精美結(jié)晶氯化鋁生產(chǎn)廠家生物電化學(xué)系統(tǒng)廢水脫氮機(jī)理及影響研究進(jìn)展

　　精美結(jié)晶氯化鋁廠家生物電化學(xué)系統(tǒng)廢水脫氮機(jī)理及影響研究進(jìn)展。近年來含氮污/廢水的排放日益增加，2018年全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠日均處理水量達(dá)1.67億m3，其中，氨氮削減量達(dá)119萬t。氮素的過量排放會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，危害水生生物，破壞生態(tài)系統(tǒng);

　　此外，過量的氮素?cái)z入也會(huì)對(duì)人體健康造成威脅。環(huán)境中氮的價(jià)態(tài)在-3價(jià)至+5價(jià)之間變化，其中-3、0、+1、+2、+3、+5價(jià)態(tài)的氮在環(huán)境中較為常見。氮素在廢水中的循環(huán)通常可歸因于同化、氨化、硝化、反硝化、固氮、厭氧氨氧化及異化硝酸鹽還原為銨這7種轉(zhuǎn)化過程。其中，氮素的自然循環(huán)主要由硝化及反硝化組成。

　　傳統(tǒng)的硝化過程分為2個(gè)階段，第1階段由氨單加氧酶(AMO)和羥胺氧化酶(HAO)將NH4+-N氧化為NO2--N，而后第2階段由亞硝酸鹽氧化還原酶(NXR)將NO2--N轉(zhuǎn)化為NO3--N。

　　不過近年來也有研究表明，存在從NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3--N的一步硝化途徑。反硝化過程中，NO3--N首先由硝酸鹽還原酶(NAR)還原為NO2--N;而后NO2--N在亞硝酸鹽還原酶(NIR)的作用下被還原為NO;NO繼而被氧化氮還原酶(NOR)還原為N2O;最終N2O由氧化亞氮還原酶(N2OR)催化還原為N2。

　　常見的脫氮工藝有物理法、化學(xué)法、生物法。物理法主要包括離子交換、反滲透、電滲析、吸附法等;化學(xué)法主要包括活潑金屬還原法、催化還原法和電化學(xué)氧化還原法。生物脫氮是目前被廣泛使用的脫氮方法，其具有處理效果穩(wěn)定、工藝成本低等優(yōu)點(diǎn)。然而，該方法在實(shí)際運(yùn)行中還需額外增加碳源，且占地面積大，污泥產(chǎn)量多，另外會(huì)消耗大量能源并增加設(shè)備維護(hù)成本。

　　生物電化學(xué)系統(tǒng)(Bioelectrochemical systems，BES)是將電化學(xué)法與生物法相結(jié)合，其改善了生物法啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、脫氮速率低、需要額外投加碳源等缺點(diǎn)，也解決了電化學(xué)法能耗高等問題。同時(shí)，BES能夠在實(shí)現(xiàn)廢水脫氮處理的同時(shí)產(chǎn)生電能，減少了污泥產(chǎn)量，具有傳統(tǒng)工藝無法比擬的優(yōu)越性，是一種有效、經(jīng)濟(jì)的脫氮方法。

　　近年來，利用生物電化學(xué)工藝處理含氮廢水已成為研究的熱點(diǎn)。

　　筆者綜合國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)BES的脫氮機(jī)理及不同形式BES對(duì)含氮廢水的處理效果進(jìn)行了歸納總結(jié)，分析了運(yùn)行條件對(duì)BES脫氮的影響及電流強(qiáng)度對(duì)微生物活性的影響，并對(duì)該技術(shù)未來的研究方向進(jìn)行了展望，以期為BES脫氮的研究發(fā)展提供一定的參考。

