Introduction
回收的废水收益的重要性有价值的产品作为宝贵的资源变得稀缺和治疗没有恢复只占成本。废水中含有既节能又可以恢复营养物，和营养恢复可以帮助以关闭生产循环1。恢复通过厌氧消化的能量是一个成熟的过程中，而营养物的回收是不常见的。回收从液体废物流如尿液和粪便的营养物质已被广泛地研究， 例如 ，通过生产鸟粪石和氨2,3的直接汽提的。但是，需要进行化学加成是这些过程4的缺点。这里，我们提出了一种用于阳离子营养素从废物流，包括钾和铵的回收。这些营养成分的阳离子形式允许恢复使用离子选择性膜在电化学系统中。在这种情况下，electrochemic人系统由一个阳极室（其中，氧化发生）的，一个阴极室（其中，减少发生）和离子选择性膜分离的隔室中。一电压跨细胞施加以产生电流从阳极到阴极。该电压可以通过外部电源来驱动水氧化和还原反应来产生。可选择地，阳极氧化， 例如 ，有机物，可以通过电细菌，需要较少的功率催化。以闭合电路并保持电荷平衡，带电物质，必须在电极之间迁移产生的每个电子。从阳极室到跨阳离子交换膜（CEM）阴极室铵传输因此可补偿电子4,5的通量。
这里提出的技术不仅能消除从废物流铵，而且还可以复苏。总氨氮（TAN）中都存在，阿蒙的平衡鎓（NH + 4）和氨（NH 3），并且是依赖于pH和温度6。 NH 4 +是丰富地，由于高TAN浓度及近中性的pH值，在阳极室与该带正电荷的物质可以因此通过在CEM当前被驱入阴极室提供。电流驱动的水在阴极处还原，导致生产氢氧离子和氢气。的TAN平衡转移至接近100％的NH 3，由于高PH值，在阴极室（> 10.0）。 NH 3是可以经由空气流通很容易地传送从汽提单元到吸收塔那里被捕获并集中在酸溶液中的气体。
这种技术具有的N-富状粪便流厌氧消化过程中减少铵毒性的潜力，从而增加从这些废物流能量回收，同时恢复营养素4。铵电化学和生物电化学提取，也可作为具有高TAN含量废物流的营养恢复技术应用，如尿液，从而避免对营养物的去除费用在污水处理厂7。
这里介绍的协议可以作为许多不同的电化学和生物电化学实验的基础，因为我们使用了模块化反应器中。不同类型的电极，膜和框架的厚度可以组合为在下面的协议说明。该协议的主要目的是提供一种用于电化学铵回收和生物电化学铵回收使用的电解池比较的装置。该系统中的提取效率，电源输入和再现性方面进行了评价。
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Protocol
1.装配反应堆和连接剥离和吸收单位
- 收集所有必要的材料打造的电抗器：电极，框架和橡胶（见材料清单）。精心切割的所有部分相同的尺寸，以避免泄漏，而装配反应器。
- 在反应堆舱钻孔，以适应公对公连接器。钻一个附加孔中的反应器隔室中的一个的一侧的中部，以适应参考电极。
- 准备1 MH 2 SO 4一只股票的吸收塔。增加必要该浓度以适应氨高负荷。
- 确保该膜是根据制造商的说明进行预处理。预处理碳毡电极由3分钟浸泡在2毫米CTAB（清洁剂）。冲洗毡用软化水8中的碳。稳定的阳极电化学实验不需要公关etreatment。
- 根据反应器类型堆叠，以便在不同的反应器中的部分。对于生物反应器：有机玻璃终板，橡胶，不锈钢集流器，预处理石墨毡，有机玻璃反应器室中，橡胶，阳离子交换膜，橡胶垫片材料，不锈钢网电极，橡胶，有机玻璃反应器室中，橡胶，有机玻璃端板
- 堆反应堆部件的电化学电池如下：有机玻璃终板，橡胶，通过终板IROX阳极，有机玻璃反应堆舱，橡胶垫片，橡胶，阳离子交换膜，橡胶垫片材料，不锈钢网状电极，橡胶，有机玻璃反应器隔间，橡胶，有机玻璃终板。
- 使用特氟隆密封的反应器中的连接端口。放置在同一隔室作为工作电极的参考电极：在生物电化学电池中，在电化学电池的情况下的阴极或阳极的情况下的阳极。
