在三室微生物燃料电池中，利用双电极组件提高阳极异养反硝化过程中的库仑效率和功率输出

《Journal of Water Process Engineering》：Enhancing the coulombic efficiency and power output during anodic heterotrophic denitrification using dual electrode assembly in a three chambered microbial fuel cell

微生物燃料电池三室反应器（T-MFC）通过双电极设计优化电子传递路径，显著提升高浓度硝酸盐（250-600 mg/L）废水处理效率，电流密度达2690 μA，功率密度167-239 mW/m2，电流效率提高17-26%。研究表明多电极结构降低内阻，促进变形菌等产电菌群增殖，协同提高电子回收与硝酸盐去除率。

　　在当今环境问题日益严峻的背景下，硝酸盐（NO??）污染已成为全球关注的重要议题。硝酸盐污染主要来源于工业和核电站未经处理的废水排放、动物排泄物、农业径流以及人类生活污水的处理过程。由于硝酸盐在水体中积累可能对生态系统和人类健康造成严重影响，例如导致婴儿出现“蓝婴综合征”、增加胃癌和甲状腺疾病的风险，甚至对动物健康产生不利影响，因此，如何有效去除硝酸盐并实现资源回收，成为环境工程领域亟待解决的问题。

传统的硝酸盐去除方法，如物理吸附、电渗析、离子交换和反渗透等，虽然在一定程度上能够实现硝酸盐的去除，但这些方法通常伴随着较高的能耗和成本，且容易产生高浓度的硝酸盐废料，需要进一步处理。相比之下，生物处理方法因其较低的运营成本和环境友好性而备受青睐。生物处理中，硝酸盐可以通过自养或异养反硝化过程被完全还原为氮气（N?），其中异养反硝化因其较高的反应速率而被认为更适合处理高浓度硝酸盐废水。

然而，异养反硝化过程在微生物燃料电池（MFC）中的应用面临诸多挑战。MFC作为一种将有机物氧化产生的电子转化为电能的生物技术，其核心在于微生物与电极之间的电子传递。在异养反硝化模式下，硝酸盐可以在阳极和阴极室中被去除，但阴极室中有机物的存在会降低电极间的电位差，从而影响电能输出。此外，阳极室中化学需氧量（COD）与硝酸盐的比值（C/N）对MFC的性能至关重要，因为这一比值直接影响了外源电子供体（exoelectrogens）和反硝化菌（denitrifiers）的协同作用。当C/N比值过低时，外源电子供体的代谢活动受到抑制，导致电流生成减少；而当C/N比值过高时，外源电子供体则会占据主导地位，从而降低反硝化效率。

为了解决上述问题，研究者们开始探索将异养反硝化与电能生成相结合的新技术。其中，三室MFC（T-MFC）作为一种新型反应器配置，因其能够提供多个电子传递路径而受到关注。这种设计不仅有助于提高电子回收率，还能有效减少内部损耗，从而提升电能输出。此外，T-MFC通过引入双阳极和双阴极的结构，能够在不同区域实现更高效的微生物-电极相互作用，同时优化了底物的扩散过程，避免了电压反转现象的发生。

在本研究中，我们构建了一种三室MFC反应器，该反应器采用聚丙烯酸酯板作为反应器主体，具有280/300 mL的工作体积。阳极室与阴极室之间通过阳离子交换膜（CEM）进行分隔，以防止离子的直接扩散。阳极室中使用了铂涂层钛丝与石墨毡结合的双电极结构，每块电极的投影面积为27 cm2。在反应器启动阶段，首先在开路条件下运行两周，以确保系统达到稳定的开放电路电压。随后，将反应器连接到外部电阻（1000 Ω）进行闭路运行，以评估其在不同操作条件下的电化学性能。

实验结果显示，在硝酸盐浓度为250–600 mg/L的范围内，T-MFC能够实现显著的电流生成和功率密度提升，分别达到1750–2690 μA和167–239 mW/m2。同时，库仑效率（CE）也从15%提升至26%，表明该反应器在电子回收方面具有明显优势。这一性能的提升主要归因于T-MFC中多个电子传递路径的设计，这不仅促进了微生物与电极之间的有效相互作用，还增强了底物氧化过程中的能量获取，同时引入了种间电子传递现象，进一步提高了系统的整体效率。

进一步的微生物群落分析表明，随着硝酸盐浓度的增加，反硝化兼性微生物门类Proteobacteria的丰度显著提高，从39%增加到80%。这一变化表明，T-MFC的结构设计能够促进特定微生物群落的富集，从而增强其在硝酸盐去除过程中的作用。此外，通过电化学分析，我们还观察到系统在不同操作条件下的氧化还原行为和内部电阻变化，进一步验证了T-MFC在硝酸盐去除和电能生成方面的协同效应。

在实际应用中，T-MFC的设计不仅提高了系统的处理能力，还优化了反应器的运行效率。通过引入双电极结构，该反应器能够在高硝酸盐浓度下保持较高的电流输出和功率密度，同时减少因内部损耗而导致的能量浪费。这种设计还避免了传统双室MFC在扩大规模时可能出现的氧气渗透和水流泄漏问题，从而提高了系统的稳定性和可持续性。

此外，T-MFC在处理高浓度硝酸盐废水时表现出良好的适应性。实验表明，在C/N比值为8的情况下，T-MFC能够实现最优的硝酸盐去除率和电能输出。这一结果表明，通过合理设计反应器的结构和操作条件，可以有效促进反硝化菌和外源电子供体的协同作用，从而提高系统的整体性能。这种协同作用不仅有助于提高硝酸盐的去除效率，还能通过增强电子传递速率来提升电能的生成能力。

从生态和经济的角度来看，T-MFC的引入为硝酸盐污染治理提供了一种新的思路。该反应器能够在去除硝酸盐的同时实现电能回收，从而减少对传统能源的依赖，降低运行成本。这种双重功能使得T-MFC在处理高浓度硝酸盐废水时具有显著的优势，特别是在水资源短缺和能源需求日益增长的背景下，T-MFC的可持续性和高效性显得尤为重要。

值得注意的是，本研究不仅关注了T-MFC的性能提升，还对其内部机制进行了深入探讨。通过分析不同硝酸盐浓度下的电化学行为和微生物群落变化，我们发现T-MFC的多个电子传递路径能够有效减少内部电阻，提高电子回收率。同时，这种设计还促进了微生物之间的种间电子传递，增强了系统的整体代谢活性。这些发现为未来开发更高效的多电极反应器提供了重要的理论依据和技术支持。

在实际应用中，T-MFC的推广和优化仍需进一步研究。例如，如何在不同水质条件下保持系统的稳定运行，如何提高电极材料的性能以适应更高的电流需求，以及如何优化反应器的结构设计以实现更高效的电子传递，都是未来研究的重要方向。此外，T-MFC在实际工程中的应用还需要考虑其经济性和可扩展性，以确保其能够在大规模污水处理系统中得到有效应用。

综上所述，T-MFC作为一种新型的反应器配置，展示了在硝酸盐去除和电能生成方面的巨大潜力。其设计通过引入多个电子传递路径，有效提高了系统的电子回收率和电能输出，同时减少了内部损耗，促进了微生物的协同作用。这些优势不仅有助于解决当前硝酸盐污染治理中的技术难题，还为未来可持续污水处理技术的发展提供了新的思路和方法。