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氮素是废水尤其是低C/N废水处理的难点,也是影响水环境质量的重要指标。尽管新型生物脱氮技术不断涌现,传统生物脱氮工艺仍是废水脱氮处理中分布最广、最为成熟的脱氮技术。然而在传统生物脱氮中,硝化过程产生大量质子需要通过加碱中和,反硝化过程又需要加酸和有机碳来维持氮素的高效去除,既增加运行成本也可能引起二次污染。针对传统生物脱氮高投入低产出的问题,引入生物电化学系统(Bioelectrochemical systems,BESs),通过自供质子的方式维持脱氮过程的酸碱平衡,为BESs技术处理低C/N 比废水提供良好的应用前景。目前,BESs处理低C/N 比废水,尤其是氨氮废水,将有机物与氮去除分开,导致阳极COD降解不彻底,阴极自养反硝化速率慢,同时产电性能受阴极脱氮性能的影响,难以满足其在实际废水处理中的应用。本研究制备微生物与Pt共同负载的复合阴极实现阴极氨自养硝化和氧还原反应过程,维持电压稳定输出;阴极硝化产物硝态氮透过分隔膜迁移至阳极后,经脱氮菌的反硝化作用同步降解有机物和氮素。在此过程中,由于阳极维持反硝化的高碳氮比,促进COD降解且脱氮副产物少。构建阴极硝化阳极反硝化的微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)脱氮反应器,可维持体系酸碱平衡,实现同步高效脱氮和能量回收。研究结果如下:首先,研究硝态氮在MFC 阳极的降解及动力学过程。阳极脱氮加强有机物代谢,促进阳极呼吸,提高电压输出和功率密度。随着硝态氮的加入,阳极微生物脱氮菌比例增加,产电菌比例下降。在脱氮MFC中,用于阳极脱氮所需的COD(以乙酸钠计)为3.7±0.3 g COD/g NO3--N,表明在该体系中脱氮所需的有机物较传统异养脱氮少。阳极微生物群落组成受电极材料、电子供体和反应器构型等影响。硝态氮在阳极的降解过程符合动力学米氏方程,最大脱氮速率达323.5 mg/L/h。调节外电阻大小和硝态氮浓度可改变电压输出和脱氮速率,体现了阳极微生物中产电和脱氮过程的竞争-合作关系。其次,原位制备微生物与铂碳共同负载的复合阴极,实现阴极表面生物硝化与电化学氧还原的双功能反应,维持阴极的质子供求平衡。自养微生物由于世代时间长,生物量稳定,可长期维持阴极高效氨转化和氧还原反应。构建阳极-阴极-阳极结构的三室脱氮MFC用于含氮废水处理,实现同步高效碳氮去除与能量回收。最后,成功筛选一株具有同步脱氮和产电活性,革兰氏阳性、兼性厌氧的微生物纯培养物EB-1,结合细胞形态特征及16S rRNA序列分析,鉴定该菌株属于分支杆菌属(Mycobacterium sp.)。EB-1接种至MFC可获得最大功率密度为0.84 W/m2,结合SEM和CV测定,推测该菌株可能通过纳米导线或直接接触传递胞外电子。EB-1具有良好的底物耐受能力和底物广谱性,为MFC脱氮技术处理含氮废水提供优势菌源和理论基础。