微生物燃料電池陰極對氨氮的電化學降解性能研究

張吉強 李甲亮 季軍遠

摘 要：通過在雙室微生物燃料電池陰極添加次氯酸鈉，考察了其對廢水中氨氮的電化學降解性能。結果表明：當進水氨氮濃度為25～200 mg/L時，氨氮能夠完全降解，最大容積脫氮速率和最大輸出電壓分別可達10.7 kgN/m3·d和253.2 mV，氨氮在陰極的降解速率隨著外電阻的增大先升高后降低，最佳陰極液初始pH為7。

關鍵詞：微生物燃料電池 陰極 氨氮 電化學降解

中圖分類號：X703.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（b）-0064-03

Abstract：The electrochemical degradation performance of ammonia nitrogen in wastewater was investigated by adding sodium hypochlorite in the cathode of a two chamber microbial fuel cell. The results showed that ammonia nitrogen could be totally degraded when the ammonia nitrogen concentration was between 25～200 mg/L， and the maximum volumetric nitrogen degradation rate and maximum output voltage reached 10.7 kg N/m3·d and 253.2 mV， respectively. The degradation rate of ammonia firstly rose and then dropped with the increase of the external resistance， and the optimum catholyte pH was 7.

Key Words：Microbial fuel cell；Cathode；Ammonia nitrogen；Electrochemical degradation

隨著近年來我國經濟的迅速發展，氮素所致的水環境污染日益嚴重。根據《中國環境狀況公報》，目前我國每年廢水氨氮排放總量超過幾百萬噸，氨氮排放量已遠遠超出環境容量，地表水、地下水和海洋水體均不同程度地存在氨氮污染問題。對于氨氮廢水的處理，生物法由于經濟高效是目前的主流技術，但其存在曝氣供氧能耗高、水力停留時間長、占地面積大、受環境條件影響大和對有毒廢水處理效果不佳等諸多局限性[1]。折點氯化法可通過控制加氯量使廢水中全部氨氮降為零、處理效果穩定、同時可達到消毒的目的，但加氯的成本較高[2]。電化學氧化法具有占地面積小、方便靈活、可控性好、規模小、反應速度快和效率高等優點[3，4]，但其所需的電耗較高。微生物燃料電池是近年來出現的一種可持續的清潔發電技術，能以污水作為燃料實現電能的生產[5]。若將上述幾種技術有機結合，利用微生物燃料電池產生的電能生產折點氯化法所需的原料氯并利用電能實現氨氮的電化學降解，有望實現優勢互補，形成更加高效的氨氮廢水處理新技術。基于此，文章通過在雙室微生物燃料電池陰極添加次氯酸鈉，考察了其對廢水中氨氮的電化學降解性能，并試驗了外電阻和陰極液pH對陰極氨氮降解的影響。

1 實驗過程

1.1 實驗裝置及操作

此實驗采用的裝置為雙室微生物燃料電池，其構型和結構參數詳見參考文獻[6]。陽極室的接種微生物為取自UASB反應器的厭氧顆粒污泥。陽極室進水主要成分為乙酸鈉配制的模擬有機廢水（1 g/L），此外，還添加生物生長所需的其他營養元素[6]。陰極室進水為氯化銨配制的模擬氨氮廢水，其濃度按需配置，次氯酸鈉投加量保持在折點附近（Cl/N=8），與氨氮濃度比例始終保持不變。微生物燃料電池以間歇方式運行，陽極室進水和陰極室進水初始pH值調節在7.0左右，每一周期開始前曝氬氣去除溶解氧，并通過磁力攪拌器攪拌。

1.2 分析指標及測定方法

氨氮采用苯酚-次氯酸鹽分光光度法測定，pH采用Mettler-Toledo FE20 pH計測定，微生物燃料電池的輸出電壓U由數據采集系統（Agilent 34970A）測定記錄。

