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

溫度對雙室微生物燃料電池脫氮和發電的影響

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

 

一、摘要核心內容

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）對污染物去除（COD、銨態氮、總氮）、N?O生成及產電性能的影響。結果表明，35°C為最優溫度，此時COD、NH??和TN去除率分別達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%。研究強調MFC在溫帶地區同步實現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存在多種氮轉化路徑（如好氧硝化、自養/異養反硝化）。

二、研究目的

 

明確溫度對MFC中氮去除效率、N?O生成及產電性能的影響機制，確定最優操作溫度。

通過微生物群落分析，揭示陰極區氮轉化功能菌的分布與溫度關聯性，為MFC優化提供理論依據。

 

評估MFC在實際廢水處理中同步能源回收的可行性，重點關注溫室氣體N?O的控制。

 

三、研究思路

 

實驗設計：構建雙室MFC（陽極降解COD，陰極同步硝化-反硝化），使用質子交換膜分隔反應室（圖1）。陰極負載Fe/MnO?催化劑，陽極和陰極均為碳氈電極。

 

溫度梯度實驗：在25°C啟動后，以5°C為間隔升溫至45°C，每組溫度穩定運行后測量參數（HRT=40 h）。

數據采集：

 

污染物去除：檢測COD、NH??、NO??、NO??、TN濃度（標準方法5220）；N?O濃度使用丹麥Unisense微電極測量。

電化學性能：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算）。

 

微生物分析：45°C運行后，刮取陰極生物膜進行高通量測序（門、屬水平分類）。

 

機制分析：結合污染物去除效率、電化學數據與微生物群落結構，解析溫度對氮轉化路徑及電子傳遞效率的影響。

 

四、測量數據及研究意義

1. 污染物去除與N?O生成（數據來源：表1）

 

數據：35°C時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：溫度通過調控氨氧化菌（AOB）和亞硝酸鹽氧化菌（NOB）活性影響氮轉化路徑——NOB在高溫下受抑制導致亞硝酸鹽積累，進而促進N?O生成（因N?O還原酶受抑制）。數據凸顯溫度優化對減少溫室氣體排放的重要性。

 

2. 電化學性能（數據來源：圖2、圖3、圖4、圖5）

 

 

 

 

電壓穩定性（圖2）：35°C時電壓最高（190 mV），45°C下電壓波動大（120 mV），因產電菌（中溫菌）活性受高溫抑制。

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

電極電位（圖4）：35°C時陰-陽極電位差最大，支持高效電子傳遞。

庫侖效率（圖5）：35°C時達8.12±0.04%，高溫下非產電菌（如甲烷菌）競爭底物導致效率下降。

 

研究意義：電化學數據直接關聯微生物活性，證明35°C是平衡產電與代謝活性的關鍵點。

 

3. 微生物群落結構（數據來源：圖8）

 

數據：陰極生物膜以變形菌門（76.83%）為主，關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、研究結論

 

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

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

微生物驅動機制：陰極群落通過多種路徑（好氧硝化、異養反硝化等）實現氮去除，溫度通過調控功能菌豐度決定最終效率。

 

應用前景：MFC在溫帶地區廢水處理中具潛力，但需進一步優化操作條件以提升氮去除率及能源回收效率。

 

六、丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

1. 測量原理與操作

 

技術原理：Unisense微電極基于電化學傳感器技術，通過N?O分子擴散至電極表面發生還原反應產生電流信號，檢測限達納摩爾級，可實時監測液相中N?O濃度。

 

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

 

2. 關鍵數據與意義

 

精準量化N?O動態：數據明確顯示N?O濃度在35°C時峰值（4.27 mg/L，表1），且與TN去除趨勢一致（圖5結合表1）。

揭示機制關聯：Unisense數據驗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，導致反硝化終產物以N?O為主（討論部分引用Zhou et al. 2008）。

 

環境評估價值：為MFC技術提供關鍵溫室氣體排放因子，支撐其環境可持續性評價——通過溫度控制可將N?O排放最小化（如40°C時N?O降至2.32 mg/L）。

 

3. 研究意義拓展

Unisense電極的高時空分辨率彌補了傳統GC僅能檢測氣相的缺陷，精準捕捉液相中N?O的“隱藏排放”。該數據不僅證實溫度對反硝化路徑的調控作用，還為未來MFC工藝優化（如分段溫度控制、酶活性調控）提供了直接依據，助力降低碳足跡。在低電流密度系統（如MFC）中，Unisense的微量檢測能力是評估真實環境影響的不可替代工具。

總結

本研究通過多維度數據證實溫度是MFC性能的核心調控因子，而Unisense電極的N?O監測數據為環境風險評估提供了關鍵支撐。未來需結合微生物工程與工藝優化，進一步提升MFC在實際廢水處理中的可行性。