城鎮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重的環境問題。以氨氮為主的氮污染會造成水體富營養化，給水生生態系統和人類健康帶來嚴重的危害。生物法處理氨氮廢水主要包括傳統的硝化反硝化反應、厭氧氨氧化反應和各種新型生物脫氮工藝，但在實際應用過程中存在成本高、能量損耗大、二次污染、啟動時間長等缺陷。
微生物電化學系統(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極發生氧化反應，陰極發生還原反應，同時產生電流的新型污水處理裝置，由于陰陽極電勢的差異，微生物的氧化還原電位發生變化，促進了產電微生物和電極之間的電子傳遞，在污染物去除的同時還能產電、產氫、產甲烷等能源，具有操作簡單、能耗較低、污泥產量少等優勢，成為了近年來污水處理研究的熱點。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氨回收和微生物電化學氨氧化的基本原理和相關研究進展，重點關注氨氮污染物的回收效率、降解效率、產能效率以及結合MES的氨氧化新機制；最后從氨回收和氨氧化之間的聯系和影響、實際應用目標、功能微生物與基因以及運營成本等四個方面對存在的問題和未來的研究方向進行展望，為研究MES處理氨氮廢水提供理論參考。
1、生物技術處理
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的硝化反硝化反應、厭氧氨氧化反應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、單級全程自養脫氮(CANON)工藝、限氧自養硝化反硝化(OLAND)工藝、反硝化氨氧化(DEAMOX)工藝等，其各自的基本原理和相應的缺陷見表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，微生物電化學氨回收技術與微生物電化學氨氧化技術。
2.1 微生物電化學氨回收基本原理
如圖1(a)所示，微生物電化學氨回收利用的是生物電化學系統中的離子遷移原理。在MES中，陽極在微生物催化下失去電子氧化有機物產生質子，電子經外電路傳遞到陰極，陰極在微生物催化下得到電子發生還原反應消耗質子。NH4+在離子濃度梯度的作用下從陽極透過陽離子交換膜遷移到陰極，陰極由于消耗質子pH持續上升，最后利用物理吹脫原理，使堿性條件下的NH3揮發并得到回收。
2.2 微生物電化學氨氧化基本原理
傳統的微生物電化學脫氮技術基本原理一般分為陽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極發生，而微生物電化學氨氧化也衍生出幾類不同的技術手段，大體可分為四類：MES同步硝化反硝化、MES陽極氨氧化、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可以利用有機碳作為陽極電子供體，硝酸鹽作為陰極電子受體實現同步脫碳除氮。如果在MES的陰極上施加適當的曝氣，理論上可以實現基于MES的同步硝化反硝化和去除有機碳。相關反應式如下所示：
2.2.2 MES陽極氨氧化基本原理
在MES中，氨氧化細菌可以生長在陽極，氨氧化過程傳遞電子給陽極，電子通過外電路傳遞到陰極之后，可以通過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準條件下的吉布斯自由能分別是-275和-357KJ/mol，負的標準電勢表明氨氧化反應理論上能夠在微生物燃料電池中自發發生，以氨氮作為電子供體，硝氮、亞硝氮或者氧作為電子受體產生電流。相關反應式如下所示：
2.2.3 MES厭氧氨氧化基本原理
關于厭氧氨氧化過程中具體的反應機制，Van等（1998）也做出了相關詮釋：首先NH2OH和NH3在聯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個電子還原NO2-為NH2OH。涉及到反應位點的具體機制目前有兩種，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過程。但不論是哪一種機制，都涉及到了N2H4失電子的氧化過程和NO2-得電子的還原過程，而MES的陽極和陰極理論上可以促進這種得失電子的氧化還原反應，這就有利于我們將MES和厭氧氨氧化技術相結合，促進MES厭氧氨氧化的發展。
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，近年來又發展出新的氨氧化技術，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，通過三價鐵還原為二價鐵的過程來促進氨氮氧化為氮氣、亞硝氮或者硝氮，其具體的反應方程式如下：
