廢水脫氮處理工藝

1 引言(Introduction)　　隨著“十三五”規(guī)劃的推行，***對(duì)廢水排放的要求日趨嚴(yán)格，而我國(guó)水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀依然十分嚴(yán)峻，氮污染排放呈現(xiàn)濃度增高、排放量增大的趨勢(shì)(文宇立等，2015)，同時(shí)由于能源日益緊缺，污染治理過(guò)程中的能耗問(wèn)題逐漸被重視起來(lái). 微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一種以產(chǎn)電微生物為催化劑，通過(guò)生物降解作用將存儲(chǔ)在污染物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置(Wang et al.，2013)，將其應(yīng)用于脫氮過(guò)程當(dāng)中，可以在高效去除廢水中氮元素的同時(shí)回收電能，提供了一條新的污水治理思路(Tao et al.，2015).　　MFC中的脫氮過(guò)程通常分為陰極和陽(yáng)極2種脫氮形式. 陰極脫氮過(guò)程在Holmes等(2004)的研究中被***發(fā)現(xiàn)，并證明了微生物同步脫氮產(chǎn)電的可能性;隨后Clauwaert等(2007)設(shè)計(jì)的雙室型MFC***實(shí)現(xiàn)了同步脫氮、除碳及產(chǎn)電的電化學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)成為陰極脫氮型MFC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)典型. 陽(yáng)極脫氮過(guò)程*早在Min等(2005)使用MFC處理養(yǎng)豬廢水的實(shí)驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn)，后來(lái)He等(2009)構(gòu)建了以氨為***能源的MFC，并利用PRC技術(shù)證明了陽(yáng)極氨氧化和電壓輸出之間的因果關(guān)系. 然而目前脫氮型MFC研究主要基于氨氧化、短程硝化反硝化或同步硝化反硝化反應(yīng)脫氮，但其共同的缺陷在于反應(yīng)路線(xiàn)長(zhǎng)、能耗高、剩余污泥量大，且氨氧化菌、硝化菌和反硝化菌的活性在高氮荷環(huán)境下會(huì)受到較大抑制(劉濤等，2013)，另外其需要一定的有機(jī)物補(bǔ)給，反應(yīng)系統(tǒng)較為復(fù)雜，反應(yīng)過(guò)程不易控制.　　在新型脫氮工藝中，厭氧氨氧化工藝(Anammox)可以在自養(yǎng)型細(xì)菌厭氧氨氧化菌(AnAOB)作用下，以CO2作為無(wú)機(jī)碳源進(jìn)行代謝生長(zhǎng)，以氨為電子供體，亞硝酸鹽為電子受體，代謝產(chǎn)物為氮?dú)?陳重軍等，2014)，反應(yīng)方程式為1NH4+ + 1.32 NO2- + 0.066 HCO3- + 0.13H+ → 1.02N2 + 0.26 NO3- + 0.066 CH2O0.5N0.15 + 2.03H2O(周少奇，2006). 其可一步同時(shí)去除2種形態(tài)的氮污染物，具有很高的容積效能，而且菌體對(duì)氨氮和亞硝態(tài)氮的耐負(fù)荷能力強(qiáng)，適合處理高氮濃度、低C/N比廢水(王元月等，2013). 因此將Anammox反應(yīng)和MFC耦合進(jìn)行同步脫氮產(chǎn)電，具有一定的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿?　　Lee 等(2013)曾在MFC反應(yīng)器中引入部分厭氧氨氧化菌處理高氨氮含量的垃圾滲濾液，獲得了94%的總氮去除率和12 mW·m-2的輸出功率密度，通過(guò)其與氨氧化MFC的對(duì)比，說(shuō)明電子受體從硝酸鹽變?yōu)閬喯跛猁}后，MFC產(chǎn)能可以增加50%. 