生物電化學系統(tǒng)在高氨氮廢水脫氮中的創(chuàng)新應用
一、引言
隨著養(yǎng)殖業(yè)與食品加工業(yè)的快速發(fā)展，高氨氮廢水排放問題日益突出。傳統(tǒng)硝化-反硝化工藝存在能耗高、碳源依賴性強等問題，而生物電化學系統(tǒng)（Bioelectrochemical System, BES）通過耦合微生物代謝與電化學過程，實現(xiàn)低能耗、低碳源條件下的高效脫氮，成為近年來的研究熱點。
二、技術原理與脫氮機制
BES系統(tǒng)由陽極、陰極、質子交換膜及微生物群落組成：
陽極反應：產(chǎn)電菌氧化有機物釋放電子；
電子傳遞：通過導線形成閉合電路；
陰極反應：硝酸鹽/亞硝酸鹽被還原為N?或NH??。
脫氮途徑主要包括：
直接電化學還原硝酸鹽；
微生物介導的硝酸鹽還原；
電驅動自養(yǎng)反硝化（無需外加碳源）。
三、系統(tǒng)構型與發(fā)展現(xiàn)狀
目前主流構型包括：
單室無膜BES；
雙室?guī)ES；
混合式BES（與厭氧消化聯(lián)用）；
堆疊式模塊化BES。
四、關鍵性能指標
脫氮效率：可達70–95%，視進水濃度與運行條件而定；
庫倫效率：反映能量轉化效率，一般低于40%；
啟動時間：依賴接種污泥與馴化條件；
抗沖擊負荷能力：優(yōu)于傳統(tǒng)生化系統(tǒng)。
五、工程應用前景
盡管BES尚處于實驗室與小試階段，但在以下領域具有潛力：
養(yǎng)殖廢水、食品加工廢水等高氨氮廢水；
農村分散式污水處理；
與MBR、厭氧消化等工藝耦合提升能源回收率。
主要挑戰(zhàn)包括功率密度低、成本高、長期穩(wěn)定性不足，以及缺乏標準化設計。
六、未來發(fā)展方向
篩選高效脫氮菌株并構建基因工程菌；
開發(fā)低成本電極材料（如碳氈、石墨烯）；
構建規(guī)?；K并優(yōu)化流道設計；
探索BES驅動傳感器或微泵系統(tǒng)，實現(xiàn)智能監(jiān)測；
結合AI優(yōu)化控制策略提升系統(tǒng)智能化水平。
