暴露空气阴极单室微生物燃料电池构建及其在污水处理中的应用

我国经济与环境的不协调发展，水污染持续恶化，环境压力持续加大。城市污水处理提标改造工作正积极展开，但是目前我国城市污水普遍存在低COD/N比问题造成了处理难度日益增加，特别是在现有工艺处理后的废水碳氮比更低，造成后续反硝化大量缺乏电子，脱氮更难。因此，反硝化过程电子供体不足已经严重制约着污水处理提标进度。为了解决这一问题，开发针对低COD/N比废水的可持续高效脱氮工艺是十分必要的。本研究的核心是筛选可自养异养生长的脱氮微生物，构建低成本微生物燃料电池（MFCs）系统处理低COD/N比含氮废水。在MFCs中，可将传统的生物脱氮过程分置于两个不同的区域进行，其中有机物通过阳极微生物氧化降解释放电子，然后通过外电路将电子传递至阴极，阴极的微生物完成还原反应，将传来的电子用于反硝化脱氮。但是目前传统的脱氮过程一般都是经过好氧硝化后，额外添加碳源或回流前端完成反硝化，不经济且效果差；而在现有MFCs中则多以异位好氧硝化后泵入阴极进行反硝化，未能考虑利用污水现存的有机物作为反硝化的能源，仍需能量投入。实验通过生物电化学的方法，构建微生物燃料电池，在空气阴极条件下，接种筛选富集的混合菌群（主要优势菌为陶厄氏菌Thauera sp.），阳极发生有机物氧化，阴极完成同时硝化反硝化。该技术可充分利用废水中的化学能，通过阳极氧化偶联阴极硝化反硝化的方式，基本实现自给型脱氮。具体研究结果如下：（1）以污水厂剩余污泥为接种物，好氧条件下驯化富集了具有好氧硝化反硝化脱氮功能活性污泥。当进水氨氮350 mg/L、COD 600 mg/L和溶解氧（DO）小于2.0 mg/L时，经2.2天处理水中氨氮、总氮和COD的去除率最高分别达99%、60%及92%左右，相应的氨氮和总氮最大去除负荷分别在154.55 mg/(L·d)和71.82 mg/(L·d)。高通量测序分析结果显示，该活性污泥中陶厄氏菌（Thauera sp.）相对丰度近75%，为其主要优势菌群。（2）为了考察以Thauera sp.为主的好氧活性污泥能否在燃料电池缺氧厌氧条件下生存，构建传统单室微生物燃料电池（SCMFC）并驯化电极生物膜，在不同进水氨氮浓度、COD/N比、缓冲液浓度及外加电阻条件下进行废水同步处理产电影响研究。经过半年的启动驯化，成功实现了好氧脱氮功能污泥为接种物的SCMFC的运行。当进水氨氮125~145 mg/L、COD 230~260 mg/L（COD/N比在1.58~2.08）时，单周期内NH4+-N、TN和COD的最大去除率分别在95%、87%和95%左右。相对应的最大输出电压约为550 mV，开路电压约620mV，最大输出功率密度约为1.40W/m2，库伦效率在60~70%。微生物菌群高通量测序分析结果表明，Thauera sp.在阴阳两极表面都是优势菌群，证实了该菌可在厌氧和缺氧条件下生长，此外发现在阴极内侧生物膜上有明显的Nitrosomonas sp.富集。可见阴极虽无明显电化学活性峰，但同样具有生物硝化功能。（3）进一步考察不同因素条件下对传统SCMFC同步脱氮产电影响发现：当进水氨氮浓度增加时，SCMFC的脱氮效率呈现先上升后下降的趋势，这可能与该传统单室构型及有限的阴极表面积使得氧传递速率受限从而影响硝化有关；产电方面，氨氮在一定范围内能对其无太大影响。结果表明：随着COD/N比值的下降，脱氮效果变差，可能与游离氨（FA）抑制、以及其用于脱氮的电子供体不足有关。此外，外加电阻、缓冲液浓度高低对反应器产电影响较大，而对脱氮影响相对较小。但值得注意的是，在实验中外电路负载对于脱氮过程影响明显，排除了FA影响，可能与其影响参与阴极反应的电流大小有关。（4）为了简化装置结构，克服传统SCMFC膜承压问题，降低成本便于实际应用，探索采用暴露空气型生物阴极无膜SCMFC（AEB-SCMFC）处理含氮废水的可行性及其规律，实验期间对进出水水质进行监测，同时通过高通量测序分析其间微生物菌群结构并对生物膜进行扫描电镜（SEM）分析。