謝作甫(2014)借助高錳酸鉀化學(xué)陰極成功啟動(dòng)陽(yáng)極型Anammox-MFC，輸出電壓為131 mV，總氮容積去除速率為1.64~2.38 kg·m-3·d-1，其同課題組張吉強(qiáng)(2014)使用類(lèi)似反應(yīng)體系探究了Anammox在MFC中的電化學(xué)特性，通過(guò)基質(zhì)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了在NO2-的存在下，Anammox菌可利用NH4+作為電子庫(kù)，展現(xiàn)出產(chǎn)電耦合性，通過(guò)功能空間實(shí)驗(yàn)說(shuō)明其陽(yáng)極生物膜和陽(yáng)極液中懸浮污泥均具有同步厭氧氨氧化產(chǎn)電功能，其研究為本文提供了一定理論基礎(chǔ).　　目前基于Anammox反應(yīng)的脫氮型MFC研究較少，本實(shí)驗(yàn)針對(duì)Anammox在MFC中的陽(yáng)極和陰極2種電化學(xué)耦合機(jī)制，特引入了空氣陰極和厭氧降解乙酸鹽的生物陽(yáng)極，以避免化學(xué)陰極造價(jià)高、可持續(xù)能力弱、電極易受污染的缺陷，并利用雙室型MFC可隔離陰陽(yáng)極，提供相互獨(dú)立工作環(huán)境，易于控制反應(yīng)條件的特點(diǎn)，通過(guò)電化學(xué)關(guān)系建立Anammox-MFC耦合系統(tǒng)，并探究其反應(yīng)性能及機(jī)理.　　2 材料與方法(Materials and methods) 2.1 實(shí)驗(yàn)組設(shè)置及實(shí)驗(yàn)裝置　　如表 1所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)4種MFC構(gòu)型，菌體A為AnAOB菌，菌體B為乙酸鹽降解菌，其中a、b-MFC分別為陽(yáng)極型和陰極型Anammox-MFC實(shí)驗(yàn)組;c、d-MFC的設(shè)計(jì)旨在與b-MFC對(duì)比，進(jìn)行Anammox陰極與傳統(tǒng)的空氣陰極各方面性能的比較，同時(shí)探究乙酸鹽降解菌陽(yáng)極對(duì)反應(yīng)體系的作用. 其中，為了保證空氣陰極性能的可比性，對(duì)a、c-MFC空氣陰極碳布材料靠近陰極液的一側(cè)涂抹0.5 mg·cm-2的10%鉑碳催化層(羅凈凈等，2016)，同時(shí)使空氣陰極液與其對(duì)應(yīng)的陽(yáng)極液底物濃度相同，以避免質(zhì)子交換膜兩端電導(dǎo)率差別對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響，并調(diào)節(jié)空氣陰極液初始pH為3.0，以促進(jìn)其O2還原. 各實(shí)驗(yàn)組全周期置于(33±1)℃的恒溫培養(yǎng)箱(賽福SPX-250)中.　　反應(yīng)器裝置參照同課題組Tao等(2014)研究，即將2個(gè)管式有機(jī)玻璃單室反應(yīng)器(Liu et al.，2004)拼合為一個(gè)雙室MFC. 如圖 1所示，反應(yīng)器分陰陽(yáng)2個(gè)極室，中間以質(zhì)子交換膜(杜邦Nafion 117)相隔，每個(gè)極室內(nèi)腔直徑約3 cm，長(zhǎng)度4 cm，有效截面面積7 cm2，有效體積約28 mL. 陽(yáng)極電極材料采用碳紙(上海河森HCP030)，陰極為碳布(上海河森HCP330)，使用前分別在1 mol·L-1鹽酸和去離子水中煮沸條件下水浴處理1 h，以去除其表面的雜質(zhì). 每組反應(yīng)器的陰、陽(yáng)兩電極通過(guò)鈦絲與外接電路相連，由導(dǎo)線(xiàn)連接至數(shù)據(jù)采集器(美國(guó)Keithley M2700)進(jìn)行實(shí)時(shí)電壓數(shù)據(jù)記錄，外電路串聯(lián)接入一個(gè)旋鈕式變阻箱，電池穩(wěn)定運(yùn)行期間設(shè)置外電阻值為1500 Ω，使用參比電極(上海雷磁甘汞232電極)測(cè)量陰、陽(yáng)兩極電極電勢(shì). 極室溶液取樣及周期換液過(guò)程使用一次性注射器完成，反應(yīng)產(chǎn)生的N2用低摩擦阻力的藍(lán)芯全玻璃注射器收集，更換注射器過(guò)程中利用三通閥保持反應(yīng)器的嚴(yán)格厭氧. 