2）使用微電極測量探索生物陽極微環境的特征和相互作用；（3）闡明電刺激下厭氧系統中微生物群落的變化。

2. 材料與方法

2.1. 反應器、接種物和底物

管式厭氧反應器由丙烯酸塑料構建，尺寸為8厘米（直徑）×10厘米（寬度）。其有效容積為500毫升。一對石墨氈（GF）（φ=6厘米，電極距離3厘米，中國Chemshine Carbon Co.）被裝入厭氧反應器形成電生物反應器，如圖S1支持信息（SI）所示。將Ag/AgCl參比電極（相對于標準氫電極為+0.197 V）插入系統進行電位測量。電極連接到穩壓直流電源（PS-302D-2，深圳兆信電子有限公司，中國）；電流通過鈦絲控制。電輔助厭氧系統的輸出電壓用數字萬用表（VC9807At，VICTOR，中國）記錄。

厭氧反應器接種從處理含吡啶廢水的3.4升實驗室規模生物反應器取出的0.2升污泥。混合液懸浮固體的初始濃度為4.5克/升。合成廢水的組成如下：磷酸鹽緩沖液（7毫摩爾/升，pH=7.0）、MgSO4·7H2O（0.2克/升）、CaCl2（0.05克/升）和根據先前研究的痕量元素溶液SL-4（1毫升/升）。合成廢水通過蠕動泵連續送入厭氧反應器底部，并經過陽極然后陰極區。吡啶以所需濃度作為唯一碳源投加到厭氧反應器。分析純吡啶（純度>99.9%）購自國藥集團化學試劑有限公司（上海，中國）。厭氧反應器的溫度在水浴中保持在35±2°C。

2.2. 反應器操作

實驗期分為五個階段，每個階段的實驗條件總結于SI表S1。所有實驗均在厭氧反應器中以連續模式進行。在啟動期階段I，厭氧反應器接種并連續投加含100毫克/升吡啶的合成廢水，水力停留時間（HRT）為72小時。電路開路，因此厭氧反應器被視為對照系統。一旦反應器中吡啶完全降解，其進水濃度逐漸增加至300毫克/升，以評估高吡啶負荷率下的反應器性能。當反應器性能達到穩態（根據穩定的吡啶和總有機碳（TOC）去除以及NH4-N形成判斷），電路閉合，電流逐漸增加至0.3毫安，同時連續投加含300毫克/升吡啶的合成廢水到厭氧反應器，隨后18天在陽極和陰極形成生物膜。在階段II，研究進水吡啶濃度在300-600毫克/升范圍內對反應器性能的影響，以吡啶去除和NH4-N形成為指標，控制電流為0.3毫安，HRT為72小時。厭氧反應器在每個吡啶濃度下至少運行6天以達到穩定性能。對照實驗也在非生物電解系統中進行，HRT為72小時，進水吡啶濃度為300毫克/升，施加直流電為0.3毫安。在階段III，評估施加電流在0-0.4毫安范圍內對吡啶去除的影響，進水吡啶濃度為500毫克/升，隨后30天內進行。在階段IV，評估HRT對吡啶氧化的作用，施加電流為0.3毫安。在階段V，施加電流和HRT分別保持在0.3毫安和36小時，評估乙酸鈉投加量在0-15.8毫摩爾范圍內的影響。