Effect of Temperature on Nitrogen Removal and Electricity Generation of a Dual-Chamber Microbial Fuel Cell

溫度對(duì)雙室微生物燃料電池脫氮和發(fā)電的影響

來源：Water Air Soil Pollut (2018) 229:244

 

一、摘要核心內(nèi)容

摘要指出，本研究通過雙室微生物燃料電池（MFC）探究溫度（25–45°C）對(duì)污染物去除（COD、銨態(tài)氮、總氮）、N?O生成及產(chǎn)電性能的影響。結(jié)果表明，35°C為最優(yōu)溫度，此時(shí)COD、NH??和TN去除率分別達(dá)73.98%、99.24%和8.28%，N?O濃度最高（4.27 mg/L），最大功率密度和庫侖效率分別為0.54 W/m3和8.12%。研究強(qiáng)調(diào)MFC在溫帶地區(qū)同步實(shí)現(xiàn)廢水處理與能源回收的潛力，并通過微生物群落分析揭示陰極區(qū)存在多種氮轉(zhuǎn)化路徑（如好氧硝化、自養(yǎng)/異養(yǎng)反硝化）。

二、研究目的

 

明確溫度對(duì)MFC中氮去除效率、N?O生成及產(chǎn)電性能的影響機(jī)制，確定最優(yōu)操作溫度。

通過微生物群落分析，揭示陰極區(qū)氮轉(zhuǎn)化功能菌的分布與溫度關(guān)聯(lián)性，為MFC優(yōu)化提供理論依據(jù)。

 

評(píng)估MFC在實(shí)際廢水處理中同步能源回收的可行性，重點(diǎn)關(guān)注溫室氣體N?O的控制。

 

三、研究思路

 

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：構(gòu)建雙室MFC（陽極降解COD，陰極同步硝化-反硝化），使用質(zhì)子交換膜分隔反應(yīng)室（圖1）。陰極負(fù)載Fe/MnO?催化劑，陽極和陰極均為碳?xì)蛛姌O。

 

溫度梯度實(shí)驗(yàn)：在25°C啟動(dòng)后，以5°C為間隔升溫至45°C，每組溫度穩(wěn)定運(yùn)行后測(cè)量參數(shù)（HRT=40 h）。

數(shù)據(jù)采集：

 

污染物去除：檢測(cè)COD、NH??、NO??、NO??、TN濃度（標(biāo)準(zhǔn)方法5220）；N?O濃度使用丹麥Unisense微電極測(cè)量。

電化學(xué)性能：記錄電壓、電極電位、功率密度、電流密度、庫侖效率（通過變阻掃描和歐姆定律計(jì)算）。

 

微生物分析：45°C運(yùn)行后，刮取陰極生物膜進(jìn)行高通量測(cè)序（門、屬水平分類）。

 

機(jī)制分析：結(jié)合污染物去除效率、電化學(xué)數(shù)據(jù)與微生物群落結(jié)構(gòu)，解析溫度對(duì)氮轉(zhuǎn)化路徑及電子傳遞效率的影響。

 

四、測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

1. 污染物去除與N?O生成（數(shù)據(jù)來源：表1）

 

數(shù)據(jù)：35°C時(shí)TN去除率峰值（8.28±0.45%），N?O濃度最高（4.27±0.11 mg/L）；高溫（>35°C）下NO??積累（231.96 mg/L at 45°C），NO??濃度下降。

 

研究意義：溫度通過調(diào)控氨氧化菌（AOB）和亞硝酸鹽氧化菌（NOB）活性影響氮轉(zhuǎn)化路徑——NOB在高溫下受抑制導(dǎo)致亞硝酸鹽積累，進(jìn)而促進(jìn)N?O生成（因N?O還原酶受抑制）。數(shù)據(jù)凸顯溫度優(yōu)化對(duì)減少溫室氣體排放的重要性。

 

2. 電化學(xué)性能（數(shù)據(jù)來源：圖2、圖3、圖4、圖5）

 

 

 

 

電壓穩(wěn)定性（圖2）：35°C時(shí)電壓最高（190 mV），45°C下電壓波動(dòng)大（120 mV），因產(chǎn)電菌（中溫菌）活性受高溫抑制。

功率密度與電流密度（圖3）：35°C時(shí)峰值（0.54 W/m3, 6.51 A/m3），證實(shí)產(chǎn)電菌最適溫度為中溫范圍。

電極電位（圖4）：35°C時(shí)陰-陽極電位差最大，支持高效電子傳遞。

庫侖效率（圖5）：35°C時(shí)達(dá)8.12±0.04%，高溫下非產(chǎn)電菌（如甲烷菌）競(jìng)爭底物導(dǎo)致效率下降。

 

