Electrifying biotrickling filters for the treatment of aquaponics wastewater

用于處理水生廢水的電氣化生物滴濾器

來源：Bioresource Technology 319 (2021) 124221

 

1. 摘要內容

 

論文提出了一種基于微生物電化學技術（MET）的電化生物滴濾池（BTF）系統，用于處理水產養殖廢水（高銨、低碳氮比）。通過結合好氧區（非導電PVC顆粒）和電化學缺氧區（極化導電石墨顆粒），系統實現了高效的氮去除：

 

最高銨去除率（N-NH??RR）：94 gN·m?3·d?1

最高硝酸鹽去除率（N-NO??RR）：43 gN·m?3·d?1

出水滿足水培標準（銨<0.8 mg/L，亞硝酸鹽<0.3 mg/L），能耗低至8.3×10?2 kWh·gN?1。

該系統無需外部曝氣或添加化學品，為水產養殖閉環（aquaponics）和低碳氮比廢水處理提供了可持續方案。

 

2. 研究目的

 

開發低成本、易組裝、易操作的廢水處理系統，解決水產養殖廢水的核心問題：

 

高銨含量（50 mgN-NH??·L?1）和低碳氮比（C/N<3），導致傳統脫氮工藝效率低下。

滿足水培系統（hydroponics）的嚴格水質要求（低銨、適量硝酸鹽），實現水產養殖-水培的閉環循環。

 

3. 研究思路

 

采用分階段優化設計，測試四種反應器配置：

 

初代設計（A/B/C型）：

A型：僅用PVC顆粒（非導電），模擬傳統生物濾池。

B型：非極化石墨顆粒（導電但無外加電壓）。

C型：極化石墨顆粒（陰極電位控制為-0.3 V）。

 

測試參數：水力停留時間（HRT: 0.3–1.1 d）、進水溶氧（N?沖洗 vs. 未沖洗）。

 

優化設計（D型）：

上半區：PVC顆粒（好氧硝化區）。

下半區：極化石墨顆粒（電化學反硝化區），通過不銹鋼網優化電位分布。

 

測試參數：HRT（0.3–1.2 d）、水位（50% vs. 75%）、極化/非極化模式。

 

4. 測量數據及其研究意義

 

以下數據均來自文檔中的圖表，關鍵測量指標及其意義如下：

 

銨（N-NH??）濃度：

來源：圖2（N?沖洗進水）、圖3（未沖洗進水）、圖4（D型反應器）。

意義：評估硝化效率。例如，圖2顯示A型在HRT 0.4 d時達到峰值（56±15 gN·m?3·d?1），表明PVC顆粒優化了氧傳遞；圖4顯示D型在HRT 0.3 d時達94±44 gN·m?3·d?1，證明組合設計提升硝化活性。

 

 

 

 

硝酸鹽（N-NO??）與總氮（TN）去除率：

來源：圖2B、圖3B（A/B/C型）、圖4B（D型）。

意義：量化系統脫氮能力。圖4B顯示D型在HRT 0.7 d時TN去除率達43±2 gN·m?3·d?1，表明極化石墨區提供了穩定電子供體，替代傳統有機碳源。

 

亞硝酸鹽（N-NO??）濃度：

來源：表1（最佳出水條件）。

意義：監測毒性中間產物。表1顯示D型（水位75%）出水亞硝酸鹽為0.2±0.2 mg/L（<0.3 mg/L限值），證明系統避免了亞硝酸鹽積累風險。

 

 

溶解氧（DO）與氧化亞氮（N?O）：

來源：正文3.3節（使用丹麥Unisense電極測量）。

意義：DO數據（如D型出水<0.2 mg/L）驗證缺氧區有效性；N?O數據（“rarely detected”）證實低溫室氣體排放（詳見第6節解讀）。

 

能耗：

來源：表1（不同設計的單位氮去除能耗）。

意義：評估經濟可行性。D型能耗8.3×10?2 kWh·gN?1，低于傳統脫氮工藝（如有機碳添加），凸顯技術優勢。

 

5. 結論

 

材料組合優化：

PVC顆粒提升好氧硝化（氧傳遞效率高），極化石墨顆粒實現可控反硝化（陰極電子供體替代有機碳）。

D型設計（PVC+極化石墨）性能最佳：銨去除率94 gN·m?3·d?1，總氮去除率43 gN·m?3·d?1（圖4A）。

 

水質達標與可持續性：

D型在水位75% + HRT 1.0 d時，出水銨=0.5±0.4 mg/L、亞硝酸鹽=0.2±0.2 mg/L（表1），滿足FAO水培標準。

低能耗（8.3×10?2 kWh·gN?1）和免化學品添加，適用于水產養殖閉環及城市低碳氮比廢水處理。

 

技術普適性：

系統通過簡單改造（如電位分布優化）提升傳統生物濾池，為微生物電化學技術（MET）的實際應用提供新范式。

 

6. Unisense電極測量數據的詳細解讀

 

數據來源：丹麥Unisense液相親氧化亞氮（N?O）微傳感器，用于測量D型反應器出水中的N?O濃度（正文3.3節）。

 

關鍵發現：

 

直接引用文檔："N?O was rarely detected in the effluent when testing the different HRTs."（3.3節）

 

研究意義：

 

驗證環境安全性：

N?O是強效溫室氣體（全球變暖潛能值比CO?高265倍），傳統脫氮工藝常因不完全反硝化導致N?O積累。

本研究中N?O“幾乎未檢出”，表明電化學反硝化（陰極電位-0.2±0.1 V）避免了N?O生成副反應，減少系統碳足跡。

 

佐證反應器設計的有效性：

低N?O排放與陰極電位控制（-0.2±0.1 V）直接相關，證明極化石墨區提供了穩定的電子傳遞路徑，促進反硝化菌將NO??完全還原為N?，而非中間產物N?O。

這一結果突顯了組合設計（好氧區+缺氧區）的生態合理性：好氧區充分硝化減少NO??積累（N?O前體），缺氧區電位控制優化反硝化路徑。

 

技術優勢：

相比傳統生物濾池（依賴異養反硝化，易產生N?O），本系統基于自養電化學反硝化，避免了有機碳添加帶來的污泥問題，同時最小化溫室氣體風險，契合循環生物經濟（Circular Bioeconomy）理念。