1 引言(Introduction)
隨著“十三五”規劃的推行，國家對廢水排放的要求日趨嚴格，而我國水環境質量現狀依然十分嚴峻，氮污染排放呈現濃度增高、排放量增大的趨勢(文宇立等，2015)，同時由于能源日益緊缺，污染治理過程中的能耗問題逐漸被重視起來. 微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一種以產電微生物為催化劑，通過生物降解作用將存儲在污染物中的化學能直接轉化為電能的裝置(Wang et al.，2013)，將其應用于脫氮過程當中，可以在高效去除廢水中氮元素的同時回收電能，提供了一條新的污水治理思路(Tao et al.，2015).
MFC中的脫氮過程通常分為陰極和陽極2種脫氮形式. 陰極脫氮過程在Holmes等(2004)的研究中被首次發現，并證明了微生物同步脫氮產電的可能性;隨后Clauwaert等(2007)設計的雙室型MFC首次實現了同步脫氮、除碳及產電的電化學系統，該系統成為陰極脫氮型MFC系統的設計典型. 陽極脫氮過程最早在Min等(2005)使用MFC處理養豬廢水的實驗中被發現，后來He等(2009)構建了以氨為唯一能源的MFC，并利用PRC技術證明了陽極氨氧化和電壓輸出之間的因果關系. 然而目前脫氮型MFC研究主要基于氨氧化、短程硝化反硝化或同步硝化反硝化反應脫氮，但其共同的缺陷在于反應路線長、能耗高、剩余污泥量大，且氨氧化菌、硝化菌和反硝化菌的活性在高氮荷環境下會受到較大抑制(劉濤等，2013)，另外其需要一定的有機物補給，反應系統較為復雜，反應過程不易控制.
在新型脫氮工藝中，厭氧氨氧化工藝(Anammox)可以在自養型細菌厭氧氨氧化菌(AnAOB)作用下，以CO2作為無機碳源進行代謝生長，以氨為電子供體，亞硝酸鹽為電子受體，代謝產物為氮氣(陳重軍等，2014)，反應方程式為1NH4+ + 1.32 NO2- + 0.066 HCO3- + 0.13H+ → 1.02N2 + 0.26 NO3- + 0.066 CH2O0.5N0.15 + 2.03H2O(周少奇，2006). 其可一步同時去除2種形態的氮污染物，具有很高的容積效能，而且菌體對氨氮和亞硝態氮的耐負荷能力強，適合處理高氮濃度、低C/N比廢水(王元月等，2013). 因此將Anammox反應和MFC耦合進行同步脫氮產電，具有一定的應用價值和發展潛力.
Lee 等(2013)曾在MFC反應器中引入部分厭氧氨氧化菌處理高氨氮含量的垃圾滲濾液，獲得了94%的總氮去除率和12 mW·m-2的輸出功率密度，通過其與氨氧化MFC的對比，說明電子受體從硝酸鹽變為亞硝酸鹽后，MFC產能可以增加50%. 謝作甫(2014)借助高錳酸鉀化學陰極成功啟動陽極型Anammox-MFC，輸出電壓為131 mV，總氮容積去除速率為1.64~2.38 kg·m-3·d-1，其同課題組張吉強(2014)使用類似反應體系探究了Anammox在MFC中的電化學特性，通過基質轉化實驗說明了在NO2-的存在下，Anammox菌可利用NH4+作為電子庫，展現出產電耦合性，通過功能空間實驗說明其陽極生物膜和陽極液中懸浮污泥均具有同步厭氧氨氧化產電功能，其研究為本文提供了一定理論基礎.
目前基于Anammox反應的脫氮型MFC研究較少，本實驗針對Anammox在MFC中的陽極和陰極2種電化學耦合機制，特引入了空氣陰極和厭氧降解乙酸鹽的生物陽極，以避免化學陰極造價高、可持續能力弱、電極易受污染的缺陷，并利用雙室型MFC可隔離陰陽極，提供相互獨立工作環境，易于控制反應條件的特點，通過電化學關系建立Anammox-MFC耦合系統，并探究其反應性能及機理.
