阳极好氧和阴极厌氧生物膜生长机制与硝化反硝化过程调控

The new constructed biofilm electrode reactor may be extended to remove ammonia nitrogen in water by using aerobic biofilm on the anode which only remove nitrate nitrogen by using anaerobic biofilm on the cathode for present biofilm electrode reactor due to make use of biofilm on anode and cathode simultaneously on the principle of bioelectro chemistry for new one. The biofilm electrode reactor will realize two different processes of nitrification and denitrification in the one reactor that finished in the separated reactor for conventional nitrogen removal process. The energy consumption of biological nitrogen removal will reduce on account of microbial diversity in the biofilm electrode reactor. Aerobic biofilm will be cultivated on the anode due to decrease the active intermediate in the oxygen evolution reaction on the anode by metal oxides activity coatings on inert anode. The study of the matching and the dynamic equilibrium of the growth rates of aerobic biofilm on anode for oxidation and nitrification and the anaerobic biofilm on cathode for denitrification; the study of kinetic nitrogen remove under the action of microorganism enhanced by electrochemistry such as autotrophic nitrification,autotrophic denitrification and heterotrophic denitrification; the study of the competition and the mutualism interaction of nutrition substance and living space for aerobic autotrophic nitrification、anaerobic heterotrophic and hydrogenotrophic denitrification with the alkalinity on the equilibrium of Carbonic Acid. The construction of the relations between microbial community structure and functional properties for nitrification and denitrification. All of these research will be of certain guiding and important significance not only for development of the technology of enhance biological nitrogen removal but also for studied of the new theory and new method of nitrogen removal.

用生物电化学原理构建阴阳极同时利用生物膜的电极反应器，使目前的电极生物膜法仅利用阴极表面厌氧生物膜脱除水中硝酸盐氮，拓展为同时利用阳极表面好氧生物膜脱除水中的氨氮，将传统硝化和反硝化不同过程在同一反应器内实现。反应器中呈现出硝化、反硝化微生物多样性，降低生物脱氮能耗。利用惰性阳极表面金属氧化物活性涂层减少阳极反应活性中间体并降低析氧过电位，在阳极培养好氧生物膜，研究阳极好氧生物膜生长速度、氧化硝化作用与阴极厌氧生物膜生长速度、反硝化作用的匹配和动态平衡；研究基于碳酸碱度平衡下，好氧自养硝化菌和厌氧异养反硝化菌及氢自养反硝化菌对营养物质和生存空间的竞争生长代谢及互生作用，建立硝化、反硝化微生物的种群结构与其功能特性之间的联系,不仅对强化废水生物脱氮工艺具有指导意义，而且对脱氮过程的新理论、新方法研究也具有重要意义

用生物电化学原理设计了阴阳极同时利用生物膜的新型电极生物膜反应器，在阳极和阴极区中间设置了生物膜格栅，生物膜格栅中的微生物可进行兼性好氧，阴阳极区域中的离子可穿过，从而实现两极区域的酸碱中和，通过反应器中微生物驯化电流和运行条件的控制，对反应器各区域pH和DO变化的研究，验证了反应器中部格栅的作用，实验结果表明利用反应器运行过程中微生物的自然生长和吸附可以实现阳极好氧和阴极厌氧区域的分隔，无需向体系中加入缓冲溶液。使目前的电极生物膜法仅利用阴极表面厌氧生物膜脱除水中硝酸盐氮，拓展为同时利用阳极表面好氧生物膜脱除水中的氨氮，将传统硝化和反硝化不同过程在同一个反应器内实现，对阴、阳极区域微生物的多样性研究表明反应器中呈现出硝化、反硝化微生物多样性，降低了生物脱氮的能耗。在反应器中，无机碳源和有机碳源同时存在，当反应器在电流20mA，C/N为0.5，停留时间为4h，初始氨氮浓度为130mg/L时，NH4+-N的脱除效率可达到99.05%，对低碳氮比的含氨废水实现了高效的脱氮效果。基于碳酸碱度平衡对好氧自养硝化菌、厌氧异养反硝化菌及氢自养反硝化菌的营养物质和生存空间竞争生长代谢及互生作用过程的研究，实验进一步引入了厌氧氨氧化菌，虽然未见明显的脱氮优势，但从NH4+-N的降解效果分析表明，该内容的深入研究，将对厌氧氨氧化菌生长机制的研究具有重要的意义。 .该项目在研究碳酸碱度平衡的内容时，以铁和石墨碳作为电极在硫酸钠水溶液中组成原电池，将CO2通入电解质溶液中反应一段时间后，通过荧光检测的方法在电解质溶液中检测到了大量•OH，其产生量甚至高过在同一体系中通入相同压力氧气时产生的•OH量，后者是一种常用的效果很好的低成本的电芬顿系统，本实验使用温室气体CO2代替O2可以得到更好的效果，这可能为电芬顿的发展找到了一条新的途径。实验发现CO2在外加电压为0.44V时发生了单电子还原，这一实验结果为CO2的电化学激活利用和产生•OH的高级氧化技术提供了新思路。