我国城镇污水普遍具有碳氮比较低的特征，是引起污水处理厂的反硝化工艺单元碳源不足的根源，进而导致部分反硝化菌将自身原生质用作碳源进行内源反硝化，降低了反硝化功能细菌的数量和活性，从而降低含氮污染物的去除效率。因此，污水处理厂通常采用外加甲醇、乙酸钠等碳源的方法来维持反硝化过程正常进行[1]。虽然，上述补碳药剂容易被反硝化菌所利用将水体中的硝酸盐还原为氮气排出，但在实际运行过程中不仅成本较高，而且会增加剩余污泥的产量，进而增加污泥处理和处置难度，是当下污水处理厂亟需解决的主要问题之一[2-3]。

缓释碳源法是近年来被广泛研究的一种能够提供持续、稳定碳源的技术，有助于长期稳定维持反硝化菌的功能，并且缓释碳源能够规避有机碳浓度过高而产生的生物毒性、降低碳源投加频次和难度，从而降低工艺运行成本[4]。目前，可被利用的天然有机缓释碳源主要包括多糖类和纤维素等复杂有机物，具有环保可再生性和生物相容性较好的优势[5]。而生活中常见的废纸主要由碳、氢、氧等元素组成，其基本成分是以植物纤维为主，具备天然有机碳源的特性[6]。基于前期研究已证明可将废弃纸张和纤维分解菌制备成为一种可持续释放碳源的新型生物缓释碳源，能够显著提升反硝化菌脱氮效率[7],但碳源的缓释速率仍难以实现精细化控制，是制约该技术规模化推广的主要原因之一。另一方面，电化学强化技术常被用作提升微生物的活性，主要是通过影响种间以及与电极之间的电子传递链来改变污染物的代谢途径[8]。

本研究提出一种通过外加电刺激的方式来控制碳源的缓释速率，其技术原理是通过外加电极电势控制缓释碳源废纸的释碳速率，以含氮污染物的去除效率为指标，实现对纤维素分解菌、反硝化菌等形成的微生物群落结构进行调控。基于此，本研究验证了外加电压对缓释碳源释碳速率控制的可行性以及外加电压对纤维素分解菌和发酵菌等微生物菌群的影响，为缓释碳源释碳速率的控制及应用提供了理论基础和技术支撑。

1、材料与方法

1.1 缓释碳源的制备

基于前期研究，筛选并富集了以纤维素降解菌(cellulose decomposing bacteria, CDB)为主要功能菌属的混合菌液，将该菌液梯度稀释至生物量的OD600值为1.3,并以8 000 r/min的转速离心5 min, 撇去上清液[9]。将剩余浓缩物与提前粉碎好的纸巾粉末充分混合，制备成为缓释碳源[10]。

1.2 反应装置及运行

本研究的反应装置如图1所示，在缓释碳源内部设置金属电极，缓释碳源外部用碳布包裹，并用尼龙自锁扎束带扎紧。将包埋金属电极和包裹碳布的缓释碳源悬挂于厌氧瓶内，并通入氮气5 min确保完全厌氧的环境。厌氧瓶顶部被双层封口膜紧封，外加电源的两根电线穿过双层封口膜，分别与缓释碳源中包埋的金属(钛片)电极和包裹缓释碳源的碳布相连接。厌氧瓶均置于30±1℃的恒温培养箱中。厌氧瓶内的COD、TOC和VFA等污染物每隔1天检测一次，检测完成后将剩余的液体倒掉，并更换新的缓冲溶液(100 mL),用氮气吹扫5 min后再用双层封口膜封紧瓶口。

图1 反应装置示意图

实验共设置9个实验组来测试不同强度和电流方向对于处理效率的影响，其中4个实验组的厌氧瓶与电源正向连接，电压分别设置为0.2、0.4、0.6 V和0.8 V,将其命名为d02、d04、d06和d08;另外4个实验组则与电源反向连接(即将碳源两极方向调转),并将其命名为d-02、d-04、d-06和d-08,同时设置无外加电压的空白对照组K。