2 材料與方法(Materials and methods) 2.1 實驗組設置及實驗裝置
如表 1所示，實驗設計4種MFC構型，菌體A為AnAOB菌，菌體B為乙酸鹽降解菌，其中a、b-MFC分別為陽極型和陰極型Anammox-MFC實驗組;c、d-MFC的設計旨在與b-MFC對比，進行Anammox陰極與傳統的空氣陰極各方面性能的比較，同時探究乙酸鹽降解菌陽極對反應體系的作用. 其中，為了保證空氣陰極性能的可比性，對a、c-MFC空氣陰極碳布材料靠近陰極液的一側涂抹0.5 mg·cm-2的10%鉑碳催化層(羅凈凈等，2016)，同時使空氣陰極液與其對應的陽極液底物濃度相同，以避免質子交換膜兩端電導率差別對實驗結果造成影響，并調節空氣陰極液初始pH為3.0，以促進其O2還原. 各實驗組全周期置于(33±1)℃的恒溫培養箱(賽福SPX-250)中.
反應器裝置參照同課題組Tao等(2014)研究，即將2個管式有機玻璃單室反應器(Liu et al.，2004)拼合為一個雙室MFC. 如圖 1所示，反應器分陰陽2個極室，中間以質子交換膜(杜邦Nafion 117)相隔，每個極室內腔直徑約3 cm，長度4 cm，有效截面面積7 cm2，有效體積約28 mL. 陽極電極材料采用碳紙(上海河森HCP030)，陰極為碳布(上海河森HCP330)，使用前分別在1 mol·L-1鹽酸和去離子水中煮沸條件下水浴處理1 h，以去除其表面的雜質. 每組反應器的陰、陽兩電極通過鈦絲與外接電路相連，由導線連接至數據采集器(美國Keithley M2700)進行實時電壓數據記錄，外電路串聯接入一個旋鈕式變阻箱，電池穩定運行期間設置外電阻值為1500 Ω，使用參比電極(上海雷磁甘汞232電極)測量陰、陽兩極電極電勢. 極室溶液取樣及周期換液過程使用一次性注射器完成，反應產生的N2用低摩擦阻力的藍芯全玻璃注射器收集，更換注射器過程中利用三通閥保持反應器的嚴格厭氧. 空氣陰極部分由蠕動泵將陰極液導入至一個外置的250 mL錐形瓶進行曝氣完成，并通過氣體流量計控制溶解氧濃度.
圖 1(Fig. 1)
圖 1 雙室MFC反應器示意圖 (1. 陽極室，2. 陰極室，3. 外層隔板，4. 墊片，5. 一次性注射器(5 mL)，6. 藍芯全玻璃注射器(5 mL)，7. 醫用三通閥，8. 參比電極，9. 鈦絲，10. 碳紙，11. 質子交換膜，12. 碳布，13. 鉑碳催化層，14. 旋鈕式變阻箱，15. 數據采集器，16. 蠕動泵，17. 250 mL棕色瓶，18. 氣體流量計，19. 空氣泵) Fig. 1 Schematic of single chamber MFC (1. Anode chamber，2. Cathod chamber，3. acrylic barrier，4. gasket，5. disposable syringe(5 mL)，6. All-glass syringes with blue plunger(5 mL)，7. Three-way Stopcock，8. reference electrode，9. titanium wire，10. cabon paper，11. PEM，12. cabon cloth，13. 10% platinum catalyst layers，14. spiral rheostat，15. data acquisition unit，16. peristaltic pump，17. amber(250 mL)，18. gas flowmeter，19. air pump)
2.2 分析方法與設備
分別采用紫外分光光度法、N-(1-萘基)-乙二胺光度法和納氏試劑光度法測定樣品中硝態氮(NO3--N)、亞硝態氮(NO2--N)、氨氮(NH4+-N)、總氮(TN)特指這3種形態氮濃度值之和. 采用紫外分光光度計(上海尤尼柯UV2800)測定樣品光度值，使用pH計(上海精科雷茲PHS-25)測定樣品pH值，利用場發射掃描電子顯微鏡(德國蔡司Merlin)完成SEM圖制作.