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　　BES的脫氮途徑及機(jī)理分析

　　典型的BES反應(yīng)器一般由陽(yáng)極、陰極、外電路及微生物組成。陽(yáng)極室中的微生物降解污水中的有機(jī)物并將電子轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極表面，同時(shí)產(chǎn)生質(zhì)子通過離子交換膜遷移至陰極室;陽(yáng)極表面的電子通過外電路轉(zhuǎn)移至陰極，與陰極室的電子受體(如O2、NO3--N、NO2--N)結(jié)合，生成相應(yīng)的還原產(chǎn)物。

　　基于此，氮素在微生物及電極的作用下經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)化，最終通過氮素循環(huán)中的不同途徑被去除。BES根據(jù)電能效果的差異可分為微生物燃料電池(MFC)與微生物電解池(MEC);隨后在此基礎(chǔ)上衍生發(fā)展出現(xiàn)了微生物脫鹽池(MDC)、微生物太陽(yáng)能電池(MSC)等。

　　1.1陽(yáng)極脫氮途徑

　　陽(yáng)極作為BES系統(tǒng)的主要組成部分，主要作用是接收廢水中的電子，同時(shí)產(chǎn)生相同數(shù)量的質(zhì)子，質(zhì)子通過陽(yáng)離子交換膜傳輸至陰極。陽(yáng)極可通過氨氧化與異養(yǎng)反硝化途徑分別去除廢水中的NH4+-N與NO3--N。

　　陽(yáng)極氨氧化脫氮是將NH4+-N作為電子供體在陽(yáng)極被氧化為N2或其他氧化態(tài)物質(zhì)。研究表明，氨氮在微生物或活潑金屬的作用下可將陽(yáng)極作為電子受體，同時(shí)自身被氧化為N2或氮氧化物。

　　但也有另外一些學(xué)者認(rèn)為，NH4+-N不能被直接轉(zhuǎn)化。因此，關(guān)于NH4+-N能否成為BES系統(tǒng)的電子供體尚無定論。此外，另外一種陽(yáng)極氨氧化的途徑是厭氧氨氧化，其以NH4+-N和NO2--N為底物，將氮素轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓�此種方法被認(rèn)為是陽(yáng)極氨氧化的主要途徑(式1)。陽(yáng)極異養(yǎng)反硝化脫氮?jiǎng)t以傳統(tǒng)的生物反硝化為基本原理，將NO3--N還原為N2(式2)，其適用于高碳氮比廢水的脫氮處理。

　　(1)

　　(2)

　　1.2陰極脫氮途徑

　　BES系統(tǒng)的陰極接收從陽(yáng)極傳來的電子，并將電子傳遞至陰極室的電子受體中。陰極室內(nèi)的脫氮途徑主要包括硝化、異養(yǎng)反硝化、自養(yǎng)反硝化、厭氧氨氧化以及異化硝酸鹽還原為銨這5種途徑。陰極室內(nèi)的硝化、異養(yǎng)反硝化及厭氧氨氧化途徑主要是通過調(diào)整陰極室的DO來實(shí)現(xiàn)，硝化途徑如式(3)所示。

　　自養(yǎng)反硝化是陰極電極上附著的微生物直接或間接地利用電極電子并將其傳遞至NO3--N、NO2--N的過程，其適用于低碳氮比廢水的氮素處理。異化硝酸鹽還原為銨首先是在NAR的作用下將硝態(tài)氮還原為NO2--N，之后在NIR的催化作用下NO2--N再被還原為氨氮，此途徑與異養(yǎng)反硝化途徑存在基質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，如式(4)所示。

　　(3)

　　(4)

　　1.3陰陽(yáng)極協(xié)同脫氮途徑

　　如前文所述，氮素在BES中可通過多途徑在陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)分別進(jìn)行轉(zhuǎn)化和去除。因此，利用BES內(nèi)部產(chǎn)生或外加的電場(chǎng)促進(jìn)氮素離子遷移，將陽(yáng)極區(qū)與陰極區(qū)的脫氮途徑相結(jié)合，有望實(shí)現(xiàn)協(xié)同脫氮。BES中協(xié)同脫氮原理見圖1。

