黃珊，陸勇澤，朱光燦，孔赟

（1 東南大學能源與環(huán)境學院，江蘇南京210000； 2 東南大學環(huán)境醫(yī)學工程教育部重點實驗室，江蘇南京210096；3 江蘇省城市規(guī)劃設計研究院，江蘇南京210000）

引 言

微生物燃料電池(microbial fuel cell, MFC)是一種利用微生物代謝和催化活性將廢水中的化學能轉(zhuǎn)化為電能的技術，具有廣闊的應用前景[1-2]。陽極降解有機物產(chǎn)生的電子通過外電路傳遞至陰極室的最終電子受體，當最終電子受體為硝酸鹽時，硝酸鹽最終會被還原成氮氣，因此MFC 可以與傳統(tǒng)污水處理工藝相結合實現(xiàn)同步脫氮和產(chǎn)電[3-4]。

典型的雙室MFC 一般使用質(zhì)子或離子交換膜作為分隔材料，產(chǎn)生的內(nèi)阻較小[5]。有實驗證明質(zhì)子交換膜厚度越薄，質(zhì)子的傳遞效果則越好，MFC脫氮產(chǎn)電的效率也越高[6]。目前實驗室大多采用美國杜邦公司的Nafion質(zhì)子交換膜，但因其成本較高，且不能夠重復使用，限制了MFC 的擴大化工程應用[3,7-8]。因此針對無膜MFC 的研究成為重點[9]。2004 年Liu[10]對比有膜和無膜的雙室MFC 發(fā)現(xiàn)，功率 密 度 分 別 為(262±10) mW·m-2和(494±21) mW·m-2，內(nèi)阻分別為218 Ω 和465 Ω。因此，可通過改進無膜MFC構型獲得更高的產(chǎn)電性能。

廢水中發(fā)生硝化反應需消耗大量溶解氧(dissolved oxygen，DO)，1 g氨氮完全氧化理論上需消耗4.6 g O2，但是自養(yǎng)和異養(yǎng)反硝化菌都屬于缺氧菌[11]。2013 年Zhu 等[12]首次在無膜雙室MFC 中實現(xiàn)了陽極去除有機物，陰極自養(yǎng)反硝化脫氮。2008 年Virdis 等[13]在MFC 系統(tǒng)外部設置反應器通過曝氣進行硝化反應，出水進入陰極進行反硝化。但這增加了系統(tǒng)設備費用，同時由于氨氮會透過陽離子交換膜到達陰極，導致陰極脫氮率低。2010 年Virdis等[14]構建了一種雙室MFC，對陰極室進行曝氣，實現(xiàn)了陰極室同步硝化反硝化（simultaneous nitrification and denitrification，SND）。2011 年Virdis 等[15]進一步對MFC 陰極生物膜進行微生物分析，發(fā)現(xiàn)膜的外層是硝化菌，里層是反硝化菌，其菌群結構從外到內(nèi)和氧氣的濃度呈正相關性。這些研究表明，控制合適的溶解氧濃度是實現(xiàn)MFC 生物陰極SND 的關鍵[16]。

此外，1 g 硝態(tài)氮完全還原理論上化學需氧量（chemical oxygen demand，COD）為2.86 g，但由于損失、同化、轉(zhuǎn)化為CH4等因素導致傳統(tǒng)反硝化的碳氮（C/N）比為6～7，所以在深度脫氮某些低C/N 比廢水時需要外加碳源，屬于以能消能的過程[17]。MFC 陽極微生物氧化廢水中有機物產(chǎn)生的電子通過外電路到達陰極，為生物陰極的反硝化提供電子，不需要外加碳源即可實現(xiàn)脫氮[3-4]。同時，有研究表明進水不同C/N 比會使反應器微生物群落的種類和功能結構發(fā)生變化[18-19]，進而影響脫氮效能和副產(chǎn)物的形成[8,19-20]。因此進水不同C/N 比也是影響生物陰極SND效能的重要因素。

本研究設計并構建一種多通道折流板無膜微生物燃料電池(multi-channel and baffled membraneless microbial fuel cell, MLMB-MFC)，在分析其產(chǎn)電性能和除碳脫氮效果的基礎上，重點考察了MLMBMFC 反應器陰極室DO 濃度和進水C/N 比對產(chǎn)電、陽極室有機物降解和陰極室SND過程的影響。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗裝置

