聚中性紅修飾電極對微生物燃料電池（MFC）脫氮產(chǎn)電性能的影響

章靜，趙絲蒙，周昱宏，史惠祥

（浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，浙江杭州310058）

0 引 言

在水污染領(lǐng)域，氮素污染是比較突出的問題[1]。硝酸鹽主要來自工業(yè)廢水[2]、農(nóng)業(yè)污水[3]和生活污水，是造成水體富營養(yǎng)化、影響飲用水質(zhì)的重要水體污染指標(biāo)之一，與生態(tài)和人類的健康密切相關(guān)[4-7]，目前受關(guān)注較多的是地下水的硝酸鹽污染[8]。

新興的MFC技術(shù)為廢水脫氮提供了新的思路，其兼具脫氮及產(chǎn)電的能力，使MFC脫氮成為研究的熱點。但MFC因輸出功率低，抑制了其工業(yè)化應(yīng)用，反硝化MFC中微生物與電極表面之間的電子傳遞效率是影響系統(tǒng)整體性能的主要因素之一。而MFC中微生物與電極間的電子傳遞效率較低，針對性的解決思路是降低MFC的電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻，因此構(gòu)建微生物與電極之間良好的接觸和作用關(guān)系對推動反硝化MFC發(fā)展有十分重要的意義，通過改良電極來提高電子傳遞效率，是一種提高M(jìn)FC性能的有效途徑。

本文選用導(dǎo)電性和生物相容性良好的中性紅（neutral red，NR）作為電極修飾材料，通過電化學(xué)聚合法制備得到聚中性紅膜修飾的碳?xì)?，?gòu)建聚中性紅修飾陽極APNR-MFC、聚中性紅修飾陰極CPNR-MFC，并設(shè)置對照組C-MFC。通過反應(yīng)器去除硝酸鹽污染物，研究聚中性紅修飾電極作為陽極或陰極時對MFC廢水處理效果及產(chǎn)電性能的影響；運用電化學(xué)分析方法以及微生物分析手段探討聚中性紅修飾電極對MFCs性能的影響機理，為MFCs電極材料改性以提升反應(yīng)器性能的研究和實踐化應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 電極的制備

將碳?xì)植眉舫? cm×1.8 cm規(guī)格，浸沒于硝酸-水溶液（v：v=1：1.5）中，80℃加熱3 h，冷卻后取出用水沖洗，再將碳?xì)纸胍掖?水溶液（v:v=1：1）中5 min，于去離子水中超聲，置于80℃烘箱中烘干備用。

采用循環(huán)伏安法實現(xiàn)聚中性紅膜在碳?xì)只w上的修飾。首先配制0.025 mol·L－1磷酸鹽緩沖液（pH=6）、0.1 mol·L－1KNO3、1 mmol·L－1中性紅作為電解液。設(shè)置電化學(xué)工作站,掃描電壓設(shè)置為－1.4 ～ 1.4 V（vs Ag/AgCl），掃 描 速 率 為50 mV·s-1，掃描段數(shù)為20，進(jìn)行電化學(xué)引發(fā)。再將掃描電壓降至－1.0～ 0.6 V（vs Ag/AgCl），掃描速率50 mV·s－1不變，掃描段數(shù)為60，進(jìn)行中性紅的聚合沉積。

1.2 實驗裝置

MFC由有機玻璃制成，雙室結(jié)構(gòu)，由陰極和陽極2個半反應(yīng)器組成，單室容積均為128 mL，中間用質(zhì)子交換膜（Nafion 117，DuPont，USA）分隔，有效面積64 cm2。

共設(shè)置3組反應(yīng)器，見表1。3組反應(yīng)器的兩極分別用導(dǎo)線引出，外接750 Ω電阻，形成閉合電路，電阻兩端用導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集儀并聯(lián)，每隔1 min采集一次反應(yīng)器端電壓，如圖1所示。反應(yīng)器啟動前，將準(zhǔn)備好的電極浸沒于厭氧污泥和缺氧污泥中，浸泡30 d后取出投入反應(yīng)器。