- 用坚果和螺栓，关闭反应器。拧紧在相对侧上的螺栓，以均衡的压力。不要使用工具来关闭反应器手指拧紧就足以保证一个完全密封反应堆。
- 填在反应器的水，以测试如果反应器是无泄漏。如果出现渗漏，检查螺栓是否拧紧不足或者反应器的部分之一，而移动的装配器。如果没有检测到泄漏，从反应器排空水。
- 添加拉西环同时在带材和吸收柱到中途填充列。
- 校准所有的泵的流速。连接的进料和再循环泵至反应器和空气泵向所述汽提和吸收单元（ 图1）。最小化管道尽可能的长度。
- 用250ml的1 MH 2 SO 4的填充吸收塔，它应覆盖拉西环。确保空气流以及混合的酸当泵被接通。增加或降低酸的基础上，汽提塔设计和空气泵容量的体积。
图1.反应堆设置了生物电化学系统，使铵提取。这里介绍的系统工作在连续模式。实线表示液体流动，虚线代表气流。 请点击此处查看该图的放大版本。
图2.反应器设置的生物电化学系统，使铵提取。这里介绍的系统工作在连续模式。实线表示液流，虚线表示气体的流动。ww.jove.com/files/ftp_upload/52405/52405fig2large.jpg“目标=”_空白“>点击此处查看该图的放大版本。
的有机玻璃反应堆帧图3.设计。每个反应器由两个端板的反应器和2的反应器室中。所有部件的厚度为2厘米。关于其他材料的大小细节，可以在材料列表中找到。 请点击此处查看该图的放大版本。
2.生物阳极驱动提取
- 准备媒体。
- 如表1 9中描述制备的阳极液用于生物反应器，增加铵浓度在培养基中以模仿的富氮废气流。
- 要存储MEDI嗯在使用前，高压灭菌的培养基，以确保碳源不通过污染耗尽。根据表1制备的维生素和痕量元素和高压灭菌和冷却介质后添加。
- 通过用氮气吹扫至少30分钟以除去氧气冲洗介质。要做到这一点，插入一个管子或针入培养基并打开氮气流。
- 制备导电溶液作为阴极电解液。在这种情况下，使用0.1 M氯化钠，以允许苛性生产。
| 部件 | 量 | ||
| 的Na 2 HPO 4 | 6克/升 | ||
| KH 2 PO 4 | 3g / L的 | ||
| 氯化钠 | 0.5克/ L的 | ||
| 氯化铵 | 0.5克/ L的 | ||
| 硫酸镁4·7H 2 O | 0.1克/ L的 | ||
| 氯化钙2·2H 2 O解决方案（14.6克/ L） | 1毫升 | ||
| 醋酸钠 | 为2g / L（用于起动） | ||
| 微量元素 | 1毫升 | ||
| 维生素解决方案 | 1毫升 | ||
| 微量元素（1000倍） | 克/升 | 维生素（1000倍） | 克/升 |
| 氯化钴 | 0.1 | 生物素 | 0.004 |
| 娜2的MoO 4·2H 2 O | 0.01 | 叶酸 | 0。004 |
| H 3 BO 3 | 0.01 | 盐酸吡哆醇 | 0.02 |
| 2毫克氯2·6H 2 O | 3 | 核黄素 | 0.01 |
| 氯化锌 | 0.1 | 盐酸硫胺素 | 0.01 |
| 氯化钙2·2H 2 O | 0.1 | 烟酸 | 0.01 |
| 氯化钠 | 1 | DL泛酸钙 | 0.01 |
| 三乙酸 | 1.5 | 维生素B12 | 0.0002 |
| 氯化铝3·6H 2 O | 0.01 | 对氨基苯甲酸 | 0.01 |
| 氯化铜 | 0.01 | 硫辛酸（硫辛酸）酸 | 0.01 |
| 三氯化铁2 | 0.1 肌醇 | 0.01 | |
| 氯化锰2·2H 2 O | 0.5 | 氯化胆碱 | 0.01 |
| 调整用KOH pH值6.5 | 烟酰胺 | 0.01 | |
| 盐酸吡哆醛 | 0.01 | ||
| 抗坏血酸钠 | 0.01 |
用于生物阳极驱动铵提取表1阳极电解液组合物。
- 生物反应器的接种
