耦合生物陰極SND的MLMB-MFC的構建與運行

黃珊，陸勇澤，朱光燦，孔赟

（1 東南大學能源與環境學院，江蘇南京210000； 2 東南大學環境醫學工程教育部重點實驗室，江蘇南京210096；3 江蘇省城市規劃設計研究院，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 可以與傳統污水處理工藝相結合實現同步脫氮和產電[3-4]。

典型的雙室MFC 一般使用質子或離子交換膜作為分隔材料，產生的內阻較小[5]。有實驗證明質子交換膜厚度越薄，質子的傳遞效果則越好，MFC脫氮產電的效率也越高[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 發現，功率 密 度 分 別 為(262±10) mW·m-2和(494±21) mW·m-2，內阻分別為218 Ω 和465 Ω。因此，可通過改進無膜MFC構型獲得更高的產電性能。

廢水中發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，但是自養和異養反硝化菌都屬于缺氧菌[11]。2013 年Zhu 等[12]首次在無膜雙室MFC 中實現了陽極去除有機物，陰極自養反硝化脫氮。2008 年Virdis 等[13]在MFC 系統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，發現膜的外層是硝化菌，里層是反硝化菌，其菌群結構從外到內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MFC 生物陰極SND 的關鍵[16]。

此外，1 g 硝態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、轉化為CH4等因素導致傳統反硝化的碳氮（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生變化[18-19]，進而影響脫氮效能和副產物的形成[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，采用2 塊開孔式折流板代替質子交換膜，兩塊折流板間距16 mm；②區為陰極室，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區為曝氣室；④區為緩沖室。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①區的四個通道，其間有機物發生降解，產生質子和電子，電子經由外電路傳輸到達陰極，質子隨陽極室出水經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區的DO 濃度。在②區中，氨氮利用溶解氧和外電路電子在微生物的作用下發生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定運行的同步硝化反硝化系統。將接種污泥投入反應器內開始掛膜啟動階段。采用連續式運行，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 均調節為7，并用氮氣曝氣2 h 以確保陽極室厭氧環境。當監測到系統產電穩定且TN 去除率穩定則認為系統運行穩定。

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據采集卡（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。采用穩態放電法[24]測定MLMB-MFC 的表觀內阻。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電量，C，計算式如下

式中，F 為法拉第常數，96485 C·mol-1；b 為單位COD 理論產生電子數，按每摩爾COD 產生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區初始DO 濃度約為4.5 mg·L-1，系統進水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生硝化反應使得緩沖室DO 濃度下降，不利于后續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區的DO 濃度，電壓開始上升至220 mV，并穩定運行長達4 d。因此實時控制緩沖室DO 濃度可以實現MLMB-MFC 的連續流穩定運行。

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基本保持不變，在陰極室內有較明顯的下降趨勢。因為陽極DO 幾乎為0，硝化反應無法發生。TN 濃度在陽極室內基本保持不變，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，不利于陰極發生硝化反應。因此，實時控制緩沖室內DO 濃度和適當提高陽極進水基質的C/N 比能提高SND 效果，增加脫氮效率。

圖4 MLMB-MFC極化曲線(a)以及各區域擬合內阻(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，本研究的系統產能較低，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 陰極實現自養反硝化脫氮，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，說明陽極內阻幾乎為0 Ω。過渡區（e-f，參比電極電勢差衡量）內阻為239 Ω，陰極室兩個廊道（f-g、g-h）的內阻分別為89 Ω 和50 Ω。MLMB-MFC 內阻主要產生于過渡區，因為過渡區內嚴重的傳質損失。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。

完整停留時間內的陽極庫侖效率為0.48%，MLMB -MFC 系統產能效率較低，除了過渡區的傳質損失，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電的影響

圖5表明反應器經過約2 d的運行（停留時間為48 h）基本達到穩定，說明該反應器具有良好的連續穩定性能。穩定后電壓隨著陰極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會與硝態氮競爭電子成為優勢電子受體[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），陰極區域異養反硝化無法進行，只能通過自養反硝化進行脫氮，而依靠生物電化學的自養反硝化的脫氮速率低于異養反硝化[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 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 過渡區內阻過大，產生比較嚴重的傳質損失。

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化為硝態氮。總氮去除率為17.1%，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 在進入陰極區域時就基本消耗完畢[圖7(d)]，低COD濃度有利于自養硝化細菌的活性，但碳源不足卻會抑制異養反硝化菌的活性。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），說明此階段硝態氮利用外電路電子發生了自養反硝化。

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（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生變化[18]，對COD 降解能力發生改變。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，理論上產生的電子僅能還原9.6 mg·L-1的硝態氮，但該階段總氮減少了13.5 mg·L-1，說明還有3.9 mg·L-1的硝態氮是利用外電路電子發生了自養反硝化反應。

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硝化、異養反硝化和自養反硝化，獲得更好的SND效果。

后續可以進一步優化MLMB-MFC 反應器結構，考察進水碳氮比對反應器產電性能的影響，重點闡述從過渡區進入陰極室的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取代質子交換膜的MLMB-MFC，同時生物陰極能有效地利用外電路電子實現SND脫氮。

（2）MLMB-MFC 運行穩定后，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%。內阻主要產生于過渡區，產生的傳質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陰極表現出較好的SND效果。

圖7 陽極基質不同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C/N 比為4 時MLMB-MFC 生物陰極能較好地耦合自養硝化、異養反硝化、自養反硝化反應進行SND 脫氮，獲得TN 去除率27.9%，SND率48.7%。