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氨氮废水处理微生物电化学法

城镇污水中氮元素的存在，尤其是氨氮作为氮污染的主要形式，已经成为了我国环境问题中亟待解决的一部分。氨氮污染对水生生态系统和人类健康的威胁不容忽视，因此，对氨氮废水的处理显得尤为重要。

目前，生物法是处理氨氮废水的主要方法，包括传统的硝化反硝化反应、厌氧氨氧化反应以及各种新型生物脱氮工艺。然而，在实际应用过程中，这些方法存在成本高、能量损耗大、二次污染、启动时间长等问题。因此，寻找一种高效、环保、经济的氨氮废水处理方法成为了科研工作者的研究重点。

微生物电化学系统（MES）是一种新型的污水处理装置，包括微生物燃料电池（MFC）和微生物电解池（MEC）。MES利用微生物在阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应，同时在阴阳极产生电流。由于阴阳极电势的差异，微生物的氧化还原电位发生变化，促进了产电微生物和电极之间的电子传递。在污染物去除的同时，MES还能产电、产氢、产甲烷等能源，具有操作简单、能耗较低、污泥产量少等优势，因此成为了近年来污水处理研究的热点。

本文首先详细阐述了生物法处理氨氮废水的基本原理和存在的问题，然后介绍了微生物电化学氨回收和微生物电化学氨氧化的基本原理及其在氨氮废水处理中的应用。研究重点关注氨氮污染物的回收效率、降解效率、产能效率以及结合MES的氨氧化新机制。

在文章的最后，我们从氨回收和氨氧化之间的联系和影响、实际应用目标、功能微生物与基因以及运营成本等四个方面对MES处理氨氮废水的研究进行了展望。我们希望本研究能为MES处理氨氮废水提供理论参考，为我国的环境保护事业做出贡献。

总之，微生物电化学系统（MES）作为一种新型的氨氮废水处理技术，具有巨大的研究价值和应用前景。通过对MES的深入研究，我们可以找到一种更高效、环保、经济的氨氮废水处理方法，为我国的水环境保护和人类健康事业做出贡献。在未来的研究中，我们需要继续探索MES在氨氮废水处理领域的应用，以期为实际工程应用提供有力的支持。

1、生物技术处理

氨氮废水处理技术主要包括传统的硝化反硝化反应、厌氧氨氧化反应以及各类创新脱氮工艺，如同步硝化反硝化（SND）工艺、短程硝化厌氧氨氧化（SHARON-ANAMMOX）工艺、单级全程自养脱氮(CANON)工艺、限氧自养硝化反硝化(OLAND)工艺、反硝化氨氧化(DEAMOX)工艺等。各类技术的基本原理及其相应缺陷详见表1。

2、MES处理氨氮废水基本原理

MES处理氨氮废水基本原理从大方向上主要分为两种，微生物电化学氨回收技术与微生物电化学氨氧化技术。

2.1微生物电化学氨回收基本原理

如图1(a)所示，微生物电化学氨回收利用的是生物电化学系统中的离子迁移原理。在MES中，阳极在微生物催化下失去电子氧化有机物产生质子，电子经外电路传递到阴极，阴极在微生物催化下得到电子发生还原反应消耗质子。NH4+在离子浓度梯度的作用下从阳极透过阳离子交换膜迁移到阴极，阴极由于消耗质子pH持续上升，最后利用物理吹脱原理，使碱性条件下的NH3挥发并得到回收。

2.2微生物电化学氨氧化基本原理

传统的微生物电化学脱氮技术基本原理一般分为阳极氨氧化和阴极反硝化，然而随着研究的深入，氨氧化不仅仅只能在阳极发生，而微生物电化学氨氧化也衍生出几类不同的技术手段，大体可分为四类：MES同步硝化反硝化、MES阳极氨氧化、MES厌氧氨氧化和MES厌氧铁铵氧化。

2.2.1MES同步硝化反硝化基本原理

MES可以利用有机碳作为阳极电子供体，硝酸盐作为阴极电子受体实现同步脱碳除氮。如果在MES的阴极上施加适当的曝气，理论上可以实现基于MES的同步硝化反硝化和去除有机碳。相关反应式如下所示：

2.2.2MES阳极氨氧化基本原理

在MES中，氨氧化细菌可以生长在阳极，氨氧化过程传递电子给阳极，电子通过外电路传递到阴极之后，可以通过阴极传递给作为电子受体的氧气或者硝氮亚硝氮。耗氧氨氧化和厌氧氨氧化在标准条件下的吉布斯自由能分别是-275和-357KJ/mol，负的标准电势表明氨氧化反应理论上能够在微生物燃料电池中自发发生，以氨氮作为电子供体，硝氮、亚硝氮或者氧作为电子受体产生电流。相关反应式如下所示：

2.2.3MES厌氧氨氧化基本原理

关于厌氧氨氧化过程中具体的反应机制，Van等（1998）也做出了相关诠释：首先NH2OH和NH3在联氨水解酶的作用下水解得到N2H4,其次N2H4在肼氧化酶的作用下释放4个电子氧化为N2，最后NO2-在亚硝酸盐还原酶的作用下得到4个电子还原NO2-为NH2OH。涉及到反应位点的具体机制目前有两种，Ni等（2023）在一篇综述中用如图1(b)所示的示意图形象地描述了这两个过程。但不论是哪一种机制，都涉及到