外加电压对电极氨氧化型人工湿地运行性能的影响

1. 引言

1.1 人工湿地的作用

1.1.1 人工湿地的定义

• 人工湿地是一种模拟自然湿地处理污水的生态工程技术。
• 它利用湿地植物、微生物和填料的协同作用，实现对污水的净化。

1.1.2 人工湿地的应用

• 人工湿地广泛应用于城市污水处理、农业面源污染控制和工业废水处理等领域。
• 人工湿地具有处理效果好、运行成本低、操作简便和生态环保等优点。

1.2 电极氨氧化型人工湿地的优势

1.2.1 电极氨氧化原理

• 电极氨氧化是指在人工湿地阳极区域，氨氮通过微生物的作用被氧化成氮气的过程。
• 电极氨氧化能够提高人工湿地的脱氮效率，减少湿地填料层的堵塞风险。

1.2.2 电极氨氧化型人工湿地的应用前景

• 电极氨氧化型人工湿地能够有效处理低C/N比的废水，如养猪废水。
• 它能够提高人工湿地的脱氮效果，降低对溶解氧和有机碳源的依赖。

2. 材料与方法

2.1 实验装置

2.1.1 BECW的构建

• 将垂直潜流人工湿地(VFCW)改造为电极氨氧化型人工湿地(BECW)。
• BECW由PVC板材焊接、组装而成，包括砾石承托层、底部废砖块-沸石层、阳极层、上部废砖块-沸石层、阴极层和粗砂层。

2.1.2 填料层的设置

• 填料层分为砾石承托层、底部废砖块-沸石层、阳极层、上部废砖块-沸石层、阴极层和粗砂层。
• 阳/阴极层内部填充石墨颗粒，内部埋设有石墨毡作为系统的阳极和阴极。

2.2 运行条件

2.2.1 运行模式

• BECW以上向流模式连续运行。
• 控制水力负荷约为0.16m3/(m2·d)，进水量和水力停留时间分别为5L/d和2d。

2.2.2 运行温度

• 利用恒温加热设备将填料层中的污水水温维持在(25±2)℃。

2.3 进水水质

2.3.1 水质参数

• 猪场废水的COD、TP、TN、NH4+-N、NO3--N和NO2--N含量分别为(56.43±22.55)、(2.22±0.61)、(47.16±18.48)、(30.58±13.67)、(15.57±9.73)和(1.15±0.94)mg/L。
• 废水的pH值为(7.74±0.58)。

2.4 分析方法

2.4.1 水样采集与分析

• 每日采集进水桶和出水管处的污水水样进行水质分析。
• 检测指标包括COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN和TP的质量浓度。

2.4.2 电压与电流测定

• 外接电阻两端电压由数据采集模块自动采集。
• 根据欧姆定律计算出电流值。

2.4.3 电流密度与功率密度计算

• 电流密度和功率密度根据公式计算获得。
• 其中，Uex为外接电阻两端电压(mV)；Rex为装置外接电阻(Ω)；Vanode为阳极层有效体积(m3)。

2.4.4 极化曲线、功率密度曲线和表观内阻测定

• 采用稳态放电法测定极化曲线和功率密度曲线。
• 根据极化曲线的斜率求得表观内阻(Rint)。

2.4.5 填料样品采集

• 试验阶段末，采集填料样本以便用于后续相关分析。
• 采集的填料样本包括生物膜样本和孔隙水样本。

2.4.6 DNA提取与高通量测序

• 将填料样本与磷酸盐缓冲液混合，震荡离心后获得生物膜样本。
• 将所有生物膜样本送至百迈客生物科技股份有限公司进行高通量分析测序。

3. 结果与分析

3.1 运行性能

3.1.1 脱氮效果

• 不同外加电压下，BECW的COD、TP、TN和NH4+-N去除率存在显著差异。
• 当外加电压为0.80V时，BECW的运行性能较理想，其COD、TP、TN和NH4+-N的去除率分别为(82.96±2.93)%、(96.80±1.36)%、(72.07±2.61)%和(77.51±1.98)%。

3.1.2 产电性能

• 不同外加电压下，BECW的输出电流密度峰值和功率密度峰值存在显著差异。
• 当外加电压为0.80V时，BECW的输出电流密度峰值和功率密度峰值分别为(5.29±2.42) A/m3和883.51 mW/m3。

3.2 电化学性能

3.2.1 极化曲线

• 极化曲线反映了电极表面电化学反应的难易程度。
• 曲线斜率越小，表明电极反应越容易进行，电极性能越好。

3.2.2 功率密度曲线

• 功率密度曲线反映了电极表面电化学反应的功率输出能力。
• 曲线峰值越高，表明电极反应的功率输出能力越强，电极性能越好。

3.2.3 表观内阻

• 表观内阻反映了电极反应过程中电能转化为化学能的效率。
• 表观内阻越小，表明电极反应的效率越高，电极性能越好。

3.3 微生物多样性分析

3.3.1 微生物多样性指数

• 微生物多样性指数反映了微生物群落的丰富度和均匀度。
• 指数越高，表明微生物群落越丰富，多样性越高。

3.3.2 微生物群落结构

• 微生物群落结构反映了微生物群落中不同物种的组成比例。
• 结构越复杂，表明微生物群落越稳定，功能越全面。

3.4 微生物群落结构分析

3.4.1 电极氨氧化微生物

• 电极氨氧化微生物主要包括Nitrosomonas、Empedobacter、Geobacter和Candidatus Brocadia等。
• 这些微生物在阳极层中参与电极氨氧化反应，将氨氮氧化成氮气。

3.4.2 阴极反硝化微生物

• 阴极反硝化微生物主要包括Geobacter、Thauera、Pseudomonas、Dechloromonas和Hydrogenophaga等。
• 这些微生物在阴极层中参与阴极反硝化反应，将NOx--N还原成氮气。

3.5 BECW部分工况参数与功能微生物之间的关系

3.5.1 外加电压与功能微生物丰度

• 适宜的外加电压能够提高电极氨氧化和阴极反硝化功能微生物的丰度。
• 外加电压过高或过低都会对功能微生物的丰度产生不利影响。

3.5.2 电极氨氧化与阴极反硝化之间的关系

• 电极氨氧化和阴极反硝化之间存在协同作用，能够提高BECW的脱氮效果。
• 两者之间的协同作用与外加电压的适宜程度密切相关。

4. 结论

• 外加电压对电极氨氧化型人工湿地的运行性能和微生物特性具有显著影响。
• 适宜的外加电压能够提高电极氨氧化和阴极反硝化功能微生物的丰度，增强BECW的脱氮效果。
• 本研究为新型人工湿地工艺的研发和低C/N废水的高效处理提供了科学依据和技术支持。