2 結果與討論

2.1 氨氮在微生物燃料電池陰極的電化學降解性能

不同進水濃度下微生物燃料電池陰極氨氮的降解情況如圖1所示。當陰極進水氨氮濃度從25 mg/L逐漸升高至200 mg/L時，氨氮在一定時間內可被完全降解，但降解時間卻隨著氨氮濃度的升高而延長。從氨氮的降解曲線趨勢可以看出，氨氮在微生物燃料電池陰極的電化學降解呈現零級反應動力學的特征。上述結果表明，該實驗構建的微生物燃料電池系統對氨氮具有良好的去除性能。

不同初始氨氮濃度下微生物燃料電池的容積脫氮速率和輸出電壓變化如圖2所示。微生物燃料電池的容積脫氮速率隨著進水氨氮濃度的增加先增大后減小，當進水氨氮濃度為50 mg/L時，容積脫氮速率達到最大為10.3 kgN/m3·d，這遠遠高于生物脫氮速率。微生物燃料電池的輸出電壓隨著進水氨氮濃度的增加逐漸升高，從121.4 mV逐漸升高至253.2 mV，電壓的升高主要是由于陰極電子受體濃度的升高以及電導率的增大[7]。目前折點氯化法所需的原料氯多采用直流電電解飽和食鹽水的工業方法生產，若將多個微生物燃料電池串聯，可獲得足夠的電壓實現電池陰極氯的原位生產[8]，而微生物燃料電池的能量來源為污水，這無疑可大大降低微生物燃料電池電化學脫氮的成本，使該項技術更具應用前景。

2.2 外電阻對對氨氮電化學降解性能的影響

微生物燃料電池陰極發生的是電催化下的折點氯化反應，為探究電流對陰極氨氮的電化學降解的影響，試驗了不同外電阻下陰極氨氮的降解性能，不同外電阻下氨氮降解速率變化如圖3所示。當微生物燃料電池的外電阻從10 Ω逐漸增大至開路（可視為外阻無限大）時，容積脫氮速率先增大后減小，這表明在適宜的電流密度范圍內，微生物燃料電池才能取得最佳的脫氮效果。當外電阻為100 Ω時，容積脫氮速率達到最大為10.7 kgN/m3·d，而在開路狀態下，無電流的催化作用時，容積脫氮速率僅為7.1 kgN/m3·d，容積脫氮速率降低了33.6%，表明電流可有效提高氨氮在微生物燃料電池陰極的降解速率。

2.3 pH對氨氮電化學降解性能的影響

溶液pH也是影響微生物燃料電池陰極氨氮降解的重要因素，通過向陰極液加酸或加堿，將陰極液pH分別調節至3、5、7、9、11，研究了不同pH對氨氮電化學降解性能的影響。不同陰極液pH下氨氮降解速率變化見圖4。當陰極液pH從3逐漸升高至11時，陰極氨氮基本能完全降解，但氨氮的降解速率先增大后減小，當pH在7附近時，容積脫氮速率達到最大。強酸和強堿性環境都不利于陰極氨氮的電化學降解，這是因為在強堿性環境下，次氯酸的氧化性不強，不利于氨氮轉化為氮氣，而在強酸性環境下，次氯酸不穩定分解快[2]。所以在陰極pH近中性時，有利于微生物燃料電池陰極氨氮的電化學降解。

3 結語

（1）通過在雙室微生物燃料電池陰極添加次氯酸鈉，可實現對廢水中氨氮的電化學降解性能。當進水氨氮濃度為25～200 mg/L時，氨氮能夠完全降解，容積脫氮速率隨著進水氨氮濃度的增加先增大后減小，最大容積脫氮速率和最大電壓分別可達10.7 kg N/m3·d和253.2 mV。

（2）微生物燃料電池的陰極脫氮速率隨著外電阻和陰極液pH的增加先升高后降低，最佳陰極液初始pH為7。

參考文獻

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