《表4 MEC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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为比较MEC与MFC去除有机碳和NH4+-N的能力，MEC在阶段1的进水条件与MFC相同，乙酸和NH4+-N质量浓度分别为1 200、180 mg/L。MEC外加电压为1.0 V，经过8 d的运行，系统输出电流稳定在（13.7±1.7)mA。对外加电压不断优化，经过17 d的运行，确定外加电压0.7 V可得到最大电流密度，为（178.5±9.8)mA/L。此时系统出水有机碳和NH4+-N平均质量浓度分别为（13.2±0.2）、（167.8±3.2)mg/L，对应的去除率分别为（98.9±1.5）%、（6.8±0.1）%（见表4）。经计算，去除乙酸的单位能耗在2.3～2.6 W·h/g。系统中无NO3-和NO2-存在，出水pH稳定在7.1～7.3。阶段2提高进水乙酸至2 400 mg/L，系统电流密度升高至（345.7±12.8)mA/L，库仑效率为（79.5±7.6）%。去除乙酸的单位能耗平均为（2.4±0.2)W·h/g，NH4+-N去除率升高至（9.2±0.2）%，出水pH升至7.8～8.1。同样地，系统中无NO3-和NO2-存在。当调整系统进水仅含NH4+-N（180 mg/L）时，系统对NH4+-N的去除率降低至（2.1±0.1）%，同时电流密度下降至（7.8±0.2）mA/L，这说明厌氧系统对NH4+-N的去除效率很低。此时，调整进水乙酸和NH4+-N分别为1 200、90 mg/L，得到的NH4+-N去除率升至（13.2±0.5）%，几乎为阶段1的2倍，但NH4+-N去除速率基本相同。在运行阶段1～4，MEC系统得到的NH4+-N去除率远低于MFC系统的NH4+-N去除率。这是因为在空气阴极MFC系统中，由于阴极侧溶解氧扩散，可发生NH4+-N的硝化作用，而MEC系统在厌氧条件下运行，基本无硝化作用发生，NH4+-N的去除基本靠微生物代谢的同化作用完成。在阶段5调整MEC系统的外加电压为0 V，考察厌氧微生物对乙酸和NH4+-N的去除效率。可以看出无外加电压时，系统的有机碳去除率为（41.9±0.5）%，较阶段4下降了48%，NH4+-N去除率为（5.1±0.2）%，同样低于阶段4。这表明在MEC系统中，优化的外加电压能够有效促进厌氧微生物的代谢活性，并提高系统的运行性能。阶段6将MEC系统进水改为实际市政污水，发现系统的有机碳去除率和NH4+-N去除率较低，分别为（50.1±0.3）%、（6.2±0.8）%，电流密度为（7.4±0.4)mA/L，单位能耗升高至（5.4±0.6)W·h/g，这与污水的可生化性较低有关。综上所述，MEC系统能够实现有机碳和NH4+-N的同步去除，但NH4+-N去除率较低。F.Zhang等[12]曾构建曝气式MEC系统，NH4+-N去除率为71%，但其对有机物的去除能力较低，且需要较高的能耗。