不同接种源对微生物电解池去除水中氨氮的影响

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-1297

摘要/Abstract

摘要：

使用双室微生物电解池（MEC）装置，分别以回流污泥、曝气池污泥、小麦根际土壤为接种源，探究MEC去除模拟废水中氨氮的最佳电压及相关微生物群落变化。结果显示，不同的微生物接种源都有其最佳外加电压，外加电压对氨氮去除率的影响也呈现出不同趋势，以回流污泥为接种源的MEC在0.5 V电压下的氨氮去除率最高为75%。利用高通量测序对微生物群落进行多样性分析，Proteobacteria为硝化反应的优势微生物菌门，在最佳电压下培养前后，以回流污泥和曝气池污泥为接种源的MEC中的Proteobacteria均出现了增长，分别由36.1%、36.4%增加到68.4%、60.7%，而以根际土壤为接种源的MEC中的微生物群落基本未发生明显变化。就微生物组成而言，曝气池污泥和回流污泥的组成较为接近，外加电压对其影响也呈现出一定的相似性，而以根际土壤为接种源的MEC与前两者差别较大。不同接种源微生物的多样性和丰富度均有所不同，结合氨氮去除效果推测，外加电压促使了MEC中硝化功能菌聚集，从而提高了MEC去除氨氮的能力。

关键词: 微生物接种源, 微生物电解池, 氨氮, 高通量测序, 微生物群落

Abstract:

A two-compartment microbial electrolysis cell（MEC） was used to investigate the optimal voltage and related microbial community changes of ammonia nitrogen removal from simulated wastewater by using reflux sludge，sludge from an aeration tank，and soil from wheat roots as microbial inoculation sources. The results showed that different microbial inoculation sources had their best applied voltage，and the effect of applied voltage on ammonia removal rate also showed different trends. The maximum ammonia removal rate of MEC inoculated with reflux sludge was 75% at 0.5 V. High-throughput sequencing was used to analyze the diversity of microbial communities and Proteobacteria were found to be the dominant microbial phyla for nitrification reaction. Before and after culture，the dominant microflora Proteobacteria in the MEC inoculated with reflux sludge and aeration tank sludge increased from 36.1% and 36.4% to 68.4% and 60.7% under the optimum voltage，respectively，while the microflora in the MEC inoculated with root soil did not change significantly. In terms of microbial composition，the compositions of the aerator tank sludge and reflux sludge were similar，and the influence of applied voltage also showed certain similarity. However，the microbial composition of the reactor inoculated from roots soil was quite different from that of the former two. The diversity and richness of different inoculated microorganisms were different. Combined with the ammonia nitrogen removal effect，it was speculated that the applied voltage promoted the accumulation of nitrifying bacteria in the MEC，thus improving their ammonia nitrogen removal ability.

Key words: microbial inoculating sources, microbial electrolysis cell, ammonia nitrogen, high-throughput sequencing, microbial community

中图分类号:

X703.1

李涵, 赵开心, 王菲, 吴大付, 郭丽丽. 不同接种源对微生物电解池去除水中氨氮的影响[J]. 工业水处理, 2022, 42(10): 104-110.

Han LI, Kaixin ZHAO, Fei WANG, Dafu WU, Lili GUO. Microbial inoculation influences on ammonia nitrogen removal in a microbial electrolysis cell reactor[J]. Industrial Water Treatment, 2022, 42(10): 104-110.

https://www.iwt.cn/CN/Y2022/V42/I10/104

图/表 9

表1 回流污泥和曝气池污泥常规指标

Table 1 Index of reflux sludge and aeration tank sludge

项目	pH	MLSS/（g·L^-1）	SV₃₀/%	SVI/（mL·g^-1）
曝气池污泥	6.8	8.12	70	86.15
回流污泥	7.1	14.09	92	65.29