如圖1 所示，MLMB -MFC 反應器由有機玻璃制成，總體積為8.46 L（32 cm × 22 cm × 12 cm），外電阻為1000 Ω。①區(qū)為陽極室，凈體積為4.22 L，4塊折流板將陽極室分成四個通道，通道間距40 mm，通道中放置經(jīng)過預處理的石墨氈（5 cm×7 cm×10 mm，孔隙率93%，揚州臻晶能源科技有限公司）作為陽極電極[21]；反應器中間為過渡區(qū)，采用2 塊開孔式折流板代替質(zhì)子交換膜，兩塊折流板間距16 mm；②區(qū)為陰極室，凈體積為2.22 L，2 塊折流板將陰極室分成兩個通道，通道間距40 mm，通道中放置同樣的石墨氈作為陰極電極；③區(qū)為曝氣室；④區(qū)為緩沖室。反應器頂部設有若干小孔用于采樣（a～h）。反應器通過橡膠墊進行密封，置于(25±1)℃恒溫實驗室。

反應器工作方式為：陽極室通過蠕動泵進水，分別流經(jīng)①區(qū)的四個通道，其間有機物發(fā)生降解，產(chǎn)生質(zhì)子和電子，電子經(jīng)由外電路傳輸?shù)竭_陰極，質(zhì)子隨陽極室出水經(jīng)由中間折流板進入陰極室，形成閉合回路。陰極進水與富含一定DO 濃度的陰極回流液混合，通過控制回流液的DO 濃度保證②區(qū)的DO 濃度。在②區(qū)中，氨氮利用溶解氧和外電路電子在微生物的作用下發(fā)生SND反應。

1.2 污泥馴化和實驗用水

圖1 MLMB-MFC反應器俯視圖（a）及正視圖（b）Fig.1 Top view(a)and front view(b)of MLMB-MFC

MFC 陽極室接種污泥取自某污水處理廠A2/O反應池的厭氧池，陰極室污泥取自實驗室穩(wěn)定運行的同步硝化反硝化系統(tǒng)。將接種污泥投入反應器內(nèi)開始掛膜啟動階段。采用連續(xù)式運行，人工模擬廢水作為進水，進水流量為2.94 ml·min-1。每升人工 模 擬 廢 水 包 含6 g Na2HPO4、0.5 g NaCl、0.1 g MgSO4·7H2O、3 g KH2PO4、0.015 g CaCl2和1 ml 微量元素溶液[22]。此外，每升基質(zhì)中加入0.393 g CH3COONa (約為307 mg COD·L-1)作為電子供體，0.407 g 的NH4Cl(約為106 mg N·L-1)作為電子受體。進水pH 均調(diào)節(jié)為7，并用氮氣曝氣2 h 以確保陽極室厭氧環(huán)境。當監(jiān)測到系統(tǒng)產(chǎn)電穩(wěn)定且TN 去除率穩(wěn)定則認為系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

1.3 分析與測試方法

COD、氨氮、硝酸鹽氮（NO3--N）、亞硝酸鹽氮（NO2--N）和TN的濃度分別采用重鉻酸鉀法、水楊酸鹽分光光度法、酚二磺酸紫外分光光度法、N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法和過硫酸鉀氧化紫外分光光度計法測定[23]。COD和N的去除效率按照式（1）計算

式中，Cinf為進水污染物的濃度，mg·L-1；Ceff為出水污染物的濃度，mg·L-1。

系統(tǒng)同步硝化反硝化率計算式如下

輸出電壓、陽極和陰極電勢采用數(shù)據(jù)采集卡（iUSBDAQ-U120816，上海銳選自動化科技有限公司）自動讀取，并連接計算機進行記錄，采集時間間隔為5 min。采用穩(wěn)態(tài)放電法[24]測定MLMB-MFC 的表觀內(nèi)阻。功率密度P（mW·m-3）按照式（3）計算

式中，U 為電壓，mV；R 為外電阻，1000 Ω；VNCC為陰極室凈體積，m3。

陽極庫侖效率η計算式如下

式中，CP為實際收獲的電量，C，由電流對時間積分獲得，CP=∫Idt；CT為氧化有機物的理論產(chǎn)電量，C，計算式如下

式中，F(xiàn) 為法拉第常數(shù)，96485 C·mol-1；b 為單位COD 理論產(chǎn)生電子數(shù)，按每摩爾COD 產(chǎn)生4 mol 電子計算；ΔCOD 為陽極進水和出水液COD 變化，mg·L-1；VNAC為陽極凈體積，L。

