【J WATER PROCESS ENG】廣西大學(xué)王雙飛院士、王志偉團隊：生物炭和間歇電協(xié)同降低廢水中單寧酸對厭氧顆粒污泥的危害 https://mp.weixin.qq.com/s/YrFjf-5x_-uW4McaYd0IpQ
01 研究背景單寧酸作為一種常見植物多酚經(jīng)常出現(xiàn)在造紙、制革、印染等工業(yè)廢水中。在造紙廢水厭氧處理時單寧酸會與厭氧顆粒污泥（AnGS）表面蛋白質(zhì)大分子絡(luò)合，抑制污泥中微生物的活性，降低處理性能，甚至導(dǎo)致顆粒污泥解絮。單獨引入間歇電能夠直接接觸刺激微生物的生長發(fā)育，促進微生物的新陳代謝，但不能明顯抑制顆粒污泥的解絮。生物炭可以富集微生物，但不能明顯提高微生物活性和廢水處理能力。以往的研究只分析了添加電刺激或生物炭對厭氧系統(tǒng)的單獨影響，而忽略了它們之間的協(xié)同關(guān)系。因此，有必要揭示間歇電刺激和生物炭在降低單寧酸對AnGS的危害方面的協(xié)同作用。02 文章概述基于上述背景，廣西大學(xué)王雙飛院士團隊通過往厭氧系統(tǒng)中添加單寧酸和間歇電、生物炭，探討了單寧酸對顆粒污泥的危害，分析了間歇電和生物炭協(xié)同作用對顆粒污泥特性、產(chǎn)甲烷性能、微生物群落等方面的影響，為進一步降低單寧酸對AnGS的危害提供了有效途徑。該成果以題為“Synergetic effect of biochar and intermittent electricity stimulation on mitigating the adverse effects of tannic acid on anaerobic granular sludge in wastewater”發(fā)表在《Journal of Water Process Engineering》上，2022級碩士研究生倪俊霞為第一作者，王志偉副教授為通訊作者，許一虎、江柯漾、劉令、朱云鵬、鄒雪蓮、高倩、馮金虎、吳迪等同學(xué)參與研究。03 圖文導(dǎo)讀
1.間歇電和生物炭對反應(yīng)器的影響從不同反應(yīng)器的COD去除率、甲烷產(chǎn)量、VSS/TSS、輔酶F420的變化可以看出，廢水中單寧酸會導(dǎo)致COD去除率明顯下降、抑制反應(yīng)器的產(chǎn)甲烷性能、降低顆粒污泥的VSS/TSS和輔酶F420含量。而間歇電和生物炭協(xié)同作用使厭氧顆粒污泥在模擬廢水中單寧酸抑制作用下保持活性，二者共同作用的反應(yīng)器廢水COD去除率為91.73%，每次最大產(chǎn)甲烷量為230.59 mL/g COD，較于只添加單寧酸的反應(yīng)器（197.17 mL/g COD）提高16.95%。
圖1間歇電和生物炭對反應(yīng)器的影響：(a) COD去除率; (b) 甲烷產(chǎn)量; (c) VSS/TSS; (d) 輔酶F420
2.顆粒污泥EPS分析EPS是顆粒污泥的重要組成部分，可以維持顆粒污泥的穩(wěn)定性，保護其不受環(huán)境因素的影響。從圖中可以看出，相比較于TA反應(yīng)器，SC、IC和IC+SC反應(yīng)器的EPS含量提高，其中IC+SC反應(yīng)器EPS含量最高，表明間歇性電和生物炭的協(xié)同作用可以促進更多的EPS分泌，從而保持顆粒污泥的穩(wěn)定性。
圖2顆粒污泥EPS分析