MES中氨氧化細菌可以傳遞電子到陽極發生陽極氨氧化，而氨氧化細菌的生物電化學活性其實不如鐵還原細菌，如果能讓鐵還原菌富集在MES的陽極上，理論上可以代替氨氧化菌實現陽極氨氧化同時促進厭氧鐵銨氧化。
3、MES處理氨氮廢水研究進展
由于生物法處理氨氮廢水成本較高、能量損耗較大等缺陷，近年來利用MES處理氨氮廢水的研究越來越多，有的側重于對氨氮污染物的回收利用，有的關注氨氮污染物的降解效率和產能效率，有的則探究了MES降解氨氮的新機制。關注MES處理氨氮廢水的相關研究進展有利于更好地了解MES存在的問題和潛在的應用前景。
3.1 微生物電化學氨回收研究進展
在微生物電化學回收氨的過程中，由于陽極不斷產生質子而導致陽極液嚴重酸化，導致陽極微生物的活性受到抑制。傳統的做法是在陽極液添加堿度或者pH緩沖液，這帶來實際操作上的諸多不便，針對這個問題，Cheng等（2013）提出利用陰極室產生的部分NH3進行回流，通過氣體交換裝置傳輸到陽極室，能有效緩解陽極液酸化的問題，實現無需外加堿度的氨回收。在利用MES回收氨的過程中，如果可以實現同步產電或者產氣，將大大提高氨回收工藝的實際應用價值。Kuntke等（2011）構建了雙室微生物燃料電池并成功用于回收氨同時產電。該研究通過添加氯化銨增加氨氮的濃度（從0.07到4g/L），發現該系統性能穩定而不受影響。研究發現不同離子的濃度會影響具體離子的傳輸順序。另外，Wu等（2013）利用生物電化學系統成功回收氨同步產氫，產氫效率高達96%±6%，在合成廢水中氨回收效率達94%，在實際廢水中氨回收率達79%。關于氨氮在MES中轉運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離子膜構建了滲透性微生物燃料電池并成功回收氨，該裝置在陽極液流速為4mLmin-1的條件下實現80.1%±2.0%的氨去除率。該研究證實了電流的產生是氨氮在正向滲透膜中傳輸的關鍵因素。該研究還證明了水通量、離子擴散和離子交換對氨氮的轉運也有影響。
3.2 MES同步硝化反硝化研究進展
一般來說，同步硝化反硝化是在厭氧顆粒污泥系統中，溶解氧在微生物絮體上分布不同導致表面形成富氧區，內部形成缺氧區而發生的特殊反應。但是，在MES中某些特殊情況下也可以實現同步硝化反硝化。Virdis等(2010)構建了如圖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，從而實現陰極原位硝化反應。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94.1%±0.9%。通常來說，溶解氧濃度是決定同步硝化反硝化過程是否成功發生的關鍵因素。這是因為過低的溶解氧濃度會抑制硝化反應導致氨氮氧化效率下降，而過高的溶解氧濃度則會抑制反硝化反應導致硝氮亞硝氮的累積。然而，在該系統內的同步硝化反硝化過程卻在較高溶解氧濃度（1.97±0.09mg/L和4.35±0.08mg/L）的條件下成功實現。出現這種現象的原因有兩種可能：一種是MES系統增強了反硝化菌對溶解氧的耐受性，使得在較高溶解氧條件下仍能還原硝氮以及亞硝氮；另一種是該系統中的溶解氧分布不均，出現類似厭氧顆粒污泥上的不同溶解氧分布。
為了更進一步了解MES中這種除碳同步硝化反硝化反應，Virdis等（2011）再一次構建了類似的微生物電化學同步硝化反硝化系統，在溶解氧濃度為5.73±0.03mg/L的條件下實現總氮去除效率86.9%±0.5%和總氮去除率3.39±0.08mgL-1h-1的效果。同時，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。結果分析得出在陰極上出現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菌，在生物膜內層由于氧氣相對較少分布的主要是反硝化細菌，這也剛好證實了前面的第二種猜測。該研究首次提出了陰極生物膜上同時存在硝化反硝化菌群。
近年來，隨著生物脫氮技術的發展，自養反硝化、好氧反硝化和異養硝化的發現也為同步硝化反硝化提供生物學上的合理詮釋。本課題組Yang等（2020）構建了空氣暴露生物陰極微生物燃料電池（AEB-MFC）用于處理尿液同時產電，實現了同步耐鹽硝化和好氧反硝化。該裝置氨氮去除效率可達86.8%±1.5%，總氮去除率達62.7%±2.3%，化學需氧量去除率達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，同時還能產生穩定的電流，雖然電流相對較低。如圖1(d)所示，通過對電極上的功能性微生物進行分析，了解到空氣暴露生物陰極(AEB)作為多功能生物電極，不止可以發生氧化還原反應，還可以促進嗜鹽硝化反應、好氧反硝化反應、氨揮發等其他復雜反應，有利于污染物去除和能量回收。
