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双室微生物燃料电池脱氮特性及微生物学机理研究

1.引言

1.1研究背景及意义

随着工业化和城市化进程的加快，水体中氮污染问题日益严重。氮素污染不仅影响水体的自净能力，还会导致水体富营养化，对生态环境和人类健康造成严重威胁。传统的脱氮技术如生物硝化反硝化、厌氧氨氧化等存在能耗高、操作复杂等问题。因此，研究开发低能耗、环境友好的脱氮技术具有重要的现实意义。

双室微生物燃料电池（DMFC）作为一种新型生物电化学系统，通过电化学方法将有机物氧化为电能，同时实现污染物的去除。近年来，DMFC在脱氮领域的研究逐渐受到关注，该技术具有处理效果好、操作简便、无需外部能源输入等优点，为实现可持续水处理提供了一种新途径。

1.2国内外研究现状

自20世纪90年代以来，微生物燃料电池（MFC）在废水处理领域的研究取得了显著进展。国外研究者对MFC的脱氮性能进行了广泛研究，发现MFC具有较好的脱氮效果，脱氮率可达50%以上。近年来，国内研究者也开展了相关研究，主要集中在DMFC的结构优化、运行参数调控等方面。

然而，目前关于DMFC脱氮的研究尚处于起步阶段，对脱氮过程中微生物学机理的认识不足，限制了DMFC在实际工程中的应用。为此，本研究围绕双室微生物燃料电池脱氮特性及微生物学机理展开研究，以期为DMFC在废水脱氮领域的应用提供理论依据和技术支持。

2双室微生物燃料电池基本原理与结构

2.1微生物燃料电池原理

微生物燃料电池（MicrobialFuelCells,MFCs）是一种利用微生物代谢作用将有机物中的化学能转化为电能的装置。其工作原理基于微生物的催化作用，将有机物氧化为二氧化碳和水，同时释放出电子。这些电子经过外部电路流动，形成电流，最终与电子受体结合，完成整个能量转换过程。

在MFC中，微生物作为生物催化剂，通过其代谢途径将有机物分解，这一过程主要发生在电池的阳极区域。电子从微生物细胞内传递到阳极，阳极材料通常为具有良好导电性和生物相容性的材料，如碳布或石墨。电子通过外部电路传输到阴极，阴极区域通常接种有电子受体，如氧气或硝酸盐，它们在接收电子的同时发生还原反应。

2.2双室微生物燃料电池结构特点

双室微生物燃料电池（DualChamberMicrobialFuelCells,DC-MFCs）是MFC的一种常见构型，其特点是将阳极室和阴极室物理分隔开来，从而降低了两室间物质的直接混合，提高了电能输出的稳定性和效率。

在结构上，DC-MFC通常包括以下几个部分：

阳极室：含有微生物和阳极电极，阳极材料表面附着的微生物通过代谢有机物产生电子，这些电子被阳极捕获。

阴极室：包含阴极电极和电子受体，电子从外部电路流向阴极，并与电子受体结合，完成电路的闭合。

质子交换膜（PEM）：位于阳极和阴极之间，允许质子通过而阻止其他物质的传递，维持两室间的电中性。

外部电路：连接阳极和阴极，由导线构成，电子通过这一路径流动，产生电流。

隔板和密封：用于维持两室的结构稳定性和防止物质交换。

双室结构通过物理隔离，减少了底物和产物的直接接触，可以降低内阻，提高电能转化效率。此外，双室MFC可以更好地控制操作条件，如氧气和营养物质的浓度，为微生物提供了更稳定的生长环境，有助于提升脱氮效率和研究微生物学机理。

3双室微生物燃料电池脱氮特性

3.1脱氮过程及影响因素

双室微生物燃料电池（DMFC）在处理含氮废水方面显示出良好的脱氮性能，其过程主要包括氨氮的氧化和亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的还原。氨氮首先被氧化成亚硝酸盐氮，然后进一步氧化成硝酸盐氮，最后通过反硝化作用还原成氮气。

影响因素主要包括以下几个方面：

氧化还原电位：氧化还原电位是影响微生物活性的重要因素，通过调整电极电位可以促进或抑制特定微生物的生长和代谢。

pH值：不同pH值条件下，微生物的代谢途径和酶活性会发生变化，进而影响脱氮效果。

温度：温度对微生物的生长、代谢和脱氮过程具有显著影响，适宜的温度范围可以提高脱氮效率。

氧气供应：氧气是影响脱氮过程的重要因素，适量的氧气可以促进微生物的生长和代谢，但过量的氧气会抑制反硝化作用。

有机物浓度：有机物作为电子供体，其浓度会影响微生物的生长和代谢，进而影响脱氮效果。

3.2脱氮效率分析

为了评估双室微生物燃料电池的脱氮效率，本研究采用以下方法：

氮平衡计算：通过测定进出水中的氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮和总氮浓度，计算脱氮效率。

电化学分析方法：利用电化学工作站对电池的输出电压、电流和功率密度进行实时监测，分析脱氮过程中的电化学性能。

微生物群落结构分析：通过PCR-DGGE等分子生物学方法，分析脱氮过程中微生物群落结构的变化，探讨微生物与脱氮效率之间的关系。

实验结果表明，在优化条件下，双室微生物燃料电池具有较高的脱氮效率，可达80%