城鎮(zhèn)污水中含有大量的氮元素，氨氮作為氮污染中的主要形式，已成為亟需解決的嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。以氨氮為主的氮污染會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，給水生生態(tài)系統(tǒng)和人類(lèi)健康帶來(lái)嚴(yán)重的危害。生物法處理氨氮廢水主要包括傳統(tǒng)的硝化反硝化反應(yīng)、厭氧氨氧化反應(yīng)和各種新型生物脫氮工藝，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在成本高、能量損耗大、二次污染、啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)等缺陷。

微生物電化學(xué)系統(tǒng)(MicrobialElectrochemicalSystem,MES）包括微生物燃料電池（MicrobialFuelCell,MFC）和微生物電解池（MicrobialElectrolysisCell,MEC），是一種利用微生物在陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)生電流的新型污水處理裝置，由于陰陽(yáng)極電勢(shì)的差異，微生物的氧化還原電位發(fā)生變化，促進(jìn)了產(chǎn)電微生物和電極之間的電子傳遞，在污染物去除的同時(shí)還能產(chǎn)電、產(chǎn)氫、產(chǎn)甲烷等能源，具有操作簡(jiǎn)單、能耗較低、污泥產(chǎn)量少等優(yōu)勢(shì)，成為了近年來(lái)污水處理研究的熱點(diǎn)。本文首先闡述了生物法處理氨氮廢水的基本原理和缺陷，其次介紹了微生物電化學(xué)氨回收和微生物電化學(xué)氨氧化的基本原理和相關(guān)研究進(jìn)展，重點(diǎn)關(guān)注氨氮污染物的回收效率、降解效率、產(chǎn)能效率以及結(jié)合MES的氨氧化新機(jī)制；最后從氨回收和氨氧化之間的聯(lián)系和影響、實(shí)際應(yīng)用目標(biāo)、功能微生物與基因以及運(yùn)營(yíng)成本等四個(gè)方面對(duì)存在的問(wèn)題和未來(lái)的研究方向進(jìn)行展望，為研究MES處理氨氮廢水提供理論參考。

1、生物技術(shù)處理

氨氮廢水基本原理及其缺陷生物法處理氨氮廢水主要有傳統(tǒng)的硝化反硝化反應(yīng)、厭氧氨氧化反應(yīng)以及各種新型脫氮工藝，包括：同步硝化反硝化（SND）工藝、短程硝化厭氧氨氧化（SHARON-ANAMMOX）工藝、單級(jí)全程自養(yǎng)脫氮(CANON)工藝、限氧自養(yǎng)硝化反硝化(OLAND)工藝、反硝化氨氧化(DEAMOX)工藝等，其各自的基本原理和相應(yīng)的缺陷見(jiàn)表1。

2、MES處理氨氮廢水基本原理

MES處理氨氮廢水基本原理從大方向上主要分為兩種，微生物電化學(xué)氨回收技術(shù)與微生物電化學(xué)氨氧化技術(shù)。

2.1 微生物電化學(xué)氨回收基本原理

如圖1(a)所示，微生物電化學(xué)氨回收利用的是生物電化學(xué)系統(tǒng)中的離子遷移原理。在MES中，陽(yáng)極在微生物催化下失去電子氧化有機(jī)物產(chǎn)生質(zhì)子，電子經(jīng)外電路傳遞到陰極，陰極在微生物催化下得到電子發(fā)生還原反應(yīng)消耗質(zhì)子。NH4+在離子濃度梯度的作用下從陽(yáng)極透過(guò)陽(yáng)離子交換膜遷移到陰極，陰極由于消耗質(zhì)子pH持續(xù)上升，最后利用物理吹脫原理，使堿性條件下的NH3揮發(fā)并得到回收。

2.2 微生物電化學(xué)氨氧化基本原理

傳統(tǒng)的微生物電化學(xué)脫氮技術(shù)基本原理一般分為陽(yáng)極氨氧化和陰極反硝化，然而隨著研究的深入，氨氧化不僅僅只能在陽(yáng)極發(fā)生，而微生物電化學(xué)氨氧化也衍生出幾類(lèi)不同的技術(shù)手段，大體可分為四類(lèi)：MES同步硝化反硝化、MES陽(yáng)極氨氧化、MES厭氧氨氧化和MES厭氧鐵銨氧化。