表1 MFC反應(yīng)器參數(shù)Table 1 The parameters of MFC reactors

1.3 反應(yīng)器的啟動及運行

試驗依據(jù)的電池反應(yīng)如下：

陽極反應(yīng)：

陰極反應(yīng)：

總反應(yīng)：

反應(yīng)器置于恒溫培養(yǎng)箱中（30℃），序批式啟動，以48 h為周期更換經(jīng)氮氣除氧后的陽極液、陰極液。運行階段，設(shè)置3輪實驗，在初始模擬廢水組分（pH=7±0.2）的基礎(chǔ)上，改變陰極液NO3－的濃度，使陰極進(jìn)水中NO3－-N的濃度分別為50，100，150 mg·L-1，考察修飾電極以及不同濃度的NO3－-N對電池反應(yīng)及產(chǎn)電的影響。

圖1 MFC裝置圖Fig.1 MFCs constructions

1.4 分析測試

1.4.1 電極材料表征

采用SEM觀察電極材料表面形貌；采用EDS對材料微觀區(qū)域的元素分布分別進(jìn)行定性和定量分析；采用FTIR進(jìn)行電極材料的官能團(tuán)分析。

1.4.2 電化學(xué)測試

采用美國Agilent公司34970A型數(shù)據(jù)采集儀在線監(jiān)測MFC反應(yīng)器輸出電壓。測量電池的電極電勢、功率密度、庫倫效率，用極化曲線和電化學(xué)交流阻抗圖譜（electrochemical impedance spectroscopy，EIS）來表征MFC的電化學(xué)性能。

1.4.3 微生物學(xué)測試

在MFCs運行6個月后，進(jìn)行微生物學(xué)測試。采用蛋白質(zhì)含量法表征生物膜的生物量[9]，探究電極材料對生物膜的影響；為研究電極上的菌群分布信息，提取電極上的微生物DNA信息，構(gòu)建克隆文庫，在Illumina MiSeq平臺上進(jìn)行測序分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 聚中性紅修飾電極表征

2.1.1 電極表面形貌

利用掃描電鏡觀察碳?xì)蛛姌O修飾前后的形貌差異，見圖2。中性紅修飾碳?xì)值奶祭w維表面附有明顯的均勻薄膜，局部放大發(fā)現(xiàn)，碳纖維表面的膜為多孔結(jié)構(gòu)。聚中性紅修飾材料增加了電極材料的粗糙度，同時電極表面不規(guī)則的凸起也增強了電極與細(xì)菌細(xì)胞膜表面承擔(dān)電子運輸體功能的蛋白的接觸。

圖2 修飾前后碳?xì)蛛姌O型貌Fig.2 Profile of carbon felt electrode before and after modification

2.1.2 電極表面元素分析

采用能譜儀對電極表面元素進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，以碳?xì)譃榛椎男揎楇姌O上檢測出N元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.28%，推測N元素源自中性紅分子中的N。

2.1.3 電極表面官能團(tuán)分析

采用傅里葉變換紅外光譜儀對電極表面中性紅聚合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測定，結(jié)果如圖4所示。

圖 4（a）中，3 165 cm-1與 3 331 cm－1處的 2個峰由NR中伯胺的N－H伸縮振動引起，表明中性紅單體以－NH2的形式存在；在2 933 cm－1左右為νC－H吸收峰；1 443 cm－1屬于－CH3的變形振動；1 380 ～1 250 cm－1的峰為 σC－N（Ar－N）。（b）中，3 408 cm－1為共軛度較大的聚合物大分子的νN－H[10]；2 924 cm－1處的小吸收峰為νC－H；1 395 cm－1處的峰由－CH3或Ar-N的變形振動引起。對比顯示，在3 000 和 3 500 cm－1之間的3 408 cm－1出現(xiàn)單峰，表明中性紅聚合物是以－NH－的形式存在。GABRIELA等[11]也用核磁共振氫譜檢測到聚合物鏈中的－NH－。結(jié)果表明，碳?xì)衷谥行约t溶液中進(jìn)行電聚合處理時，中性紅單體轉(zhuǎn)變?yōu)橐灾侔废噙B的聚合物，并被成功修飾到碳?xì)蛛姌O表面。

圖3 PNR修飾電極表面能譜圖Fig.3 EDS spectra of PNR modified carbon felt

圖4 中性紅和聚中性紅修飾電極的紅外光譜圖Fig.4 FTIR spectra of NR and PNR modified electrode

2.2 廢水處理效果評價

2.2.1 陰極硝氮去除評價

對3組MFC在單個周期內(nèi)陰極室NO3－-N的濃度進(jìn)行檢測，得到不同進(jìn)水NO3－-N濃度下陰極室內(nèi)NO3－-N濃度隨時間變化的曲線，見圖5。