空氣陰極部分由蠕動(dòng)泵將陰極液導(dǎo)入至一個(gè)外置的250 mL錐形瓶進(jìn)行曝氣完成，并通過(guò)氣體流量計(jì)控制溶解氧濃度.　　圖 1(Fig. 1)　　圖 1 雙室MFC反應(yīng)器示意圖 (1. 陽(yáng)極室，2. 陰極室，3. 外層隔板，4. 墊片，5. 一次性注射器(5 mL)，6. 藍(lán)芯全玻璃注射器(5 mL)，7. 醫(yī)用三通閥，8. 參比電極，9. 鈦絲，10. 碳紙，11. 質(zhì)子交換膜，12. 碳布，13. 鉑碳催化層，14. 旋鈕式變阻箱，15. 數(shù)據(jù)采集器，16. 蠕動(dòng)泵，17. 250 mL棕色瓶，18. 氣體流量計(jì)，19. 空氣泵) Fig. 1 Schematic of single chamber MFC (1. Anode chamber，2. Cathod chamber，3. acrylic barrier，4. gasket，5. disposable syringe(5 mL)，6. All-glass syringes with blue plunger(5 mL)，7. Three-way Stopcock，8. reference electrode，9. titanium wire，10. cabon paper，11. PEM，12. cabon cloth，13. 10% platinum catalyst layers，14. spiral rheostat，15. data acquisition unit，16. peristaltic pump，17. amber(250 mL)，18. gas flowmeter，19. air pump)　　2.2 分析方法與設(shè)備　　分別采用紫外分光光度法、N-(1-萘基)-乙二胺光度法和納氏試劑光度法測(cè)定樣品中硝態(tài)氮(NO3--N)、亞硝態(tài)氮(NO2--N)、氨氮(NH4+-N)、總氮(TN)特指這3種形態(tài)氮濃度值之和. 采用紫外分光光度計(jì)(上海尤尼柯UV2800)測(cè)定樣品光度值，使用pH計(jì)(上海精科雷茲PHS-25)測(cè)定樣品pH值，利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(德國(guó)蔡司Merlin)完成SEM圖制作.　　2.3 菌體選擇及培養(yǎng)液配方　　菌體A：以AnAOB為主體的混菌，革蘭氏陰性菌，因含有羥胺氧化還原酶中亞鐵血紅素，菌體宏觀呈磚紅色顆粒狀形態(tài)，菌落粒徑為1~2.2 mm(van Niftrik et al.，2008)，由于后代細(xì)菌常覆蓋于前代死亡細(xì)菌鈣化后形成的白色殼狀物上，其總粒徑達(dá)到3~8 mm. 細(xì)菌采自課題組運(yùn)行超過(guò)5 a的Anammox-UASB反應(yīng)器(張錦耀等，2016)，長(zhǎng)期處于零有機(jī)碳源條件下，非厭氧氨氧化的雜菌較少. 儲(chǔ)備液為培養(yǎng)液Ⅰ的基礎(chǔ)上加入定量(NH4)2SO4和NaNO2，每2 d更換配水，使NH4+-N濃度保持于200 mg·L-1水平，NO2--N濃度保持于240 mg·L-1水平. 在MFC中使用菌體A時(shí)，取菌約(3.0 ± 0.3)g(濕重)，全周期不更換細(xì)菌，使用液為培養(yǎng)液Ⅰ的基礎(chǔ)上加入高濃度的(NH4)2SO4和NaNO2，使極室液初始NH4+-N濃度為400 mg·L-1水平，NO2--N濃度為528 mg·L-1水平，以構(gòu)建高氮負(fù)荷型MFC.　　菌體B：G. sulfurreducens純菌，無(wú)色渾濁懸浮態(tài)，厭氧條件下富集儲(chǔ)備. 儲(chǔ)備液為培養(yǎng)液Ⅱ的基礎(chǔ)上加入定量NaAc，每24 h更換配水，使乙酸鹽濃度保持于0.01 mol·L-1水平. 在MFC的陽(yáng)極中使用菌體B時(shí)，將儲(chǔ)備液中的菌體與MFC中陽(yáng)極液進(jìn)行直接替換，換液方式如下：吸出14 mL原陽(yáng)極液，補(bǔ)充14 mL含菌儲(chǔ)備液，進(jìn)行下一個(gè)反應(yīng)周期(陶琴琴，2015).　　