2.2.1 MES同步硝化反硝化基本原理

MES可以利用有機(jī)碳作為陽(yáng)極電子供體，硝酸鹽作為陰極電子受體實(shí)現(xiàn)同步脫碳除氮。如果在MES的陰極上施加適當(dāng)?shù)钠貧猓�理論上可以�?shí)現(xiàn)基于MES的同步硝化反硝化和去除有機(jī)碳。相關(guān)反應(yīng)式如下所示：

2.2.2 MES陽(yáng)極氨氧化基本原理

在MES中，氨氧化細(xì)菌可以生長(zhǎng)在陽(yáng)極，氨氧化過(guò)程傳遞電子給陽(yáng)極，電子通過(guò)外電路傳遞到陰極之后，可以通過(guò)陰極傳遞給作為電子受體的氧氣或者硝氮亞硝氮。耗氧氨氧化和厭氧氨氧化在標(biāo)準(zhǔn)條件下的吉布斯自由能分別是-275和-357KJ/mol，負(fù)的標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)表明氨氧化反應(yīng)理論上能夠在微生物燃料電池中自發(fā)發(fā)生，以氨氮作為電子供體，硝氮、亞硝氮或者氧作為電子受體產(chǎn)生電流。相關(guān)反應(yīng)式如下所示：

2.2.3 MES厭氧氨氧化基本原理

關(guān)于厭氧氨氧化過(guò)程中具體的反應(yīng)機(jī)制，Van等（1998）也做出了相關(guān)詮釋?zhuān)菏紫?/span>NH2OH和NH3在聯(lián)氨水解酶的作用下水解得到N2H4,其次N2H4在肼氧化酶的作用下釋放4個(gè)電子氧化為N2，最后NO2-在亞硝酸鹽還原酶的作用下得到4個(gè)電子還原NO2-為NH2OH。涉及到反應(yīng)位點(diǎn)的具體機(jī)制目前有兩種，Ni等（2013）在一篇綜述中用如圖1(b)所示的示意圖形象地描述了這兩個(gè)過(guò)程。但不論是哪一種機(jī)制，都涉及到了N2H4失電子的氧化過(guò)程和NO2-得電子的還原過(guò)程，而MES的陽(yáng)極和陰極理論上可以促進(jìn)這種得失電子的氧化還原反應(yīng)，這就有利于我們將MES和厭氧氨氧化技術(shù)相結(jié)合，促進(jìn)MES厭氧氨氧化的發(fā)展。

2.2.4 MES厭氧鐵銨氧化基本原理

由于厭氧氨氧化存在的一些缺陷，近年來(lái)又發(fā)展出新的氨氧化技術(shù)，即厭氧鐵銨氧化，其原理是利用Fe3+為電子受體，NH4+為電子供體，通過(guò)三價(jià)鐵還原為二價(jià)鐵的過(guò)程來(lái)促進(jìn)氨氮氧化為氮?dú)�、亞硝氮或者硝氮，其具體的反應(yīng)方程式如下：

MES中氨氧化細(xì)菌可以傳遞電子到陽(yáng)極發(fā)生陽(yáng)極氨氧化，而氨氧化細(xì)菌的生物電化學(xué)活性其實(shí)不如鐵還原細(xì)菌，如果能讓鐵還原菌富集在MES的陽(yáng)極上，理論上可以代替氨氧化菌實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極氨氧化同時(shí)促進(jìn)厭氧鐵銨氧化。

3、MES處理氨氮廢水研究進(jìn)展

由于生物法處理氨氮廢水成本較高、能量損耗較大等缺陷，近年來(lái)利用MES處理氨氮廢水的研究越來(lái)越多，有的側(cè)重于對(duì)氨氮污染物的回收利用，有的關(guān)注氨氮污染物的降解效率和產(chǎn)能效率，有的則探究了MES降解氨氮的新機(jī)制。關(guān)注MES處理氨氮廢水的相關(guān)研究進(jìn)展有利于更好地了解MES存在的問(wèn)題和潛在的應(yīng)用前景。