表2 小麦根际土壤常规指标

Table 2 Index of wheat roots soil

项目	pH	有机质/（g·kg^-1）	TN/（g·kg^-1）
数值	8.16	9.428	65.29

图1 双室MEC反应器

Fig. 1 Two-chamber MEC reactor

表3 MEC的运行条件

Table 3 Operating conditions of MEC

微生物接种源	反应序号	运行电压U/V	运行时间t/d	运行温度T/℃
回流污泥	R1V1	0.3	3	30±1
	R1V2	0.5	3	30±1
	R1V3	0.7	3	30±1
	R1V4	0.9	3	30±1
曝气池污泥	A1V1	0.3	3	30±1
	A1V2	0.5	3	30±1
	A1V3	0.7	3	30±1
	A1V4	0.9	3	30±1
根际土壤	S1V1	0.3	3	30±1
	S1V2	0.5	3	30±1
	S1V3	0.7	3	30±1
	S1V4	0.9	3	30±1

图2 不同微生物接种源的MEC中氨氮去除率随运行电压的变化

Fig. 2 The removal rate of ammonia nitrogen in MEC of different microbial inoculation sources varies with operating voltage

图3 不同电压下不同接种源的MEC生物膜中微生物在门分类水平上的韦恩图

Fig. 3 Wenn diagram of the microbial community at the phylum level in MEC with different inoculation sources at different voltages

图4 最佳电压下不同接种源的MEC培养前后微生物变化

Fig. 4 Microbial changes of MEC with different inoculation sources before and after culture under the optimum voltage

图5 不同接种源在最佳电压下微生物属水平热图

Fig. 5 Microbial community heatmap analysis on genus level with different inoculation sources under the optimum voltage

图6 最佳电压下不同接种源微生物的Alpha多样性指数 *表示两组差别有显著意义；**表示两组差别有非常显著意义。

Fig. 6 Alpha diversity indexes of different inoculation sources under the optimum voltage