圖5 不同基質(zhì)濃度下C-MFC、APNR-MFC和CPNRMFC硝氮去除情況Fig.5 Removal of NO3--N at different initial substrate concentrations in C-MFC，APNR-MFC and CPNRMFC

隨著進(jìn)水NO3－-N濃度的上升，反應(yīng)器的周期變長。在不同進(jìn)水NO3－-N濃度下，3組MFC在反應(yīng)周期結(jié)束后NO3－-N去除率均能達(dá)到90%以上。在進(jìn)水NO3－-N 濃度為 150 mg·L－1時，當(dāng) CPNR-MFC中NO3－-N被完全去除時，C-MFC中的NO3－-N濃度仍有14.43 mg·L－1。

計算陰極室NO3－-N去除速率。隨著進(jìn)水NO3－-N濃度的增高 ，C-MFC、APNR-MFC、CPNR-MFC的去除速率分別提高了34.62%，32.14%和42.86%，CPNR-MFC最高達(dá)到0.040 kg·m－3·d－1，可見陰極室底物濃度對半電池反應(yīng)的影響較大。此時，當(dāng)進(jìn)水NO3－-N濃度升高時，CPNR-MFC的去除效果提升最明顯，表明聚中性紅修飾陰極，較大地提升了反應(yīng)器性能，顯示了CPNR-MFC在處理更高濃度硝氮廢水方面具有更大的潛力。

2.2.2 陽極COD降解評價

為了更好地評價MFC去除NO3－-N的性能，考察了不同進(jìn)水NO3－-N濃度下的MFC陽極室COD的降解情況，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同基質(zhì)濃度下C-MFC、APNR-MFC和CPNR-MFC的COD降解情況Fig.6 Degradation of COD at different initial substrate concentrations in C-MFC，APNRMFC and CPNR-MFC

由圖6知，在檢測的周期范圍內(nèi)，相同進(jìn)水濃度不同反應(yīng)器COD的降解情況為：APNR-MFC的降解量最低，CPNR-MFC次之，即當(dāng)陰極還原等量的硝氮時，APNR-MFC陽極消耗的COD最少，單位COD消耗得到的電子利用率最高，即表觀有效產(chǎn)出最高，CPNR-MFC次之。

MFCs之間COD降解量的明顯差異，本質(zhì)上由修飾電極影響電極表面電活性微生物附著情況和電子傳遞效率造成，證實了聚中性紅修飾電極的強化作用。陽極產(chǎn)電微生物比例增大能使有效產(chǎn)電的COD比例增高，促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移，從而使接收陰極電子進(jìn)行還原的硝氮所需的COD量降低。陰極電活性微生物比例增高，則能加速陰極自養(yǎng)反硝化速率，促使陰極電子和H+被快速消耗，兩邊反應(yīng)室質(zhì)子濃度差異的增大一定程度上能促進(jìn)質(zhì)子的跨膜傳遞，陽極室質(zhì)子的消耗及電極上電子的及時轉(zhuǎn)移，對陽極的電化學(xué)反應(yīng)有促進(jìn)作用，也能提升陽極的電子輸出效率。

2.3 電化學(xué)性能評價

2.3.1 電極電勢

為比較3組MFC的電極性能，不同硝氮濃度下的電極電勢如圖7所示。在低電流密度時，不同MFC之間的陽極電勢較為接近，但在高電流密度下，APNR-MFC和CPNR-MFC的陽極電勢較對照組更穩(wěn)定。APNR-MFC的陽極被聚中性紅修飾而能更加穩(wěn)定地輸出。不同陰極的開路電勢及穩(wěn)定性差異明顯，相同電流密度、不同硝氮濃度下，CPNRMFC的陰極電勢總是略高于其他2組MFC，并且隨著電流密度的增大，不同MFC陰極的穩(wěn)定性呈現(xiàn)出CPNR-MFC＞APNR-MFC＞C-MFC的明顯變化，說明聚中性紅的修飾使陰極性能顯著增強。由此證明，采用聚中性紅修飾MFC單邊電極有助于電池整體性能的提高，且本試驗中陰極性能的差異是影響電池整體性能的主要因素。