3.1 微生物電化學(xué)氨回收研究進(jìn)展

在微生物電化學(xué)回收氨的過(guò)程中，由于陽(yáng)極不斷產(chǎn)生質(zhì)子而導(dǎo)致陽(yáng)極液嚴(yán)重酸化，導(dǎo)致陽(yáng)極微生物的活性受到抑制。傳統(tǒng)的做法是在陽(yáng)極液添加堿度或者pH緩沖液，這帶來(lái)實(shí)際操作上的諸多不便，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，Cheng等（2013）提出利用陰極室產(chǎn)生的部分NH3進(jìn)行回流，通過(guò)氣體交換裝置傳輸?shù)疥?yáng)極室，能有效緩解陽(yáng)極液酸化的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)無(wú)需外加堿度的氨回收。在利用MES回收氨的過(guò)程中，如果可以實(shí)現(xiàn)同步產(chǎn)電或者產(chǎn)氣，將大大提高氨回收工藝的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。Kuntke等（2011）構(gòu)建了雙室微生物燃料電池并成功用于回收氨同時(shí)產(chǎn)電。該研究通過(guò)添加氯化銨增加氨氮的濃度（從0.07到4g/L），發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)性能穩(wěn)定而不受影響。研究發(fā)現(xiàn)不同離子的濃度會(huì)影響具體離子的傳輸順序。另外，Wu等（2013）利用生物電化學(xué)系統(tǒng)成功回收氨同步產(chǎn)氫，產(chǎn)氫效率高達(dá)96%±6%，在合成廢水中氨回收效率達(dá)94%，在實(shí)際廢水中氨回收率達(dá)79%。關(guān)于氨氮在MES中轉(zhuǎn)運(yùn)的影響因素探究也極具意義，Qin等（2017）利用正向滲透膜代替陽(yáng)離子膜構(gòu)建了滲透性微生物燃料電池并成功回收氨，該裝置在陽(yáng)極液流速為4mLmin-1的條件下實(shí)現(xiàn)80.1%±2.0%的氨去除率。該研究證實(shí)了電流的產(chǎn)生是氨氮在正向滲透膜中傳輸?shù)年P(guān)鍵因素。該研究還證明了水通量、離子擴(kuò)散和離子交換對(duì)氨氮的轉(zhuǎn)運(yùn)也有影響。

3.2 MES同步硝化反硝化研究進(jìn)展

一般來(lái)說(shuō)，同步硝化反硝化是在厭氧顆粒污泥系統(tǒng)中，溶解氧在微生物絮體上分布不同導(dǎo)致表面形成富氧區(qū)，內(nèi)部形成缺氧區(qū)而發(fā)生的特殊反應(yīng)。但是，在MES中某些特殊情況下也可以實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化。Virdis等(2010)構(gòu)建了如圖1(c)所示的微生物除碳同步硝化反硝化燃料電池，在陰極施加特定的曝氣量，從而實(shí)現(xiàn)陰極原位硝化反應(yīng)。其出水氨氮濃度低至2.13±0.05mg/L，出水硝氮低至1.0±0.5mg/L，總氮去除率高達(dá)94.1%±0.9%。通常來(lái)說(shuō)，溶解氧濃度是決定同步硝化反硝化過(guò)程是否成功發(fā)生的關(guān)鍵因素。這是因?yàn)檫^(guò)低的溶解氧濃度會(huì)抑制硝化反應(yīng)導(dǎo)致氨氮氧化效率下降，而過(guò)高的溶解氧濃度則會(huì)抑制反硝化反應(yīng)導(dǎo)致硝氮亞硝氮的累積。然而，在該系統(tǒng)內(nèi)的同步硝化反硝化過(guò)程卻在較高溶解氧濃度（1.97±0.09mg/L和4.35±0.08mg/L）的條件下成功實(shí)現(xiàn)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因有兩種可能：一種是MES系統(tǒng)增強(qiáng)了反硝化菌對(duì)溶解氧的耐受性，使得在較高溶解氧條件下仍能還原硝氮以及亞硝氮；另一種是該系統(tǒng)中的溶解氧分布不均，出現(xiàn)類(lèi)似厭氧顆粒污泥上的不同溶解氧分布。