2.3 菌體選擇及培養液配方
菌體A：以AnAOB為主體的混菌，革蘭氏陰性菌，因含有羥胺氧化還原酶中亞鐵血紅素，菌體宏觀呈磚紅色顆粒狀形態，菌落粒徑為1~2.2 mm(van Niftrik et al.，2008)，由于后代細菌常覆蓋于前代死亡細菌鈣化后形成的白色殼狀物上，其總粒徑達到3~8 mm. 細菌采自課題組運行超過5 a的Anammox-UASB反應器(張錦耀等，2016)，長期處于零有機碳源條件下，非厭氧氨氧化的雜菌較少. 儲備液為培養液Ⅰ的基礎上加入定量(NH4)2SO4和NaNO2，每2 d更換配水，使NH4+-N濃度保持于200 mg·L-1水平，NO2--N濃度保持于240 mg·L-1水平. 在MFC中使用菌體A時，取菌約(3.0 ± 0.3)g(濕重)，全周期不更換細菌，使用液為培養液Ⅰ的基礎上加入高濃度的(NH4)2SO4和NaNO2，使極室液初始NH4+-N濃度為400 mg·L-1水平，NO2--N濃度為528 mg·L-1水平，以構建高氮負荷型MFC.
菌體B：G. sulfurreducens純菌，無色渾濁懸浮態，厭氧條件下富集儲備. 儲備液為培養液Ⅱ的基礎上加入定量NaAc，每24 h更換配水，使乙酸鹽濃度保持于0.01 mol·L-1水平. 在MFC的陽極中使用菌體B時，將儲備液中的菌體與MFC中陽極液進行直接替換，換液方式如下：吸出14 mL原陽極液，補充14 mL含菌儲備液，進行下一個反應周期(陶琴琴，2015).
培養液Ⅰ和培養液Ⅱ基質配方如表 2和表 3所示，調節培養液ⅠpH為7.0±0.5水平，培養液ⅡpH為8.0±0.5水平.
3 實驗結果(Results) 3.1 產電性能
在MFC中接種乙酸鹽降解菌和AnAOB的初期，為了使細菌適應反應器的體積和新的極室液環境，需對其進行閉路條件下馴化，馴化期分別為a-MFC 18 d、b-MFC 24 d、c-MFC 15 d，馴化后均得到穩定可測輸出電壓. 在反應器穩定運行過程中，以更換陰陽極液為周期開始，電壓輸出值低于1 mV為周期結束，每1 min讀取1次電壓值，記錄周期內電壓變化，評估各反應器產電性能.
根據圖 2結果，可見a-MFC全周期約6700 min(合4.7 d)，無明顯電壓驟升、驟降現象，電壓升高至48 mV后緩慢下降，平均輸出電壓24.5 mV;b-MFC全周期約2900 min(合2 d)，其在周期初段出現電壓瞬升，稍微下降后工作電壓穩定輸出，穩定工作期約2170 min，占全周期74.8%，最高輸出電壓達到502.2 mV，平均輸出電壓448.4 mV，周期末段電壓因底物耗盡迅速下降;c-MFC全周期約7000 min(合4.9 d)，在周期初段電壓驟升后，工作期電壓繼續緩慢上升，到達最高值430.9 mV后緩慢下降，電池工作期時長約4700 min，占全周期67.2%，平均輸出電壓392.5 mV，周期末段電壓迅速下降，但其下降速率相較b-MFC慢;d-MFC作為對照組，因其陽極無微生物存在，陽極無電子供體，故電子流動較緩，全周期記錄電壓范圍為0.02~2.38 mV，其電壓產生可能來自于離子流動產生的電導率變化所帶來的瞬時陰陽極電勢差，或測量儀器的系統誤差.
