Page 201 - 《精细化工》2022年第1期

第 1 期 刘远峰，等: 微生物燃料电池处理丙酮和氨氮废水及同步产电性能 ·191·

为了进一步探究阴极中氨氮的去除路径，直接
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在阴极室中加入 NO 3 ，探究了 NO 3 在 MFC 开路及
闭路条件下的浓度变化，结果如图 4b 所示。在 MFC
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开路时加入的 NO 3 质量浓度为 264.38 mg/L，经过 48 h
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后阴极液中 NO 3 的质量浓度变为 153.15 mg/L；在
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MFC 闭路时加入 NO 3 质量浓度为 280.15 mg/L，经
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过 48 h 后阴极液中 NO 3 的质量浓度变为 139.1 mg/L。
结果表明，当 MFC 开路时，阳极产生的电子无法通
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过外电路传递到阴极，因而阴极中的 NO 3 无法进行
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还原去除，阴极中 NO 3 浓度的降低只能通过扩散到
达阳极，在反硝化细菌的作用下转换成 N 2 。当 MFC
闭路后，阳极产生的电子可通过外电路到达阴极，
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与阴极中的 NO 3 发生还原反应，将 NO 3 转换为 N 2 。
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闭路条件下 MFC 对 NO 3 的去除效果明显高于开路
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条件，说明阴极中 NO 3 的去除主要通过阴极还原及
阳极反硝化过程去除。在 48 h 时，闭路条件下阴极
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中并未检测出 NO 2 ，说明 MFC 闭路时，NO 3 可能全
部还原为 N 2 。

2.5 微生物微观形貌分析
图 4 不同丙酮质量浓度下 MFC 对氨氮、COD 及丙酮去 测试结束后，分别对阳极及阴极表面的微生物
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除率（a）；MFC 开路及闭路条件下 NO 3 质量浓度
的变化（b） 形貌进行观察，如图 5 所示。由图 5a 可以看出，未
Fig. 4 Removal rates of ammonia nitrogen, COD and 负载微生物时，碳毡表面非常光滑，负载微生物后，
acetone by MFC at different acetone mass 碳毡纤维表面被微生物完全包覆，微生物之间基本
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concentrations (a); Variation of NO 3 concentration
under open and closed MFC conditions (b) 没有孔隙，说明阳极表面微生物浓度较高，这些微
生物是代谢有机物及产电的主要来源。由图 5b 可以
由图 4a 可以看出，氨氮去除率及 COD 去除率
随着丙酮质量浓度的升高先增加后减小，当丙酮质 看出，碳布表面被好氧微生物包覆，但微生物之间
存在孔隙，可能是由于阴极曝气的原因，使得污泥
量浓度为 300 mg/L 时，对应的氨氮及阳极 COD 去
多以小颗粒形貌存在，污泥絮体蓬松。采用高通量
除效果最佳，去除率分别为 73.7%和 71.4%，而丙
测序技术分析了阳极及阴极表面的微生物种类，结
酮质量浓度为 700 mg/L 时，氨氮及阳极 COD 的去
果如图 5c~e 所示。由图 5c 可以看出，阳极上的优
除率分别下降至 51.6%、64.3%。氨氮去除率下降的
原因是由于高质量浓度的丙酮抑制了硝化细菌的活 势菌主要隶属于变形菌、拟杆菌门及厚壁菌门，研
究证实，目前，已分离获得的产电微生物多集中在
性，使得氨氮的转换效率变低，因而氨氮去除率下
这几种门级上 [24] 。阴极上的微生物在门级上的组成
降，而高质量浓度丙酮环境下，阳极 COD 去除率下
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降的原因可能是阳极中较低浓度的 NO 3 抑制了反硝 如图 5d 所示，发现优势微生物主要集中在拟杆菌
门、放线菌门、变形菌门及酸杆菌门，隶属于这些
化过程，由于反硝化过程同样需要消耗碳源，因而
阳极室中的有机物存在过剩现象，使得阳极 COD 去 门级中的微生物起到降解丙酮、转换氨氮的作用。
除率下降。此外，尽管产电微生物会代谢有机物产 由图 5e 可 以看出，阳极上的优势菌主要为
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生电子和质子，但由于阴极中电子受体 NO 3 浓度较 Comamonas、Acetoanaerobium、Stenotrophomonas，
低，同样会限制阳极反应，导致产电微生物对有机 此外还有一些占比较高的微生物未被分类，还需要
物的利用率下降。不同质量浓度下，丙酮的去除率 进一步鉴定。刘茹等 [25] 在 MFC 阳极中同样发现了
均在 96%以上，说明了 MFC 对丙酮具有较好的去 Comamonas，证实其具有产电性能。赵欣等 [26] 利用
除效果，其测试结果与 MFC 处理苯酚及农药有机物 单室 MFC 除镍，发现了产电微生物 Acetoanaerobium。
类似，如用双室 MFC 降解苯酚及氨氮废水苯酚的去 蒋青青等 [27] 在探究不同污泥接种物对 MFC 菌群形
除率高达 99%以上 [22] ；用双室 MFC 去除农药中的 成的影响研究中证实了电化学活性细 菌
2,4-二氯苯氧乙酸，同时添加乙酸钠作为微生物共同 Stenotrophomonas 在生物电化学系统中占据重要位
碳源，当运行时间足够长可实现 2,4-二氯苯氧乙酸 置。阴极上的优势菌隶属于 Rhodococcus、Aridibacter、
的完全去除 [23] 。 Thauera、Ignavibacterium。据报道，这些优势菌广