為了更進(jìn)一步了解MES中這種除碳同步硝化反硝化反應(yīng)，Virdis等（2011）再一次構(gòu)建了類(lèi)似的微生物電化學(xué)同步硝化反硝化系統(tǒng)，在溶解氧濃度為5.73±0.03mg/L的條件下實(shí)現(xiàn)總氮去除效率86.9%±0.5%和總氮去除率3.39±0.08mgL-1h-1的效果。同時(shí)，在該研究中還特地利用熒光原位雜交手段分析了陰極上的微生物群落分布。結(jié)果分析得出在陰極上出現(xiàn)了不同功能菌群的梯度分布，陰極生物膜的外層由于直接接觸氧氣主要分布的是硝化細(xì)菌，在生物膜內(nèi)層由于氧氣相對(duì)較少分布的主要是反硝化細(xì)菌，這也剛好證實(shí)了前面的第二種猜測(cè)。該研究首次提出了陰極生物膜上同時(shí)存在硝化反硝化菌群。

近年來(lái)，隨著生物脫氮技術(shù)的發(fā)展，自養(yǎng)反硝化、好氧反硝化和異養(yǎng)硝化的發(fā)現(xiàn)也為同步硝化反硝化提供生物學(xué)上的合理詮釋。本課題組Yang等（2020）構(gòu)建了空氣暴露生物陰極微生物燃料電池（AEB-MFC）用于處理尿液同時(shí)產(chǎn)電，實(shí)現(xiàn)了同步耐鹽硝化和好氧反硝化。該裝置氨氮去除效率可達(dá)86.8%±1.5%，總氮去除率達(dá)62.7%±2.3%，化學(xué)需氧量去除率達(dá)52.7%±1.6%。該裝置表明空氣暴露生物陰極微生物燃料電池處理尿液效果可觀，同時(shí)還能產(chǎn)生穩(wěn)定的電流，雖然電流相對(duì)較低。如圖1(d)所示，通過(guò)對(duì)電極上的功能性微生物進(jìn)行分析，了解到空氣暴露生物陰極(AEB)作為多功能生物電極，不止可以發(fā)生氧化還原反應(yīng)，還可以促進(jìn)嗜鹽硝化反應(yīng)、好氧反硝化反應(yīng)、氨揮發(fā)等其他復(fù)雜反應(yīng)，有利于污染物去除和能量回收。

3.3 MES陽(yáng)極氨氧化研究進(jìn)展

在傳統(tǒng)的MES中，通常是有機(jī)污染物作為陽(yáng)極電子供體提供電子，而在Zhen等（2009）的研究中首次提出，氨氮可作為陽(yáng)極電子供體并產(chǎn)生電流，這為微生物電化學(xué)氨氧化奠定了理論基礎(chǔ)。該研究指出，之所以該系統(tǒng)能利用氨氮作為陽(yáng)極電子供體產(chǎn)生電流，可能由于以下原因：在有機(jī)物存在情況下，化能無(wú)機(jī)自養(yǎng)的氨氧化細(xì)菌不會(huì)和異養(yǎng)細(xì)菌競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)；該生物燃料電池的培養(yǎng)液是高氨氮低有機(jī)碳的低碳氮比廢水；具有相對(duì)較長(zhǎng)的微生物培養(yǎng)馴化時(shí)間；雖然電流的產(chǎn)生與陽(yáng)極氨氧化相關(guān)，但電流值不高。

如果能在MES中利用氨氮作為陽(yáng)極電子供體，實(shí)現(xiàn)微生物電化學(xué)氨氧化，就能在降解氨氮污染物的同時(shí)將電子用于還原氧化物，實(shí)現(xiàn)氨氮的資源化利用。Qu等（2014）構(gòu)建的單式微生物電解池中實(shí)現(xiàn)了厭氧陽(yáng)極氨氧化，發(fā)現(xiàn)硝氮是氨氧化的主要產(chǎn)物（占氨氮消耗的95%），同時(shí)也檢測(cè)到部分亞硝酸氮。16SrRNA分析表明，陽(yáng)極主要功能菌群是Nitrosomonaseuropaea(40.3%)和Empedobacter(34.7%),并未發(fā)現(xiàn)厭氧氨氧化菌。該研究首次提出氨氮可以通過(guò)陽(yáng)極氨氧化將電子傳遞給陽(yáng)極，實(shí)現(xiàn)厭氧條件下的陽(yáng)極氨氧化。然而，電子到達(dá)陽(yáng)極之后的具體流向和氨氮與產(chǎn)物之間的具體轉(zhuǎn)化關(guān)系和原理在該研究中沒(méi)有提及。Zhu等（2016）構(gòu)建了固定陽(yáng)極電勢(shì)為-0.5V的單式生物電化學(xué)系統(tǒng)，該研究同樣實(shí)現(xiàn)了厭氧條件下的陽(yáng)極氨氧化過(guò)程，氨氮被氧化為亞硝氮，并用于后續(xù)的厭氧氨氧化過(guò)程，有效提高厭氧氨氧化效率至少29.2%，為解決厭氧氨氧化實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中缺乏電子受體亞硝氮這一難題提供新的思路。

