【摘 要】
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微生物燃料电池（Microbial fuel cell,简称MFC）因能以多种富含有机质的污水为燃料,同时实现化学能向电能的直接转换,在能源紧张、水污染严重的大环境下备受关注。随着工农业的迅速发展,高盐含氮废水的排放量大幅增加。由于高盐含氮废水不仅含有氮、磷等营养元素和中低碳链有机物,也含有大量的无机离子,若不经有效处理直接排放,会引起水华、赤潮等严重的水环境问题。然而目前常规的生物化学处理方法存
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微生物燃料电池（Microbial fuel cell,简称MFC）因能以多种富含有机质的污水为燃料,同时实现化学能向电能的直接转换,在能源紧张、水污染严重的大环境下备受关注。随着工农业的迅速发展,高盐含氮废水的排放量大幅增加。由于高盐含氮废水不仅含有氮、磷等营养元素和中低碳链有机物,也含有大量的无机离子,若不经有效处理直接排放,会引起水华、赤潮等严重的水环境问题。然而目前常规的生物化学处理方法存在污泥产量大、能耗高、运行不稳定等问题,因此,本文引入微生物燃料电池技术对高盐含氮废水进行资源化处理。为节约能耗,以单室无膜MFC为主要研究对象。通过构建六组空气阴极单室无膜MFCs,探究以高盐含氮废水为底物时,碳氮比和盐度对电池产电性能以及污染物去除效果的影响,并且通过16S rRNA基因测序技术对电极微生物膜以及优势菌种进行鉴定分析。主要研究结果如下:（1）当电极液盐度为15g/L时,以碳氮比为3:1、4:1、5:1、6:1和7:1的模拟废水为底物分别启动并运行五组单室无膜微生物燃料电池。在产电方面:碳氮比的提高可以优化单室MFC的产电性能,当碳氮比为7:1时,电池的产电性能最佳,开路电压、内阻及最大功率密度分别是765m V、78.4Ω和7.33W/m3。污染物去除方面:该单室MFCs通过同步硝化反硝化脱氮,当碳氮比为4:1时电池对污染物的去除效果最优,COD的去除率达到（86.17±2.4）%,氨氮和总氮的去除率分别是（96.98±1.8）%和（96.64±1.8）%;当碳氮比在4:1至6:1范围内波动时,COD和总氮的去除率仍分别保持在80%和75%以上;当碳氮比为7:1时,COD的去除率大于80%,但总氮去除率仅为（22.21±1.2）%。（2）以碳氮比为4:1的模拟废水启动并运行单室MFC,当电极液的盐度按照上升、下降、无规律改变三个阶段依次在15g/L-35g/L范围内变化时,对电池的产电性能以及污染物的去除效果产生影响。首先,在盐度上升阶段,电池的产电性能先提高后降低,在盐度为20g/L时最优,最大功率密度和内阻分别是6.06W/m3和84.6Ω;污染物的去除率随盐度的增加逐渐下降,相比于施加盐度负荷前,COD的去除率降低40.7%,总氮的去除率降低62.7%。其次,随着电极液盐度的下降,电池的产电性能以及对COD的去除能力逐渐提高,当盐度降至15g/L时,电池的最大输出电压和COD去除率分别是515m V和（78.82±1.8）%,无法达到施加冲击负荷前的水平,而总氮的去除率仅为25%。最后,无规律向单室MFC施加盐度冲击负荷,电池的输出电压以及对COD的去除效果持续下降,COD的去除率较施加冲击负荷前降低了37%,总氮去除率仅维持在20%-26%之间。（3）16S rRNA测序结果表明,在门水平下,碳氮比和盐度的变化均对电极微生物的群落结构造成影响。以不同碳氮比的高盐模拟废水启动的单室MFCs中,阴极生物膜的优势菌种为Proteobacteria和Bacteroidetes,阳极生物膜中的优势菌种为Proteobacteria、Bacteroidetes和Chloroflexi;施加盐度负荷前后对比,阴极生物膜中,除Proteobacteria和Bacteroidetes,Epsilonbacteraeota和Spirochaetes也演变为优势菌种,阳极生物膜中Epsilonbacteraeota大量富集。在属水平下,阴阳极菌属在不同碳氮比条件下具有显著差异,但均以Thauera为主导性菌种,与氮脱除有关的菌属以异养硝化菌和好氧反硝化菌为主,随着电极液碳氮比的升高,硫酸盐还原菌在阳极膜中逐渐富集,并成为优势菌种;盐度的变化同样在属水平上对微生物群落结构产生影响,Thauera丰度锐减,其余异养硝化菌和好氧反硝化菌的丰度也大幅下降,硫酸盐还原菌大量富集成为优势菌。
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