　　(a)氨氮陽(yáng)極氨氧化;(b)氨的同化;(c)濃度梯度離子遷移;(d)電驅(qū)動(dòng)氮素離子遷移;(e)氨的吹脫;(f)厭氧氨氧化;(g)異養(yǎng)反硝化;(h)異化硝酸鹽還原為銨;(i)自養(yǎng)反硝化

　　圖1　BES的協(xié)同脫氮途徑

　　如圖1所示，在BES系統(tǒng)中，陽(yáng)極室中的NH4+-N會(huì)在電場(chǎng)及濃度梯度作用下，通過陽(yáng)離子交換膜遷移至陰極室。部分遷移到陰極室的NH4+-N會(huì)通過以下4種途徑進(jìn)行轉(zhuǎn)化：

　　(1)將通過陽(yáng)離子交換膜富集至陰極室的NH4+-N進(jìn)行部分硝化生成NO2--N，而后通過厭氧氨氧化途徑去除;

　　(2)陰極室內(nèi)部發(fā)生氧化還原反應(yīng)使得陰極液pH升高，有利于NH4+-N轉(zhuǎn)化為NH3去除;

　　(3)BES在MEC模式下運(yùn)行時(shí)，陰極室產(chǎn)生的H2可促使NH3從陰極液中得到回收;而NH3的高效分離也能促使陽(yáng)極液中NH4+-N的進(jìn)一步遷移;

　　(4)將陽(yáng)極的氨氧化與陰極的自養(yǎng)反硝化相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)低碳氮比廢水更大程度上的全自養(yǎng)脫氮。

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　　BES的脫氮效果

　　BES的脫氮性能與微生物種群結(jié)構(gòu)、活性以及電極與微生物的轉(zhuǎn)移效率直接相關(guān)。由于單一的BES反應(yīng)器對(duì)復(fù)雜廢水的脫氮效果不佳，近年來多有研究將BES與其他水處理技術(shù)相耦合以期進(jìn)一步增強(qiáng)BES的脫氮能力。有研究表明，MFC及其耦合系統(tǒng)對(duì)質(zhì)量濃度為100 mg/L以內(nèi)的NH4+-N、NO3--N的去除率基本在80%以上;MEC及其耦合系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜廢水中的較高質(zhì)量濃度(200 mg/L以上)或較低質(zhì)量濃度(50 mg/L以下)的氮素去除率達(dá)70%以上。不同形式BES反應(yīng)器的脫氮效果如表1所示。

　　表1　不同形式BES反應(yīng)器脫氮效果

　　注：SMFC，沉積型微生物燃料電池;Photo，光催化;CW，人工濕地;FO，正滲透;MAMBR，膜曝氣膜生物反應(yīng)器。

　　其中，MFC-MEC耦合系統(tǒng)以其耗能小、脫氮效果良好成為當(dāng)前BES領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。該耦合系統(tǒng)將MFC的陽(yáng)極、陰極分別與MEC的陰極、陽(yáng)極相連，作為直流電源驅(qū)動(dòng)MEC，裝置如圖2所示。直流電驅(qū)動(dòng)BES反應(yīng)器(即MEC系統(tǒng))可以實(shí)現(xiàn)較高的反硝化速率，但耗能也較高，而利用MFC驅(qū)動(dòng)可直接利用有機(jī)物中的電能，并以微電流的形式施加至MEC，刺激MEC中脫氮微生物的活性，大大降低了能耗及運(yùn)行成本。

　　圖2　MFC‒MEC耦合系統(tǒng)示意

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　　BES脫氮性能的影響因素

　　3.1電極材料對(duì)BES脫氮性能的影響

　　電極材料是BES的重要組成部件。電極材料在BES中可直接用作電子供體或受體，不僅會(huì)影響微生物的吸附量，也會(huì)影響微生物與電極間的電子傳遞效率。選取電極材料時(shí)，應(yīng)對(duì)材料的導(dǎo)電性能、吸附性能、生物相容性等進(jìn)行考察。近年來新型電極材料在BES脫氮中的應(yīng)用情況見表2。

