三维微生物电化学自养-异养反硝化协同强化地下水硝酸盐去除及过程精准调控机制研究

Microbial electrochemical autotrophic denitrification has drawn great attention as it reduced nitrate to nitrogen gas through biocathode without additional input of electron donors. However, during the microbial electrochemical remediation of nitrate polluted groundwater, the denitrification intermediate accumulation often appeared in reaction products and the low ionic strength of the groundwater hindered the ionic electromigration and affected the remediation efficiency. These two key issues impeded the microbial electrochemical remediation of nitrate polluted groundwater. Thus, a simultaneous autotrophic and heterotrophic denitrification three-dimensional electrode microbial electrochemical system will be constructed in this project to resolve these issues. By precise regulation of the biocathode potential, the reduction of denitrificaiton intermediate accumulation will be investigated to clarify the biocathode potential regulation mechanism of simultaneous autotrophic and heterotrophic denitrification. Besides, the mutual influence between autotrophic denitrification and heterotrophic denitrification will be evaluated to illustrate its enhanced removal mechanism of nitrate in groundwater. Finally, the biochar contained three-dimensional electrode system will be explored to illuminate its strengthening effects on denitrification and system remediation efficiency. Therefore, this study will provide a new method for nitrate polluted groundwater microbial electrochemical in-situ remediation and offer theoretical and technical support for complete groundwater denitrification.

微生物电化学自养反硝化因无需加入额外电子供体、利用阴极提供的电子就可以把硝酸盐还原为氮气而备受关注。然而在微生物电化学修复硝酸盐污染地下水过程中反应产物中常伴有中间产物累积，而且地下水离子强度低，离子电迁移受限，影响修复效率。这两个关键问题阻碍着硝酸盐污染地下水微生物电化学修复。鉴于此，本项目拟构建自养-异养联合反硝化三维电极式微生物电化学系统，通过精准控制生物阴极电位，消减反硝化中间产物累积，阐明阴极电势对自养-异养联合反硝化中间产物的调控机制；研究修复过程中微生物电化学自养反硝化和异养反硝化相互影响规律，阐明自养耦合异养反硝化强化地下水硝酸盐去除机理；研究生物炭三维电极系统对反硝化效果和系统修复效率的强化作用，为微生物电化学原位修复硝酸盐污染地下水提供新方法，为地下水彻底反硝化提供理论和技术支持。

在地下水生物脱氮过程中常伴有反硝化不彻底、中间产物累积的问题。鉴于此，本项目构建了三维电极式微生物电化学系统（MES），耦合自养和异养反硝化，借助电化学工作站对MES阴极电位进行精准调控，提高地下水反硝化效果、减少中间产物累积。研究结果表明，MES自养反硝化最佳阴极电位为-200 mV (vs SHE)，在此电位上，自养反硝化速率较高（仅次于-800 mV），硝酸盐和累积的亚硝酸盐均能被去除，总氮去除率达到99.0%以上。而且相比于其他硝酸盐处理技术，-200 mV电位下的微生物电化学自养反硝化能耗非常低（0.00218 kW h/g）。其次，项目厘清了MES 去除硝酸盐的主要机理为阴极自养微生物从阴极得到电子进行硝酸盐还原，对MES微生物群落组成进行分析，在MES阳极菌群测序结果中，在门水平上丰度最高的菌门为Proteobacteria，其被证明为具有胞外电子转移能力；在属水平上最高为Zoogloea，说明MES阳极的生物膜功能良好且稳定。在阴极菌群测序结果中，在门、纲、属水平上丰度最高菌群分别为Proteobacteria、Betaproteobacteria、Ignavibacterium，这些菌群均被证明为具有反硝化能力。再次，本项目研究制备了MgO改性生物炭充填于MES，构建了三维电极式MES，硝酸盐和亚硝酸盐平均去除速率相较于无生物炭的MES提高了16.7-30.4%。生物炭作为导电粒子加速了MES内部电子转移、减小了系统内阻，较大的比表面积有利于微生物附着、增加系统生物量，提供了更多的反硝化反应位点。因此，微生物电化学自养-异养联合反硝化为解决地下水反硝化不彻底提供了新方法，精准的电位调控和三维式电极有效提高了MES在低离子强度地下水中反硝化效能，使微生物电化学技术修复污染地下水具有应用可行性。