微电场强化空气提升A/O工艺：在低C/N比农村生活污水中实现高效营养物质去除的机制

《Journal of Environmental Engineering and Science》：Microelectric field-enhanced air-lift A/O process: Mechanisms for advanced nutrient removal in low C/N rural domestic sewage

针对农村生活污水低C/N比处理难题，本研究开发微电场增强空气升流A/O工艺，通过120天运行验证，TN和TP去除率分别达78.91%和93.80%，显著优于传统方法。其机制涉及微生物群落调控（硝化反硝化菌增殖）、EPS促进及多途径协同作用（化学絮凝-物理吸附-生物代谢），并优化了HRT=12h、内循环比150-170%、电压1V等参数。

　　

赵文斌|刘玉芝|于戈|夏帅|王世龙|李园|钟双|邹东雷

教育部地下水资源与环境重点实验室，吉林大学，解放路2519号，长春，130021，中国

摘要

处理农村生活污水（RDS）的主要挑战在于其低碳氮比（C/N）较低，这从根本上限制了传统市政污水处理工艺的直接应用。为了解决这一挑战，本研究开发了一种创新的微电场增强型气升式A/O工艺。实验结果表明，该工艺对总氮（TN）和总磷（TP）的去除效率分别达到了78.91%和93.80%，相较于传统工艺有显著提升。机制研究表明，氮的去除主要得益于微电场驱动下缺氧区中NO₃^?-N的有效还原；而磷的去除则是化学（铁氧化物/离子的扫集絮凝）、物理和生物过程的协同作用结果。微电场能够刺激微生物产生更多的胞外聚合物物质（EPS），并增加蛋白质（PN）与多糖（PS）的比例。基于宏基因组的分类比较显示，在微电场增强系统中，硝化菌和反硝化菌的数量显著增加，尤其是自养反硝化菌的生长得到了促进，从而为氮的去除提供了额外的电子来源。此外，氮/磷代谢相关功能基因和关键酶的富集为这一代谢途径提供了分子层面的证据。通过参数优化，确定了最佳运行条件：水力停留时间（HRT）为12小时，内部循环比为150–170%，电压为1伏特。本研究表明，微电场增强技术为处理低碳氮比的农村生活污水提供了高效可行的解决方案。

引言

农村生活污水（RDS）的处理是改善农村环境的重要目标。然而，中国目前的RDS处理率仅为31%，年排放量超过80亿吨，大量未经处理的污水进入地下水系统，危及饮用水安全并危害公众健康（Lu, 2019；中华人民共和国生态环境部, 2023）。在中国农村地区，RDS的特点是排放量小、分布分散、氮（N）和磷（P）浓度高，以及低碳氮比（C/N）低，缺乏有机碳源已成为RDS处理面临的最紧迫问题（Ding et al., 2018）。大多数市政污水处理厂采用外部有机碳源（如葡萄糖和醋酸钠）来提高氮和磷的去除效率。这些补充碳源主要通过作为电子供体促进反硝化过程，帮助磷积累微生物（PAOs）释放和吸收磷，并优化微生物群落结构（Zubrowska-Sudol and Walczak, 2015; Pang and Wang, 2021）。然而，由于经济发展滞后、地形复杂多样、气候条件多变、村庄规模小且分布分散等因素，传统污水处理工艺在处理RDS方面表现不佳（Ma et al., 2024）。主要原因在于，在低碳氮比、低温以及进水负荷波动较大的不利环境下，传统污水处理工艺的去除效率大幅下降（Su et al., 2020; Zhang et al., 2024）。此外，大多数农村地区无法提供传统污水处理工艺所需的专业运营、维护、资金和技术支持（Zhao et al., 2023）。

实际工程应用表明，农村常用的化粪池对污染物的去除效果较差，TN和TP的去除效率仅为30–50%（Singh et al., 2019）。膜生物反应器（MBR）的建设和运维成本相对较高，不适合资金有限的农村地区（Tang et al., 2022）。人工湿地和土地渗透系统在生态处理中通常也只能实现50–70%的TN和TP去除效率，且这些过程需要较大的土地面积，可能对土地造成不可逆的影响（Parde et al., 2021; Yang et al., 2021）。因此，不能简单复制市政污水处理方法，亟需开发操作简便、能耗低且适用于RDS的新处理工艺和设备。

厌氧-好氧（A/O）工艺可以同时去除氮（N）、磷（P）和有机物。我们研究小组之前的研究表明，A/O工艺在处理分散式生活污水方面具有显著潜力（Zhao et al., 2024）。研究人员对A/O工艺进行了多种改进，以利用有限的碳源高效去除氮和磷污染物。例如，在低碳氮比2.8的情况下，Hou等人发现将部分硝化-反硝化/厌氧氨氧化（PN-PD/A）集成到A/O系统中，可将总氮（TN）的去除率提高到85.6%（Hou et al., 2024）。然而，该方法的主要局限在于在高氮负荷条件下难以长期稳定抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB）（Xu et al., 2020）。此外，反硝化除磷（DPR）因其能在有限碳源条件下提高总磷（TP）去除效率而成为研究热点。研究表明，DPR工艺可减少50%的碳源消耗（Mandel et al., 2019）。然而，反硝化磷积累微生物（DPAOs）在传统污水处理系统中的数量较少，竞争力较弱（Gao et al., 2023）。

