基于亞硝化的全程自養脫氮（CANON）工藝是一種新型的單級自養生物脫氮技術。與傳統生物脫氮工藝相比，其在低碳氮比（C/N）廢水治理中具有諸多優勢。近年來，隨著CANON工藝應用范圍的擴大，相繼有學者嘗試利用此技術脫除城鎮生活污水中的氮素。然而，由于城鎮生活污水的水溫通常低于25℃，其中的NH4+-N含量普遍偏低且水質波動較大，CANON工藝對此類廢水的脫氮效果不盡人意。經分析可知，當CANON工藝處理城鎮生活污水時，其中的短程硝化作用易因亞硝酸鹽氧化菌（NOB）過量增殖而失穩，從而導致系統脫氮性能常呈惡化狀態。
CANON反應體系依賴于好氧氨氧化微生物和厭氧氨氧化菌（AnAOB）的高效協同，其中，短程硝化（NH4+-N→NO2--N）可為厭氧氨氧化（ANAMMOX）反應提供電子受體——NO2--N，故該過程的實現是確保CANON工藝順利運行的前提。為此，當CANON工藝應用于城鎮生活污水治理時，需保障系統中短程硝化和ANAMMOX反應之間的平衡。由當前研究可知，溶解氧（DO）調控被認為是實現城鎮生活污水短程硝化的有效途徑，但有研究指出，當裝置運行溫度低于25℃時，無論何種曝氣模式均不能有效實現此類污水的短程硝化，NOB增殖無法得到有效抑制。
隨著生物電化學工藝日益應用于污水脫氮領域，微生物電化學氨氧化技術不斷發展。目前已有文獻發現，生物電化學系統（BES）中可發生電極氨氧化反應，即電活性生物膜能以陽極為電子受體將NH4+-N氧化并產能。作者前期研究證實，在特定運行條件下，BES中培育的電活性生物膜可通過電極氨氧化作用實現NH4+-N的厭氧氧化與NO2--N的累積，此發現為NO2--N的穩定獲取提供了新思路；另一方面，生物電化學技術還可提高AnAOB的豐度與活性，利于該菌群與相關電活性微生物之間實現協作。鑒于此，在前期研究基礎上，如能借助生物電化學強化措施將電活性氨氧化微生物與AnAOB耦合，進而構建基于電極氨氧化的全程自養脫氮反應體系，則可彌補CANON工藝在處理城鎮生活污水時存在的短程硝化難實現且穩定性差的缺陷。然而，基于電極氨氧化的全程自養脫氮系統的構建方式及啟動性能目前尚待探究，其中的耦合機制亦不明晰。
本研究以電極氨氧化型序批式生物膜反應器（SBBR）為試驗裝置，接種ANAMMOX污泥后將其置于常溫下處理模擬城鎮生活污水，隨后以外加陽極電勢調控為主要手段嘗試構建了基于電極氨氧化的全程自養脫氮系統，并對系統的啟動性能及微生物學特征進行了探究；其間，著重考察了不同外加陽極電勢下系統脫氮產電性能的變化，解析了相應條件下系統中的微觀生物學特征。本研究旨在為新型生物脫氮工藝的研發及設計提供參考。
1、材料與方法
1.1 實驗裝置
以SBBR為實驗裝置，根據實驗需要將其劃分為4組，包括1組試驗組（標記為R1）和3組對照組（標記為R2、R3和R4）。如圖1所示，R1由不銹鋼制成，其內徑和有效容積分別為10cm和2.0L；裝置陽極（工作電極）取自氨氧化型BES，材質為石墨氈，其長度、寬度和厚度分別為20cm、20cm和3mm，表面附著電活性氨氧化生物膜，此工作電極在試驗期間被卷成圓筒狀并安裝在R1中；陰極（對電極）為不銹鋼池體；參比電極設為飽和甘汞電極（SCE）且被安裝于陽極附近。將上述3電極分別通過導線與恒電位儀（上海昕瑞，DJS-292C）相連。實驗伊始，將30mL的ANAMMOX污泥接種至R1中，而后開展后續研究。對于3組對照組，R2被設置為非生物對照組，其與恒電位儀相連，但其陽極（尺寸同上）表面無生物膜，裝置中也未接種ANAMMOX污泥。此外，R3與恒電位儀相連，其陽極（尺寸同上）同樣未附著生物膜，但裝置中接種了30mL的ANAMMOX污泥；R4的陽極類型與R1一致，裝置中也接種了30mL的ANAMMOX污泥，但其外電路為斷路狀態。
1.2 運行條件
