α-MnO2-MEC 系统：开启氨氮废水处理的新征程

为解决 NH4+与阳极间的电极排斥问题，研究人员开展了 α-MnO2耦合微生物电解池（α-MnO2-MEC）系统研究。结果显示该系统脱氮效果显著，这为氨氮废水处理提供了新策略，优化了电化学 - 微生物耦合脱氮。

　　

氨氮（NH₄⁺-N）污染就像水环境中的一颗 “定时炸弹”，它会悄无声息地引发封闭水体（如湖泊、水库）的富营养化，对全球水环境造成严重破坏。想象一下，原本清澈的湖水变得浑浊不堪，散发着难闻的气味，水生生物大量死亡，这就是氨氮污染带来的恶果。而去除污水中的氨氮，是控制水体富营养化、保障饮用水安全的关键，因此，开发高效低耗的新型脱氮技术迫在眉睫。

传统的微生物脱氮途径主要包括硝化反硝化和厌氧氨氧化（Anammox） ，但这些方法存在一些局限性，比如运行成本高、效率有限，还需要有机碳源。近年来，由金属氧化物介导的自养脱氮过程受到广泛关注，其中锰氧化物（MnOx）因其丰富的储量和更负的吉布斯自由能，在微生物代谢中具有很大的应用潜力。MnOx 可以作为电子受体，与微生物协同将氨氮氧化为氮气（N₂）、硝酸根（NO₃^?-N）和亚硝酸根（NO₂^?-N） ，同时产生锰离子（Mn (II)）；Mn (II) 又能作为电子供体参与自养脱氮，实现总氮（TN）的完全去除。然而，MnOx 通常以难溶的矿物固体形式存在，微生物与 α-MnO₂的接触面积小，限制了细胞外电子转移（EET） ，而且反应产生的金属离子副产物还会对环境和微生物造成负面影响。另外，微生物电解池（MEC）在废水处理领域备受关注，虽然外加电场能加速生化反应，但 NH₄⁺与阳极之间的静电排斥会降低氨氮的去除效率。

为了解决这些难题，来自未知研究机构的研究人员开展了一项研究，他们将合成的具有优异吸附性能的 α-MnO₂材料应用于单室 α-MnO₂耦合微生物电解池系统（α-MnO₂-MEC）。研究成果发表在《Bioresource Technology》上，这一研究为氨氮废水处理提供了新的方向，意义重大。

研究人员在开展研究时，用到了几个主要关键技术方法。首先是材料合成技术，通过将 KMnO₄和 MnSO₄·H₂O 按特定比例溶解在超纯水中，在 140°C 的水热条件下反应 12 小时，制备出 α-MnO₂材料。其次是材料表征技术，利用扫描电子显微镜（SEM）观察 α-MnO₂的表面形貌，用 X 射线衍射仪（XRD）分析其晶体结构。另外，还采用了 16S rRNA 基因测序技术，对参与氨氮去除的微生物群落进行分析。

研究结果

1. α-MnO₂的吸附性能：研究人员制备的 α-MnO₂材料对 NH₄⁺-N 的平衡吸附容量为 10.6 mg?g^?1 ，这一结果表明 α-MnO₂对氨氮具有良好的吸附能力，为后续提高系统脱氮效率奠定了基础。
2. 不同系统脱氮效率对比：通过对比不同 Mnammox NDMO 系统的脱氮效率发现，α-MnO₂-MEC 反应器在 20 小时内总氮去除率达到 95.8%，NH₄⁺氧化效率为 100% ，分别比 α-MnO₂反应器和 MEC 反应器高出 78.7% 和 47.8% 。这充分证明了 α-MnO₂-MEC 系统在脱氮方面的优势。
3. α-MnO₂-MEC 系统的脱氮过程和 Mn (II)/Mn (Ⅳ) 循环机制：在 α-MnO₂-MEC 反应器中，实现了 Mn (II)/α-MnO₂循环，避免了 Mn (II) 的流失。这一循环机制有助于维持系统的稳定运行，持续高效地去除氨氮。
4. 微生物群落分析：利用 16S rRNA 基因测序技术，研究人员确定了参与氨氮去除的关键微生物属，包括 Candidatus_Brocadia、SC-I-84 和 Thauera。这些微生物在 α-MnO₂-MEC 系统的脱氮过程中发挥着重要作用。

研究结论与讨论

研究人员成功制备了 α-MnO₂材料，并将其与 MEC 系统相结合，显著提高了 α-MnO₂和外加电压对氨氮去除的协同效应。α-MnO₂对 NH₄⁺-N 的吸附迁移改善了微生物与电极之间的电子转移，使得 α-MnO₂-MEC 反应器在 0.8 V 外加电压下，20 小时内实现了 NH₄⁺-N 的完全去除和 95.8% 的总氮去除率，有效解决了氨氮废水处理难题。

该研究为氨氮废水处理提供了一种全新的策略，展示了 α-MnO₂-MEC 系统在实际应用中的巨大潜力。同时，确定的关键微生物属为进一步优化电化学 - 微生物耦合脱氮工艺提供了理论依据。不过，该研究也存在一些局限性，比如反应产生的金属离子副产物对环境的长期影响还需要进一步研究，系统的长期稳定性和实际应用成本也有待优化。未来的研究可以朝着解决这些问题的方向展开，进一步推动氨氮废水处理技术的发展。