3.3 MES陽極氨氧化研究進展
在傳統的MES中，通常是有機污染物作為陽極電子供體提供電子，而在Zhen等（2009）的研究中首次提出，氨氮可作為陽極電子供體并產生電流，這為微生物電化學氨氧化奠定了理論基礎。該研究指出，之所以該系統能利用氨氮作為陽極電子供體產生電流，可能由于以下原因：在有機物存在情況下，化能無機自養的氨氧化細菌不會和異養細菌競爭營養；該生物燃料電池的培養液是高氨氮低有機碳的低碳氮比廢水；具有相對較長的微生物培養馴化時間；雖然電流的產生與陽極氨氧化相關，但電流值不高。
如果能在MES中利用氨氮作為陽極電子供體，實現微生物電化學氨氧化，就能在降解氨氮污染物的同時將電子用于還原氧化物，實現氨氮的資源化利用。Qu等（2014）構建的單式微生物電解池中實現了厭氧陽極氨氧化，發現硝氮是氨氧化的主要產物（占氨氮消耗的95%），同時也檢測到部分亞硝酸氮。16SrRNA分析表明，陽極主要功能菌群是Nitrosomonaseuropaea(40.3%)和Empedobacter(34.7%),并未發現厭氧氨氧化菌。該研究首次提出氨氮可以通過陽極氨氧化將電子傳遞給陽極，實現厭氧條件下的陽極氨氧化。然而，電子到達陽極之后的具體流向和氨氮與產物之間的具體轉化關系和原理在該研究中沒有提及。Zhu等（2016）構建了固定陽極電勢為-0.5V的單式生物電化學系統，該研究同樣實現了厭氧條件下的陽極氨氧化過程，氨氮被氧化為亞硝氮，并用于后續的厭氧氨氧化過程，有效提高厭氧氨氧化效率至少29.2%，為解決厭氧氨氧化實際應用過程中缺乏電子受體亞硝氮這一難題提供新的思路。
在傳統的厭氧氨氧化反應中，氨氮作為電子供體，亞硝氮作為電子受體直接一步反應生成氮氣。如果能在MES中利用氨氮作為陽極電子供體，硝氮或亞硝氮作為電子受體，就能實現類似厭氧氨氧化反應的效果。但是，這種理論假設需要解決的前提問題是，氨氮和有機碳的電子供體競爭問題，或者不加入有機碳需要解決的自養反硝化問題。Joicy等（2019）構建了如圖1(e)所示的微生物電解池，對厭氧條件下的陽極氨氧化過程進行研究。該裝置在反應體系中添加500mg/L的氨氮作為陽極電子供體，陰極添加不同配比的硝氮和亞硝氮共300mg/L，在外加0.2V/cm的靜電場下運行，發現亞硝氮和硝氮都可以作為氨氮的電子受體，實現厭氧條件下的陽極氨氧化。隨著電子受體中硝氮的比例的增大，氨氧化率有所下降，這說明以硝氮為電子受體進行氨氧化的效率低于亞硝氮。但是，當電子受體只有硝氮時，氨氧化率還有24mgNH4+-N/gVSS.d。經過測序表明了該系統中不存在厭氧氨氧化菌，也就是說該反應與厭氧氨氧化無關，而是MES下的硝化和反硝化反應的結合，該研究首次提出硝態氮可直接作為氨氮氧化的電子受體。但是，關于氨氮氧化和硝氮亞硝氮還原的產物分析（有無產氣）以及無有機碳源下的自養反硝化的馴化問題在該研究中沒有提及，大大降低了該研究的參考價值。
陽極氨氧化過程中的電勢問題同樣值得關注，本課題組Zheng等（2020）構建了單式生物陽極微生物電解池，研究了不同陽極電勢對陽極氨氧化的影響，發現在固定陽極電勢為+200mV和-200mV時氨氮去除率高達100%，這對探究陽極氨氧化現象具有一定參考意義。微生物菌群分析結果表明陽極同時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厭氧氨氧化研究進展
厭氧氨氧化技術在實際應用過程中的最大缺陷就是厭氧氨氧化菌的生長及其緩慢（加倍時間長達11天），其培養和馴化需要特殊的條件和相對漫長的過程（60-900d）。如果能在MES中實現厭氧氨氧化，有利于縮短系統啟動時間，提高該技術的實際應用價值。Kokabian等(2018)成功構建了如圖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上在陰陽極之間添加一個脫鹽池，陽極利用陽極呼吸菌降解有機物產生電子，經外電路傳遞至陰極，陰極由厭氧氨氧化菌得到電子發生厭氧氨氧化將NO2-還原為氮氣。中間脫鹽池利用的是陰陽極氧化還原過程中的離子遷移，從而實現海水淡化。該系統最大功率密度可達0.092Wm-3，氨氮去除率超過90%。通過對陰極生物膜的微生物群落分析，發現雖然存在厭氧氨氧化菌，但是反硝化細菌的數量遠多于厭氧氨氧化細菌，后續研究將針對不同功能菌的生理條件進行限制從而提高厭氧氨氧化菌數量。