在傳統(tǒng)的厭氧氨氧化反應(yīng)中，氨氮作為電子供體，亞硝氮作為電子受體直接一步反應(yīng)生成氮?dú)狻Ｈ绻�能�?/span>MES中利用氨氮作為陽(yáng)極電子供體，硝氮或亞硝氮作為電子受體，就能實(shí)現(xiàn)類(lèi)似厭氧氨氧化反應(yīng)的效果。但是，這種理論假設(shè)需要解決的前提問(wèn)題是，氨氮和有機(jī)碳的電子供體競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，或者不加入有機(jī)碳需要解決的自養(yǎng)反硝化問(wèn)題。Joicy等（2019）構(gòu)建了如圖1(e)所示的微生物電解池，對(duì)厭氧條件下的陽(yáng)極氨氧化過(guò)程進(jìn)行研究。該裝置在反應(yīng)體系中添加500mg/L的氨氮作為陽(yáng)極電子供體，陰極添加不同配比的硝氮和亞硝氮共300mg/L，在外加0.2V/cm的靜電場(chǎng)下運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)亞硝氮和硝氮都可以作為氨氮的電子受體，實(shí)現(xiàn)厭氧條件下的陽(yáng)極氨氧化。隨著電子受體中硝氮的比例的增大，氨氧化率有所下降，這說(shuō)明以硝氮為電子受體進(jìn)行氨氧化的效率低于亞硝氮。但是，當(dāng)電子受體只有硝氮時(shí)，氨氧化率還有24mgNH4+-N/gVSS.d。經(jīng)過(guò)測(cè)序表明了該系統(tǒng)中不存在厭氧氨氧化菌，也就是說(shuō)該反應(yīng)與厭氧氨氧化無(wú)關(guān)，而是MES下的硝化和反硝化反應(yīng)的結(jié)合，該研究首次提出硝態(tài)氮可直接作為氨氮氧化的電子受體。但是，關(guān)于氨氮氧化和硝氮亞硝氮還原的產(chǎn)物分析（有無(wú)產(chǎn)氣）以及無(wú)有機(jī)碳源下的自養(yǎng)反硝化的馴化問(wèn)題在該研究中沒(méi)有提及，大大降低了該研究的參考價(jià)值。

陽(yáng)極氨氧化過(guò)程中的電勢(shì)問(wèn)題同樣值得關(guān)注，本課題組Zheng等（2020）構(gòu)建了單式生物陽(yáng)極微生物電解池，研究了不同陽(yáng)極電勢(shì)對(duì)陽(yáng)極氨氧化的影響，發(fā)現(xiàn)在固定陽(yáng)極電勢(shì)為+200mV和-200mV時(shí)氨氮去除率高達(dá)100%，這對(duì)探究陽(yáng)極氨氧化現(xiàn)象具有一定參考意義。微生物菌群分析結(jié)果表明陽(yáng)極同時(shí)富集了硝化和反硝化菌群，主要菌屬包括Thauera,Comamonas,Alicycliphilus,Nitrosomonas,Desulforhabdus,Dethiosulfatibacter和Desulfomicrobium。