注：工作在无菌条件下没有必要为这种生物反应器，作为混合培养接种体使用，反应器中的条件将选择的特定电活性生物。- 准备接种。对于这种生物反应器，从积极的生物反应器厌氧包括发酵罐准备废水30ml的混合液，生物阳极，厌氧消化和/或原废水。收集在注射器中混合。
- 连接填充有N 2的阳极液瓶的气体袋，以保持该压力，同时不允许氧气进入稳定。与阳极电解液的体积混合的接种物源（这里，将100ml的阳极液30毫升接种源的）由排空与接种注射器到培养基瓶中。一定要得到填补了阳极室所必需的量。
- 使用注射器，同时填充在阳极和阴极隔室各自的解决方案。连接填充有N 2的阳极液瓶的气体袋，以使阳极液溶液可以通过取样口，而不会引入氧气被除去。关闭样品端口传输之间的水龙头。
注：与同事一起执行此步骤，以确保这两个反应堆舱同时填补。 - 当两个反应堆舱都装满，开启再循环泵以大约6升/小时的再循环率。
- 与三个电极连接的恒电位线，使用阳极作为工作电极。定位在所述阳极室中的参比电极。
- 开关上使用恒电位软件的电位在计时模式。选择-200毫伏相对于Ag / AgCl电极的一个固定的阳极电位。
- 运行的连续反应器中进行氨提取
注意：作为生物膜的发展，目前将与乙酸盐的消耗产生的。乙耗尽的结果，电流将下降（参见结果部分， 图3）。- 改变到连续进料，打开进料泵用于阳极和阴极。泵的转速决定了水力停留时间（HRT）。这里，操作的反应器中，在6小时的停留时间。
- 开关上的带材和吸收单元的空气泵。再循环的空气在一个封闭的循环中，或循环中的开环使用的环境空气中。空气流动的配置会影响吸收效率。
- 刷新每周介质三次。准备中的步骤描述新鲜的阳极和阴极2.1.1-2.1.4。
- 在这些步骤之后，附加填充有N 2到闭合进料瓶的气体包，停止供给泵，把一个夹具上进水线路，开关新旧瓶和最后去除夹具和重新启动泵。
- 每次进给刷新，取5毫升的阳极电解液和阴极电解液电导率，pH值，酯含量和铵浓度的测量的流出物和进水的液体样品。
- 当改变进料，也取3mL的样品吸收塔监测pH值，并为TAN分析。当pH接近4，用新鲜的1M硫酸溶液代替吸收性，以确保高的吸收效率。
- 由于目前会先增加，然后达到一个平台，测量王牌在阳极液流入和流出泰特内容，以确保此不会引起碳的限制：乙酸盐浓度低于100毫克/升的阳极电解液流出物表明碳的限制。增加的醋酸浓度的进料在这种情况下（ 表2）中。
- 如果当前的稳定不是由醋酸引起的限制，逐渐增加氨的浓度在饲料中，并等待当前的稳定化，以便评估萃取效率（ 见表3）。
注：由于铵浓度增加，氨的毒性和高的导电性将挑战生物膜和电流最终将下降作为结果。
| 时间 | 乙酸钠的量添加到阳极进料（克/升） |
| 日0 - 35天 | 2 |
| 3 | |
| 37日 - 51日 | 4 |
| 51日 - 61日 | 五 |
乙酸钠中的阳极液用于生物阳极从动铵提取表2浓度的影响。
| 时间 | 的NH 4 HCO 3的量添加到阳极进料（克/升） | 相 |
| 日0 - 16天 | 2.26 | 我 |
| 16日 - 26日 | 4.5 | II |
| 26日 - 33日 | 9 | III |
| 33日 - 40日 | 14.1 | IV |
| 40日 - 47日 | 20 | V | 25.4 | VI |
| 54日 - 63日 | 31 | 七 |
表铵在阳极电解液为生物阳极从动铵提取3浓度的影响。各相上指示的电流密度曲线图（ 图2）。
3.电化学提取
- 准备媒体
- 根据表4 4制备合成废水流作为阳极液。添加硫酸铵，以达到1，3或5克N- / L的终浓度。
- 制备用于阴极电解液的0.1M NaCl溶液。
| 部件 | 量 |
| 娜2 HPO 4·2H 2 O | 1.03克/ L的 |
| KH 2 PO 4 | 0.58克/ L的 |
| 硫酸镁4·7H 2 O | 0.1克/ L的 |
