微生物燃料电池耦合系统废水脱氮探讨

李志浩

摘 要：本文先对常见的集中废水脱氮工艺技术方法进行了探讨，之后，以试验分析方式研究了微生物燃料电池耦合废水系统脱氮技术运用。

关键词：微生物燃料电池;废水脱氮;耦合系统

引言：工业化与城市化快速发展，使微生物燃料电池耦合系统的废水处理工作得到了广泛关注。特别是在一些工业生产领域，过量氮元素会加大环境中自洁压力，导致河流、湖泊等水体出现严重富营养化，使生态系统服务功能退化，直至完全丧失。因此，控制含氮污水排放是迫在眉睫的环境污染治理工作。

一、常见废水脱氮工艺技术方法

（一）物理化学法

化学沉淀方法是利用金属离子与硫酸盐沉淀作用，去除废水中的污染元素。这种工艺技术中经常使用的金属离子包括钙离子、钡离子等。使用钙离子化学沉淀方法，能去除印染废水中的硫酸盐，去除有效率为30%，钡离子的去除率能达到100%。化学沉淀方法工艺原理简单而且操作比较方便，去除率较高。但在实际应用中，需要引入重金属离子，所以前期投资较高[1]。吸附方法是利用天然钡矿石对废水中的有害污染成分进行吸附，在酸碱度为9的废水中停留80分钟左右，吸附有效率能达到50%。

电渗析方法是利用离子交换膜选择透过性的特征，以外加电场作用，将污染物从废水中分离出来。但是这种方法需要离子交换膜并且电能消耗较高，所以经济成本高，使用较少。

（二）生物法

生物法中最具有代表性的是单相厌氧工艺技术，这一技术主要是利用硫酸盐厌氧反应对厌氧硝化产生初级与次级抑制作用。单相吹脱工艺是在传统单相厌氧基础上发展而来，优势在于能利用气体惰性进行还原反应，降低废水中污染物的毒害作用，并减弱对其他厌氧菌的抑制作用，使系統可以有效去除30%以上的污染物。

二、微生物燃料电池耦合系统废水脱氮试验探究

（一）试验材料与方法

1.材料

选择双室微生物燃料电池作为本次研究的主要材料，两极室接种厌氧氨氧化活性污泥，阴极选择铁氰化钾电解液，用于接受电子。阴阳极室有效容积均为400毫升，两极室由质子交换膜相隔，电极选用碳毡的，每个极室放置四片，并由钛丝固定好。外部电路使用串联1000欧的定值电阻，并联数据采集卡，再将数据采集卡和电脑相连，确保采集到的数据都能直接保存到电脑[2]。

2.方法

接种污泥是厌氧氨氧化菌培养物，从实验室内取运行稳定且时间超过一年的UASB反应器，污泥呈现砖红色颗粒状，有较高的厌氧氨氧化活性，测量获得反应器内优势菌属，接种量为阳极室有效气体的5%。

研究使用模拟废水保证氮氧离子、氮氢离子比例对为1：1.32，以适应厌氧氨氧化反应，没升溶液添加的微量元素浓缩液体积为1毫升，并使用氮气进行10分钟曝气，确保溶解率在0.2毫克/升以内，之后，将pH值调节到7.5左右。

阳极室每日进行1次基质更换，每次更换定义为1周期。阴极室以连续流进水模式，调整水泵转速，使电解液每日流量为400毫升，阴阳极室各放置1个磁力转子，保证溶液浓度一致。使用水浴加热模式，控制微生物燃料电池运行状态温度为30摄氏度，并使用数据采集卡以每分钟1次频率进行加压，数据直接保存到与其相连的电脑系统上。

（二）试验结果分析

1.试验结果

阳极微生物燃料电池耦合系统在稳定运行状态下，锁定进水的氨氮浓度与亚硝氮浓度，可确保出水的氨氮、硝氮、亚硝氮的浓度分别在5.28、4.78和0.54毫克/升以下，总去除速率为每日0.11千克/标准立方米，出水总氮小于5.63毫克/升，氮总脱出效率在95%以上。

2.结果分析

在研究中发现，出水亚硝氮的浓度偏低，主要是因为进水部分添加了少量有机碳源，促进反硝化反应，略提升水氨氮比例。当氮氧离子与氮氢离子反应时，化学计数量在1.54左右，反应化学计量数为0.07。结果证明，阳极有一定反硝化能力，优势在于能促进水亚硝氮与硝氮比例降低，但是，如果长期运行可能会引起反硝化过强，导致厌氧氨氧化反应离子电子受体情况发生，使厌氧氨氧化反应提前结束。废水中的氨氮浓度上升，说明厌氧氨氧化与反硝化平衡调控是确保微生物燃料电池耦合系统废水稳定脱氮的关键点。

当阳极厌氧氨氧化微生物电池处于持续稳定的状态时，能够锁定进水部分的安阳浓度与亚硝胺浓度。当系统单日最高输出的电压与功率密度相对稳定时，最大输出电压为62毫伏，此时功率为0.74兆瓦/立方米。通过系统进行持续两周观测，得到单日最高输出电压呈现出波动的状态，同时，最低输出的电压仅为21毫伏。经过统计分析发现，电能产量并没有出现明显的规律性变化，因此，推测仅以厌氧氨氧化为阳极主体，反应难以产生高额输出电压。而厌氧氨氧化反应产电机制还没有被彻底探清，所以产电原因尚不可知。这一研究结果与同领域其他关于微生物燃料电池耦合系统废水脱氮研究所得出的结果有一致性，部分学者利用厌氧氨氧化生物阴极除氨产电，得到最大输出功率为92兆瓦/立方米。此外，将部分厌氧氨氧菌接种到微生物燃料电池耦合系统中，电池阳极中处理氨氮含量高的垃圾渗滤液，所得输出功率约为0.22瓦/立方米左右。高功率密度原因为进水化学需氧量浓度高，但是反硝化会彻底抑制厌氧氨氧化，使装置无法始终保持稳定运行状态。

当厌氧氨氧化与反硝化处于平衡状态时，微生物燃料电池能取得较好脱氮效果，但是此时所产生的电能并不强，系统产能效果并不理想。通过控制进水化学需氧量，优化装置的脱氮效果，很难维持其长期稳定运行，而且会产生周期性水氮浓度波动情况。为避免类似问题发生，可增加阳极进水化学需氧量浓度方式，并对此进行专项测试。研究证明，保持进水氨氮与亚硝氮浓度不变，仅调整进水化学需氧量，当其浓度达到125～150毫克/升时，单周期最高电压达到65～59毫伏，结果与产能前相比，几乎保持不变。证明当调节进水化学需氧量单项指标时，出水氨氮含量增加，不会增加装置的产电能力，通过增加进水亚硝氮含量，出水氨氮含量会略有降低。

总结：综上所述，随着微生物燃料电池耦合治理方法研究持续深入，与之有关的生物脱氮技术也得到了相应发展，这一技术的研究正朝着更加实用与现代化的发展方向，不断优化升级最终成为能为废水处理提供高效、高产能的新技术。

参考文献：

[1]孔志远.厌氧氨氧化微生物燃料电池同步脱氮产电性能及机理研究[D].内蒙古大学，2019.

[2]李文英，任瑞鹏，吕永康.微生物燃料电池在水与废水脱氮方面的研究进展[J].化工进展，2019，38（02）：1097-1106.