3.4 MES厭氧氨氧化研究進(jìn)展

厭氧氨氧化技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的最大缺陷就是厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)及其緩慢（加倍時(shí)間長(zhǎng)達(dá)11天），其培養(yǎng)和馴化需要特殊的條件和相對(duì)漫長(zhǎng)的過(guò)程（60-900d）。如果能在MES中實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化，有利于縮短系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間，提高該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。Kokabian等(2018)成功構(gòu)建了如圖1(f)所示的微生物脫鹽電池，其原理是在原有微生物燃料電池的基礎(chǔ)上在陰陽(yáng)極之間添加一個(gè)脫鹽池，陽(yáng)極利用陽(yáng)極呼吸菌降解有機(jī)物產(chǎn)生電子，經(jīng)外電路傳遞至陰極，陰極由厭氧氨氧化菌得到電子發(fā)生厭氧氨氧化將NO2-還原為氮?dú)�。中間脫鹽池利用的是陰陽(yáng)極氧化還原過(guò)程中的離子遷移，從而實(shí)現(xiàn)海水淡化。該系統(tǒng)最大功率密度可達(dá)0.092Wm-3，氨氮去除率超過(guò)90%。通過(guò)對(duì)陰極生物膜的微生物群落分析，發(fā)現(xiàn)雖然存在厭氧氨氧化菌，但是反硝化細(xì)菌的數(shù)量遠(yuǎn)多于厭氧氨氧化細(xì)菌，后續(xù)研究將針對(duì)不同功能菌的生理?xiàng)l件進(jìn)行限制從而提高厭氧氨氧化菌數(shù)量。

Shaw等（2020）發(fā)表于《自然.通訊》中的文章提出了另外一種微生物電化學(xué)厭氧氨氧化過(guò)程，即依賴胞外電子傳遞的電極厭氧氨氧化。該研究利用外加電壓為0.6V的微生物電解池，在不存在電子受體（NO2-、NO3-或者O2）的情況下成功將NH4+直接氧化為氮?dú)�。利用同位素�?biāo)記，揭示了NH2OH作為中間產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化過(guò)程，具體反應(yīng)過(guò)程如下：

該研究首次提出了這種依賴于胞外電子傳遞的厭氧氨氧化，并提出碳基材料的非溶解性的胞外電子受體如氧化石墨烯、電極材料等可作為最終電子受體。該研究還表示，這種依賴于胞外電子傳遞的厭氧氨氧化過(guò)程可能對(duì)揭示自然界的氮損失具有重要意義。在淡水或者海水深處的缺氧環(huán)境中，由于缺乏NO2-、NO3-或者O2等溶解性電子受體，傳統(tǒng)的厭氧氨氧化并不能解釋這種環(huán)境下的氮損失，而該研究揭示的基于胞外電子傳遞的厭氧氨氧化過(guò)程可能在其中起著重要作用。在厭氧微生物呼吸作用中，普遍存在的高分子量有機(jī)化合物如腐殖質(zhì)可以作為末端電子受體，同時(shí)腐蝕質(zhì)也可能作為氧化還原的媒介，介導(dǎo)土壤和水底沉積物中厭氧氨氧化和難溶金屬氧化物礦物的還原。該研究提供了MES系統(tǒng)結(jié)合厭氧氨氧化反應(yīng)的新思路，即在MES系統(tǒng)中引入難溶性電子受體，使得氨氮持續(xù)氧化。

3.5 MES厭氧鐵銨氧化研究進(jìn)展

厭氧鐵銨氧化是近年來(lái)提出的概念，將MES和厭氧鐵銨反應(yīng)相結(jié)合對(duì)氨氮廢水處理具有重要意義。Zhou等（2016）通過(guò)添加電子穿梭體（蒽醌-2,6-二磺酸鹽或生物炭）發(fā)現(xiàn)，電子穿梭體的加入促進(jìn)了厭氧鐵銨氧化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)更高的脫氮率。這表明電子穿梭體在厭氧鐵銨氧化過(guò)程中可能發(fā)揮著重要的作用。

Zhu等（2021）構(gòu)建了體積為250mL的單式微生物電解池，外加電壓0.5V，添加Fe2O3作為三價(jià)鐵來(lái)源，實(shí)現(xiàn)MES偶聯(lián)三價(jià)鐵還原。該偶聯(lián)裝置相比普通的微生物電化學(xué)裝置和厭氧氨氧化裝置，其厭氧氨去除率提高了50.38%和38.8%，氨氮去除率最高可達(dá)80.62±0.26gm-3.d-1。該研究闡述了該裝置促進(jìn)氨氧化的過(guò)程如圖1(g)所示：首先，Fe2O3的添加會(huì)促進(jìn)鐵還原細(xì)菌的生長(zhǎng)，在外加電壓的條件下進(jìn)而促進(jìn)其生物電化學(xué)活性；其次，厭氧鐵銨氧化過(guò)程通過(guò)利用三價(jià)鐵還原來(lái)氧化NH4+產(chǎn)生NO2-;另外，富集在陽(yáng)極的鐵還原細(xì)菌通過(guò)傳遞電子給陽(yáng)極，利用厭氧鐵銨氧化產(chǎn)生的NO2-促進(jìn)了陽(yáng)極厭氧氨氧化的實(shí)現(xiàn)；較高濃度的Fe2+也表明了MES促進(jìn)了三價(jià)鐵還原過(guò)程�？傮w而言，該裝置對(duì)氨氧化過(guò)程的促進(jìn)是MES和厭氧鐵銨氧化過(guò)程協(xié)同發(fā)揮作用，共同促進(jìn)的結(jié)果。關(guān)于MES厭氧鐵銨氧化的報(bào)道不多，該研究首次對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行深入的研究和報(bào)道，具有重要參考意義。