各組SBBR每天運行4個周期，每個周期時長6h，包含進水階段、反應階段、排水階段和閑置階段，4個階段的時長分別為15、330、10和5min。其中，在進水階段和閑置階段分別向各裝置中吹入高純氦氣以保障其厭氧環境，另利用恒電位儀調控R1、R2和R3在反應階段的陽極電勢（vs。SCE）。此外，實驗期間各裝置中的水溫維持在14-23℃。
本研究共持續了214個周期，其間R1、R2和R3共經歷了6個試驗階段（依次標記為a、b、c、d、e和f），其外加陽極電勢對應設為0.00、0.30、0.50、0.60、0.80和0.60V。
1.3 接種生物膜（污泥）與進水水質
R1和R4中附著有電活性氨氧化生物膜的石墨氈均取自已成功啟動的氨氧化型BES。在前期試驗中，當氨氮濃度設為50.87(±2.54)mg/L且外加陽極電勢恒定為0.50V時，氨氧化型BES的NH4+-N氧化率（AOE）、NO2--N累積率（NiAE）和NO3--N累積率（NaAE）分別為99.33%(±0.11%)、88.08%(±2.07%)和2.25%(±0.42%)。此外，接種至R1、R3和R4中的ANAMMOX污泥購于福建省三明市某ANAMMOX中試系統，為絮狀和顆粒狀混合污泥，其MLSS約9500mg/L，分析發現，種泥中含有的AnAOB主要為隸屬于浮霉菌門（Planctomycetota）的CandidatusBrocadia。
各組裝置進水為模擬廢水，由50mmol/L的磷酸鹽緩沖液（pH=7.5）配制而成。在配置模擬廢水時，先將上述緩沖液進行高壓蒸汽滅菌（T=121℃，t=20min），冷卻后再添加NH4Cl（0.19g/L），以便使其中的NH4+-N濃度維持在50(±5)mg/L（即相當于城鎮生活污水中NH4+-N的濃度）。模擬廢水在注入SBBR之前，需通入高純氦氣（t=20min）以除去其中的DO。
1.4 分析方法
1.4.1 水樣和生物膜樣品的采集
每周期采集各組裝置的進出水水樣，樣品設置3個平行；分別在本研究的第37、63、91、127、155和213個周期開展R1中生物膜樣品的采集工作，獲取的6組生物膜樣品對應標記為S1、S2、S3、S4、S5和S6。
1.4.2 水樣分析方法
依照文獻中方法測定水樣中TN、NH4+-N、NO2--N和NO3--N的含量，用WTW-Multi 340i型便攜式水質分析儀原位檢測各裝置中的水溫和DO濃度。
1.4.3 電流密度測定
各裝置的電流密度（J）可根據公式J=//A計算獲得，其中，/為電流值（μA），由恒電位儀測得；A為工作電極投影面積（cm2）。
1.4.4 胞外聚合物測試方法
依照堿提取法對生物膜樣品的胞外聚合物（extracellularpolymericsubstances，EPS）進行提取。EPS中多糖含量的測定參照苯酚-硫酸法，標準物質為葡萄糖；EPS中蛋白質含量的測定參照考馬斯亮藍法。
1.4.5 功能酶活性測試方法
依照文獻中方法對生物膜樣品進行預處理，而后提取其中的細胞色素c（Cyt-c）、亞硝酸還原酶（Nir）、肼合成酶（HZS）和肼脫氫酶（HDH），并利用酶標儀測定4種功能酶的活性。
1.4.6 DNA提取與高通量測序
對各生物膜樣品中的DNA進行提取純化。產物檢測合格后對其進行擴增，并對擴增后的PCR產物進行完整性檢測。本研究選擇16SrDNAV3+V4可變區片段進行PCR擴增，引物序列為341F（5′-CCTACGGGNGGCWGCAG-3′）和805R（5′-GACTACHVGGGTATCTAATCC-3′）。擴增后PCR產物經純化、定量和均一化形成測序文庫，建好的文庫隨后用Qsep-400方法進行質檢，最后由百邁客生物科技股份有限公司基于IlluminaNovaSeq6000平臺進行高通量測序。測序分析后，根據Barcode序列區分各個樣本的數據，進行嵌合體過濾，得到可用于后續分析的有效數據，即Cleanreads。為了研究樣品的物種組成多樣性，對所有樣品的Cleanreads進行聚類，以97%的一致性（identity）將序列聚類成OTUs（operationaltaxonomicunits），然后對OTUs的代表序列進行物種注釋。