2.3.2 輸出功率

MFC的功率密度是反映做功快慢的物理量，與反應(yīng)體系的動力學(xué)特性有關(guān)[12]。圖8給出了不同反應(yīng)器在不同硝氮濃度下的功率密度。在3種NO3－-N濃度下，APNR-MFC的最大功率分別為10.70，10.73和11.05 W·m-3，較C-MFC分別提高了43.70%，35.05%和31.93%，CPNR-MFC的最大功率分別為12.22，13.46和15.29 W·m-3，較C-MFC分別提高了64.06%，69.27%和82.51%。分析原因，CPNR-MFC陰極室反硝化反應(yīng)速率最快，對外電路傳遞過來的電子及電極液中質(zhì)子的消耗速度也較快，從而加快了陽極反應(yīng)速率，加大了陽極產(chǎn)電輸出，進(jìn)而提高了MFC的產(chǎn)電性能。

提高進(jìn)水NO3－-N濃度，3組MFC的輸出功率均有不同程度的提升，其中，CPNR-MFC在對照組的最大功率密度對底物濃度有正響應(yīng)的基礎(chǔ)上，增幅更為顯著，說明該反應(yīng)器采用聚中性紅修飾碳?xì)肿鳛殛帢O，陰極反硝化性能明顯強化，在更高硝氮濃度下的產(chǎn)電性能更佳。

2.3.3 庫倫效率

在不同進(jìn)水硝氮濃度下反應(yīng)器的庫侖效率如表2所示，發(fā)現(xiàn)APNR-MFC和CPNR-MFC的陽極庫侖效率與對照組相比均有顯著提高，分別上升了(12.12±0.14)%和(11.36±0.26)%，其中，APNRMFC的庫倫效率最高。數(shù)據(jù)表明，3組MFC中，APNR-MFC的陽極性能最佳，單位COD消耗的產(chǎn)能最高，CPNR-MFC次之，證實了聚中性紅修飾電極對電池性能的強化作用。

圖7 C-MFC（0#）、APNR-MFC（1#）和CPNR-MFC（2#）在不同初始硝氮濃度下的電極電勢圖Fig.7 Electrode potentials of C-MFC（0#），APNR-MFC（1#）and CPNR-MFC（2#）at different initial substrate concentrations

圖8 C-MFC、APNR-MFC和CPNR-MFC在不同初始硝氮濃度下的功率密度Fig.8 Power density of C-MFC，APNR-MFC and CPNR-MFC at different initial substrate concentrations

表2 MFCs在不同初始硝氮濃度下的陽極庫侖效率Table 2 Anodic coulombic efficiency of MFCs at different initial N-N concentration

表2 MFCs在不同初始硝氮濃度下的陽極庫侖效率Table 2 Anodic coulombic efficiency of MFCs at different initial N-N concentration

--N濃度/（mg·L-1）初始NO3images/BZ_77_1874_1878_2117_2119.png50 100 150 C-MFC 13.48 14.34 16.20 25.74 26.38 28.27 CPNRMFC 25.01 25.43 27.64

2.3.4 極化曲線

為了研究使用聚中性紅修飾電極后MFC性能的提升與反應(yīng)器內(nèi)阻的變化是否關(guān)聯(lián)，對不同進(jìn)水硝氮濃度下的3組MFC作極化曲線，如圖9所示。對極化曲線線性部分進(jìn)行擬合，所得斜率即為表觀總內(nèi)阻。APNR-MFC和CPNR-MFC的內(nèi)阻小于對照組C-MFC，表明經(jīng)聚中性紅修飾電極，MFC的內(nèi)阻得到有效降低，此亦是MFC性能提升的宏觀原因之一。

2.3.5 交流阻抗圖譜

為考量聚中性紅修飾電極對其性能及對微生物與電極間電荷轉(zhuǎn)移過程的影響，對高頻區(qū)的歐姆內(nèi)阻和電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻進(jìn)行擬合，擬合交流阻抗曲線如圖10所示，等效電路如圖11所示，內(nèi)阻數(shù)據(jù)見表3。

圖9 不同硝氮濃度下C-MFC、APNR-MFC和CPNR-MFC的極化曲線Fig.9 Polarization curves of C-MFC APNR-MFC and CPNR-MFCat different initial substrate concentrations

圖10 不同MFC的EIS測試Nyquist圖及擬合結(jié)果Fig.10 Nyquist plots for cell，anode，cathode and fitting results of MFCs in this study