结果表明：在阴极暴露空气比例95%左右，进水氨氮130~140 mg/L、COD为240~260 mg/L时，AEB-SCMFC具有良好的同步脱氮产电性能，氨氮与总氮去除效率均在95%以上，输出平台电压在430mV左右，最大功率密度超过100 mW/m3。实验还证实了反应器高效脱氮性能与生物电化学脱氮过程有关。此外，SEM结果显示阴阳两极附着有大量短杆和球形微生物，特别是暴露空气阴极（AEB）上也有相当多的微生物。菌群高通量测序分析揭示证实了不同位置生物膜中Thauera sp.仍占据优势地位，相对丰度均大于40%；而随着AEB与空气的接触及营养物的变化，Nitrosomonas，Alishewanella 和Arcobacter也得以驯化富集生长。不同电极菌群结构分析比较发现：阳极微生物数量及多样性要优于阴极；阳极主要优势菌属有Thauera，Flavobacterium，Alishewanella和Pseudomona等组成；而阴极则为Thauera，Nitrosomonas, Arcobacter，Rheinheimera和Alishewanella等。（5）为了进一步考察该技术在实际生活污水处理中可行性。以碳基材料制作三维电极（3D electrodes），构建基于暴露空气生物阴极的微生物电化学滤床反应器（UBEFR）并对实际生活污水进行处理。在无曝气、连续流运行条件下，考察不同停留时间（HRT）、不同材料（碳毡、活性炭颗粒）对于生物膜生长、反应器运行效能的影响。在近140天运行过程中，进水pH、DO、氨氮和COD分别在7.4~7.8、0~0.2 mg/L、50~70 mg/L和180~300 mg/L，随着HRT的增加UBEFR出水氮氮、总氮和COD的去除率呈显著增加，最大去除率分别99%、95%和90%以上。可见，在适当的水力条件下UBEFR可实现生活污水的高效去除，脱氮负荷最高达0.048 kgN/(L·d)，但是由于实际水质情况复杂，其产电情况不是很理想。对不同HRT条件下阴阳极生物膜中微生物群落结构分析发现：接种的优势菌群Thauera sp.在连续运行过程中随着污水中的土著微生物对其持续冲击，造成其优势明显下降；而一些在污水中的良好脱氮功能的微生物逐渐富集，如Ignavibacterium、Dokdonella、Gemmatimonas、Nitrosomonas、Geminicoccus等。此外，该过程中未检测到厌氧氨氧化菌群，排除了厌氧氨氧化的可能。（6）最后，对比不同电极材料UBEFR处理生活污水产电，发现不同反应器均可完成生活污水脱氮，但是有机物去除效果不太理想，导致了产电性能较差。菌群分析结果表明在该型反应器主要是以异养和自养菌共生的系统，其中阳极上的Hydrogenophaga、Sediminibacterium、Azoarus、Methyloversatilis丰度高于对应阴极的，而Ignavibacterium、Thauera、Nitrosomonas、Ohtaekwangia和Arcobacter在阴极上高于相应阳极的。材料之间对比发现以碳毡为填料的反应器生物生长好于活性炭颗粒为填料的反应器。综上所述，本文通过接种筛选的以陶厄氏菌（Thauera sp.）为优势的特异性脱氮混合菌群，并构建以暴露空气生物阴极微生物燃料电池系统，成功实现了在非曝气条件下生活污水脱氮除碳及产电。在单室、缺少隔膜情况下，污水与阴阳极同时接触，阳极氧化污水中的有机污染物产生电子并通过外电路传至阴极，阴极暴露空气可以有效实现氧还原，同时暴露空气阴极上富集好氧硝化菌，产生硝酸盐氮也可用作电子受体，实现同步脱氮和产电。但对于具体电极生物反应过程、电子传递机制需要进一步研究。总之，本研究为今后污水处理的低成本化、可持续化提供了重要参考