圖 2(Fig. 2)
圖 2 4種MFC輸出電壓隨時間變化示意圖 Fig. 2 Electricity production of a，b，c，d-MFC
3.2 脫氮性能
取a、b-MFC穩定期運行的3個周期脫氮數據進行分析，每個周期內取6批次a-MFC陽極液和b-MFC陰極液樣品，進行氨氮、亞硝態氮、硝態氮濃度測定并繪制濃度-時間變化關系圖(圖 3)，圖上每點為3組數據的平均值. 每次取樣后按照實際濃度補充極室液，以維持MFC系統的穩定性.
圖 3(Fig. 3)
圖 3 a-MFC陽極液在閉路(a)開路條件(c)，b-MFC陰極液在閉路(b)開路(d)條件下各形態氮濃度和pH隨時間變化示意圖 Fig. 3 Comparisons of the time courses of Nitrogen concentration and pH change in anolyte of a-MFC under closed circuit(a)and open circuit condition(c)and catholyte of b-MFC under closed circuit(b)and open circuit condition(d)
如圖 3a、3b所示，可以看出2者NH4+-N、NO2--N濃度均隨時間呈單指數關系衰減變化，NO3--N濃度隨時間呈線性增加，其動力學方程擬合結果如下：
顯然，2者的氨氮、亞硝態氮降解均符合一級動力學方程模型，帶入方程模型通式C=C0×e-kOBS×t，得知a-MFC中氨氮降解速率(0.0619)比亞硝態氮(0.0334)略高，但仍處于同一數量級，可以看作2者通過一個反應同步去除;b-MFC中氨氮降解速率(0.136)明顯比亞硝態氮(0.040)高，而硝態氮生成量略低于a-MFC，因此b-MFC中NH4+在Anammox基礎上可看作有額外的去除路線.
而在開路狀態下，如圖 3c、3d所示，a、b-MFC氨氮和亞硝態氮濃度均呈線性降低，但在硝態氮變化方面略有區別，a-MFC呈波動上升趨勢，從表觀上分析，其在Anammox反應基礎上，0~20 h階段還出現了硝化反應特征，20~50 h階段出現了反硝化反應特征;b-MFC硝態氮濃度在上升后在穩定維持在65~75 mg·L-1水平.
3.3 掃描電鏡結果
在反應器運行約4個月后停止并拆除反應器，取a-MFC陽極碳紙、b-MFC陽極碳紙和陰極碳布各約1 cm2，前處理后進行SEM掃描. 由圖 4a、b、e、f可以看出a-MFC的陽極碳紙和b-MFC陰極碳布纖維上離散分布著簇團狀菌群，增加放大倍數后可以看出菌體呈橢球或圓球狀，與AnAOB形態特征相符(Yang et al.，2010; 張肖靜等，2014). 圖 4c、d可以看出b-MFC的陽極碳紙纖維聚團分布菌群，增加放大倍數后可以看出菌體呈桿狀或棒狀，與乙酸鹽降解菌G. sulfurreducens的形態特性相符(Bond et al.，2005).