Shaw等（2020）發表于《自然.通訊》中的文章提出了另外一種微生物電化學厭氧氨氧化過程，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+直接氧化為氮氣。利用同位素標記，揭示了NH2OH作為中間產物的轉化過程，具體反應過程如下：
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程可能對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境中，由于缺乏NO2-、NO3-或者O2等溶解性電子受體，傳統的厭氧氨氧化并不能解釋這種環境下的氮損失，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化合物如腐殖質可以作為末端電子受體，同時腐蝕質也可能作為氧化還原的媒介，介導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系統結合厭氧氨氧化反應的新思路，即在MES系統中引入難溶性電子受體，使得氨氮持續氧化。
3.5 MES厭氧鐵銨氧化研究進展
厭氧鐵銨氧化是近年來提出的概念，將MES和厭氧鐵銨反應相結合對氨氮廢水處理具有重要意義。Zhou等（2016）通過添加電子穿梭體（蒽醌-2,6-二磺酸鹽或生物炭）發現，電子穿梭體的加入促進了厭氧鐵銨氧化過程，實現更高的脫氮率。這表明電子穿梭體在厭氧鐵銨氧化過程中可能發揮著重要的作用。
Zhu等（2021）構建了體積為250mL的單式微生物電解池，外加電壓0.5V，添加Fe2O3作為三價鐵來源，實現MES偶聯三價鐵還原。該偶聯裝置相比普通的微生物電化學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80.62±0.26gm-3.d-1。該研究闡述了該裝置促進氨氧化的過程如圖1(g)所示：首先，Fe2O3的添加會促進鐵還原細菌的生長，在外加電壓的條件下進而促進其生物電化學活性；其次，厭氧鐵銨氧化過程通過利用三價鐵還原來氧化NH4+產生NO2-;另外，富集在陽極的鐵還原細菌通過傳遞電子給陽極，利用厭氧鐵銨氧化產生的NO2-促進了陽極厭氧氨氧化的實現；較高濃度的Fe2+也表明了MES促進了三價鐵還原過程�？傮w而言，該裝置對氨氧化過程的促進是MES和厭氧鐵銨氧化過程協同發揮作用，共同促進的結果。關于MES厭氧鐵銨氧化的報道不多，該研究首次對該現象進行深入的研究和報道，具有重要參考意義。
4、問題與展望
MES通過陰陽極電勢的不同促進了產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更是給很多原本熱力學上的非自發反應提供了發生的可能，在處理有機污染物的同時還能利用有機污染物作為能源，因此使得MES在污水處理方面具有很大的潛能與探索意義。與生物脫氮技術相比，MES處理氨氮廢水具備很多優點：能耗低、成本小、清潔環保、效率高等。但是，在未來利用MES處理氨氮廢水時仍需注意以下問題：
(1)微生物電化學氨回收和微生物電化學氨氧化是MES處理氨氮廢水的兩大思路，但在實際操作過程中應注意兩者之間的聯系與影響。在微生物電化學氨氧化系統中，應及時監測溶液的pH，防止溶液過堿而導致NH3揮發，另外雙室MES應隨時監控兩室中的氨氮含量，以免發生NH4+擴散而誤認為氨氧化導致了氨氮濃度降低；同時，微生物電化學氨回收過程中也應關注到氨氧化的發生造成氨氮損失的可能，從而提高氨回收效率。
(2)目前大多數文獻報道的氨氮廢水是人工合成廢水而非實際污水，而處理實際污水時面臨的復雜情況也將是MES走向實際應用的挑戰之一。未來對MES的研究可以慢慢轉向實際污水的處理，對功能微生物的富集和提高其環境耐受力是維持系統穩定的重要因素。
(3)未來關于MES的研究，除了在反應器構型上加以創新之外，還需要對陰陽極的功能微生物多加關注。在以往相關的研究中，對微生物多樣性及功能基因作深入分析的文章不多，但隨著現下測序技術的成熟，微生物和功能基因數據相關的分析應受到重視和利用。發現并利用MES中的特定功能微生物，研究不同電勢對微生物菌群分化的影響，對探究新的生物電化學反應機制具有重要作用。
(4)目前MES的研究仍處在實驗室階段，在MES邁向大規模實際應用的過程中，運營成本是決定成敗的一個關鍵因素。這就意味著未來在MES的研究中，裝置的優化簡化、系統持續穩定性、啟動時間、能量供應及其損耗等需要得到更多的關注。在未來，傳統的脫氮工藝與MES的合理聯用可能成為解決這一問題的出路。（來源：中國科學院環境與應用微生物重點實驗室，環境微生物四川省重點實驗室，中國科學院成都生物研究所，中國科學院大學）
