微生物燃料電池耦合系統廢水脫氮探討

李志浩

摘 要：本文先對常見的集中廢水脫氮工藝技術方法進行了探討，之后，以試驗分析方式研究了微生物燃料電池耦合廢水系統脫氮技術運用。

關鍵詞：微生物燃料電池;廢水脫氮;耦合系統

引言：工業化與城市化快速發展，使微生物燃料電池耦合系統的廢水處理工作得到了廣泛關注。特別是在一些工業生產領域，過量氮元素會加大環境中自潔壓力，導致河流、湖泊等水體出現嚴重富營養化，使生態系統服務功能退化，直至完全喪失。因此，控制含氮污水排放是迫在眉睫的環境污染治理工作。

一、常見廢水脫氮工藝技術方法

（一）物理化學法

化學沉淀方法是利用金屬離子與硫酸鹽沉淀作用，去除廢水中的污染元素。這種工藝技術中經常使用的金屬離子包括鈣離子、鋇離子等。使用鈣離子化學沉淀方法，能去除印染廢水中的硫酸鹽，去除有效率為30%，鋇離子的去除率能達到100%。化學沉淀方法工藝原理簡單而且操作比較方便，去除率較高。但在實際應用中，需要引入重金屬離子，所以前期投資較高[1]。吸附方法是利用天然鋇礦石對廢水中的有害污染成分進行吸附，在酸堿度為9的廢水中停留80分鐘左右，吸附有效率能達到50%。

電滲析方法是利用離子交換膜選擇透過性的特征，以外加電場作用，將污染物從廢水中分離出來。但是這種方法需要離子交換膜并且電能消耗較高，所以經濟成本高，使用較少。

（二）生物法

生物法中最具有代表性的是單相厭氧工藝技術，這一技術主要是利用硫酸鹽厭氧反應對厭氧硝化產生初級與次級抑制作用。單相吹脫工藝是在傳統單相厭氧基礎上發展而來，優勢在于能利用氣體惰性進行還原反應，降低廢水中污染物的毒害作用，并減弱對其他厭氧菌的抑制作用，使系統可以有效去除30%以上的污染物。

二、微生物燃料電池耦合系統廢水脫氮試驗探究

（一）試驗材料與方法

1.材料

選擇雙室微生物燃料電池作為本次研究的主要材料，兩極室接種厭氧氨氧化活性污泥，陰極選擇鐵氰化鉀電解液，用于接受電子。陰陽極室有效容積均為400毫升，兩極室由質子交換膜相隔，電極選用碳氈的，每個極室放置四片，并由鈦絲固定好。外部電路使用串聯1000歐的定值電阻，并聯數據采集卡，再將數據采集卡和電腦相連，確保采集到的數據都能直接保存到電腦[2]。

2.方法

接種污泥是厭氧氨氧化菌培養物，從實驗室內取運行穩定且時間超過一年的UASB反應器，污泥呈現磚紅色顆粒狀，有較高的厭氧氨氧化活性，測量獲得反應器內優勢菌屬，接種量為陽極室有效氣體的5%。

研究使用模擬廢水保證氮氧離子、氮氫離子比例對為1：1.32，以適應厭氧氨氧化反應，沒升溶液添加的微量元素濃縮液體積為1毫升，并使用氮氣進行10分鐘曝氣，確保溶解率在0.2毫克/升以內，之后，將pH值調節到7.5左右。

陽極室每日進行1次基質更換，每次更換定義為1周期。陰極室以連續流進水模式，調整水泵轉速，使電解液每日流量為400毫升，陰陽極室各放置1個磁力轉子，保證溶液濃度一致。使用水浴加熱模式，控制微生物燃料電池運行狀態溫度為30攝氏度，并使用數據采集卡以每分鐘1次頻率進行加壓，數據直接保存到與其相連的電腦系統上。