参考文献 20

1	李天育，陈钰琦，张静，等. 含氮废水的处理方法研究［J］. 广东化工，2020，47（24）：82-83. doi:10.3969/j.issn.1007-1865.2020.24.037
	LI Tianyu， CHEN Yuqi， ZHANG Jing，et al. Research on the treatment of ammonia-nitrogen wastewater［J］. Guangdong Chemical Industry，2020，47（24）：82-83. doi:10.3969/j.issn.1007-1865.2020.24.037
2	李志. 工业废水氨氮处理工艺探讨［J］. 低碳世界，2019，9（7）：8-9. doi:10.3969/j.issn.2095-2066.2019.07.005
	LI Zhi. Discussion on ammonia nitrogen treatment technology of industrial wastewater［J］. Low Carbon World，2019，9（7）：8-9. doi:10.3969/j.issn.2095-2066.2019.07.005
3	裴军，洪阳，胡小宇，等. 吹脱和吸附协同降解高氨氮废水研究［J］. 广州化工，2021，49（19）：73-74. doi:10.3969/j.issn.1001-9677.2021.19.024
	PEI Jun， HONG Yang， HU Xiaoyu，et al. Study on synergistic degradation of high ammonia nitrogen wastewater by stripping and adsorption［J］. Guangzhou Chemical Industry，2021，49（19）：73-74. doi:10.3969/j.issn.1001-9677.2021.19.024
4	聂程. 汽提蒸氨法处理三元前驱体生产中的高浓度氨氮废水［J］. 水处理技术，2021，47（10）：136-139.
	NIE Cheng. Steam stripping treatment on high concentration ammonia-nitrogen wastewater from ternary precursor production［J］. Technology of Water Treatment，2021，47（10）：136-139.
5	张攀. 吹脱-吸附工艺处理高氨氮脱硫废水应用研究［J］. 能源环境保护，2021，35（4）：70-73. doi:10.3969/j.issn.1006-8759.2021.04.012
	ZHANG Pan. Study on the application of the stripping-adsorption process in the treatment of high ammonia nitrogen desulfurization wastewater［J］. Energy Environmental Protection，2021，35（4）：70-73. doi:10.3969/j.issn.1006-8759.2021.04.012
6	杨仁俊，张伟，赫瑞元，等. 氨氮废水处理技术综述［J］. 浙江化工，2020，51（9）：42-45. doi:10.3969/j.issn.1006-4184.2020.09.011
	YANG Renjun， ZHANG Wei， HE Ruiyuan，et al. Review of ammonia nitrogen wastewater treatment technology［J］. Zhejiang Chemical Industry，2020，51（9）：42-45. doi:10.3969/j.issn.1006-4184.2020.09.011
7	唐朝春，许荣明. 化学法处理氨氮废水研究进展［J］. 应用化工，2019，48（4）：878-882. doi:10.3969/j.issn.1671-3206.2019.04.035
	TANG Chaochun， XU Rongming. Progress in chemical treatment of ammonia nitrogen wastewater［J］. Applied Chemical Industry，2019，48（4）：878-882. doi:10.3969/j.issn.1671-3206.2019.04.035
8	陶美霞，陈明，胡兰文，等. 生物技术在处理氨氮废水中的研究进展［J］. 现代化工，2018，38（12）：24-28.
	TAO Meixia， CHEN Ming， HU Lanwen，et al. Research progress of new biotechnology in treatment of ammonia-containing wastewater［J］. Modern Chemical Industry，2018，38（12）：24-28.
9	蒋沁芮，杨暖，吴亭亭，等. 生物电化学脱氮技术研究进展［J］. 应用与环境生物学报，2018，24（2）：408-414.
	JIANG Qinrui， YANG Nuan， WU Tingting，et al. Nitrogen removal from wastewater using the bioelectrochemical technology：A review［J］. Chinese Journal of Applied and Environmental Biology，2018，24（2）：408-414.
10	张一帆，王爱杰，程浩毅. 生物电化学系统在废水脱氮中的应用研究进展［J］. 水处理技术，2017，43（10）：54-59.
	ZHANG Yifan， WANG Aijie， CHENG Haoyi. Research progress of the application of nitrogen removal in wastewater［J］. Technology of Water Treatment，2017，43（10）：54-59.
11	边喜龙，于景洋，王宇清，等. 电解-微生物燃料电池耦合系统处理染料废水性能［J］. 工业水处理，2020，40（10）：59-62.
	BIAN Xilong， YU Jingyang， WANG Yuqing，et al. Treatment performance of dyes wastewater by combining electrolysis and microbial fuel cell［J］. Industrial Water Treatment，2020，40（10）：59-62.
12	齐世华，于景洋，刘芳，等. 微生物燃料电池与电解池去除有机碳及氨氮性能［J］. 工业水处理，2019，39（12）：74-78. doi:10.11894/iwt.2018-0918
	QI Shihua， YU Jingyang， LIU Fang，et al. Performance of microbial fuel cell and microbial electrolysis cell on removal of organic carbon and ammonia nitrogen［J］. Industrial Water Treatment，2019，39（12）：74-78. doi:10.11894/iwt.2018-0918
13	WU Xue， MODIN O. Ammonium recovery from reject water combined with hydrogen production in a bioelectrochemical reactor［J］. Bioresource Technology，2013，146：530-536. doi:10.1016/j.biortech.2013.07.130
14	ZHU Tingting， ZHANG Yaobin， BU Guanhong，et al. Producing nitrite from anodic ammonia oxidation to accelerate anammox in a bioelectrochemical system with a given anode potential［J］. Chemical Engineering Journal，2016，291：184-191. doi:10.1016/j.cej.2016.01.099
15	HU Man， WANG Xiaohui， WEN Xianghua，et al. Microbial community structures in different wastewater treatment plants as revealed by 454-pyrosequencing analysis［J］. Bioresource Technology，2012，117：72-79. doi:10.1016/j.biortech.2012.04.061
16	LIU Junjie， SUI Yueyu， YU Zhenhua，et al. High throughput sequencing analysis of biogeographical distribution of bacterial communities in the black soils of northeast China［J］. Soil Biology and Biochemistry，2014，70：113-122. doi:10.1016/j.soilbio.2013.12.014
17	BOWERS R M， MCLETCHIE S， KNIGHT R，et al. Spatial variability in airborne bacterial communities across land-use types and their relationship to the bacterial communities of potential source environments［J］. The ISME Journal，2011，5（4）：601-612. doi:10.1038/ismej.2010.167
18	MILLER J R， DELCHER A L， KOREN S，et al. Aggressive assembly of pyrosequencing reads with mates［J］. Bioinformatics，2008，24（24）：2818-2824. doi:10.1093/bioinformatics/btn548
19	DESLOOVER J， PUIG S， VERSTRAETE W，et al. Autotrophic nitrous oxide removal in bioelectrochemical systems［J］. Communications in Agricultural and Applied Biological Sciences，2011，76（2）：51-53.
20	DU Rui， CAO Shenbin， LI Baikun，et al. Performance and microbial community analysis of a novel DEAMOX based on partial-denitrification and anammox treating ammonia and nitrate wastewaters［J］. Water Research，2017，108：46-56. doi:10.1016/j.watres.2016.10.051