研究意義：電化學(xué)數(shù)據(jù)直接關(guān)聯(lián)微生物活性，證明35°C是平衡產(chǎn)電與代謝活性的關(guān)鍵點(diǎn)。

 

3. 微生物群落結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)來源：圖8）

 

數(shù)據(jù)：陰極生物膜以變形菌門（76.83%）為主，關(guān)鍵屬包括硝化單胞菌（Nitrosomonas, 18.19%）、紅假單胞菌（Rhodopseudomonas, 5.55%）等，涵蓋好氧硝化、自養(yǎng)反硝化等功能菌。

 

研究意義：群落多樣性解釋低溫/高溫下TN去除率低的原因——嗜溫反硝化菌（如Comamonas）在35°C活性最高，支持同步硝化-反硝化路徑。

 

五、研究結(jié)論

 

溫度顯著影響MFC綜合性能：35°C為最優(yōu)溫度，兼顧高效污染物去除（COD 73.98%, TN 8.28%）和最大產(chǎn)電輸出（功率密度0.54 W/m3）。

N?O排放需嚴(yán)格控制：35°C時(shí)N?O濃度峰值（4.27 mg/L）與反硝化酶活性受抑相關(guān)，優(yōu)化溫度可降低溫室氣體風(fēng)險(xiǎn)。

微生物驅(qū)動(dòng)機(jī)制：陰極群落通過多種路徑（好氧硝化、異養(yǎng)反硝化等）實(shí)現(xiàn)氮去除，溫度通過調(diào)控功能菌豐度決定最終效率。

 

應(yīng)用前景：MFC在溫帶地區(qū)廢水處理中具潛力，但需進(jìn)一步優(yōu)化操作條件以提升氮去除率及能源回收效率。

 

六、丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

1. 測(cè)量原理與操作

 

技術(shù)原理：Unisense微電極基于電化學(xué)傳感器技術(shù)，通過N?O分子擴(kuò)散至電極表面發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生電流信號(hào)，檢測(cè)限達(dá)納摩爾級(jí)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液相中N?O濃度。

 

操作條件：電極預(yù)先校準(zhǔn)，直接浸入陰極液相測(cè)量，避免頂空氣體采樣誤差（方法部分描述）。

 

2. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)與意義

 

精準(zhǔn)量化N?O動(dòng)態(tài)：數(shù)據(jù)明確顯示N?O濃度在35°C時(shí)峰值（4.27 mg/L，表1），且與TN去除趨勢(shì)一致（圖5結(jié)合表1）。

揭示機(jī)制關(guān)聯(lián)：Unisense數(shù)據(jù)驗(yàn)證高溫下亞硝酸鹽積累（NO??從44.05 mg/L升至231.96 mg/L）抑制N?O還原酶活性，導(dǎo)致反硝化終產(chǎn)物以N?O為主（討論部分引用Zhou et al. 2008）。

 

環(huán)境評(píng)估價(jià)值：為MFC技術(shù)提供關(guān)鍵溫室氣體排放因子，支撐其環(huán)境可持續(xù)性評(píng)價(jià)——通過溫度控制可將N?O排放最小化（如40°C時(shí)N?O降至2.32 mg/L）。

 

3. 研究意義拓展

Unisense電極的高時(shí)空分辨率彌補(bǔ)了傳統(tǒng)GC僅能檢測(cè)氣相的缺陷，精準(zhǔn)捕捉液相中N?O的“隱藏排放”。該數(shù)據(jù)不僅證實(shí)溫度對(duì)反硝化路徑的調(diào)控作用，還為未來MFC工藝優(yōu)化（如分段溫度控制、酶活性調(diào)控）提供了直接依據(jù)，助力降低碳足跡。在低電流密度系統(tǒng)（如MFC）中，Unisense的微量檢測(cè)能力是評(píng)估真實(shí)環(huán)境影響的不可替代工具。

總結(jié)

本研究通過多維度數(shù)據(jù)證實(shí)溫度是MFC性能的核心調(diào)控因子，而Unisense電極的N?O監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了關(guān)鍵支撐。未來需結(jié)合微生物工程與工藝優(yōu)化，進(jìn)一步提升MFC在實(shí)際廢水處理中的可行性。