1.5 數據處理
采用SPSS28.0對實驗數據進行統計分析；采用OneWayANOVA進行方差分析；采用Origin2018作圖；參照文獻對反應裝置的污染物去除率、轉化率和累積率等進行計算。
2、結果與分析
2.1 運行性能
由圖2和圖3可知，R1的脫氮性能受外加陽極電勢影響。當外加陽極電勢為0.00V時，R1的脫氮性能在a階段不理想，其TN去除率（TNRE）與AOE均低于5%。隨著外加陽極電勢的提高，R1的脫氮性能逐漸得以優化。當外加陽極電勢為0.50V時，R1的TNRE和AOE穩定在79.67%(±1.39%)和88.04%(±1.32%)，典型周期內系統中NO3--N的生成量（ΔNO3--N）與NH4+-N的減少量（ΔNH4+-N）之比為0.08(±0.01)。據此分析，在特定陽極電勢下，R1中的電極氨氧化應與ANAMMOX發生耦合，形成了類似CANON工藝的單級自養脫氮系統，且該體系中的氮素轉化特征也與CANON反應類似。值得注意的是，在上述3個階段，R1中的DO濃度始終低于0.10mg/L。在d階段初，因恒電位儀故障導致R1的外加陽極電勢出現波動，系統運行性能隨之惡化：在第94個周期，R1的TNRE和AOE驟降至19.79%(±1.95%)和23.61%(±3.39%)，該結果表明R1中全程自養脫氮作用的進行依賴于適宜電勢的穩定施加，當外加陽極電勢波動時，R1中的電極氨氧化反應無法正常發生，使得NH4+-N氧化過程受阻，影響了系統的脫氮性能。而后恒電位儀修復并持續向R1提供0.60V的外加陽極電勢，系統脫氮性能逐漸恢復，其TNRE和AOE自第114個周期后穩定在85.30%(±1.54%)和94.83%(±1.49%)，期間典型周期內系統的ΔNO3--N/ΔNH4+-N為0.08(±0.06)，裝置中的DO濃度仍低于0.10mg/L。在e階段，將陽極電勢進一步提高到0.80V，R1的TNRE和AOE分別降至59.22%(±3.45%)和78.28%(±3.26%)，此時裝置出水中的NO3--N出現累積，濃度達8.72(±1.69)mg/L，同時R1中的DO濃度增至0.85(±0.26)mg/L。在電解水的過程中，析氧反應發生時的標準電極電勢E0（H2O/O2）應需達到+1.23V（vs。SHE，pH=0），而如有微生物的催化作用，E0（H2O/O2）可降至+0.80V（vs。SHE，pH=7）。據此推斷，0.80V的陽極電勢可能導致R1的工作電極表面發生析氧反應，致使系統脫氮效果惡化。為保障R1的脫氮性能，在f階段再次將陽極電勢降至0.60V，期間R1中的DO濃度降至0.10mg/L以下，系統的TNRE和AOE分別穩定在88.36%(±1.50%)和96.96%(±0.54%)。本研究同時測定了R2、R3和R4的運行性能。其中，3組裝置的TNRE與AOE均低于1%，且其中的DO含量在試驗期間均小于0.07(±0.02)mg/L，由此證實R1中的電極氨氧化反應和析氧作用均是相關微生物催化所致，且電極氨氧化的發生是確保后續ANAMMOX反應高效進行的前提。
2.2 電流密度變化
由圖4可知，隨著R1外加陽極電勢的變化，該系統在各周期的電流密度峰值對應出現波動。其中，R1的電流密度峰值在外加陽極電勢為0.60V時可達545.08(±5.03)μA/cm2.分析可得，R1的輸出電流密度與其TNRE、AOE、NiAE和NaAE均呈正相關關系（圖5），且與AOE的相關性（0.98***，P≤0.001）最高。據此斷定，R1的產電性能在很大程度上受制于電活性微生物對NH4+-N的厭氧氧化過程。
