厌氧氨氧化燃料电池及其微生物学机理研究

厌氧氨氧化（Anammox）是以氨为电子供体、亚硝酸盐为电子受体产生氮气的微生物反应，是当前环境微生物领域的研究前沿。微生物燃料电池（MFC）是以酶或微生物为催化剂，将化学能直接转化为电能的装置，是当前能源开发领域的研究热点。但是，有关厌氧氨氧化燃料电池（Anammox-MFC）的研究，迄今未见国内外文献报道。创建Anammox-MFC，可以同时实现废水脱氮和生物发电；探明Anammox-MFC中高效菌群的组成、结构和动态变化，可以发掘新的菌种资源；揭示Anammox-MFC的微生物学机理，可以完善Anammox理论。研究成果将丰富环境微生物学内容，推动废水脱氮和生物发电的理论创新和技术创新。

厌氧氨氧化是以氨为电子供体、亚硝酸盐为电子受体产生氮气的微生物反应，是当前环境微生物领域的研究前沿；微生物燃料电池是以微生物为催化剂，将化学能直接转化为电能的装置，是当前能源开发领域的研究热点。对厌氧氨氧化燃料电池的研究，可以同时实现废水脱氮和生物发电、发掘新的菌种资源、完善厌氧氨氧化理论，具有重要的科学意义和很高的实用价值。本项目比选了厌氧氨氧化燃料电池的3种的电极材料和3种电极结构，试验证明石墨毡和二维片状电极分别为最佳的电极材料和电极构型；研发了10种厌氧氨氧化燃料电池装置并优化了其工况条件，为高效菌群的富集培养以及厌氧氨氧化燃料电池的性能研究和机理揭示提供了硬件支持；试验了厌氧氨氧化燃料电池的脱氮性能，氨氮和总氮的去除率可分别达到90%和80%以上，容积脱氮速率最大可达3.01 kg /m3•d；试验了厌氧氨氧化燃料电池的产电性能，产电能力随着容积脱氮速率的升高而增大，最大输出电压和最大功率密度分别可达225.4 mV和1308.2 mW/m3；观测了产电菌群的形态结构、组成和动态变化，接种污泥和经产电驯化后的悬浮污泥和电极生物膜在菌群形态、组成和结构上差异明显；分离、培养和鉴定了产电菌，发现其是厌氧氨氧化菌的伴生菌，具有产电功能和电化学活性，可以协同厌氧氨氧化菌产电；研究了产电菌的物质转化和电子传递过程，探明氨和亚硝酸盐共存是产电菌持续脱氮产电的必要条件，并发现阳极电荷转移是厌氧氨氧化燃料电池电子传递的限速步骤和功率输出的制约因素；研究了产电菌的表面结构和附着性能对厌氧氨氧化燃料电池功效的影响，证明功能菌处于生物膜与絮体状态时均具有脱氮产电效能，且二者具有协同作用；探明了产电菌中介体合成能力并试验了外加中介体对厌氧氨氧化燃料电池功效的影响，电极生物膜不产生中介体，靠直接接触产电，悬浮菌液中存在电子中介体，在受试的5种电子载体中，中性红、2-羟基-1,4-萘醌和吩噻嗪的刺激功效较强；研究了3种不同电极电势的阴极电子受体对厌氧氨氧化燃料电池功效的影响，结果表明输出电压随阴极电子受体电极电势的升高而增大；探明了电池液相pH、温度和离子强度对厌氧氨氧化燃料电池功效的影响，最适pH、最适温度和最适离子强度分别约为8、30°C和40.4 mS/cm，pH、温度和高离子强度可通过改变容积脱氮速率影响产电性能，而低离子强度则可通过改变电池内阻影响产电性能。