培養(yǎng)液Ⅰ和培養(yǎng)液Ⅱ基質(zhì)配方如表 2和表 3所示，調(diào)節(jié)培養(yǎng)液ⅠpH為7.0±0.5水平，培養(yǎng)液ⅡpH為8.0±0.5水平.　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果(Results) 3.1 產(chǎn)電性能　　在MFC中接種乙酸鹽降解菌和AnAOB的初期，為了使細(xì)菌適應(yīng)反應(yīng)器的體積和新的極室液環(huán)境，需對(duì)其進(jìn)行閉路條件下馴化，馴化期分別為a-MFC 18 d、b-MFC 24 d、c-MFC 15 d，馴化后均得到穩(wěn)定可測(cè)輸出電壓. 在反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中，以更換陰陽(yáng)極液為周期開(kāi)始，電壓輸出值低于1 mV為周期結(jié)束，每1 min讀取1次電壓值，記錄周期內(nèi)電壓變化，評(píng)估各反應(yīng)器產(chǎn)電性能.　　根據(jù)圖 2結(jié)果，可見(jiàn)a-MFC全周期約6700 min(合4.7 d)，無(wú)明顯電壓驟升、驟降現(xiàn)象，電壓升高至48 mV后緩慢下降，平均輸出電壓24.5 mV;b-MFC全周期約2900 min(合2 d)，其在周期初段出現(xiàn)電壓瞬升，稍微下降后工作電壓穩(wěn)定輸出，穩(wěn)定工作期約2170 min，占全周期74.8%，*高輸出電壓達(dá)到502.2 mV，平均輸出電壓448.4 mV，周期末段電壓因底物耗盡迅速下降;c-MFC全周期約7000 min(合4.9 d)，在周期初段電壓驟升后，工作期電壓繼續(xù)緩慢上升，到達(dá)*高值430.9 mV后緩慢下降，電池工作期時(shí)長(zhǎng)約4700 min，占全周期67.2%，平均輸出電壓392.5 mV，周期末段電壓迅速下降，但其下降速率相較b-MFC慢;d-MFC作為對(duì)照組，因其陽(yáng)極無(wú)微生物存在，陽(yáng)極無(wú)電子供體，故電子流動(dòng)較緩，全周期記錄電壓范圍為0.02~2.38 mV，其電壓產(chǎn)生可能來(lái)自于離子流動(dòng)產(chǎn)生的電導(dǎo)率變化所帶來(lái)的瞬時(shí)陰陽(yáng)極電勢(shì)差，或測(cè)量?jī)x器的系統(tǒng)誤差.　　圖 2(Fig. 2)　　圖 2 4種MFC輸出電壓隨時(shí)間變化示意圖 Fig. 2 Electricity production of a，b，c，d-MFC　　3.2 脫氮性能　　取a、b-MFC穩(wěn)定期運(yùn)行的3個(gè)周期脫氮數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，每個(gè)周期內(nèi)取6批次a-MFC陽(yáng)極液和b-MFC陰極液樣品，進(jìn)行氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮濃度測(cè)定并繪制濃度-時(shí)間變化關(guān)系圖(圖 3)，圖上每點(diǎn)為3組數(shù)據(jù)的平均值. 每次取樣后按照實(shí)際濃度補(bǔ)充極室液，以維持MFC系統(tǒng)的穩(wěn)定性.　　圖 3(Fig. 3)　　圖 3 a-MFC陽(yáng)極液在閉路(a)開(kāi)路條件(c)，b-MFC陰極液在閉路(b)開(kāi)路(d)條件下各形態(tài)氮濃度和pH隨時(shí)間變化示意圖 Fig. 3 Comparisons of the time courses of Nitrogen concentration and pH change in anolyte of a-MFC under closed circuit(a)and open circuit condition(c)and catholyte of b-MFC under closed circuit(b)and open circuit condition(d)　　如圖 