[1]	张丹, 涂保华, 汪学明, 殷鸿洋, 孙昭. 石油烃污染地下水中原核微生物群落特征[J]. 工业水处理, 2025, 45(2): 166-174.
[2]	彭先春, 郑丽丽, 鹿浩然, 王赭枫, 朱正, 梁文艳. 硫/钢渣复合基质去除低碳源地表水中硝酸盐[J]. 工业水处理, 2025, 45(1): 41-48.
[3]	范存文, 郭佩洁, 胡予佳, 刘新福, 邱清荣, 苏昊, 张大超. 离子型稀土矿山氨氮废水生物脱氮技术研究进展[J]. 工业水处理, 2025, 45(1): 9-16.
[4]	黄声宇, 吴小琼, 赵全保, 霍惠雯. 吹脱法处理高浓度氨氮废水研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(9): 31-40.
[5]	顾俊杰, 康兴生, 孟英杰, 范洪凯, 黄丽珠, 孟倩雅, 邹晓凤. 微生物强化植物修复技术治理底泥内源污染[J]. 工业水处理, 2024, 44(9): 98-103.
[6]	陈子昂, 杨依婷, 迟茜, 杨晶晶, 夏广森, 展巨宏. 电催化臭氧耦合BAC工艺对污水中卡马西平去除和微生物群落影响[J]. 工业水处理, 2024, 44(9): 91-97.
[7]	谷立坤, 郝建新, 岳金葳, 许贺铭, 曹冬辉, 李奕潮, 彭赵旭, 张建云. 垃圾发电厂渗滤液厌氧反应器启动污泥适应性研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(9): 75-84.
[8]	李莹, 刘强, 项玮, 曲吉祥, 杨翠萍, 范秀磊. MBR与HMBR除污效能及相关功能微生物对比研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(7): 156-161.
[9]	赵莹莹, 陈涛, 沈耀良, 刘文如. 硼对受高氨氮冲击后短程硝化系统效能恢复的影响研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(6): 172-178.
[10]	彭继伟, 陈皓, 肖磊, 何金锋, 姚阳. 牛磺酸生产废水处理工程案例[J]. 工业水处理, 2024, 44(5): 206-211.
[11]	张受卫, 冀青杰, 李良浩, 陈周燕. 核电厂非放射性生产废水处理方案研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(4): 205-209.
[12]	王铮, 贾林春, 史大林, 何月玲, 薛罡. 基于碳纤维强化的Fe⁰混养反硝化脱氮效能与机制[J]. 工业水处理, 2024, 44(4): 66-75.
[13]	关莹, 刘润, 秦品珠, 张瑞敏. 二乙二醇丁醚好氧污泥微生物群落结构及降解途径分析[J]. 工业水处理, 2024, 44(12): 86-93.
[14]	周月明, 刘意, 刘丽, 申渝, 向茂秋. HN-AD菌群特性及其在水产养殖废水处理中的应用[J]. 工业水处理, 2024, 44(10): 1-17.
[15]	陈圩, 杨萧帆, 王成刚, 邝乃强, 陈纯福, 张立秋. 沸石原位生物再生强化短程硝化处理高氨氮废水[J]. 工业水处理, 2024, 44(10): 165-173.

选择文件类型/文献管理软件名称

选择包含的内容