Identi fication and Herbivory Characteristics of Naegleria sp. TH8

从太湖水样品中筛选分离到一株能吞噬水华鱼腥藻的原生动物TH8,经形态学及ITS rRNA序列分析鉴定为纳氏属变形虫(Naegleria sp.).显微观察显示变形虫TH8呈蛞蝓状,用透明半球形单伪足爆破前进,有运动滋养体、包囊和鞭毛体3个形态.变形虫TH8能在10~30℃生长并具有食藻活性,但在37℃或灭菌后的水华鱼腥藻中均不能生长.在新鲜水华鱼腥藻中25℃下指数期生长速率达到1.68 cell d-1.食藻特性研究表明,该变形虫在水华鱼腥藻生长的对数初期、对数后期和稳定期的吞食效果优于对数中期.水华鱼腥藻Chl a下降程度与变形虫初始浓度有关. 更多还

Nitrogen removal from wastewater using the bioelectrochemical technology: a review

生物电化学系统(BES)因兼有污染物去除与能量回收等优点,近年来已成为环境污染治理领域的关注热点.对生物电化学技术在脱氮方面的基本原理、含氮污染物的转化途径进行综述,主要的生物脱氮过程包括阴极反硝化、阳极氨氧化以及阴极同步硝化反硝化等,而非生物脱氮过程包括NH_3/NH_4~+的跨膜转移、氨气逃逸等.总结已报道的BES中主要脱氮微生物及其脱氮机制,BES中多数反硝化菌属于变形菌门(Proteobacteria);硝化细菌主要是亚硝化菌属(Nitrosomonas)和硝化杆菌属(Nitrobacter);在同步硝化反硝化过程中,电极上的硝化、反硝化菌有明显的分层现象.最后阐述了生物电化学脱氮技术在生活污水、渗滤液、地下水处理等领域的最新应用研究,通过改变反应器构型以及运行模式等条件构建不同BES处理各类污水,以达到去除污染物同时回收电能或资源的目的.基于目前BES的优势,认为减少脱氮中间产物(NO_2~-- N、N_2O)的积累及扩大BES规模对电能输出和污染物去除效果的影响将是未来的研究方向

一种微生物电化学原位沼气脱硫的方法

本发明涉及一种微生物电化学原位沼气脱硫的方法，通过阳极电化学功能微生物催化氧化硫化氢生成硫酸盐，阻止硫化氢释放到沼气中，完成沼气原位脱硫，提高沼气中甲烷纯度；同时，通过利用硫化物氧化释放的电子和H+用于阴极固定二氧化碳合成甲烷，降低沼气中二氧化碳浓度，实现同步原位脱硫与沼气提纯

Organic wastewater treatment and methane production in a continuousflflow microbial electrolysis cell

为进一步提高有机废水的厌氧处理效率,同时实现能源物质的回收,采用微生物电解池并结合连续流工艺处理有机废水并同步回收甲烷,系统地研究不同水力停留时间、有机负荷、外加电压对微生物电解池内基质浓度的降解、甲烷生产速率等方面的影响.结果表明,在同一有机负荷下,随着外加电压(0.6 V,1.0 V,1.2 V)的升高,微生物电解池COD的去除效率和甲烷生产率也同时提高.在进水COD浓度为1 178 mg L-1、水力停留时间为8 h、外加电压为1.2V的条件下,其COD去除率、甲烷浓度、甲烷产生速率分别为97.7%、96%、1 071 m L L-1 d-1,较普通厌氧发酵(对照组)分别提高了31.5%、13.6%、123%;当进水COD浓度为4 812 mg L-1、水力停留时间为20 h、外加电压为1.2 V时,甲烷的产生速率达1 888 m L L-1 d-1,达理论产率的98.0%,而此条件下对照组甲烷产生速率仅为理论值的64.9%.说明连续流微生物电解池能够明显提高有机废水的处理效率,并实现处理过程中稳定回收甲烷的目的.高通量分析结果显示:微生物电解池阳极碳毡优势菌群为methanogens与Geobacter sp.,其丰度分别占总菌群的53.3%和7.5%,而对照组碳毡相应丰度仅为25.2%和0.7%.此外,研究发现有机负荷与电解池能量的消耗呈负相关,当外加电压为0.6 V时,有机负荷由3.5 kg m-3d-1提升至5.7 kg m-3d-1时,电解池能量消耗降低了79.3%.据此认为,通过优化水力停留时间和外加电压来处理有机废水并同步生产甲烷是可行的

一种微生物燃料电池及其用于处理废水的方法

本发明涉及一种微生物燃料电池及其处理废水的方法，所述电池包括主反应区1、生物选择调节区2、溢流出水槽3、穿孔布水管4、生物阳极5、空气阴极6、电极支架6a、电极卡槽6b、阴阳极电极插孔密封圈7、参比电极8、PH及DO电极插孔9‑I和II、外电阻10、进水管11、监测口12、排空管13和14、出水管15；本发明的方法利用毛细作用巧妙地避免了MFC的阴极曝气，减少能耗，提高了MFC阴极氧气传质效率；可稳定高效脱氮除碳，COD的去除率可达到75～94.4％，总氮(TN)去除率42～99.9％

Microbial fuel cell with three-dimensional electrodes for domestic wastewater treatment and electricity generation