近年来，利用微电流促进微生物生长和代谢以增强氮和磷去除的效果成为处理低碳氮比生活污水的最有竞争力的方法之一（Wang et al., 2024）。该方法利用电活性微生物作为“生物催化剂”，阳极释放的电子直接为反硝化细菌和磷积累微生物提供电子供体，减少了碳源的竞争，特别适用于低碳氮比废水处理（Poursat et al., 2024）。此外，电刺激还能提高细胞膜的通透性，促进胞外聚合物物质（EPS）的产生，从而影响污泥的絮凝性能（He et al., 2015）。

该系统通常使用金属阳极（铁或铝）通过释放的金属离子实现磷的去除。鉴于铝盐的潜在健康风险，铁电极具有明显优势（Kimura et al., 2013）。研究表明，阳极释放的Fe²⁺可作为电子供体维持自养反硝化，而铁氧化菌（FeOB）和铁还原菌（FeRB）则协同增强硝酸盐的去除（Zhang et al., 2018; Di Capua et al., 2019）。铁阳极还具有多种优点，包括：功耗低、副产物少、污泥沉降性能好、价格优势。值得注意的是，其效果不依赖于污染物与电极表面微生物之间的氧化还原反应，释放的铁离子及其中间产物的共同作用实现了高效的氮和磷去除（Guo et al., 2019; Wang et al., 2019）。Zhu等人构建了使用铁碳电极的厌氧反应器以增强低碳氮比污水中的硝酸盐还原（Zhu et al., 2015）。Qin等人开发了一种双室生物电化学系统，使用碳毡和不锈钢网作为电极材料去除污水中的Ni²⁺（Qin et al., 2012）。Xue等人利用碳布作为电极材料提高了污水中磺胺甲噁唑的去除效率（Xue et al., 2019）。尽管已有大量研究，但大多数研究仍集中在将生物微电场系统作为市政污水处理厂的预处理或高级处理单元。然而，基于贵金属的电极导致的高能耗、较高的建设和运营成本以及对温度和pH等参数的高敏感性，限制了电化学技术的实际应用。目前关于结合微电场和传统生物工艺处理低碳氮比RDS的研究相对较少，亟需进一步探索。

本文提出了一种创新的微电场增强型气升式A/O工艺，用于解决低碳氮比分散式RDS中的氮和磷去除问题。该反应器采用气升式循环系统替代传统的蠕动泵循环系统，并同时运行微电场增强型和对照组（非电场）反应器。进行了为期120天的系统监测，系统评估了微电场增强效果，并分析了配对反应器系统中的水质参数、污泥特性和微生物群落结构。本研究的目标是：（1）评估微电场增强型气升式A/O反应器的长期运行稳定性并优化其工艺参数；（2）阐明微电场增强微生物去除氮和磷的机制，包括微生物群落结构、氮和磷的代谢途径以及关键酶和功能基因的相对丰度变化等。研究结果为中国农村地区低碳氮比和分散式生活污水的处理提供了新的见解和技术支持。

反应器设计与运行条件

本研究构建了两个结构相同的微电场增强型气升式A/O反应器（图1），设备物理示意图见图S1。反应器由有机玻璃制成，包含缺氧区、好氧区和沉淀区，有效体积分别为9升、18升和7升。与传统蠕动泵控制的循环系统不同，该反应器的内部循环和污泥循环是直接进行的

微电场增强型气升式A/O反应器的性能监测

在启动阶段，气升式A/O反应器在无电压条件下运行，第一阶段进水碳氮比为8–10，第二阶段采用低碳氮比（3–4）。每个运行阶段持续35天，相应的污染物去除效率见图S2(a–d)。在低碳氮比条件下，COD和NH₄⁺-N的去除效率仍可保持在90%以上，而TN和TP的去除效率显著下降

结论

本研究系统研究了新型微电场增强型气升式A/O反应器在处理低碳氮比RDS时的氮和磷去除性能及其机制。结果表明，在缺氧区施加微电场可持续提升系统性能，120天内平均TN和TP的去除效率分别达到78.91%和93.80%，相较于传统工艺分别提高了12.96%和45.29%

CRediT作者贡献声明

赵文斌：撰写——初稿、方法论、实验设计、数据分析、概念化。刘玉芝：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督。于戈：方法论、实验设计、数据分析。夏帅：数据分析、概念化。王世龙：方法论、数据分析。李园：数据分析、概念化。钟双：监督、数据分析、概念化。邹东雷：撰写——审稿与编辑

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（U2444219）、吉林省的科技发展项目（20250203132SF）以及CPSF的博士后奖学金计划（GZC20230942）的支持。感谢吉林省水资源与环境重点实验室及教育部重点实验室提供的实验室空间和资源，以及在对实验和论文方面的指导和帮助。