　　陽(yáng)極電極材料可分為碳基材料、復(fù)合材料、修飾材料及金屬材料4類。其中，碳基材料在生物電化學(xué)反應(yīng)器中使用最為廣泛，常見的有碳刷、碳布、泡沫碳、碳?xì)帧⑹�墨棒、石墨氈等。碳基材料制備�?jiǎn)單、成本較低、比表面積大，能吸附更多的微生物;然而其電子傳遞效率低，對(duì)反應(yīng)器產(chǎn)電有一定限制。金屬材料相比碳基材料導(dǎo)電性更強(qiáng)，但由于其表面光滑，不利于微生物的附著，故常與其他物質(zhì)摻雜。

　　陰極可分為生物陰極與非生物陰極，在對(duì)BES脫氮的研究中，反應(yīng)器陰極一般以生物陰極為主。若為非生物陰極，則陰極材料一般用重金屬(如Pt、Fe)、復(fù)合物〔如聚吡咯/蒽醌-2-磺酸鹽(PPy/AQS)、CoNiAl-LDH@NiCo2O4〕等修飾;若為生物陰極，則一般適合作為陽(yáng)極材料的也可作為陰極材料。采用生物陰極可避免利用貴金屬或非貴金屬以氧氣為陰極電子受體，提高了系統(tǒng)的環(huán)境可持續(xù)性。

　　表2　BES中新型電極材料及其脫氮效果

　　3.2運(yùn)行參數(shù)對(duì)BES脫氮性能的影響

　　3.2.1　pH對(duì)BES脫氮性能的影響

　　pH能夠直接影響脫氮菌、產(chǎn)電菌及脫氮酶的活性，進(jìn)而影響生物電化學(xué)系統(tǒng)中電子的產(chǎn)生、傳遞及脫氮能力。Dan CHEN等利用新型三維BES系統(tǒng)去除水中高濃度硝酸鹽，并對(duì)微生物豐度進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，pH為7.0~8.0時(shí)，優(yōu)勢(shì)菌屬為具有反硝化功能的梭狀芽胞桿菌;過高的堿度會(huì)抑制反硝化微生物及產(chǎn)電微生物的活性。

　　鄭賢虹研究了BES-SANI(Sulfate reduction，autotrophic denitrification and nitrification integrated，硫酸鹽還原-自養(yǎng)反硝化-硝化一體化)耦合系統(tǒng)對(duì)pH分別為7.0和8.0的進(jìn)水中的氨氮的處理效果，結(jié)果顯示，當(dāng)pH=8.0時(shí)，系統(tǒng)有更高的NH4+-N去除率。

　　臧華生等利用單室MFC研究了pH對(duì)水中NH4+-N、NO3--N及TN去除效果的影響，結(jié)果表明，在pH=8.0時(shí)，NO3--N和TN去除率最高，分別達(dá)93%和58%。

　　綜上所述，采用BES系統(tǒng)脫氮，pH在堿性偏中性為宜，該條件對(duì)于生物反硝化過程至關(guān)重要。然而，由于pH會(huì)受到接種微生物、基質(zhì)、電極材料等具體的實(shí)驗(yàn)條件影響，不同的BES反應(yīng)器的最適pH范圍會(huì)有一定差異。

　　此外，由于BES陰陽(yáng)極氧化還原反應(yīng)的進(jìn)行，可能會(huì)造成陽(yáng)極過酸，陰極過堿的現(xiàn)象，對(duì)微生物的活性會(huì)造成很大威脅。常見的調(diào)節(jié)方法是加入緩沖溶液或陰陽(yáng)極溶液循環(huán)，但此法會(huì)浪費(fèi)大量物料，增加運(yùn)行成本且效果有限。而向BES中加入銨鹽、碳酸氫鹽等弱酸堿性物質(zhì)，利用BES系統(tǒng)內(nèi)部電場(chǎng)的遷移作用，可達(dá)到同時(shí)維持整個(gè)系統(tǒng)pH的目的。