2.3 EPS含量及成分變化
對6組生物膜樣本中的EPS含量及成分進行了測定，結果如圖6所示。當外加陽極電勢由0.00V增至0.60V時，對應生物膜樣本中的EPS含量由234增至560mg/g（以VSS計）；隨著外加陽極電勢進一步增至0.80V，S5中的EPS含量出現下降，為518mg/g；而后將外加陽極電勢穩定在0.60V后，取自f階段末的S6中的EPS含量穩定在554mg/g。其中，S4和S6中的EPS含量均高于其他4組樣本。由此判斷，特定范圍陽極電勢的施加會提高R1中電活性微生物的EPS分泌量，應能促進相關功能微生物在陽極表面生長和富集，并利于其活性的提高；此外，EPS的多層結構還會阻止某些有毒物質進入微生物體內，有助于微生物抵御外界環境變化帶來的不利影響。另一方面，對于提取自S4和S6的EPS，其中蛋白質（proteins，PN）含量較其他樣本有顯著提高，且2組樣本EPS中PN與多糖（polysaccharides，PS）含量的比值（PN/PS）分別可達1.32和1.30，亦高于S1（0.75）、S2（0.77）、S3（0.92）和S5（1.10）。該結果表明，對R1施加特定范圍的陽極電勢可增加其EPS中蛋白質的含量，進而可提高PN/PS。考慮到蛋白質比例升高會增強細胞表面的疏水性，PN/PS的增大進一步證實微生物更易在R1的工作電極表面附著和聚集。
2.4 微生物多樣性及其群落結構特征
對采集的6組生物膜樣本進行測序后，共獲得80353條高質量序列，聚類劃分后共產生496個OTUs。利用多樣性分析（α）來反映各生物膜樣本中微生物群落豐度和多樣性，α多樣性指數的統計如表1所示。表1表明，6組樣品測序的樣本文庫覆蓋度（coverage指數）均大于0.99，表明測序對樣品覆蓋度高，能較好地反映樣品的真實情況。另由表1可知，隨著外加電勢由0.00V增至0.60V，樣本的Chao1指數和Ace指數逐漸升高，由379.4和394.0分別增至444.9和447.8；與此同時，樣本的Simpson指數和Shannon指數卻逐步下降，由0.960和5.91分別降至0.916和5.29.隨著外加電勢進一步增至0.80V后，樣本的Chao1指數、Ace指數、Simpson指數和Shannon指數分別降至421.9、438.9、0.862和4.64.Chao1指數和Ace指數是衡量微生物群落豐富度的兩項指標，其數值越大，表明群落的豐富度越高，而Shannon指數和Simpson指數則可用來評估群落的豐富度和群落均勻度，兩者的數值與群落多樣性成正比。由上述結果判斷，適宜強度陽極電勢的施加有助于提高系統中部分功能微生物的豐度，并可產生定向馴化效應，導致微生物群落的多樣性降低；而當陽極電勢過高時，裝置中微生物的生長代謝均不同程度地受到抑制，致使樣品中微生物群落的豐度與多樣性均下降。
各生物膜樣本的微生物群落結構如圖7所示。S1中的優勢菌屬包括Nitrosomonas、CandidatusBrocadia、Empedobacter和Geobacter，其相對豐度分別為7.84%、4.25%、2.80%和2.74%。其中，Nitrosomonas隸屬AOB，是參與短程硝化過程的功能菌屬；CandidatusBrocadia隸屬AnAOB，可主導ANAMMOX反應，Empedobacter和Geobacter則是BES中常見的兩種功能菌屬。隨著外加陽極電勢逐步提升至0.60V，上述4種菌屬在生物膜樣本中的占比隨之提高。對于S4，其中Nitrosomonas、CandidatusBrocadia、Empedobacter和Geobacter的相對含量分別增至16.39%、14.64%、6.82%和8.10%。