【J WATER PROCESS ENG】广西大学王双飞院士、王志伟团队：生物炭和间歇电协同降低废水中单宁酸对厌氧颗粒污泥的危害-Zhiwei Wang

01 研究背景单宁酸作为一种常见植物多酚经常出现在造纸、制革、印染等工业废水中。在造纸废水厌氧处理时单宁酸会与厌氧颗粒污泥（AnGS）表面蛋白质大分子络合，抑制污泥中微生物的活性，降低处理性能，甚至导致颗粒污泥解絮。单独引入间歇电能够直接接触刺激微生物的生长发育，促进微生物的新陈代谢，但不能明显抑制颗粒污泥的解絮。生物炭可以富集微生物，但不能明显提高微生物活性和废水处理能力。以往的研究只分析了添加电刺激或生物炭对厌氧系统的单独影响，而忽略了它们之间的协同关系。因此，有必要揭示间歇电刺激和生物炭在降低单宁酸对AnGS的危害方面的协同作用。02 文章概述基于上述背景，广西大学王双飞院士团队通过往厌氧系统中添加单宁酸和间歇电、生物炭，探讨了单宁酸对颗粒污泥的危害，分析了间歇电和生物炭协同作用对颗粒污泥特性、产甲烷性能、微生物群落等方面的影响，为进一步降低单宁酸对AnGS的危害提供了有效途径。该成果以题为“Synergetic effect of biochar and intermittent electricity stimulation on mitigating the adverse effects of tannic acid on anaerobic granular sludge in wastewater”发表在《Journal of Water Process Engineering》上，2022级硕士研究生倪俊霞为第一作者，王志伟副教授为通讯作者，许一虎、江柯漾、刘令、朱云鹏、邹雪莲、高倩、冯金虎、吴迪等同学参与研究。03 图文导读

1.间歇电和生物炭对反应器的影响从不同反应器的COD去除率、甲烷产量、VSS/TSS、辅酶F420的变化可以看出，废水中单宁酸会导致COD去除率明显下降、抑制反应器的产甲烷性能、降低颗粒污泥的VSS/TSS和辅酶F420含量。而间歇电和生物炭协同作用使厌氧颗粒污泥在模拟废水中单宁酸抑制作用下保持活性，二者共同作用的反应器废水COD去除率为91.73%，每次最大产甲烷量为230.59 mL/g COD，较于只添加单宁酸的反应器（197.17 mL/g COD）提高16.95%。

图1间歇电和生物炭对反应器的影响：(a) COD去除率; (b) 甲烷产量; (c) VSS/TSS; (d) 辅酶F420

2.颗粒污泥EPS分析EPS是颗粒污泥的重要组成部分，可以维持颗粒污泥的稳定性，保护其不受环境因素的影响。从图中可以看出，相比较于TA反应器，SC、IC和IC+SC反应器的EPS含量提高，其中IC+SC反应器EPS含量最高，表明间歇性电和生物炭的协同作用可以促进更多的EPS分泌，从而保持颗粒污泥的稳定性。

图2颗粒污泥EPS分析

3.颗粒污泥的粒径、Zeta电位和出水浊度分析SC和IC+SC反应器相较于TA反应器的浊度明显下降，说明生物炭能明显抑制颗粒污泥的解絮。浊度主要由AnGS表层剥离所致，实验初期剥离导致浊度上升，但微生物还未被排出IC反应器，反而与污染物更易接触，可能导致处理效果短暂上升。但是随着剥离量增大，微生物大量流失，最终导致处理效果大幅降低。CON、TA和IC+SC反应器的Zeta电位值分别为-12.07 mV、-22.00 mV和-17.07 mV，Zeta电位绝对值的减小可以一定程度上提高颗粒污泥对有机污染物的吸附，说明生物炭的添加能改善单宁酸导致的颗粒污泥Zeta电位绝对值的提高。4.颗粒污泥微生物群落结构分析在细菌门水平上，SC、IC、SC+IC反应器的Chloroflexi（绿弯菌门）相对丰度都比TA反应器有所提高，Chloroflexi是固体废物和废水处理系统中最主要的门之一，也是厌氧消化器最常见的优势菌，可以降解有机物，发挥重要的发酵作用，这说明间歇电刺激和生物炭都可以富集功能微生物，加速有机物的降解。在IC+SC反应器中syntrophobacter（互营杆菌属）相比较于TA反应器，相对丰度提高了5.70%。Syntrophobacter通过互营代谢在厌氧环境中将有机物分解成二氧化碳和甲烷。互营细菌和产甲烷古菌之间还可以通过种间电子传递的方式进行产甲烷代谢。表明生物炭和间歇电刺激能使功能微生物富集增强DIET，有利于提高厌氧颗粒污泥产甲烷性能。古菌微生物群落分析也表明，单宁酸会抑制产甲烷微生物的生长，间歇电和生物炭协同作用则可以富集产甲烷微生物，促进产甲烷过程，增强厌氧消化的效果。

图3厌氧颗粒污泥的细菌组成分析：（a）细菌在门水平上的分析；（b）细菌在属水平上的分析

5.相关性分析蛋白质与腐殖质存在较强的负相关，这可能是由于蛋白质和腐殖质在水处理过程中竞争相同的吸附位点，腐殖质由于其较高的分子稳定性优先于蛋白质被吸附，导致蛋白质浓度降低。腐殖质与多糖存在正相关，可能是因为二者共同参与有机物的循环和转化过程。腐殖质和多糖与粒径和浊度都存在较强的负相关性，这可能是由于腐殖质和多糖促进水中悬浮颗粒的絮凝和沉降，减少大颗粒的形成，降低水中的浊度。Zeta和浊度之间存在较强的负相关性，可能是由于随着浊度的增加，即颗粒浓度增加，颗粒间的碰撞频率增加，促进了颗粒的聚集和絮凝。这种聚集过程通常伴随着颗粒表面电荷的中和，导致Zeta电位的降低。

图4相关性分析

04 结论在厌氧消化中单宁酸与颗粒污泥表面蛋白质大分子结合抑制污泥中微生物的活性。引入微电流可以对微生物直接刺激促进其生长发育，但不能降低出水浊度。单独引入生物炭可富集微生物，但对其活性提升作用较小。本文在厌氧体系中引入微电流、生物炭降低单宁酸对厌氧消化的危害，提高厌氧消化的产甲烷能力，结果表明间歇电和生物炭协同作用对厌氧颗粒污泥性能提升效果最好，COD去除率明显提高，每次最大产甲烷量达到230.59 mL/g COD，较于TA反应器（197.17 mL/g COD）提高16.95%。这归因于生物炭可以富集功能微生物促进直接种间电子转移，而间歇电则直接作用于微生物，刺激微生物的活性与生长。本文为降低单宁酸对厌氧消化的危害提供了一种新的方案，其中微电流和生物炭对颗粒污泥的作用为后续降低单宁酸危害奠定了基础。文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2024.105857