　　3.2.2　DO對(duì)BES脫氮性能的影響

　　溶解氧(DO)是BES中的一項(xiàng)重要參數(shù)，其可以通過影響微生物的活性與電子轉(zhuǎn)移能力進(jìn)而影響系統(tǒng)的產(chǎn)電與脫氮性能。

　　一般情況下，系統(tǒng)產(chǎn)電能力與DO呈正相關(guān);在脫氮方面，高濃度的DO可以提高硝化速率，但會(huì)抑制異養(yǎng)反硝化作用。同時(shí)，DO對(duì)厭氧氨氧化過程也有較大影響。

　　此外，還有研究表明，當(dāng)陰極室內(nèi)存在氧氣時(shí)，即使DO很低也可優(yōu)先于硝酸鹽成為電子受體，對(duì)自養(yǎng)反硝化作用產(chǎn)生不利影響。

　　B. VIRDIS等首次利用雙室MFC對(duì)于陰極室同步硝化反硝化脫氮產(chǎn)電進(jìn)行了研究，該研究以氨氮和有機(jī)物作為合成廢水主要成分，通過控制曝氣流速調(diào)整陰極液的溶解氧濃度，進(jìn)而促進(jìn)NH4+-N的硝化-反硝化進(jìn)程。結(jié)果顯示，在DO為(4.35±0.08)mg/L的條件下，系統(tǒng)可去除(94.10±0.9)%的TN，同時(shí)有機(jī)物去除率接近100%。

　　Zuofu XIE等構(gòu)建了氨氧化微生物燃料電池(AO-MFC)，通過調(diào)節(jié)泵的曝氣速率來控制陽(yáng)極室的DO。研究表明，當(dāng)DO為(2.06±0.33) mg/L時(shí)，氨氮去除率只有55.3%;當(dāng)DO為(3.60±0.28) mg/L時(shí)，氨氮去除率達(dá)到98.5%，電子利用率達(dá)到91.7%;當(dāng)DO達(dá)到(6.45±0.40) mg/L時(shí)，氨氮接近完全去除，說明較高的溶解氧濃度可很大程度上促進(jìn)硝化過程。但高濃度的溶解氧會(huì)抑制BES中的反硝化過程。

　　Yifeng ZHANG等在利用沉積型MFC系統(tǒng)進(jìn)行廢水脫氮的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)DO由3.2 mg/L提高至7.8 mg/L時(shí)，功率密度隨之變大;當(dāng)DO為7.8 mg/L時(shí)，功率密度最大，為(55.5±1.0) mW/m2。當(dāng)DO<1.1 mg/L時(shí)，DO對(duì)NO2--N的去除基本沒有影響，但當(dāng)DO為7.8 mg/L時(shí)，NO3--N的去除率明顯下降，僅為7.8%。

　　以上研究結(jié)果表明，DO過高和過低均可對(duì)產(chǎn)電脫氮性能產(chǎn)生不利影響，且達(dá)到最佳產(chǎn)電效果與最佳脫氮效果所需的DO不同，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)綜合考慮。

　　3.2.3　溫度對(duì)BES脫氮性能的影響

　　溫度對(duì)BES系統(tǒng)微生物種群及酶活性有較大影響，進(jìn)而影響系統(tǒng)脫氮性能。不同微生物的適宜溫度范圍不同，如：硝化菌為20~30 ℃，反硝化菌為15~30 ℃，厭氧氨氧化菌為30~37 ℃。因此，可以通過改變溫度來篩選出相應(yīng)的菌種以改變脫氮途徑。