为促进微生物燃料电池(MFC)推广应用于实际,构建以填充碳毡构成的三维结构为电极的单室微生物燃料电池,用于处理生活污水同步产电.对比分析序批运行和连续运行方式对生活污水的处理效果以及MFC的产电性能.在序批实验中,5 d内化学需氧量(COD)、氨氮(NH_4~+-N)去除率分别达到91.1%和98.2%,处理结果符合城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)一级A标准;当MFC外接51 Omega电阻时最大功率密度为27.88 mW/m~3.在连续实验中,污水以稳定流速(0.2 mL/min)自反应器底部注入,形成上流式连续运行模式,其水力停留时间(HRT)为5 d,此时出水中COD保持稳定,去除率变化范围为83.2%-97.4%,NH_4~+-N浓度逐渐降低保持在9.45 mg/L以下,反应器对污水中NH_4~+-N的去除效果较好,自第11天后出水中有NO_3~--N积累,导致总氮去除率较低.连续运行方式下MFC最大功率密度为582.5 mW/m~3,约是序批方式的21倍;平稳期平均输出电压为0.087 7 V,是序批运行时的2.9倍.结果表明在连续运行方式下,由于有机物得到补充,微生物可不断利用有机物用于产电,所以连续运行方式时MFC的产电性能更好,可以改善序批方式下输出电压较低的现象.最后基于16S rRNA高通量测序分析电极上微生物群落,发现主导微生物属于Thauera sp.、Saprospiraceae-UN sp.、OPB56-UN sp.,Thauera sp.是一类能以电极为电子供体而还原NO_3~--N的脱氮微生物.因此可通过富集此类脱氮菌来降低连续运行方式下出水NO_3~--N浓度,这为改善污水处理效果提供了一种新方法

Enhanced methane production from SCFAs wastewater using single-chamber microbial electrolysis cell

传统厌氧消化基质转化慢,甲烷产率和能量回收效率较低.本研究模拟厌氧酸化产生的短链脂肪酸(SCFAs)废水,在批式条件下,利用单室无膜微生物电解池辅助厌氧消化(MEC-AD)产甲烷,考察不同外加电压(0.4 V、0.6V、0.8 V)对底物降解、甲烷产生和能量回收效率的影响.结果表明,进水化学需氧量(C OD)浓度约为7 000 mg/L时,COD的平均去除负荷由AD的(3.34±0.09)k g m-3 d~(-1)提高到MEC-AD的(6.86±0.04)kg m-3 d~(-1)(外加0.8 V),增加了1.06倍.外加电压与脂肪酸组分的降解呈正相关,即随着外加电压的升高,底物各SCFA降..

单室微生物电解池处理黄水产甲烷

为进一步挖掘酿酒副产物黄水的资源化利用空间,构建不锈钢单室微生物电解池(MEC)处理黄水并实现能源回收.以4%的黄水为基质,考察不同外加电压(0.4V、0.6V、0.8V、1.0V)对黄水处理过程中化学需氧量(COD)去除、各有机酸降解、甲烷产生及能量平衡等的影响.结果表明,当外加0.8V电压时,MEC中COD去除率达到94.90%±0.70%,较对照组(AD)的82.00%±0.70%增加了12.90%±0.74%.同时,COD去除负荷达(5.27±0.51)kgm~(-3)d~(-1),是AD(3.45±0.09)kgm~(-3)d~(-1)的1.53倍.对反应中甲烷产生速率和有机酸组分变化分析表明,当外加0.6V电压时,MEC中的甲烷产生速率为(1818.54±145.77)mLL~(-1)d~(-1),比AD(1014.88±121.44)mLL~(-1)d~(-1)增加了78.19%;当外加电压为0.8V时,MEC中的乙醇去除速率为(102.37±14.65)mgL~(-1)h~(-1),是AD组(57.31±10.45)mgL~(-1)h~(-1)的1.79倍;AD组的最高丙酸浓度高达(1436.10±84.42)mg/L,而外加1.0V电压的MEC组,其最高丙酸浓度为(845.57±76.72)mg/L,较之降低了(590.53±7.73)mg/L.当反应周期结束时,AD中残留的乙酸和丙酸浓度分别是MEC(外加0.8V电压)中的93.57和5.31倍.最后,反应器能量平衡分析的结果表明,当外加电压为1.0V时,其能量产生与净能量产生分别达到了(3.93±0.48)kWhkg~(-1)、(3.80±0.48)kWhkg~(-1),较AD组(2.92±0.37)kWhkg~(-1)分别增加了(1.01±0.12)kWhkg~(-1)、(0.88±0.12)kWhkg~(-1),且MEC均获得了较AD组更多的净能量.综上表明该MEC可有效促进黄水处理效率并回收甲烷,其最佳外加电压为0.8V