相比電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻，C-MFC的陽極和陰極歐姆內(nèi)阻很小，只有3.67和5.84 Ω，表明該陽極和陰極碳?xì)值膶?dǎo)電性能良好[13]。盡管C-MFC的歐姆內(nèi)阻已相對較低，但實驗組的歐姆內(nèi)阻更低，說明中性紅的修飾進(jìn)一步提升了電極的導(dǎo)電性。

實驗組電池性能提升的主要原因是電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻的下降。陽極電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻，Rct（APNR-MFC）＜Rct（CPNR-MFC）＜Rct（C-MFC），且 APNRMFC和CPNR-MFC的陽極電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻分別降至C-MFC的51.79%和65.56%。陰極電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻，Rct（CPNR-MFC）＜Rct（APNR-MFC）＜Rct（CMFC），且APNR-MFC和CPNR-MFC的陰極電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻分別降至C-MFC的68.48%和44.35%。電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻在全電池的規(guī)律為：Rct（CPNRMFC）＜Rct（APNR-MFC）＜Rct（C-MFC），說明電池陰極的修飾對電池性能的影響更大。在MFC中，電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻來自微生物細(xì)胞和電極之間的電子傳遞能量損失，而這與電活性微生物膜的活性、微生物與電極間的相互作用、電極材料的氧化還原性有關(guān)。

圖11 等效電路圖Fig.11 Equivalent electrical circuit

表3 MFCs等效電路擬合結(jié)果Table 3 Simulated values of equivalent circuit of MFCs

2.4 電極微生物特性分析

2.4.1 生物量分析

為探究修飾材料中性紅對生物膜的影響，MFCs陽極和陰極生物量的測定結(jié)果如表4所示。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，陽極生物量：APNR-MFC＞CPNRMFC＞C-MFC，APNR-MFC陽極顯示了更好的生物相容性；陰極生物量：CPNR-MFC＞APNRMFC＞C-MFC，同理，CPNR-MFC陰極顯示了更好的生物相容性。修飾電極上生物量較普通電極生物量分別有84.62%和90.00%的增長，證明中性紅的修飾極大地促進(jìn)了微生物的富集。同時，APNRMFC、CPNR-MFC中未修飾電極端的生物量也有明顯的增加，說明通過半電池反應(yīng)的加強，也能促進(jìn)另一半電池的反應(yīng)性能。

表4 MFCs電極生物量Table 4 The biomass test results of electrodes

2.4.2 電極微生物群落分析

為了探明體系中的功能菌組成，通過Illumina Misep高通量測序平臺對3組MFC結(jié)束運行后的陽極以及陰極微生物進(jìn)行群落結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果如圖12和13所示。

圖12 不同反應(yīng)器陽極微生物群落結(jié)構(gòu)分析Fig.12 Microbial community analysis of anodes in MFCs

對比不同反應(yīng)器的陽極菌屬組成，在可識別的菌屬中，δ-變形菌綱的地桿菌屬（Geobacter）[9,14-15]是被廣泛研究的具有代謝乙酸鹽和產(chǎn)電能力的菌屬，在C-MFC、APNR-MFC和CPNR-MFC中的占比分別為6.87%，31.83%和24.88%，實驗組陽極上有明顯的地桿菌屬富集，其占比分別為對照組的4.63倍和3.62倍。δ-變形菌綱的脫硫弧菌屬（Desulfovibrio）[16]也具有產(chǎn)電能力，能夠通過細(xì)胞色素C進(jìn)行電子傳遞，在對照組反應(yīng)器中占12.93%。此外，δ-變形菌綱的norank_f__Desulfarculaceae菌屬以及β-變形菌綱的Azonexus菌屬在實驗組中的富集度也很高，占比在10%左右，該數(shù)值遠(yuǎn)高于對照組。因此，實驗組陽極生物膜上富集到更多能參與電極電子傳遞的電活性微生物。

圖13 不同反應(yīng)器陰極微生物群落結(jié)構(gòu)分析Fig.13 Microbial community analysis of cathodes in MFCs