　　張吉強(qiáng)構(gòu)建了ANAMMOX-MFC系統(tǒng)，并研究了該系統(tǒng)的脫氮產(chǎn)電性能。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度從15 ℃升至30 ℃時(shí)，容積脫氮速率從(0.33±0.03) kg/(m3·d)增至(1.20±0.04) kg/(m3·d)，同時(shí)系統(tǒng)輸出電壓從(23.6±5.37) mV提升至(110.2±4.61) mV;溫度繼續(xù)升至40 ℃時(shí)，容積脫氮速率與輸出電壓隨著溫度的升高而降低，在40 ℃時(shí)，容積脫氮速率與輸出電壓分別降低至(0.65±0.12) kg/(m3·d)和(76.8±5.37) mV。

　　Zhuang CHEN等構(gòu)建了同步脫氮脫硫MFC系統(tǒng)，研究表明，該系統(tǒng)對(duì)廢水中TN的去除率在溫度為10~20 ℃范圍內(nèi)隨溫度的升高而上升，之后TN去除率隨溫度的進(jìn)一步升高而降低。除了從表觀上可以看出溫度對(duì)BES脫氮產(chǎn)電的影響外，溫度對(duì)菌種的基因表達(dá)也會(huì)產(chǎn)生影響。

　　S. SALEH-LAKHA等通過研究不同溫度下Pseudomonas mandelii菌種中基因的表達(dá)發(fā)現(xiàn)，溫度為10 ℃時(shí)，該菌種反硝化基因nirS(NIR酶的編碼基因)達(dá)到最大基因表達(dá)量的時(shí)間較溫度為30 ℃時(shí)滯后4 h，且最大基因表達(dá)量也有所減少。

　　3.3電流對(duì)BES脫氮性能的影響

　　微生物決定BES的電能效果及氮素去除能力，而施加電流的強(qiáng)度會(huì)影響微生物新陳代謝的活性、生長(zhǎng)速率等，進(jìn)而影響B(tài)ES脫氮的效果。強(qiáng)電流對(duì)微生物活性有損害作用，適當(dāng)?shù)奈㈦娏鲗?duì)微生物活性有促進(jìn)作用。

　　強(qiáng)電流作用一方面會(huì)直接破壞微生物細(xì)胞壁，致使細(xì)胞膜穿孔，改變微生物細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)合成、細(xì)胞膜滲透性和細(xì)胞形態(tài)，甚至?xí)��?dǎo)致細(xì)胞組織壞死。另一方面，強(qiáng)電流下會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)氧化性自由基，其會(huì)破壞微生物生存環(huán)境并抑制微生物及相關(guān)酶的活性，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

　　強(qiáng)電流除了可能對(duì)細(xì)胞造成破壞外，還可能改變體系的pH。V. WEI等利用MBR研究了外加電化學(xué)體系對(duì)脫氮相關(guān)微生物的影響。結(jié)果表明，當(dāng)電流密度為12.3 A/m2和24.7 A/m2時(shí)，異養(yǎng)反硝化菌活細(xì)胞可分別下降15%和29%;同時(shí)當(dāng)電流密度>12.3 A/m2時(shí)，生物質(zhì)流體的pH已變?yōu)閴A性。

　　適當(dāng)?shù)奈㈦娏鲃t可增加脫氮相關(guān)微生物及酶的活性，刺激細(xì)菌的新陳代謝，促進(jìn)細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖，并改善細(xì)胞膜的通透性，從而提升細(xì)胞內(nèi)的自由基反應(yīng)。