2 實驗結果與分析

2.1 MLMB-MFC的啟動與運行

圖2 MLMB-MFC啟動過程的電壓Fig.2 Voltage at start-up of MLMB-MFC

控制緩沖室④區(qū)初始DO 濃度約為4.5 mg·L-1，系統(tǒng)進水COD 濃度約為300 mg·L-1，氨氮濃度約為100 mg·L-1。由圖2可知，反應器運行2 d后，電壓上升至約300 mV，計算得平均功率密度為81.07 mW·m-3；第4 天之后，電壓呈快速下降趨勢，其原因為陰極氨氮與氧氣發(fā)生硝化反應使得緩沖室DO 濃度下降，不利于后續(xù)硝化反應的有效進行，導致作為電子受體的硝酸根和氧氣數(shù)都減少；其次NO3-/N2（+740 mV vs SHE）的氧化還原電位略低于O2/H2O（+820 mV vs SHE）[25]，說明氧氣會成為優(yōu)勢電子受體，從而導致陰極DO 濃度下降。由此可見，控制不變的進氣量不能維持陰極室DO濃度，所以從第5天開始，實時控制緩沖室④區(qū)的DO 濃度，電壓開始上升至220 mV，并穩(wěn)定運行長達4 d。因此實時控制緩沖室DO 濃度可以實現(xiàn)MLMB-MFC 的連續(xù)流穩(wěn)定運行。

由圖3 可知，f 點COD 濃度僅為10.4 mg·L-1，陽極室COD 去除率達到96.59%，陰極室出水COD 濃度低于檢測線。Doherty 等[26]得到的COD 去除率最高為81%，說明本研究的陽極多通道型結構對有機物降解具有促進作用。該結構在不增加陽極反應室體積的基礎上，通過增長水流流線長度，增加了有機物的有效降解時間，使得有機物能夠充分與微生物接觸。

圖3 MLMB-MFC運行穩(wěn)定后沿程COD、N、DO濃度變化Fig.3 COD,N and DO concentration variations of MLMBMFC under stable operation

氨氮濃度在陽極室內(nèi)基本保持不變，在陰極室內(nèi)有較明顯的下降趨勢。因為陽極DO 幾乎為0，硝化反應無法發(fā)生。TN 濃度在陽極室內(nèi)基本保持不變，約為107.06 mg·L-1，陰極室出水TN 濃度為102.69 mg·L-1，TN 濃度減少了4.37 mg·L-1，說明陰極室發(fā)生了SND 反應；但是SND 率只有16.5%，說明陰極SND程度較低。這是因為陰極異養(yǎng)反硝化菌能利用的COD很少，同時由于曝氣流量一定導致陰極DO濃度下降，不利于陰極發(fā)生硝化反應。因此，實時控制緩沖室內(nèi)DO 濃度和適當提高陽極進水基質(zhì)的C/N 比能提高SND 效果，增加脫氮效率。

圖4 MLMB-MFC極化曲線(a)以及各區(qū)域擬合內(nèi)阻(b)Fig.4 Polarization curve(a)and each region fitting internal resistance(b)of MLMB-MFC

由圖4(a)的極化曲線得到系統(tǒng)的最大功率密度（PM）為94.22 mW·m-3（相對于陰極室凈體積）。相比較李明[27]在以空氣陰極無膜MFC 中獲得815 mW·m-3，李菁[28]獲得830 mW·m-3而言，本研究的系統(tǒng)產(chǎn)能較低，主要原因是生物陰極的電子受體為硝酸鹽而非空氣。Zhu 等[12]在無膜MFC 陰極實現(xiàn)自養(yǎng)反硝化脫氮，PM僅可達71.20 mW·m-3。

如圖4(b)所示，隨著電流的增大，陽極4 個廊道（a-b、b-c、c-d、d-e）的電勢基本保持不變，說明陽極內(nèi)阻幾乎為0 Ω。過渡區(qū)（e-f，參比電極電勢差衡量）內(nèi)阻為239 Ω，陰極室兩個廊道（f-g、g-h）的內(nèi)阻分別為89 Ω 和50 Ω。MLMB-MFC 內(nèi)阻主要產(chǎn)生于過渡區(qū)，因為過渡區(qū)內(nèi)嚴重的傳質(zhì)損失。Liu等[29]對無膜空氣陰極單室MFC 的研究也表明，過渡層是電能損失的主要原因之一。