3.顆粒污泥的粒徑、Zeta電位和出水濁度分析SC和IC+SC反應(yīng)器相較于TA反應(yīng)器的濁度明顯下降，說明生物炭能明顯抑制顆粒污泥的解絮。濁度主要由AnGS表層剝離所致，實驗初期剝離導(dǎo)致濁度上升，但微生物還未被排出IC反應(yīng)器，反而與污染物更易接觸，可能導(dǎo)致處理效果短暫上升。但是隨著剝離量增大，微生物大量流失，最終導(dǎo)致處理效果大幅降低。CON、TA和IC+SC反應(yīng)器的Zeta電位值分別為-12.07 mV、-22.00 mV和-17.07 mV，Zeta電位絕對值的減小可以一定程度上提高顆粒污泥對有機污染物的吸附，說明生物炭的添加能改善單寧酸導(dǎo)致的顆粒污泥Zeta電位絕對值的提高。4.顆粒污泥微生物群落結(jié)構(gòu)分析在細菌門水平上，SC、IC、SC+IC反應(yīng)器的Chloroflexi（綠彎菌門）相對豐度都比TA反應(yīng)器有所提高，Chloroflexi是固體廢物和廢水處理系統(tǒng)中最主要的門之一，也是厭氧消化器最常見的優(yōu)勢菌，可以降解有機物，發(fā)揮重要的發(fā)酵作用，這說明間歇電刺激和生物炭都可以富集功能微生物，加速有機物的降解。在IC+SC反應(yīng)器中syntrophobacter（互營桿菌屬）相比較于TA反應(yīng)器，相對豐度提高了5.70%。Syntrophobacter通過互營代謝在厭氧環(huán)境中將有機物分解成二氧化碳和甲烷。互營細菌和產(chǎn)甲烷古菌之間還可以通過種間電子傳遞的方式進行產(chǎn)甲烷代謝。表明生物炭和間歇電刺激能使功能微生物富集增強DIET，有利于提高厭氧顆粒污泥產(chǎn)甲烷性能。古菌微生物群落分析也表明，單寧酸會抑制產(chǎn)甲烷微生物的生長，間歇電和生物炭協(xié)同作用則可以富集產(chǎn)甲烷微生物，促進產(chǎn)甲烷過程，增強厭氧消化的效果。
圖3厭氧顆粒污泥的細菌組成分析：（a）細菌在門水平上的分析；（b）細菌在屬水平上的分析
5.相關(guān)性分析蛋白質(zhì)與腐殖質(zhì)存在較強的負相關(guān)，這可能是由于蛋白質(zhì)和腐殖質(zhì)在水處理過程中競爭相同的吸附位點，腐殖質(zhì)由于其較高的分子穩(wěn)定性優(yōu)先于蛋白質(zhì)被吸附，導(dǎo)致蛋白質(zhì)濃度降低。腐殖質(zhì)與多糖存在正相關(guān)，可能是因為二者共同參與有機物的循環(huán)和轉(zhuǎn)化過程。腐殖質(zhì)和多糖與粒徑和濁度都存在較強的負相關(guān)性，這可能是由于腐殖質(zhì)和多糖促進水中懸浮顆粒的絮凝和沉降，減少大顆粒的形成，降低水中的濁度。Zeta和濁度之間存在較強的負相關(guān)性，可能是由于隨著濁度的增加，即顆粒濃度增加，顆粒間的碰撞頻率增加，促進了顆粒的聚集和絮凝。這種聚集過程通常伴隨著顆粒表面電荷的中和，導(dǎo)致Zeta電位的降低。
圖4相關(guān)性分析
04 結(jié)論在厭氧消化中單寧酸與顆粒污泥表面蛋白質(zhì)大分子結(jié)合抑制污泥中微生物的活性。引入微電流可以對微生物直接刺激促進其生長發(fā)育，但不能降低出水濁度。單獨引入生物炭可富集微生物，但對其活性提升作用較小。本文在厭氧體系中引入微電流、生物炭降低單寧酸對厭氧消化的危害，提高厭氧消化的產(chǎn)甲烷能力，結(jié)果表明間歇電和生物炭協(xié)同作用對厭氧顆粒污泥性能提升效果最好，COD去除率明顯提高，每次最大產(chǎn)甲烷量達到230.59 mL/g COD，較于TA反應(yīng)器（197.17 mL/g COD）提高16.95%。這歸因于生物炭可以富集功能微生物促進直接種間電子轉(zhuǎn)移，而間歇電則直接作用于微生物，刺激微生物的活性與生長。本文為降低單寧酸對厭氧消化的危害提供了一種新的方案，其中微電流和生物炭對顆粒污泥的作用為后續(xù)降低單寧酸危害奠定了基礎(chǔ)。文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2024.105857