Model-based identification of biological and pH gradient driven removal pathways of total ammonia nitrogen in single-chamber microbial fuel cells  

基于模型識(shí)別的單室微生物燃料電池中生物與pH梯度驅(qū)動(dòng)的總氨氮去除途徑  

來源：Chemical Engineering Journal 431 (2022) 133987

《化學(xué)工程雜志》 第431卷 2022年 文章編號(hào)133987

 

 

摘要內(nèi)容

 

摘要指出：單室微生物燃料電池（SC-MFCs）中總氨氮（TAN）的去除機(jī)制尚不明確，硝化-反硝化和氨揮發(fā)是主要報(bào)道的途徑。本研究通過數(shù)學(xué)建模量化電化學(xué)氨氣提（EAS）對(duì)TAN去除的貢獻(xiàn)，結(jié)合三類實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：  

密封陰極室生物氧變化測(cè)試（B-OV）表明閉路模式（電流密度204 mA m?2）的TAN去除率比開路高29-37%，證實(shí)電化學(xué)過程增強(qiáng)TAN去除。  

 

微電極（丹麥Unisense）測(cè)量陰極微區(qū)pH梯度（B-pH測(cè)試）顯示閉路時(shí)陰極表面pH峰值達(dá)9.6，游離氨（FAN）濃度39-40 mg L?1。  

 

非生物氣體釋放測(cè)試（A-GR）量化氨揮發(fā)通量，結(jié)合模型預(yù)測(cè)閉路最大TAN去除率為785 mgN m?2 d?1（電流密度322 mA m?2）。  

 

研究目的

 

量化SC-MFCs中電化學(xué)氨氣提（EAS）和生物硝化對(duì)TAN去除的貢獻(xiàn)率，闡明pH梯度對(duì)氨揮發(fā)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。  

 

研究思路

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：  

 

B-OV測(cè)試：控制陰極室氧濃度（0-21%），對(duì)比閉路（CCM）與開路（OCM）的TAN去除率（圖1A）。  

 

B-pH測(cè)試：Unisense微電極原位測(cè)量陰極微區(qū)（距表面0-2000 μm）pH梯度（圖1B）。  

 

A-GR測(cè)試：非生物體系（無微生物）調(diào)節(jié)pH（8.3-12）和TAN濃度（15-111 mgN L?1），量化氨揮發(fā)通量（圖1C）。  

數(shù)學(xué)模型：  

 

基于Fick定律建立EAS通量方程，關(guān)聯(lián)陰極表面pH、FAN濃度與傳質(zhì)系數(shù)（kFAN2?）。  

 

通過A-GR數(shù)據(jù)標(biāo)定kFAN2? = 0.0203 × 10?3 cm s?1（圖4A）。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

氧濃度與電流密度：  

 

數(shù)據(jù)來源：圖2A（氧濃度對(duì)電流密度影響）。  

 

意義：氧濃度21%時(shí)電流密度達(dá)291 mA m?2，0.1%時(shí)降至185 mA m?2，證實(shí)氧是ORR限速因子。  

TAN去除率：  

 

數(shù)據(jù)來源：圖2B-C（不同氧濃度下TAN/TN去除率）。  

 

意義：氧濃度21%時(shí)，閉路TAN去除率（730 mgN m?2 d?1）比開路高29%，量化電化學(xué)貢獻(xiàn)（ηEAS=22%）。  

陰極微區(qū)pH與FAN：  

 

數(shù)據(jù)來源：圖3（閉路pH峰值9.6，F(xiàn)AN占比61-67%）。  

 

意義：ORR質(zhì)子消耗導(dǎo)致堿化，驅(qū)動(dòng)NH??→NH?轉(zhuǎn)化，為EAS提供核心條件。  

氨傳質(zhì)系數(shù)：  

 

數(shù)據(jù)來源：圖4A（kFAN2?=0.0203×10?3 cm s?1）。  

 

意義：標(biāo)定模型參數(shù)，預(yù)測(cè)不同pH/TAN下的氨揮發(fā)通量（圖4B-C）。  

 

結(jié)論

生物與電化學(xué)貢獻(xiàn)：閉路模式下，生物硝化貢獻(xiàn)653-730 mgN m?2 d?1（ηbio=73%），EAS貢獻(xiàn)210-241 mgN m?2 d?1（ηEAS=27%）。  

 

pH梯度核心作用：陰極表面pH>9.5時(shí)，F(xiàn)AN濃度39-40 mg L?1，抑制硝化菌活性（最大抑制55%），使EAS貢獻(xiàn)可升至63%。  

 

最大去除潛力：電流密度322 mA m?2時(shí)，EAS驅(qū)動(dòng)的TAN去除率可達(dá)785 mgN m?2 d?1。  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

 

使用丹麥Unisense pH-200微電極測(cè)量的陰極微區(qū)pH梯度具有以下核心研究意義：  

定位堿化熱點(diǎn)：閉路時(shí)距陰極1000 μm處pH達(dá)9.6（圖3B），比本體高2.3單位，直接驗(yàn)證ORR質(zhì)子消耗導(dǎo)致局部堿化。  

 

量化FAN濃度：通過pH-TAN模型計(jì)算FAN濃度39-40 mg L?1（圖3C），明確氨揮發(fā)驅(qū)動(dòng)力。  

 

關(guān)聯(lián)電流密度：高電流密度（300 mA m?2）與pH峰值同步出現(xiàn)（圖3A），證明電化學(xué)活性是堿化的直接原因。  

 

揭示抑制效應(yīng)：pH>9.5時(shí)FAN濃度超硝化菌抑制閾值（8 mg L?1），解釋閉路硝化率降低現(xiàn)象。