完整停留時間內(nèi)的陽極庫侖效率為0.48%，MLMB -MFC 系統(tǒng)產(chǎn)能效率較低，除了過渡區(qū)的傳質(zhì)損失，另一方面，陰極SND 率低導致陰極性能受到抑制，也影響了整個反應器電能輸出。因此優(yōu)化操作條件，提高陰極SND是關鍵。

2.2 溶解氧對陰極同步硝化反硝化及產(chǎn)電的影響

圖5表明反應器經(jīng)過約2 d的運行（停留時間為48 h）基本達到穩(wěn)定，說明該反應器具有良好的連續(xù)穩(wěn)定性能。穩(wěn)定后電壓隨著陰極DO 濃度的增加而增加，最高達500 mV，最低僅為210 mV。因為DO高時，一方面有利于硝化反應的進行，產(chǎn)生較多的電子受體NO3--N 提高了陰極電勢；另一方面由于O2/H2O(+820 mV vs SHE)的氧化還原電位高于NO3ˉ/0.5N2(+740 mV vs SHE)，因此過多的O2會與硝態(tài)氮競爭電子成為優(yōu)勢電子受體[8]。當DO 濃度低時，不利于硝化反應的進行，作為電子受體的硝態(tài)氮和O2都缺乏導致電壓較低。

圖6(a)～(c)為陰極不同DO 濃度下，氨氮、NO3--N、TN 濃度沿程變化。當陰極DO 濃度在4.07～4.49 mg·L-1范圍時，氨氮和總氮的去除率最低（33.4%，9.0%）。該DO 濃度偏低，不利于硝化反應，產(chǎn)生的電子受體NO3--N 也少；同時COD 在進入陰極之前已基本消耗完畢（圖3），陰極區(qū)域異養(yǎng)反硝化無法進行，只能通過自養(yǎng)反硝化進行脫氮，而依靠生物電化學的自養(yǎng)反硝化的脫氮速率低于異養(yǎng)反硝化[30]。當陰極DO 濃度在4.52～4.85 mg·L-1之間時，雖然氨氮的去除率提高到42.1%，但總氮的去除率也只有9.0%，說明在一定范圍內(nèi)提高DO 明顯有利于硝化反應，對反硝化效果影響并不明顯。

圖5 不同陰極DO濃度時MLMB-MFC電壓Fig.5 Voltage of MLMB-MFC under different cathode DO concentration

當陰極DO 濃度進一步提高到4.90～5.23 mg·L-1之間時，氨氮濃度下降的速率加快，說明該DO 濃度有利于硝化反應，同時也產(chǎn)生了更多的NO3--N電子受體，一定程度上有助于反硝化反應，進而提高了系 統(tǒng) 的SND 率[22.3%，圖6(d)] 和TN 去 除 率（15.1%）。Virdis 等[31]控制有膜MFC 陰極DO 濃度為(5.73±0.03)mg·L-1，實現(xiàn)了陰極的SND，TN去除率為86.9%±0.5%。相比較而言本實驗中TN 去除率不高，這是由于MLMB-MFC 過渡區(qū)內(nèi)阻過大，產(chǎn)生比較嚴重的傳質(zhì)損失。

當陰極DO 濃度在5.54～5.79 mg·L-1之間時，氨氮濃度下降很快，出水接近0 mg·L-1，說明此時氨氮基本全部轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮?？偟コ蕿?7.1%，略大于DO 濃度在4.90～5.23 mg·L-1時的總氮去除率，但是SND 率（17.7%）更低，說明該DO 濃度下的SND進行得更不完全。當陰極DO 濃度進一步提升到6.82～7.03 mg·L-1之間時，氨氮濃度下降得更快，但是TN 去除量和SND 率僅為0.4 mg·L-1和0.6%[圖6(d)]，說明高DO能提高好氧硝化菌的活性，但會抑制缺氧反硝化菌的活性，此時陰極優(yōu)勢電子受體是O2。

2.3 初始C/N比對陰極同步硝化反硝化的影響

本節(jié)考察進水不同C/N 比對MLMB-MFC 陰極SND 效果的影響。陰極DO 濃度保持為4.90～5.23 mg·L-1，進水COD 濃度約為300 mg·L-1，氨氮濃度分別約為100 mg·L-1、70 mg·L-1、50 mg·L-1，以達到C/N比分別為3、4、6。