1.3 水质指标分析与测试

TOC采用日本岛津(SHIMADZU)TOC-V CPH分析仪进行测试，COD采用连华科技有限公司的药剂及多功能水质分析仪进行比色测定。挥发性脂肪酸(VFA)的测定采用装有氢火焰离子化检测器(FID)的气相色谱仪，通过对出峰时间的积分，计算VFA的含量[11]。

1.4 高通量检测

为研究外加电压对纸屑缓释碳源的菌群变化影响，反应结束后对每个厌氧瓶内的缓释碳源球状样品进行高通量测序，其中空白组起始和结束阶段的样品分别命名为k1和k2,其余样品编号与厌氧瓶编号相同。按指定测序区域合成特异引物338f-806r[12]。采用Quant FluorTM-ST蓝色荧光定量系统进行检测定量，并对样本、菌群和环境因子之间进行冗余分析(RDA),区分样本后进行OTU聚类分析和物种分类学分析，基于OTU聚类分析结果进行多种多样性指数分析和群落结构的统计分析。

2、结果与讨论

2.1 正反电压下缓释碳源释碳情况

改变外加电源正负极后对缓释碳源释碳的影响如图2所示，溶液中的COD释放数据表明，无论正接还是反接电压，前3 d的释碳量有些许波动但均主要表现为抑制作用，从第3 d到7 d所有电压抑制效果均显著提升，自第8 d开始原来的COD平均释放量由101.88 mg/L降为66.88 mg/L,下降幅度约为34%。值得注意的是，在0.2 V电压条件下，7 d之前释碳量与空白组基本一致，7 d之后抑制效果逐渐提升至73.17%。正向外加电压0.4 V时抑制情况最为明显，反向外加电压为0.6 V时抑制情况最为明显，几乎完全抑制释碳，表明缓释碳源微生物群落对于该强度电压较为敏感，适合作为调控电压处理。

图2 正反电压下缓释碳源释碳情况

TOC释放数据表明，正接电压0.2 V和0.6 V电压下的抑制效果较为接近，抑制效果均约为75%,0.4 V和0.8 V电压下的抑制效果接近，抑制效果约为50%。反接电压下0.6 V电压抑制效果最为明显，而TOC仅为空白组的50%,0.2 V电压抑制效果不明显，与空白组TOC接近，0.4 V和0.8 V电压TOC含量接近且均为抑制效果，约为75%。

纤维素的水解酸化最终产生小的挥发性脂肪酸分子。Chen等[13]研究了不同碳源对反硝化作用的影响，发现VFA可以提高氮磷的去除效率，因此，VFA的产量可以反映出释碳情况。VFA释放结果表明，在正接电压下，空白组VFA产量最高，外接0.4 V电压的厌氧瓶内VFA产量最低，整体VFA产量在7 d之前较高，而7 d以后产量低于 50 mg/L且各厌氧瓶差别较小。在反接电压下，空白组VFA产量最高，0.6 V组VFA产量最低，整体VFA产量与正接组类似，在7 d之前较高而7 d以后产量低于50 mg/L。综上所述，实验数据证明了正反向电压对于释碳效率影响较小，而0.4 V和0.6 V电压更适合用于精准调控有机碳源的释放。