　　袁展以多陽(yáng)極MFC進(jìn)行同步硝化反硝化的研究中發(fā)現(xiàn)，通路狀態(tài)下NAR、NIR及NOR酶的活性明顯高于斷路狀態(tài)，且當(dāng)外加10 mA電流時(shí)，系統(tǒng)硝化酶(AMO、NOR)及反硝化酶(NAR、NIR)活性均高于對(duì)照組(未施加電流)。劉恒源在探究電流對(duì)生物反硝化的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，施加200 mA/m2的電流密度可以促進(jìn)反硝化菌的生長(zhǎng)，提升系統(tǒng)反硝化能力;而當(dāng)電流密度增至300 mA/m2與400 mA/m2時(shí)，會(huì)減弱反硝化性能。

　　此外，系統(tǒng)內(nèi)的硝酸鹽還原酶與亞硝酸鹽還原酶在200 mA/m2下的活性較對(duì)照組(未施加電流)有所提高，而當(dāng)電流密度為400 mA/m2時(shí)，這2種酶的活性都顯著降低，表明在強(qiáng)電流條件下酶的活性遭到了破壞。

　　Hongyu WANG等利用BES系統(tǒng)進(jìn)行硫自養(yǎng)反硝化研究，探究了電流強(qiáng)度對(duì)系統(tǒng)去除NO3--N的影響。結(jié)果表明，在50~200 mA的電流下，NO3--N去除率隨電流強(qiáng)度的提高而提高，這可能是由于較高電流下產(chǎn)生了足夠的作為電子供體的氫氣，有利于自養(yǎng)反硝化菌的生長(zhǎng)。

　　同時(shí)，也有研究表明，電流的刺激可以通過減少中間產(chǎn)物NO2--N的生成來增強(qiáng)生物反硝化作用和電能效果，不過同時(shí)也減弱了BES系統(tǒng)的厭氧氨氧化作用。

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　　BES在低碳氮比廢水生物脫氮中的應(yīng)用

　　低碳氮比廢水生物脫氮是當(dāng)前污水處理亟需解決的實(shí)際問題。低碳氮比廢水一般指生化需氧量(BOD5)與總凱氏氮(TKN)之比低于3.4的廢水，常見的低碳氮比廢水包括城鎮(zhèn)生活污水、焦化廢水、養(yǎng)殖廢水及垃圾滲濾液等。在傳統(tǒng)生物脫氮中，理論上碳氮比為3~5的廢水被認(rèn)為足以通過異養(yǎng)反硝化進(jìn)行脫氮。

　　但在實(shí)際過程中，由于污水中易分解的有機(jī)物占比較小，通常在碳氮比達(dá)到6以上時(shí)，才能達(dá)到理想的脫氮效果。而電化學(xué)體系的存在，首先可以提高電子傳遞效率，提升氧化還原反應(yīng)速度;此外，存在于陰極的自養(yǎng)反硝化細(xì)菌能夠直接利用一部分來自陽(yáng)極的電子還原硝態(tài)氮，一定程度上取代了降解含碳有機(jī)物產(chǎn)生的電子，可減少對(duì)碳源的需求。

　　Wenying LI等構(gòu)建了雙室BCS1(Cupriavidus sp. S1 作為生物陰極催化劑)-MFC系統(tǒng)，并研究了該電化學(xué)體系對(duì)水中氮的脫除效果。結(jié)果表明，在碳氮比為2的條件下，分別設(shè)置外接阻值為500、200、100 Ω的試驗(yàn)組和開路組，則最大NO3--N去除速率分別為(0.062 3±0.004)、(0.090 7±0.007)、(0.095 6±0.003)、(0.037 5±0.004) kg/(m3·d)，NO3--N去除速率與外加電阻阻值呈負(fù)相關(guān)。此外，外加直流電壓也有利于BES對(duì)低碳氮比廢水的處理。

　　Tingting ZHU等利用雙室MEC系統(tǒng)，對(duì)碳氮比為3的廢水進(jìn)行反硝化脫氮處理。結(jié)果表明，相比對(duì)照組(未施加電壓)，施加了0.5 V直流電壓的反應(yīng)器的NO3--N去除率提高了14%，COD去除率提高了12%。

