苏州科技大学陈重军团队BT：不锈钢阴极电极生物电化学系统强化处理难降解废水
第一作者：谢嘉玮（硕士研究生）
通讯作者：陈重军
通讯单位：苏州科技大学环境科学与工程学院
论文DOI：10.1016/j.biortech.2021.125959
图片摘要
近日，苏州科技大学环境科学与工程学院陈重军副教授研究小组在环境领域著名学术期刊Bioresource Technology （2020年IF=9.642）上发表了题为“Bioelectrochemical systems with a cathode ofstainless-steel electrode for treatment of refractory wastewater: influence ofelectrode material on system performance and microbial community”的研究论文。研究采用5种不同类型、孔径的不锈钢材料作为生物电化学耦合厌氧系统（BES-AD）阴极处理实际废水（膜制造废水），并与采用传统碳布阴极对比。着重从反应器综合运行效能，微生物群落演替以及其功能分析等方面评价不锈钢阴极用于 BES-AD 的可行性。
近年来，为了应对快速城市化造成的土地资源稀缺，大城市中建设了越来越多的高层建筑住宅小区。二次供水系统（Secondary water supply systems）通常建在该类建筑基础设施内向较高楼层供水，以弥补市政管网供水水压不足。市政管网水进入二次供水水箱后，会有数小时的驻留，可能出现余氯衰减、温度升高、金属浸出和微生物生长等现象。二次供水系统内水质微生物学指标的变化，将直接影响到居民龙头水的微生物学安全。因此，二次供水系统供水的用户可能面临一定的微生物学风险。目前，针对拥有数百万乃至千万人口的大城市和特大城市的二次供水系统微生物学安全的系统性研究还比较缺乏。该文全面调研了厦门这座有五百万人口规模城市中二次供水系统的微生物学特征及其风险，对城市二次供水系统的科学管理和运行具有重要的参考价值。
生物电化学系统(BES)的大规模应用因电极材料的成本效益而受限制。本研究采用5种不锈钢材料作为生物电化学耦合厌氧系统（BES-AD）阴极处理稀释后的实际N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)废水。与碳布阴极相比，尽管不锈钢阴极所展现的运行效能略低，但由于其制造成本低更具工程化。其中以孔径为100μm的不锈钢网(SSM-100μm)的BES-AD展现了具有较优的 COD 去除效率、BOD5/COD增长率和电化学性能，从而其被认为是最具性价比的阴极材料。微生物群落分析表明，在 SSM-100μm 阴极生物膜中产电菌群与发酵菌群之间的协同效应显著。此外，基于PICRUSt算法对微生物群落功能分析表明，SSM-100μm 阴极上的代谢途径同样受到了明显刺激。
图文导读
BES-AD中 COD 去除率及可生化性性能
表1 反应器电极参数
注：阳极均采用碳纤维刷 (ID= 5cm，H = 6cm)。
图1 BES-AD中COD去除效率 (A:R1; B: R2; C: R3; D: R4; E: R5; F: R6; and G: R7)
图2 BES-AD中BOD5/COD变化及BOD5去除率
降解废水的可生化性是评价反应器性能的重要指标。以 BOD5/COD比值(平均值)作为评价废水可生化性的指标。与原水相比，阴极为 CC、SSM-100μm 和 SSFF-100μm 的 BES-AD 反应器的 BOD5/COD比分别提升了31.3% 、27.6% 和27.8%。此外R3(SSM-100μm)展现了最低的 BOD5去除率 (1.71%)，表明单室BES-AD 中 BOD5的消耗和生成是同时进行的。同时R3中较差的BOD5去除效率也证明其BOD5高生成率。
BES-AD中电化学性能
图3 BES-AD中的电化学性能(A: 电流和阴极电位，B: 电流密度和库仑效率)
如图3所示，相较于其他反应器，R3(SSM-100μm)和 R5(SSFF-100μm)所产生的电流较大。基于SEM分析表明，孔径为100μm 的不锈钢电极表面所形成的这种致密性适中的生物膜可提高污染物的传质效率及电子转移效率。同时，R1(CC)依旧表现出最佳的库伦效率，这表明富集的发酵细菌可缓解阳极上产电菌的抑制效应。R3(SSM-100μm)相对较高的库仑效率可能是由于电极表面电化学活性细菌的富集限制了发酵菌和产甲烷菌的生长代谢。
BES-AD中微生物群落分析
图4 阴极微生物群落组成在门(A)和属(B)分类层次; 主要功能属之间的相互作用(C)
如图4所示, R1(CC)富集相对丰度最高的发酵降解norank_f_Propionibacteriaceae、Brachymonas、Propionicimonas，共占比54.65%，主要作用于还原产物的降解并为阳极提供电子供体。而R3(SSM-100um)和R5(SSFF-100um) 富集相对丰度较高的产电降解菌属Pseudomonas和Desulfovibrio，分别共占比11.72%和11.35%。基于Spearman相关矩阵进一步揭示了主要功能属的相互作用（图4C ）。Brachymonas与Xanthobacter, Mesotoga与Pseudomona、Desulfovibrio与Hydrogenophaga呈显着正相关，揭示了产电菌与发酵菌协同效应的强化。
微生物群落的功能分析
图5 基于 KEGG 数据库的 PICRUSt 生物降解代谢途径(A)及外源生物降解与代谢(B)功能基因丰度
如图5所示，超过一半的外源生物降解和代谢途径显着高于对照组（RS及AD），表明电场能够刺激外源生物降解和代谢。其中R3(SSM-100μm)中细胞色素P450代谢外源性物质、多环芳烃降解、苯甲酸降解等降解途径的相对丰度较高进一步揭示这种性价比高的不锈钢网材料（SSM-100 μm）作为BES-AD电极处理实际难降解废水的可行性。
这项研究证明了使用 BES-AD 和不同类型的不锈钢阴极处理稀释的 DMAC 废水的可行性。结果表明，带有 SSM-100 μm 阴极的 BES-AD 表现出更好的 COD 去除效率、电化学性能和生物降解性。基因功能进一步证实了SSM-100 μm阴极的优越性，外电原与发酵罐的配合得到了改善。与其他相关研究相比，SSM-100 μm 的低成本可改善 BES-AD 设计中处理效率和经济性之间的制衡。
本项目得到了中国博士后科学基金（2020M671400）；江苏省自然科学基金项目（BK20201450）； 江苏省“青蓝工程”；苏州市民生科技项目（SS202016，ss2019022）；江苏省研究生科研创新计划（KYCX20_2780）的资助。
主要作者介绍
通讯作者：陈重军，苏州科技大学副教授，博士，硕士生导师，现任江苏水处理技术与材料协同创新中心管理办公室副主任、环境工程系副主任，入选江苏省“青蓝工程”优秀青年骨干教师、江苏省双创计划。主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金、江苏省自然科学基金等20多项；第一或通讯作者在Crit Rev Env Sci Tec、Bioresour Technol、Sci Total Environ、J Clean Prod、中国环境科学、环境科学等期刊发表论文50多篇，论文总被引超过2000次，合作编著江苏省重点教材《Environmentalmicrobiology》、《Wastewater treatmentprinciple and technologies》等2部，授权国家专利15项。兼任中国城镇供水排水协会青年工作者委员会委员、江苏省环境科学学会青年工作委员会委员、《中国给水排水》、《工业水处理》青年编委。