在不添加外部亚硝酸盐的情况下，通过碳颗粒和超级电容器的辅助，将阳极氨氧化过程与厌氧氨氧化（anammox）过程耦合起来，从而提高了反应效率

《Bioresource Technology》：Anodic ammonium oxidation coupling to anammox without external nitrite addition enhanced by carbon granule and supercapacitor

自主脱氮微生物电解池耦合碳颗粒阳极与超级电容器系统可高效处理低C/N氨氮废水，总氮去除负荷达27.44±4.80 mg L?1 d?1，较传统材料提升5.8倍，其机制为电驱动阳极硝化与厌氧氨氧化协同作用。

　　本研究聚焦于微生物电解池（Microbial Electrolytic Cell, MEC）技术在处理低碳氮比（C/N）的高氨氮废水中的应用。随着工业和农业活动的不断发展，氨氮污染已成为水体富营养化的重要原因之一，其治理技术也备受关注。传统的处理方式主要依赖于好氧硝化与异养反硝化相结合的过程，然而这种方法在处理低C/N比的氨氮废水时面临较大挑战。因为这类废水缺乏足够的有机物作为异养反硝化所需的电子供体，导致处理效率低下。因此，寻找一种无需外部添加硝酸盐或亚硝酸盐、且能够高效去除氮元素的替代方案成为研究热点。

微生物电解池作为一种新兴的生物电化学技术，具有广阔的应用前景。它通过利用微生物在电极表面的代谢活动，将氨氮氧化为亚硝酸盐，并在无氧条件下实现自养反硝化过程。这一机制不仅避免了传统方法中对外部硝酸盐的依赖，还提高了系统的运行效率。然而，目前MEC在实际应用中仍存在一些限制，例如在厌氧条件下，微生物与固态电极之间的电子传递效率较低，影响了系统的整体性能。因此，优化MEC的结构和运行方式，以提高其对氨氮的去除能力，成为当前研究的重要方向。

本研究采用单室微生物电解池作为实验平台，重点考察了阳极材料和供电方式对氮去除性能的影响。实验中使用了三种常见的碳基阳极材料：碳毡（Carbon Felt）、碳刷（Carbon Brush）和碳颗粒（Carbon Granule），并结合超级电容器（Supercapacitor, SC）作为供电装置。通过对比不同阳极材料和供电方式下的运行效果，研究人员发现，碳颗粒阳极与超级电容器供电的组合在氨氮（NH??-N）和总氮（TN）的去除率方面表现出显著优势。具体而言，在仅以氨氮作为电子供体的厌氧阳极系统中，该组合系统的NH??-N去除负荷达到35.31 ± 4.89 mg L?1 d?1，而TN去除负荷则为27.44 ± 4.80 mg L?1 d?1。这些数值分别比使用碳毡和碳刷阳极的系统高7倍和5.8倍，并且是直接电流（DC）供电系统的2.7倍。这表明，碳颗粒阳极与超级电容器供电的协同作用在提升氮去除效率方面具有显著潜力。

为了进一步探究这种高效氮去除的机制，研究人员对系统中的微生物群落组成和功能基因丰度进行了分析。结果显示，碳颗粒阳极系统中富集了与厌氧氨氧化（Anammox）相关的微生物，包括候选属Kuenenia、Ignavibacterium以及未分类的SJA-28和A4b类群。这些微生物在厌氧氨氧化过程中发挥关键作用，能够直接将氨氮转化为氮气，从而实现高效的氮去除。此外，研究还发现，系统中与厌氧氨氧化途径相关的功能基因，如hzs和hdh的丰度显著增加，进一步支持了该系统中厌氧氨氧化机制的主导地位。

超级电容器作为一种新型的供电方式，相较于传统的直流电源，能够更灵活地调节电极电位，从而适应微生物代谢活动的变化。在实验中，超级电容器的动态调节特性使得系统能够在不同负荷条件下保持较高的氮去除效率。与直流电源相比，超级电容器供电的MEC系统表现出更低的电流和库仑效率，但这并不影响其氮去除能力。相反，这种较低的电流和库仑效率表明，系统中的氮去除机制可能更多依赖于电化学环境的动态调控，而非单纯的电流驱动。研究人员认为，超级电容器的供电方式能够促进阳极部分的硝化反应，使微生物在厌氧条件下高效地将氨氮氧化为亚硝酸盐，随后与厌氧氨氧化过程相结合，从而实现高效的氮去除。

在实验过程中，研究人员还对不同操作条件下的氨氮氧化、反硝化和电化学特性进行了系统评估。通过批次实验和连续运行实验，他们发现，碳颗粒阳极在氨氮氧化方面表现出更高的效率，这可能与其较大的比表面积和良好的生物相容性有关。此外，超级电容器供电的系统在不同负荷条件下均能保持稳定的运行状态，显示出更强的适应性和鲁棒性。这些特性使得该系统在处理低C/N比的高氨氮废水时更具优势。

从生态和工程角度出发，本研究的创新之处在于构建了一种结合超级电容器和厌氧氨氧化的新型自养氮去除系统。这种系统不仅能够有效处理高氨氮废水，还能够在较低的能耗下实现较高的氮去除率。此外，超级电容器的动态调节特性为MEC技术的优化提供了新的思路，使得该技术在实际应用中更具可行性。研究人员通过深入分析微生物群落和功能基因的变化，揭示了氮去除机制的内在联系，为未来相关技术的开发和应用奠定了理论基础。

本研究的成果不仅对污水处理技术的发展具有重要意义，也为解决高氨氮废水处理难题提供了新的解决方案。在实际应用中，这种新型MEC系统可以用于市政污水处理厂、农业废水处理设施以及工业废水处理系统，具有广泛的应用前景。同时，研究还强调了阳极材料和供电方式在MEC系统设计中的关键作用，为后续研究提供了重要的参考依据。

综上所述，本研究通过优化阳极材料和供电方式，成功构建了一种高效的自养氮去除系统。该系统在处理低C/N比的高氨氮废水方面表现出显著优势，能够实现较高的氮去除负荷，同时具备良好的适应性和稳定性。未来的研究可以进一步探索该系统在不同废水类型中的应用效果，以及如何通过调整阳极材料和供电方式来提高系统的整体性能。此外，还可以结合其他先进的生物电化学技术，如微生物燃料电池（MFC）和微生物脱氮系统，以实现更全面的污水处理方案。