（二）試驗結果分析

1.試驗結果

陽極微生物燃料電池耦合系統在穩定運行狀態下，鎖定進水的氨氮濃度與亞硝氮濃度，可確保出水的氨氮、硝氮、亞硝氮的濃度分別在5.28、4.78和0.54毫克/升以下，總去除速率為每日0.11千克/標準立方米，出水總氮小于5.63毫克/升，氮總脫出效率在95%以上。

2.結果分析

在研究中發現，出水亞硝氮的濃度偏低，主要是因為進水部分添加了少量有機碳源，促進反硝化反應，略提升水氨氮比例。當氮氧離子與氮氫離子反應時，化學計數量在1.54左右，反應化學計量數為0.07。結果證明，陽極有一定反硝化能力，優勢在于能促進水亞硝氮與硝氮比例降低，但是，如果長期運行可能會引起反硝化過強，導致厭氧氨氧化反應離子電子受體情況發生，使厭氧氨氧化反應提前結束。廢水中的氨氮濃度上升，說明厭氧氨氧化與反硝化平衡調控是確保微生物燃料電池耦合系統廢水穩定脫氮的關鍵點。

當陽極厭氧氨氧化微生物電池處于持續穩定的狀態時，能夠鎖定進水部分的安陽濃度與亞硝胺濃度。當系統單日最高輸出的電壓與功率密度相對穩定時，最大輸出電壓為62毫伏，此時功率為0.74兆瓦/立方米。通過系統進行持續兩周觀測，得到單日最高輸出電壓呈現出波動的狀態，同時，最低輸出的電壓僅為21毫伏。經過統計分析發現，電能產量并沒有出現明顯的規律性變化，因此，推測僅以厭氧氨氧化為陽極主體，反應難以產生高額輸出電壓。而厭氧氨氧化反應產電機制還沒有被徹底探清，所以產電原因尚不可知。這一研究結果與同領域其他關于微生物燃料電池耦合系統廢水脫氮研究所得出的結果有一致性，部分學者利用厭氧氨氧化生物陰極除氨產電，得到最大輸出功率為92兆瓦/立方米。此外，將部分厭氧氨氧菌接種到微生物燃料電池耦合系統中，電池陽極中處理氨氮含量高的垃圾滲濾液，所得輸出功率約為0.22瓦/立方米左右。高功率密度原因為進水化學需氧量濃度高，但是反硝化會徹底抑制厭氧氨氧化，使裝置無法始終保持穩定運行狀態。

當厭氧氨氧化與反硝化處于平衡狀態時，微生物燃料電池能取得較好脫氮效果，但是此時所產生的電能并不強，系統產能效果并不理想。通過控制進水化學需氧量，優化裝置的脫氮效果，很難維持其長期穩定運行，而且會產生周期性水氮濃度波動情況。為避免類似問題發生，可增加陽極進水化學需氧量濃度方式，并對此進行專項測試。研究證明，保持進水氨氮與亞硝氮濃度不變，僅調整進水化學需氧量，當其濃度達到125～150毫克/升時，單周期最高電壓達到65～59毫伏，結果與產能前相比，幾乎保持不變。證明當調節進水化學需氧量單項指標時，出水氨氮含量增加，不會增加裝置的產電能力，通過增加進水亞硝氮含量，出水氨氮含量會略有降低。

總結：綜上所述，隨著微生物燃料電池耦合治理方法研究持續深入，與之有關的生物脫氮技術也得到了相應發展，這一技術的研究正朝著更加實用與現代化的發展方向，不斷優化升級最終成為能為廢水處理提供高效、高產能的新技術。

參考文獻：

[1]孔志遠.厭氧氨氧化微生物燃料電池同步脫氮產電性能及機理研究[D].內蒙古大學，2019.

[2]李文英，任瑞鵬，呂永康.微生物燃料電池在水與廢水脫氮方面的研究進展[J].化工進展，2019，38（02）：1097-1106.