4、問(wèn)題與展望

MES通過(guò)陰陽(yáng)極電勢(shì)的不同促進(jìn)了產(chǎn)電微生物和電極之間的直接電子傳遞，外加電壓改變電極電勢(shì)更是給很多原本熱力學(xué)上的非自發(fā)反應(yīng)提供了發(fā)生的可能，在處理有機(jī)污染物的同時(shí)還能利用有機(jī)污染物作為能源，因此使得MES在污水處理方面具有很大的潛能與探索意義。與生物脫氮技術(shù)相比，MES處理氨氮廢水具備很多優(yōu)點(diǎn)：能耗低、成本小、清潔環(huán)保、效率高等。但是，在未來(lái)利用MES處理氨氮廢水時(shí)仍需注意以下問(wèn)題：

(1)微生物電化學(xué)氨回收和微生物電化學(xué)氨氧化是MES處理氨氮廢水的兩大思路，但在實(shí)際操作過(guò)程中應(yīng)注意兩者之間的聯(lián)系與影響。在微生物電化學(xué)氨氧化系統(tǒng)中，應(yīng)及時(shí)監(jiān)測(cè)溶液的pH，防止溶液過(guò)堿而導(dǎo)致NH3揮發(fā)，另外雙室MES應(yīng)隨時(shí)監(jiān)控兩室中的氨氮含量，以免發(fā)生NH4+擴(kuò)散而誤認(rèn)為氨氧化導(dǎo)致了氨氮濃度降低；同時(shí)，微生物電化學(xué)氨回收過(guò)程中也應(yīng)關(guān)注到氨氧化的發(fā)生造成氨氮損失的可能，從而提高氨回收效率。

(2)目前大多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道的氨氮廢水是人工合成廢水而非實(shí)際污水，而處理實(shí)際污水時(shí)面臨的復(fù)雜情況也將是MES走向?qū)嶋H應(yīng)用的挑戰(zhàn)之一。未來(lái)對(duì)MES的研究可以慢慢轉(zhuǎn)向?qū)嶋H污水的處理，對(duì)功能微生物的富集和提高其環(huán)境耐受力是維持系統(tǒng)穩(wěn)定的重要因素。

(3)未來(lái)關(guān)于MES的研究，除了在反應(yīng)器構(gòu)型上加以創(chuàng)新之外，還需要對(duì)陰陽(yáng)極的功能微生物多加關(guān)注。在以往相關(guān)的研究中，對(duì)微生物多樣性及功能基因作深入分析的文章不多，但隨著現(xiàn)下測(cè)序技術(shù)的成熟，微生物和功能基因數(shù)據(jù)相關(guān)的分析應(yīng)受到重視和利用。發(fā)現(xiàn)并利用MES中的特定功能微生物，研究不同電勢(shì)對(duì)微生物菌群分化的影響，對(duì)探究新的生物電化學(xué)反應(yīng)機(jī)制具有重要作用。

(4)目前MES的研究仍處在實(shí)驗(yàn)室階段，在MES邁向大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，運(yùn)營(yíng)成本是決定成敗的一個(gè)關(guān)鍵因素。這就意味著未來(lái)在MES的研究中，裝置的優(yōu)化簡(jiǎn)化、系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定性、啟動(dòng)時(shí)間、能量供應(yīng)及其損耗等需要得到更多的關(guān)注。在未來(lái)，傳統(tǒng)的脫氮工藝與MES的合理聯(lián)用可能成為解決這一問(wèn)題的出路。（來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院環(huán)境與應(yīng)用微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，環(huán)境微生物四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)）