● 摘要
水体中氮、磷元素的超标是造成富营养化的主要原因。AA/O（Anaerobic / Anoxic / Oxic, AA/O）污水处理工艺是城市中典型的污水处理工艺，因其能同时脱氮除磷而被广泛关注。但是城市实际生活污水中碳源不足，导致该工艺不能同时高效去除N、P。微生物燃料电池（microbial fuel cell, MFC）能够将有机物质中的化学能通过微生物自身的代谢作用直接转化成电能。实验室前期的研究成果表明，将连续流无膜生物阴极MFC嵌入AA/O污水处理工艺中，有望在强化后者对氮磷等污染物的去除效果的同时产生电能，可有效解决城市污水处理行业既要求处理效率高又要求节能降耗的矛盾。但是，由于目前对其强化机制并不完全清楚，这也就为利用MFC技术进一步提高AA/O脱氮除磷效率增加了难度。在AA/O污水处理过程中，微生物起到主要作用，因此微生物群落结构是系统的稳定运行基础，更深层次地研究嵌入MFC对AA/O污水处理工艺中微生物的群落结构和功能的影响，对控制和提高污水处理及产电的效率和稳定性具有重要意义。
本实验构建一组稳定运行的AA/O反应器，比较嵌入MFC后对反应器脱氮除磷效率的影响，记录MFC产电电压，采集MFC-AA/O反应器前期接种、稳定运行、嵌入MFC后产电上升、再次稳定运行等不同运行阶段缺氧区悬浮微生物样品，以及运行结束后电极样品。通过平板计数、SEM、PCR-DGGE、Miseq测序等技术，研究AA/O工艺中的脱氮除磷功能微生物在嵌入连续流无膜生物阴极MFC条件下生理生化特性以及基因等所发生的变化，阐明嵌入AA/O工艺的连续流无膜生物阴极MFC强化脱氮除磷的作用机制。主要实验结果如下：
MFC-AA/O反应器能有效的将污水中的TN、TP去除率分别提高19.31%、23.18%。当MFC成功启动运行后，平均输出电压约分别为507.8±60.4mV和150.9±96.5mV。
为了阐明嵌入AA/O工艺的连续流无膜生物阴极MFC强化脱氮除磷的作用机制，需要对嵌入MFC前后对AA/O工艺中具有脱氮除磷功能的微生物进行探讨。在AA/O反应器内嵌入MFC后，前期稳定运行阶段到产电上升阶段，缺氧区内反硝化细菌的数量仅从1.32×107上升到2.20×107，而在MFC产电最高阶段，反硝化细菌的数量已经上升至4.8×107，达到前期稳定运行阶段的3.6倍。另外，从前期稳定运行阶段到产电上升阶段，缺氧池内聚磷菌的数量也仅从1.02×106上升至2.22×106，而到了产电最高阶段时已经达到了4.28×106，是前期稳定运行阶段的4.2倍。 SEM扫描结果表明，MFC阴极表面紧密附着了种类丰富的微生物，判断与产电相关，形态主要包括球状菌、杆状菌、双链球菌及链状菌等，其中球状菌主要富集在碳布上，而杆状菌则在纸壳碳上更多。DGGE与Miseq测序结果均表明，MFC产电能使反应器缺氧区微生物群落结构发生一定的变化：悬浮液中，具有反硝化功能的Thauera（ 陶厄氏菌属）由加入MFC产电前SO阶段的6.68%上升到MFC产电后PV阶段的12.56%，反硝化细菌Emticicia在加入MFC之前几乎不存在，而加入MFC产电后，在RV和PV阶段中分别占了3.31%和2.81%；另外，具有反硝化功能的Rheinheimera等在阴极板上大量富集，接收阳极传递过来的电子，参与产电。
为了推广MFC-AA/O反应器应用到实际中，结合北京某采用AA/O工艺的污水处理厂二期工程实际情况，采用几何缩小方法，设计出中试反应器。
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