2.2 微生物菌群结构分析

微生物结构变化分析见门水平下的10个样品丰度图(图3)。厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidota)、互养菌门(Synergistota)、变形菌门(Proteobacteria)在各组中占主导地位。变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidota)在生物降解中发挥着重要作用[16],它们可以降解大分子有机化合物(如纤维素)并参与反硝化作用[14]。有研究表明，厚壁菌门(Firmicutes)的大多数微生物与碳水化合物的水解和产酸的活性相关，能够将纤维素等复杂的碳水化合物降解为乙酸和丁酸等小分子有机物[15]。从k1与k2空白组的变化可以看出，不外加电压时，厚壁菌门(Firmicutes)丰度增加了40.29%,拟杆菌门(Bacteroidota)丰度增加了57.44%,互养菌门(Synergistota)时丰度减少了23.68%,变形菌门(Proteobacteria)丰度减少了64.17%。外加电压时，k2组分别与d02至d-08组对比，外加电压分别使厚壁菌门(Firmicutes)除d-06组减少18.59%外，其余组丰度分别增加了40.6%、61.96%、34.91%、35.89%、52.89%、36.82%、44.30%;外加电压对互养菌门(Synergistota)丰度有较大的影响，较k2组而言，d02至d-08组的互养菌门(Synergistota)丰度均为减少；变形菌门(Proteobacteria)丰度也有较大影响，较k2组而言，d02至d-08组的变形菌门(Proteobacteria)丰度均为增加；此外变化较大的还有梭杆菌门(Fusobacteriota),从k1组与k2组的对比可以看出，梭杆菌门(Fusobacteriota)经过一段时间的反应后丰度下降了88.71%,与k2组相比d02至d-08组的梭杆菌门(Fusobacteriota)丰度在k2组的基础上又分别减少了73.52%、87.71%、70.12%、70.13%、60.17%、94.28%、52.97%和80.30%,说明外加电压后改变了梭杆菌门(Fusobacteriota)丰度，而梭菌具有纤维素降解能力[16]。

图3 门水平下10个样品丰度图

对本研究样品中检测到的菌属按照相似功能进行分类研究，CBD组为纤维素降解菌类，将纤维素分解为小分子的单糖[17],包括胃瘤球菌属(Ruminiclostridium)、狄氏副拟杆菌属(Parabacteroides)、Pleomorphomonas菌属、Mobilitalea菌属；SRB组为硫酸盐还原菌类，可以还原单质硫或硫酸盐，包括Desulfovibrio菌属和Dethiosulfovibrio菌属[18];AFB为发酵产酸菌类，它们利用环境中所需的物质来发酵产酸，包括阴沟杆菌属(Cloacibacillus)、unclassified_f_Clostridiaceae菌属、拟杆菌属(Bacteroides)、氨基酸杆菌属(Aminobacterium)、梭状芽孢杆菌属(Paraclostridium)、考拉杆菌属(Phascolarctobacterium)、丙酸杆菌属(Syner-01)和Proteus变形菌属[19];EAMs为电活性细菌类，拥有极强的电活性，可以产电或降解污染物，本研究的样品中检测到的EAMs主要为丁酸梭菌属(Dysgonomonas)[20]。

空白组属水平丰度图见图4。从图4可以看出，经过长时间的释碳，缓释碳源中的菌群结构发生了较大的变化。首先，纤维素降解菌类在释碳后有显著增高，表明具有降解纤维素功能的菌属逐渐适应了缓释碳源体系，从4.86%上升至22.01%,在纤维素足够多的条件下成为丰度较多的优势菌属。发酵产酸菌在释碳后显著降低，由原来的50.63%下降至35.42%,说明发酵产酸菌虽然有了明显降低，但是其仍然是最为优势的菌类。另外，电活性菌丰度从1.76%上升至16.51%,说明即使在没有外加电压的情况下，该体系中的电活性菌也会有明显的提升。

图4 空白组属水平丰度图

正电压下属水平丰度图见图5,将图5和图4(b)对比分析可以看出，外加电压对缓释碳源中菌属分布有明显的改变。在图5中除图5(b)电压对纤维素分解菌的丰度呈现微量的抑制作用外，其余对纤维素分解菌的丰度均呈现促进作用，发酵产酸菌类与空白组相比，丰度均极大地减少，表明外加电压后导致产酸菌丰度大幅度下降。另外，在低电压时电活性菌增量并不明显，随着电压增大电活性菌逐渐成为优势菌属。

