《表3 MFC系统运行特性》

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《微生物燃料电池与电解池去除有机碳及氨氮性能》

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MFC系统在乙酸和NH4+-N质量浓度分别为1 200、180 mg/L的条件下启动，运行1周后系统输出电压达到（35±2)mV，对应的产能效率为0.06mW/L，此时内阻为（300±8）Ω。第20天开始系统达到稳定状态，产电效率和产能效率分别为（335.7±23.6)mA/L、（62.2±3.4)mW/L，经过35 d的运行，系统库仑效率和能量回收效率分别达到（78.3±3.6）%、（0.48±0.05)Wh/g。出水乙酸在0～30 mg/L，有机碳去除率和去除速率分别为（97.5±2.7）%、（2.95±0.2)g/（L·d）（见表3）。出水NH4+-N在100～120 mg/L之间，对应的NH4+-N去除率和去除速率分别为（46.7±1.2）%、（0.31±0.02)g/（L·d）。出水中检测不到NO3-和NO2-，出水p H在7.2～7.5之间。阶段2，MFC系统进水乙酸提高至2 400 mg/L，导致出水乙酸浓度升高至350 mg/L，产能效率升至（78.8±3.4)mW/L。经过18 d的运行，有机碳去除速率和NH4+-N去除速率分别稳定在（5.01±0.5）、（0.36±0.05)g/（L·d）。NH4+-N去除率升至（54.9±1.8）%，系统pH在7.5～7.8之间变化。阶段3，闭路条件下为MFC系统提供仅含NH4+-N的进水，进水NH4+-N为180 mg/L时，MFC输出电压为（225±12)mV，但系统内阻升高至（613.8±12.6）Ω，在缺少乙酸碳源的情况下阳极异养微生物基本无代谢活动，但能观察到系统产能效率为（8.8±1.1)mW/L，且电流密度很低，这可能与NH4+-N在阳极作为电子供体被直接氧化进行产电有关。此阶段库仑效率为27%～30%。阶段4，进水乙酸和NH4+-N分别调整为1 200、90 mg/L，有机碳去除率和NH4+-N去除率分别达到（97.1±1.9）%、（49.2±2.1）%，基本与阶段1的运行参数一致。尽管阶段4的进水NH4+-N低于阶段1，但其去除效率略高于阶段1。阶段5 MFC改为开路运行，有机碳去除率为（68.2±1.7）%，去除速率为（2.08±0.6)g/（L·d)，NH4+-N去除率和去除速率分别为（25.6±0.9）%、（0.07±0.02)g/（L·d）。同时可观察到系统中的NO3-和NO2-分别为（13.2±0.8）、（0.5±0.02)mg/L。这是因为开路条件下阳极产生的电子不能传递到阴极发生还原反应，异养反硝化菌群代谢活性受到抑制。阶段6继续在开路条件下运行，MFC系统仅提供含NH4+-N进水，观察到NH4+-N去除率仅为（0.48±0.04）%，低于阶段3的（9.9±0.6）%，证明了闭路条件下NH4+-N在阳极直接被氧化的可能性。阶段7，MFC系统在开路条件下运行以验证阶段5，运行结果表明阶段7的有机碳去除率和NH4+-N去除率与阶段5基本相同，且NO3-上升至35 mg/L。阶段8改变为闭路运行，主要考察MFC系统在低电导率废水中对有机碳和NH4+-N的去除效果。合成废水的电导率为3～4 mS/cm，系统运行的产能效率和库仑效率分别为（35.5±1.8)mW/L和（53.2±3.3）%，低于阶段4得到的产能效率[（57.5±3.6)mW/L]和库仑效率[（79.9±5.8）%]。阶段4的乙酸、NH4+-N质量浓度与阶段8的相同，但电导率为15～16 mS/cm，导电性更强。因此，阶段8的有机碳去除率较低，为（71.2±1.9）%，但系统中未检测到NO3-存在。阶段8运行末期，系统pH升高至8.5，会影响阳极微生物的代谢活动，从而导致产电能力和乙酸、NH4+-N去除能力下降，系统内阻也由阶段4的（8.4±0.7）Ω升高至（26.8±1.2）Ω。MFC系统中阳离子如K+、Na+、Ca2+起到平衡电荷的作用，低电导率下反硝化作用产生的碱度会导致电荷失衡，从而导致pH升高。阶段9，MFC底物改为实际市政污水，系统产能效率和库仑效率分别为（3.5±0.5)mW/L和（53.2±3.3）%。除低导电性的影响外，运行性能较低可能与污水中过低的BOD(50～60 mg/L）有关，导致厌氧微生物可利用的有机底物过少，运行性能下降。有机碳去除率和NH4+-N去除率分别为（36.8±1.4）%、（37.7±2.1）%。