3a、3b所示，可以看出2者NH4+-N、NO2--N濃度均隨時(shí)間呈單指數(shù)關(guān)系衰減變化，NO3--N濃度隨時(shí)間呈線(xiàn)性增加，其動(dòng)力學(xué)方程擬合結(jié)果如下：　　顯然，2者的氨氮、亞硝態(tài)氮降解均符合***動(dòng)力學(xué)方程模型，帶入方程模型通式C=C0×e-kOBS×t，得知a-MFC中氨氮降解速率(0.0619)比亞硝態(tài)氮(0.0334)略高，但仍處于同一數(shù)量級(jí)，可以看作2者通過(guò)一個(gè)反應(yīng)同步去除;b-MFC中氨氮降解速率(0.136)明顯比亞硝態(tài)氮(0.040)高，而硝態(tài)氮生成量略低于a-MFC，因此b-MFC中NH4+在Anammox基礎(chǔ)上可看作有額外的去除路線(xiàn).　　而在開(kāi)路狀態(tài)下，如圖 3c、3d所示，a、b-MFC氨氮和亞硝態(tài)氮濃度均呈線(xiàn)性降低，但在硝態(tài)氮變化方面略有區(qū)別，a-MFC呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，從表觀上分析，其在Anammox反應(yīng)基礎(chǔ)上，0~20 h階段還出現(xiàn)了硝化反應(yīng)特征，20~50 h階段出現(xiàn)了反硝化反應(yīng)特征;b-MFC硝態(tài)氮濃度在上升后在穩(wěn)定維持在65~75 mg·L-1水平.　　3.3 掃描電鏡結(jié)果　　在反應(yīng)器運(yùn)行約4個(gè)月后停止并拆除反應(yīng)器，取a-MFC陽(yáng)極碳紙、b-MFC陽(yáng)極碳紙和陰極碳布各約1 cm2，前處理后進(jìn)行SEM掃描. 由圖 4a、b、e、f可以看出a-MFC的陽(yáng)極碳紙和b-MFC陰極碳布纖維上離散分布著簇團(tuán)狀菌群，增加放大倍數(shù)后可以看出菌體呈橢球或圓球狀，與AnAOB形態(tài)特征相符(Yang et al.，2010; 張肖靜等，2014). 圖 4c、d可以看出b-MFC的陽(yáng)極碳紙纖維聚團(tuán)分布菌群，增加放大倍數(shù)后可以看出菌體呈桿狀或棒狀，與乙酸鹽降解菌G. sulfurreducens的形態(tài)特性相符(Bond et al.，2005).　　圖 4(Fig. 4)　　圖 4 掃描電鏡結(jié)果圖a-MFC陽(yáng)極碳紙(a)(b)，b-MFC陽(yáng)極碳紙(c)(d)和b-MFC陰極碳布(e)(f) Fig. 4 SEM image of a carbon paper anode of a-MFC(a)(b)，a carbon paper anode of b-MFC(c)(d)and a carbon cloth cathode of b-MFC(e)(f)　　4 分析與討論(Analysis and discussion) 4.1 a-MFC性能分析 4.1.1 總體產(chǎn)電、脫氮性能分析　　由上述結(jié)果可以看出，a-MFC產(chǎn)電性能相對(duì)較差，可能原因是AnAOB作為自養(yǎng)型細(xì)菌，其反應(yīng)速率較慢，在與氧化還原電位***值同樣較低的空氣陰極相結(jié)合后，電子轉(zhuǎn)移速度慢，電池內(nèi)阻大，回路電流小，因此路端電壓低. 但是相對(duì)開(kāi)路狀態(tài)，其在閉路時(shí)脫氮效果更加穩(wěn)定，脫氮速率明顯提高，說(shuō)明閉路時(shí)的電耦合狀態(tài)促進(jìn)了陽(yáng)極Anammox過(guò)程的進(jìn)行. 原因可能是在開(kāi)路的靜態(tài)反應(yīng)器中，電子的局部積累對(duì)反應(yīng)的進(jìn)行有抑制作用，硝化、反硝化反應(yīng)的出現(xiàn)削弱了Anammox反應(yīng)的進(jìn)行，但在閉路條件下，電子能夠得到及時(shí)轉(zhuǎn)移，促進(jìn)了反應(yīng)的穩(wěn)定進(jìn)行.　　4.1.2 開(kāi)閉路狀態(tài)下電池性能對(duì)比　　如圖 5a所示，a-MFC反應(yīng)器閉路狀態(tài)下運(yùn)行72 h后，陽(yáng)極液中NH4+-N、NO2--N、TN去除率分別達(dá)到99.1%、94.0%和86.9%，容積氮去除負(fù)荷(NRR)平均值為0.417 kg·m-3·d-1. 