　　BES對(duì)碳氮比低于3的廢水有著較為良好的處理效果，甚至在有機(jī)物含量接近0的條件下依然對(duì)廢水中的NO3--N有一定的去除效果。

　　此外，碳氮比的不同也會(huì)影響B(tài)ES中氮素的去除效果與途徑。楊婷研究了雙室MFC生物陰極對(duì)低碳氮比廢水的反硝化效果，結(jié)果顯示，當(dāng)碳氮比為8、2、0時(shí)，NO3--N去除率可分別達(dá)到98.77%、83.12%、45.34%，說明電化學(xué)體系能在脫氮微生物的作用下有效地將電子轉(zhuǎn)移至NO3--N實(shí)現(xiàn)自養(yǎng)反硝化。一般情況下，BES中的脫氮效率會(huì)隨著碳氮比的增加而提高，但當(dāng)碳氮比過高時(shí)，可能會(huì)影響滲透壓，進(jìn)而降低微生物活性，使脫氮性能降低。

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　　結(jié)語(yǔ)與展望

　　采用BES處理含氮廢水，可取得良好的處理效果。相比于傳統(tǒng)生物脫氮，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：

　　(1)可減少碳源投加量，節(jié)約能耗，特別對(duì)低碳氮比廢水具有良好的脫氮效果;

　　(2)能耗較低，甚至可以實(shí)現(xiàn)完全自驅(qū)動(dòng)，節(jié)省能源;

　　(3)可實(shí)現(xiàn)同時(shí)脫氮除碳，在MFC形式下還可實(shí)現(xiàn)同時(shí)產(chǎn)電;

　　(4)BES陰極發(fā)生的氧化還原反應(yīng)會(huì)提升pH，減少堿的加入量，有利于NH4+-N的回收;

　　(5)BES內(nèi)部產(chǎn)生的或外加的適宜范圍內(nèi)的電場(chǎng)可以刺激脫氮菌屬與脫氮酶活性，提升系統(tǒng)脫氮能力。

　　然而，當(dāng)前有關(guān)BES脫氮的研究多為實(shí)驗(yàn)室規(guī)模;BES系統(tǒng)的電極、膜材料及安裝成本較高;脫氮效果易受到進(jìn)水水質(zhì)及外界因素影響;同時(shí)，對(duì)BES脫氮在復(fù)雜條件下的機(jī)理及在較大處理規(guī)模下適宜的運(yùn)行條件尚不明確。

　　為了進(jìn)一步擴(kuò)大BES在廢水脫氮領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，尚需在以下3個(gè)方面進(jìn)行研究：

　　(1)進(jìn)一步探究脫氮機(jī)理。①在BES的電場(chǎng)作用下，研究不同形式氮素離子(NH4+-N、NO2--N、NO3--N)的遷移規(guī)律，以便更精準(zhǔn)地控制反應(yīng)條件，實(shí)現(xiàn)多途徑協(xié)同脫氮。②在MEC或MFC-MEC模式下系統(tǒng)探究施加電流與微生物群落結(jié)構(gòu)及脫氮酶活性之間的關(guān)系。

　　(2)開發(fā)新型電極材料。探究低成本電極材料的制備，增強(qiáng)微生物附著效果與電子傳遞效率，提升系統(tǒng)脫氮效果。

　　(3)優(yōu)化運(yùn)行條件。①探究BES脫氮影響因子之間的相互關(guān)系，同時(shí)建立運(yùn)行條件與脫氮生物膜之間的關(guān)系。②在MFC模式下，考慮通過調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，促進(jìn)陽(yáng)極氨氧化與陰極自養(yǎng)反硝化的結(jié)合，提高全自養(yǎng)脫氮的貢獻(xiàn)，進(jìn)一步節(jié)省運(yùn)行成本。③深入研究運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行壽命周期與運(yùn)營(yíng)成本之間的關(guān)系，為BES的實(shí)際應(yīng)用打好基礎(chǔ)。

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