觀察不同反應(yīng)器的陰極菌屬組成，在對照組電極上，Lentimicrobium成為優(yōu)勢菌屬，占比達(dá)32.21%。α-變形菌綱的Aquamicrobium[17]菌屬是一種耐氧反硝化菌，無碳源下能將NO3－還原為NO2－，存在碳源時能完全還原成N2，在MFCs中占比分別為4.83%，5.24%和5.56%。β-變形菌綱的硫桿菌屬Thiobacillus[18]是具有電活性的自養(yǎng)反硝化菌屬，在MFCs中的占比分別為3.16%，1.79%和7.35%，證明CPNR-MFC陰極電極環(huán)境有利于其生長。α-變形菌綱的Afipia[19]菌屬具有利用電極電子自養(yǎng)反硝化還原亞硝酸鹽能力，在CPNR-MFC上生長較多，占8.90%，而在另外2組電極上不足0.5%。β-變形菌綱的unclassified_f_Comamonadaceae和Denitratisoma是常見的異養(yǎng)反硝化菌屬，在對照組和實驗組中均有一定的生長。結(jié)果表明，MFCs陰極成功富集了反硝化功能菌，并且這些菌屬主要來自α-變形菌綱和β-變形菌綱。其中，CPNR-MFC陰極對于電化學(xué)活性的Thiobacillus和Afipia具有較高的富集度，自養(yǎng)反硝化反應(yīng)過程占優(yōu)勢，與該反應(yīng)器除氮性能最佳的結(jié)果相一致。

2.5 聚中性紅修飾電極影響機理探究

根據(jù)反應(yīng)器運行結(jié)果，APNR-MFC和CPNRMFC因使用修飾電極，脫氮產(chǎn)電性能顯著增強，其中強化效果更明顯的是CPNR-MFC。

中性紅單體具有良好的導(dǎo)電性和生物相容性。經(jīng)循環(huán)伏安法電聚合在碳?xì)直砻嫘纬删酆衔锉∧?，材料?dǎo)電性得以保留。聚中性紅修飾電極表面粗糙度提高，同時表面存在含N官能團(tuán)，生物相容性好，促進(jìn)了微生物附著，富集了電活性微生物。

對APNR-MFC微生物的分析表明，粗糙的聚中性紅膜對陽極產(chǎn)電微生物Geobacter、Azonexus及norank_f_Desulfarculaceae具有良好的選擇富集作用，產(chǎn)電微生物在電極微生物群落中的占比增大，電活性增強，因此，陽極室消耗單位COD產(chǎn)生的能夠輸出胞外的電子數(shù)量增加。修飾電極上細(xì)菌生物多樣性降低，產(chǎn)電功能菌在生物膜中占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢，競爭性代謝活動相對減少，有助于提高電子的輸出率。

CPNR-MFC表現(xiàn)出的最佳性能及對高硝氮廢水的處理潛力，與反應(yīng)器性能受陰極性能控制有關(guān)。在陰極，聚中性紅修飾電極對具有反硝化功能的電化學(xué)活性微生物Thiobacillus、Afipia和Aquamicrobium有較好的富集作用，與CPNR-MFC表現(xiàn)出的陰極反硝化性能相符。硝氮的還原反應(yīng)是電池的限速步驟，陰極的修飾使得陰極微生物活性增強，半電池反硝化速率明顯提高，對電子和質(zhì)子的代謝速率加快，因此促進(jìn)了陽極的電子輸出和質(zhì)子的跨膜傳輸，減少了電荷和質(zhì)子積累，間接提高了陽極的產(chǎn)電性能。

3 結(jié)論

3.1 選擇中性紅為修飾材料，通過電聚合法對普通碳?xì)蛛姌O表面進(jìn)行修飾，采用SEM、EDS、FTIR等表征手段，證實了碳?xì)蛛姌O表面被聚中性紅膜成功修飾。

3.2 構(gòu)建不同微生物燃料電池，對比反應(yīng)器之間的性能差異。穩(wěn)定運行階段，MFCs均能實現(xiàn)90%以上的硝氮去除率。其中，CPNR-MFC的性能突出，硝氮去除速率達(dá)到 0.040 kg·m－3·d-1，最大功率密度15.29 W·m-3，證實了聚中性紅修飾陰極電池性能提升作用更顯著，這為硝酸鹽廢水處理提供了新思路。

3.3 對MFCs進(jìn)行電化學(xué)和微生物特性分析，探究了聚中性紅修飾電極對MFC性能影響的機理。研究表明，聚中性紅的修飾使得MFC電極生物量附著大，功能菌占比高，從而為增加電子產(chǎn)量、電子利用率和電子傳遞效率提供了有利條件，使MFC電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻降低，進(jìn)而提升了反應(yīng)器性能，可為其實踐應(yīng)用提供理論與技術(shù)支持。