而開(kāi)路條件下，NH4+-N去除率在反應(yīng)器運(yùn)行190 h后超過(guò)99%，NO2--N和TN去除率僅為85.4%和80.7%，NRR平均值僅為0.128 kg·m-3·d-1. 在圖 5b所展示的化學(xué)計(jì)量比-時(shí)間關(guān)系中，上方虛線(xiàn)代表ΔNO2--N∶ΔNH4+-N的理論值1.32，下方虛線(xiàn)代表ΔNO3--N∶ΔNH4+-N的理論值0.26，可以看出隨著反應(yīng)的進(jìn)行，開(kāi)閉路條件下ΔNH4+-N∶ΔNO2--N∶ΔNO3--N*終趨向于理論值1∶1.32∶0.26. 但在反應(yīng)初期，閉路條件下NO2--N和NO3--N相對(duì)于NH4+-N的比值均偏低，說(shuō)明氨氮降解速率較理論值偏快，可能原因是在通路后陽(yáng)極形成氧化環(huán)境，促進(jìn)了NH4+-N的失電子氧化，電子被及時(shí)轉(zhuǎn)移至陰極進(jìn)行氧氣的還原;而開(kāi)路條件下的3者計(jì)量關(guān)系在反應(yīng)初期展現(xiàn)出亞硝態(tài)氮降解偏慢而硝態(tài)氮生成偏快，說(shuō)明初期出現(xiàn)硝化反應(yīng)特征，與上文描述相符.　　圖 5(Fig. 5)　　圖 5 a-MFC陽(yáng)極液各形態(tài)氮去除率(a)計(jì)量關(guān)系(b)隨時(shí)間變化示意圖 Fig. 5 Comparisons of the time courses of Nitrogen removal rate(a)and Stoichiometric ratio change(b)in anolyte of a-MFC　　通過(guò)a-MFC的開(kāi)閉路比較說(shuō)明Anammox反應(yīng)在與電化學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行陽(yáng)極型耦合后，脫氮速率和穩(wěn)定性均得到了提高，在通過(guò)與空氣陰極的耦合后，電極反應(yīng)可表示為：陽(yáng)極NH4+-e-+NO2-→N2+NO3-+H+;陰極O2+e-+H+→+H2O.　　4.2 b-MFC性能分析 4.2.1 總體產(chǎn)電、脫氮性能分析　　與a-MFC相比，b-MFC產(chǎn)電能力明顯更高，原因是陽(yáng)極氧化乙酸鈉的過(guò)程反應(yīng)速率較更快，電子轉(zhuǎn)移也隨即加快，回路中形成的電流相對(duì)增加，獲得了可觀的電壓輸出. 將b-MFC與c-MFC比較可以發(fā)現(xiàn)，使用AnAOB生物陰極，在產(chǎn)電強(qiáng)度和產(chǎn)電穩(wěn)定性方面均比鉑碳空氣陰極有優(yōu)勢(shì)，說(shuō)明Anammox反應(yīng)具備電子受體功能，也從側(cè)面說(shuō)明AnAOB成功地耦合在了MFC系統(tǒng)之中. 2者*高輸出電壓值差距不大，說(shuō)明陽(yáng)極乙酸鹽氧化反應(yīng)仍然是產(chǎn)電過(guò)程的貢獻(xiàn)主體. 由上文所述，b-MFC的另一特征是氨氮去除率明顯較快，甚至超過(guò)了同步去除的亞硝態(tài)氮，其額外的氨氮去除路線(xiàn)可能是隨著Anammox反應(yīng)的進(jìn)行，陰極液pH升高，堿性環(huán)境下溶液中形成NH3分子，并被N2的上升流氣泡夾帶逸出. 而由于NH4+-N的過(guò)快脫除，Anammox反應(yīng)后期受到抑制，因此其N(xiāo)O2--N總?cè)コ实陀赼-MFC.　　b、c-MFC之間周期長(zhǎng)短的差異可以解釋為，b-MFC陰極液為序批式進(jìn)水，輸出電壓隨著底物的消耗殆盡快速降低，而c-MFC陰極液為連續(xù)流式進(jìn)水，可保持陰極溶解氧濃度，保證電子受體(O2)供給充足，因此其周期更長(zhǎng)，電壓下降更為緩慢.　　