圖6 不同陰極DO濃度下各氮素濃度沿程變化(a,b,c)以及SND率(d)Fig.6 Nitrogen concentration variations(a,b,c)and SND rate(d)of MLMB-MFC under different cathode DO concentration

圖7(a)～(d)為陽極進水基質(zhì)不同C/N 比下，氨氮、NO3--N、TN、COD 濃度沿程變化。當C/N 比為3時，氨氮去除率最高(69.5%)，TN 去除率只有15.1%，SND率僅為22.25%[圖7(e)]，說明硝化反應進行得較好，反硝化效果不佳。因為COD 在進入陰極區(qū)域時就基本消耗完畢[圖7(d)]，低COD濃度有利于自養(yǎng)硝化細菌的活性，但碳源不足卻會抑制異養(yǎng)反硝化菌的活性。g點處的COD濃度已然降到接近0 mg·L-1，但是g-h 過程總氮濃度有較明顯的下降（10.0 mg·L-1），說明此階段硝態(tài)氮利用外電路電子發(fā)生了自養(yǎng)反硝化。

當C/N 比為4 時，總氮的去除率最高（27.9%），SND 率也最高，為48.7%[圖7(e)]。陽極和過渡區(qū)（a-f）對COD 的去除率僅為87.6%，因為C/N 比提高，導致陽極微生物群落的種類和功能結構發(fā)生變化[18]，對COD 降解能力發(fā)生改變。陰極（f-h）對COD 的降解量為27.2 mg·L-1，忽略微生物生長所需的碳源，理論上產(chǎn)生的電子僅能還原9.6 mg·L-1的硝態(tài)氮，但該階段總氮減少了13.5 mg·L-1，說明還有3.9 mg·L-1的硝態(tài)氮是利用外電路電子發(fā)生了自養(yǎng)反硝化反應。

當C/N 比進一步提高到6 時，進入陰極的COD濃度更高，達60.4 mg·L-1，因此硝化細菌受到抑制，氨氮只降低了25.5 mg·L-1，去除率也只有49%。陰極f-h 過程中總氮濃度雖有下降，但去除速率、總氮去除率（22.4%）和SND 率[39.5%，圖7(e）]都低于C/N比為4。Wang 等[32]通過實驗證明隨著進水C/N 比的提高，MFC 對脫氮的促進作用減弱。這說明當陽極進水C/N 比為4 時，生物陰極能較好地耦合自養(yǎng)硝化、異養(yǎng)反硝化和自養(yǎng)反硝化，獲得更好的SND效果。

后續(xù)可以進一步優(yōu)化MLMB-MFC 反應器結構，考察進水碳氮比對反應器產(chǎn)電性能的影響，重點闡述從過渡區(qū)進入陰極室的COD 濃度對陰極室SND 效果的影響。從微生物學角度和反應動力學角度，探索陰極SND過程，明晰反應機制。

3 結 論

（1）本研究成功構建了以折流區(qū)取代質(zhì)子交換膜的MLMB-MFC，同時生物陰極能有效地利用外電路電子實現(xiàn)SND脫氮。

（2）MLMB-MFC 運行穩(wěn)定后，平均功率密度達42.65 mW·m-3，最大功率密度為94.22 mW·m-3，有機物的去除率高達96.6%。內(nèi)阻主要產(chǎn)生于過渡區(qū)，產(chǎn)生的傳質(zhì)損失導致輸出電能較低。

（3）陰極DO 濃度在4.90～5.23 mg·L-1之間時獲得TN 去除率為15.13%，SND 率為22.3%，MLMBMFC陰極表現(xiàn)出較好的SND效果。

圖7 陽極基質(zhì)不同C/N比時氮素、COD沿程變化(a,b,c,d)以及SND率(e)Fig.7 Nitrogen and COD concentration variations(a,b,c,d)and SND rate(e)of MLMB-MFC under different anode C/N ratios

（4）陽極基質(zhì)C/N 比為4 時MLMB-MFC 生物陰極能較好地耦合自養(yǎng)硝化、異養(yǎng)反硝化、自養(yǎng)反硝化反應進行SND 脫氮，獲得TN 去除率27.9%，SND率48.7%。