而后在0.80V的外加陽極電勢下，S5中Nitrosomonas（15.69%）、CandidatusBrocadia（10.09%）、Empedobacter（5.23%）和Geobacter（6.88%）的相對豐度較S4出現了不同程度的降低，但該樣本中Nitrospira（4.53%）的相對含量卻明顯增加。Nitrospira隸屬NOB，為參與生物硝化過程（即NO2--N→NO3--N）的功能菌屬，此菌屬占比的提高應歸因于0.80V陽極電勢下電極表面的析氧反應。將f階段的外加陽極電勢再次設置為0.60V后，S6中Nitrosomonas、CandidatusBrocadia、Empedobacter、Geobacter和Nitrospira的百分含量最終穩定在17.67%、16.28%、7.59%、8.84%和0.78%。
另由圖8可知，R1的脫氮性能與系統中4種功能菌屬（即Nitrosomonas、CandidatusBrocadia、Geobacter和Empedobacter）的相對豐度均呈正相關關系。其中，系統的TNRE和AOE分別與其中的Nitrosomonas含量呈極顯著相關關系（0.95**，P≤0.01；0.92**，P≤0.01）；同時，此兩項指標與其他3種功能菌屬的相對豐度亦呈顯著正相關。另值得注意的是，R1的輸出電流密度與系統中Nitrosomonas和Empedobacter的含量呈顯著正相關關系（0.84*，P≤0.05；0.82*，P≤0.05），結合2.2中結果推測，Nitrosomonas和Empedobacter參與下的NH4+-N氧化過程可顯著影響R1的產電性能。
2.5 AnAOB活性變化
在ANAMMOX過程中，參與反應的功能性酶主要有Nir、HZS、HDH和Cyt-c，前3種功能酶可分別催化ANAMMOX反應中NO2-向NO的轉化過程、NO和NH4+生成N2H4的過程以及N2H4的分解過程，而Cyt-c則在反應過程中起到了電子傳遞的作用。考慮到AnAOB為各組SBBR中主要的功能微生物，分別測定了各生物膜樣本的功能酶活性（圖9）。從中可知，與AnAOB在生物膜樣本中的相對含量變化相呼應，S4和S6中4種功能酶的活性均不同程度地高于其他4組樣本。其中，S4和S6中Cyt-c的濃度為41.22(±3.86)和43.05(±4.53)nmol/L，分別約為S1、S2、S3和S5的3.10和3.24倍、2.06和2.15倍、1.64和1.72倍、1.26和1.32倍。同時，S4和S6中Nir、HZS和HDH的活性亦均高于S1、S2、S3和S5.分析可得，特定陽極電勢的施加不僅提高了裝置中AnAOB的相對豐度，也不同程度地增強了參與ANAMMOX過程的4種關鍵酶的活性，從而在整體上提升了ANAMMOX反應的速率，使得底物（即NH4+-N和NO2--N）轉化速率增大。與S4和S6相比，S5中4種功能酶的活性及AnAOB的相對豐度有所下降，此結果很大程度上應歸因于0.80V陽極電勢下R1中的析氧反應，即此條件下DO濃度的升高以及NOB的過量增殖影響到了AnAOB的生長與代謝，進而對其活性和豐度產生了抑制。
3、討論與結論
作為當前備受關注的一種生物脫氮技術，ANAMMOX工藝在處理城鎮生活污水時面臨著反應基質（即NO2--N）難以穩定獲取、AnAOB活性偏低兩大“瓶頸”問題。隨著生物電化學脫氮技術的發展，電極氨氧化反應的發現為破解上述難題提供了新思路。電極氨氧化作用在厭氧條件下可實現污水中NH4+-N的氧化與NO2--N的穩定積累，避免了NOB的過度增殖，亦降低了工藝操作難度。本研究基于電極氨氧化裝置，借助接種ANAMMOX污泥和調控外加陽極電勢等手段成功構建了基于電極氨氧化的全程自養脫氮系統，在常溫下實現了系統中NH4+-N的厭氧氧化與TN的高效脫除，從而彌補了基于短程硝化的ANAMMOX技術的缺陷，為城鎮生活污水高效脫氮開辟了新途徑，亦有助于新型生物脫氮工藝的研發與設計。