圖 4(Fig. 4)
圖 4 掃描電鏡結果圖a-MFC陽極碳紙(a)(b)，b-MFC陽極碳紙(c)(d)和b-MFC陰極碳布(e)(f) Fig. 4 SEM image of a carbon paper anode of a-MFC(a)(b)，a carbon paper anode of b-MFC(c)(d)and a carbon cloth cathode of b-MFC(e)(f)
4 分析與討論(Analysis and discussion) 4.1 a-MFC性能分析 4.1.1 總體產電、脫氮性能分析
由上述結果可以看出，a-MFC產電性能相對較差，可能原因是AnAOB作為自養型細菌，其反應速率較慢，在與氧化還原電位絕對值同樣較低的空氣陰極相結合后，電子轉移速度慢，電池內阻大，回路電流小，因此路端電壓低. 但是相對開路狀態，其在閉路時脫氮效果更加穩定，脫氮速率明顯提高，說明閉路時的電耦合狀態促進了陽極Anammox過程的進行. 原因可能是在開路的靜態反應器中，電子的局部積累對反應的進行有抑制作用，硝化、反硝化反應的出現削弱了Anammox反應的進行，但在閉路條件下，電子能夠得到及時轉移，促進了反應的穩定進行.
4.1.2 開閉路狀態下電池性能對比
如圖 5a所示，a-MFC反應器閉路狀態下運行72 h后，陽極液中NH4+-N、NO2--N、TN去除率分別達到99.1%、94.0%和86.9%，容積氮去除負荷(NRR)平均值為0.417 kg·m-3·d-1. 而開路條件下，NH4+-N去除率在反應器運行190 h后超過99%，NO2--N和TN去除率僅為85.4%和80.7%，NRR平均值僅為0.128 kg·m-3·d-1. 在圖 5b所展示的化學計量比-時間關系中，上方虛線代表ΔNO2--N∶ΔNH4+-N的理論值1.32，下方虛線代表ΔNO3--N∶ΔNH4+-N的理論值0.26，可以看出隨著反應的進行，開閉路條件下ΔNH4+-N∶ΔNO2--N∶ΔNO3--N最終趨向于理論值1∶1.32∶0.26. 但在反應初期，閉路條件下NO2--N和NO3--N相對于NH4+-N的比值均偏低，說明氨氮降解速率較理論值偏快，可能原因是在通路后陽極形成氧化環境，促進了NH4+-N的失電子氧化，電子被及時轉移至陰極進行氧氣的還原;而開路條件下的3者計量關系在反應初期展現出亞硝態氮降解偏慢而硝態氮生成偏快，說明初期出現硝化反應特征，與上文描述相符.
圖 5(Fig. 5)
圖 5 a-MFC陽極液各形態氮去除率(a)計量關系(b)隨時間變化示意圖 Fig. 5 Comparisons of the time courses of Nitrogen removal rate(a)and Stoichiometric ratio change(b)in anolyte of a-MFC
通過a-MFC的開閉路比較說明Anammox反應在與電化學系統進行陽極型耦合后，脫氮速率和穩定性均得到了提高，在通過與空氣陰極的耦合后，電極反應可表示為：陽極NH4+-e-+NO2-→N2+NO3-+H+;陰極O2+e-+H+→+H2O.
4.2 b-MFC性能分析 4.2.1 總體產電、脫氮性能分析
與a-MFC相比，b-MFC產電能力明顯更高，原因是陽極氧化乙酸鈉的過程反應速率較更快，電子轉移也隨即加快，回路中形成的電流相對增加，獲得了可觀的電壓輸出. 將b-MFC與c-MFC比較可以發現，使用AnAOB生物陰極，在產電強度和產電穩定性方面均比鉑碳空氣陰極有優勢，說明Anammox反應具備電子受體功能，也從側面說明AnAOB成功地耦合在了MFC系統之中. 2者最高輸出電壓值差距不大，說明陽極乙酸鹽氧化反應仍然是產電過程的貢獻主體. 由上文所述，b-MFC的另一特征是氨氮去除率明顯較快，甚至超過了同步去除的亞硝態氮，其額外的氨氮去除路線可能是隨著Anammox反應的進行，陰極液pH升高，堿性環境下溶液中形成NH3分子，并被N2的上升流氣泡夾帶逸出. 而由于NH4+-N的過快脫除，Anammox反應后期受到抑制，因此其NO2--N總去除率低于a-MFC.
b、c-MFC之間周期長短的差異可以解釋為，b-MFC陰極液為序批式進水，輸出電壓隨著底物的消耗殆盡快速降低，而c-MFC陰極液為連續流式進水，可保持陰極溶解氧濃度，保證電子受體(O2)供給充足，因此其周期更長，電壓下降更為緩慢.