图5 正电压下属水平丰度图

图6中反接电压对纤维素分解菌类均表现为略微的促进作用，但对发酵产酸菌类而言仍然有极大的抑制作用，在反接电压时，纤维素分解菌的丰度少量增加，说明小电压对纤维素分解菌分解纤维素有一定的促进作用。0.6 V电压下的释碳情况最差，抑制效果最明显，由图6可知，在0.6 V电压下的发酵产酸菌类明显高于其他电压下的丰度，说明发酵产酸菌类的丰度直接影响到了最终释碳量的多少，且呈反比关系，发酵产酸菌类越多释放至环境中的碳源越少。负电压下电活性菌丰度增长明显不如正电压下的丰度增长，甚至在低电压下电活性菌丰度出现减少的情况。

图6 负电压下属水平丰度图

2.3 电压控制碳源缓释速率机理分析

电压影响微生物对碳源的利用和转化等代谢活动。适当的电场刺激促进了微生物的生长和代谢，同空白组对比，电场对消耗有机碳源的促进作用更显著，因此，碳源的消耗速率大于释放速率，施加电压后抑制了碳的释放。然而，如果电压过高或作用时间过长，可能会对部分微生物造成损伤或使菌群中消耗碳源的速度高于释碳速度，导致碳源释放速率降低。

外加电压对原位缓释碳源释碳机理分析如图7所示。

图7 电压控制碳源缓释速率机理

根据高通量测序结果揭示微生物群落结构，缓释碳源中主要由CDB、AFB、EAMs三大功能菌属来影响释碳效果，CDB通过分解纤维素来产生小分子的碳源，一部分用来供给其他菌属碳源，一部分释放至缓冲溶液中。AFB和EAMs消耗体系中的有机碳小分子，而有电压时AFB丰度会明显下降，EAMs丰度会有明显的提升。在正接电压情况下，随着电压的不断增加，菌群结构也逐渐发生变化，在0.2 V电压时，缓释碳源由CDB主导，该组的释碳量是各电压组中最大的。当电压升高至0.4 V左右时的电压对纤维素分解菌丰度无明显影响，而此时体系EAMs丰度大量增加且尚存在适量的AFB,使得消耗碳源的速度高于释碳速度，导致碳源释放速率降低。0.6 V和0.8 V电压时虽然外加电压使得纤维素分解菌丰度有少量提升，但对AFB和EAMs的丰度影响较大，使得缓释碳源的释碳量较0.4 V有些许增加，但明显少于0.2 V,因此缓释碳源释碳效果在0.2 V时释碳效果最好，0.4 V时释碳效果最差。

在反接电压的情况下，各组的EAMs在CDB、AFB和EAMs三组中的丰度较正接电压时丰度均明显减少，分析原因为正接电压下电极板为正极，碳布作为负极，使电活性菌趋向于缓释碳源内部的电极移动，不易流失，而反接电压下电极作为负极，碳布作为正极，使电活性菌趋向于缓释碳源外部的碳布移动，导致部分电活性菌离开了缓释碳源体系中，因而产生上述趋势。

3、结论

在外加电压控制条件过程中，对缓释碳源施加具有抑制效果的电压在0.4 V附近，正向的电压具有更强的抑制效果。外加电压可以有效控制缓释碳源的释碳速率，为污水处理中碳源控制提供了新的方法。电压通过影响微生物的代谢活性和菌群结构来控制碳源的释放，为进一步优化污水处理工艺提供了理论基础。碳释放行为显示出均衡的抑制释放，可以将外加电压作为开关手段匹配现有工艺，为污水厂碳源的投加实现自动化控制提供理论依据。

参考文献:

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文章来源:董元昊,赵博玮,张潇,等.外加电压对原位缓释碳源释碳效果影响的研究[J].现代化工,2024,44(S2):166-171+176.