上述結果表明，對于施加了生物電化學措施且接種了ANAMMOX污泥的R1，該系統雖以厭氧環境為主，但在特定外加電勢下，電極氨氧化可與ANAMMOX發生耦合，形成基于電極氨氧化的全程自養脫氮反應體系，進而可實現氮素的高效脫除。當外加陽極電勢為0.60V時，R1能獲得理想的AOE和TN去除率。實驗期間Nitrosomonas、CandidatusBrocadia、Geobacter和Empedobacter是參與R1中基于電極氨氧化的全程自養脫氮反應的功能菌屬。其中：（1）Nitrosomonas主導了裝置中NH4+-N的轉化。作為一類化能自養菌，Nitrosomonas可在好氧條件下氧化NH4+-N為NO2--N。然而，有研究（包括作者前期實驗）已證實，BES中的Nitrosomonas在厭氧環境下能以陽極為電子受體將NH4+-N氧化為NO2--N，則該菌屬可通過電極氨氧化反應實現R1中NH4+-N的轉化與NO2--N的累積。另一方面，Geobacter也應參與了NH4+-N的厭氧氧化。作為一類典型的電化學活性菌，Geobacter具有氨氧化的相關功能基因，能參與BES中的電極氨氧化反應，故斷定R1中的Geobacter有助于系統中NH4+-N的轉化；（2）CandidatusBrocadia通過ANAMMOX反應實現了系統中TN的脫除。如前所述，CandidatusBrocadia為一類厭氧氨氧化微生物，其可在缺氧條件下以NO2--N為電子受體，氧化NH4+-N為N2和小部分的NO3--N，則該菌屬可通過與Nitrosomonas協作實現脫氮。期間，CandidatusBrocadia的活性及豐度亦可在電場作用下得以提高；（3）Empodebacter提高了電極氨氧化作用的強度。作為一類化能異養菌，Empodebacter與Nitrosomonas之間應存在互生關系，即Nitrosomonas在氧化NH4+-N時產生的有機物可供Empodebacter利用，而Empodebacter在代謝過程中能分泌黃素類化合物，鑒于黃素類化合物可作為電子穿梭體介導微生物胞外電子傳遞，則Empedobacter可采用分泌內生電子穿梭體的手段協助Nitrosomonas完成電極氨氧化反應，并在一定程度上提高了電活性生物膜的電子傳遞效率。由上述結果還可知，過高的陽極電勢并不利于R1高效脫氮。在0.80V的陽極電勢下，系統的TN去除率及AOE分別降為59.22%(±3.45%)和78.28%(±3.26%)，且其出水中的NO3--N出現累積，推測此時基于電極氨氧化的全程自養脫氮作用遭到了削弱，從而惡化了系統的脫氮效果，而該結果可能歸咎于：（1）陽極表面的析氧反應使系統中的厭氧環境被破壞，導致DO濃度升高與Nitrospira過量增殖，使裝置中的部分NO2--N進一步氧化為NO3--N，進而改變或抑制了相關功能微生物（如Nitrosomonas、CandidatusBrocadia等）的代謝途徑及活性；（2）陽極附近的電解水反應因過高的外加電勢而增強，造成該區域pH值發生劇變，由此對功能微生物的活性產生了負面影響；（3）在過高的陽極電勢條件下，電活性生物膜中功能微生物的細胞膜發生了不可逆穿透或其胞體組分的直接氧化，致使其代謝活性下降。基于上述推論，特定工況下R1中NH4+-N可能的轉化途徑如圖10所示。
需注意的是，目前仍未有證據明確證實Nitrosomonas具備胞外電子傳遞的能力，則電極氨氧化作用的反應機理應在后續研究中進一步探索。另一方面，鑒于ANAMMOX反應特點，R1的TN去除率始終≤89%且其出水中含有一定量的NO3--N，后續研究還應探尋相關措施實現NO3--N的高效脫除，以便強化系統的脫氮效能。（來源：安徽農業大學資源與環境學院，安徽新華學院城市建設學院，山東省環境保護科學研究設計院有限公司）