4.2.2 開(kāi)閉路狀態(tài)下電池性能對(duì)比　　與a-MFC類(lèi)似，b-MFC在開(kāi)路狀態(tài)下相對(duì)閉路時(shí)的脫氮效率明顯更低，而且其硝氮濃度在反應(yīng)后期并未上升，原因可能是陽(yáng)極有機(jī)物降解所產(chǎn)生的H+通過(guò)離子交換膜進(jìn)入陰極，降低了陰極液的pH，抑制了Anammox反應(yīng)，促進(jìn)了反硝化反應(yīng)進(jìn)行.　　圖 6(Fig. 6)　　圖 6 b-MFC陰極液各形態(tài)氮去除率(a)計(jì)量關(guān)系(b)隨時(shí)間變化示意圖 Fig. 6 Comparisons of the time courses of(a)Nitrogen removal rate(b)Stoichiometric ratio change in catholyte of b-MFC　　如圖 6a所示，b-MFC反應(yīng)器閉路狀態(tài)下運(yùn)行24 h 后NH4+-N去除率達(dá)到96.4%，48 h后超過(guò)99%; NO2--N和TN去除率在48 h時(shí)為84.8%和84.1%，96 h后均接近90%;NRR平均值0.516 kg·m-3·d-1. 開(kāi)路條件下，NH4+-N獲得96.9%的去除率需要120 h，此時(shí)NO2--N和TN去除率均僅為80.8%，NRR平均值僅為0.163 kg·m-3·d-1. 在圖 6b所展示的化學(xué)計(jì)量比-時(shí)間關(guān)系中，可以看出隨著反應(yīng)的進(jìn)行，開(kāi)閉路條件下3種形態(tài)的氮之比趨向但無(wú)法達(dá)到理論值1∶1.32∶0.26. 閉路條件下下NO2--N和NO3--N相對(duì)于NH4+-N的比值始終偏低，反應(yīng)初期氨氮和亞硝態(tài)氮的去除不同步;而開(kāi)路條件下，NO3--N∶NH4+-N計(jì)量比從1.09下降至0.167，說(shuō)明反應(yīng)初期大量生成的硝態(tài)氮在末期被反硝化去除.　　通過(guò)b-MFC的開(kāi)閉路比較說(shuō)明Anammox反應(yīng)在與異養(yǎng)菌G. sulfurreducens陽(yáng)極電耦合后，電子交換速率提高的同時(shí)脫氮速率得到了顯著提高，2者呈正相關(guān)關(guān)系. b-MFC的電極反應(yīng)可表示為：(陽(yáng)極)CH3COO--e-→CO2+H+，(陰極) NH4++NO2-+H3++e-→N2+NH3+NO-+H2O.　　5 總結(jié)(Conclusions)　　1) 實(shí)驗(yàn)成功建立了耦合Anammox反應(yīng)的高氮負(fù)荷型雙室MFC，陽(yáng)極脫氮型a-MFC和陰極脫氮型b-MFC均可在400 mg·L-1 NH4+-N、528 mg·L-1 NO2--N的條件下穩(wěn)定啟動(dòng)并運(yùn)行. b-MFC中乙酸鹽降解菌陽(yáng)極的引入顯著加快了電子交換速率，獲得*大輸出電壓502.2 mV，產(chǎn)電周期為2900 min. 其各形態(tài)氮去除速率也相對(duì)顯著增加，48 h內(nèi)NH4+-N、NO2--N、TN去除率分別達(dá)到99%、84.8%和84.4%，NRR平均值達(dá)到0.516 kg·m-3·d-1，而a-MFC達(dá)到相同去除水平則需要72 h.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔?！　?) 另外，相對(duì)于各自開(kāi)路狀態(tài)，2種耦合方式閉路狀態(tài)下的NH4+-N、NO2--N濃度均呈單指數(shù)關(guān)系衰減變化，脫氮能力和穩(wěn)定性均有明顯提高. 其脫氮過(guò)程均以Anammox反應(yīng)為基礎(chǔ)，電化學(xué)耦合后因?yàn)榘敕磻?yīng)效應(yīng)，使其ΔNH4+-N∶ΔNO2--N∶ΔNO3--N的化學(xué)計(jì)量比傾向但始終未達(dá)到1∶1.32∶0.26. 2者的NH4+-N去除相對(duì)NO2--N更快，其可能的額外去除路線(xiàn)分別為a-MFC陽(yáng)極失電子氨氧化，b-MFC陰極形成NH3分子隨N2逸出. SEM掃描結(jié)果說(shuō)明a、b-MFC在電耦合前后，AnAOB和乙酸鹽降解菌在表面上保持各自表觀形態(tài)特征.