4.2.2 開閉路狀態下電池性能對比
與a-MFC類似，b-MFC在開路狀態下相對閉路時的脫氮效率明顯更低，而且其硝氮濃度在反應后期并未上升，原因可能是陽極有機物降解所產生的H+通過離子交換膜進入陰極，降低了陰極液的pH，抑制了Anammox反應，促進了反硝化反應進行.
圖 6(Fig. 6)
圖 6 b-MFC陰極液各形態氮去除率(a)計量關系(b)隨時間變化示意圖 Fig. 6 Comparisons of the time courses of(a)Nitrogen removal rate(b)Stoichiometric ratio change in catholyte of b-MFC
如圖 6a所示，b-MFC反應器閉路狀態下運行24 h 后NH4+-N去除率達到96.4%，48 h后超過99%; NO2--N和TN去除率在48 h時為84.8%和84.1%，96 h后均接近90%;NRR平均值0.516 kg·m-3·d-1. 開路條件下，NH4+-N獲得96.9%的去除率需要120 h，此時NO2--N和TN去除率均僅為80.8%，NRR平均值僅為0.163 kg·m-3·d-1. 在圖 6b所展示的化學計量比-時間關系中，可以看出隨著反應的進行，開閉路條件下3種形態的氮之比趨向但無法達到理論值1∶1.32∶0.26. 閉路條件下下NO2--N和NO3--N相對于NH4+-N的比值始終偏低，反應初期氨氮和亞硝態氮的去除不同步;而開路條件下，NO3--N∶NH4+-N計量比從1.09下降至0.167，說明反應初期大量生成的硝態氮在末期被反硝化去除.
通過b-MFC的開閉路比較說明Anammox反應在與異養菌G. sulfurreducens陽極電耦合后，電子交換速率提高的同時脫氮速率得到了顯著提高，2者呈正相關關系. b-MFC的電極反應可表示為：(陽極)CH3COO--e-→CO2+H+，(陰極) NH4++NO2-+H3++e-→N2+NH3+NO-+H2O.
5 總結(Conclusions)
1) 實驗成功建立了耦合Anammox反應的高氮負荷型雙室MFC，陽極脫氮型a-MFC和陰極脫氮型b-MFC均可在400 mg·L-1 NH4+-N、528 mg·L-1 NO2--N的條件下穩定啟動并運行. b-MFC中乙酸鹽降解菌陽極的引入顯著加快了電子交換速率，獲得最大輸出電壓502.2 mV，產電周期為2900 min. 其各形態氮去除速率也相對顯著增加，48 h內NH4+-N、NO2--N、TN去除率分別達到99%、84.8%和84.4%，NRR平均值達到0.516 kg·m-3·d-1，而a-MFC達到相同去除水平則需要72 h.具體參見污水寶商城資料或http://www.dongaorq.cn更多相關技術文檔。
2) 另外，相對于各自開路狀態，2種耦合方式閉路狀態下的NH4+-N、NO2--N濃度均呈單指數關系衰減變化，脫氮能力和穩定性均有明顯提高. 其脫氮過程均以Anammox反應為基礎，電化學耦合后因為半反應效應，使其ΔNH4+-N∶ΔNO2--N∶ΔNO3--N的化學計量比傾向但始終未達到1∶1.32∶0.26. 2者的NH4+-N去除相對NO2--N更快，其可能的額外去除路線分別為a-MFC陽極失電子氨氧化，b-MFC陰極形成NH3分子隨N2逸出. SEM掃描結果說明a、b-MFC在電耦合前后，AnAOB和乙酸鹽降解菌在表面上保持各自表觀形態特征.