| 氯化钙2·2H 2 O | 0.02克/ L的 |
| （NH 4）2 SO 4的 | 根据不同的实验，得到1/3/5克N / L终浓度 |
电化学铵提取4表4.阳极液组成。
- 运行的连续反应器中进行氨提取
- 在进给泵切换到填充在反应器隔室。为了加快该过程暂时增加泵速率。
- 降低泵的转速，以获得6小时的停留时间，一旦该反应器被充满。开关上的再循环泵以6L / hr的速度。取进水（5毫升）中的样品。
注：周期性地测量的流量在整个实验以确保它不会发生变化。 - 启动带和吸收单元。这个单元的操作是一样的生物反应器。
- 接通使用电位软件恒电位在计时电位模式。首先应用大约为0.5 A /平方米的较低的电流密度，以极化膜和测定氮通量由于扩散独自。
- 当系统已被极化为24小时，应用所必需的实验的电流密度。测试不同的电流密度，一般可达10 A /平方米至50 A /平方米。采取在阳极和阴极流出物，和吸收塔样品增加电流密度之前。
注：经过3次HRT，反应器应该接近稳定状态。 - 一旦反应器已达到稳定状态时，至少需要3个样品上的时间过程。取从阳极和阴极流出物，以及吸收塔（每次5毫升）中的样品。写下取样量，日期和时间。
- 取决于阳极进水的稳定性，取一个新的阳极流入样品如果必要的。这是必要的，当实际废水被使用。
- 改变测试条件，如施加的电流密度和TAN的浓度。每次更改后，让反应器取样之前稳定至少3 HRTS。
- 当吸收塔的pH接近4，用新鲜的1M硫酸溶液代替吸收性。
4.样品分析
- 测量pH值和样品的电导率的同一天，采样，以减少由于挥发性氨的损失的不准确。利用适当校准的pH值和电导率的探针测量pH值和电导率。
- 如果样品不立即测量，存储样本TAN分析（两个反应器）和脂肪酸分析（生物反应器），在4℃。从生物反应器阳极污水和进水通过0.45微米的过滤器过滤样本重新移动量，并帮助保护脂肪酸。填充所有样品管在轮圈，以便最小化的NH 3的损失。
- 通过标准的水蒸气蒸馏法或用于测量TAN 10的任何其他可靠的方法测量氮气作为TAN。
- 测量脂肪酸如乙酸通过任何可靠的方法，例如离子色谱法或气相色谱11。
5.数据分析和计算
- 从软件出口的恒电位仪的数据文件，并将其导入到电子表格程序。计算每小时平均值电化学变量以减小的数据点的数量，并绘制它们时平滑曲线。
- 收集在一个数据文件中的所有测量数据（pH值，铵，VFA）进行计算。该计算结果部分讨论。
- 由生物反应器计算当前的生产。这是最好的表示为电流密度，其计算方法如下（式1，12）：
式（1）
其中j为电流密度，我的绝对电流，电极的投影表面积。在某些软件，它能够具有这种由实验开始前进入阳极表面积自动计算。 - 计算与铵提取参数
- 计算氮通量。正常化氮气通量（克N /平方米/天），以在膜表面面积，然后表示为电流密度（I N）。使用此值来计算的CE（式2，3和4）：
公式2
其中C 的，在 （克N / L）和C 的，输出 （克N / L）的所测量的铵浓度进出阳极室，分别。 Q（L / D）是所述阳极的流量及A（米2）是膜表面面积（等于投射阳极和阴极表面积）。 - 目前氮通量电流密度（I N，A /平方米）：
公式3
其中，z NH +（ - ）为NH 4 +的电荷，F是法拉第常数（96485℃/摩尔）和M氮的分子量（14克/摩尔）。 - 计算出电流效率（CE，％），为：
公式4
在我的应用 （A /平方米）是应用（电化学提取）或测量（生物电化学提取）的电流密度。 - 计算理论的氮通量。计算最大理论氮通量（J·N，最大，克N /平方米/天）对于给定的施加电流和膜表面积（式5）为：
公式5 - 计算脱氮效率（RE，％）。参阅铵是从阳极电解液作为去除效率去除的百分比。从阳极进水和出水TAN浓度（式6）计算。
方程6 - 计算出最大理论脱氮效率（RE 最大 ，％），用于一个给定的进水TAN负荷和施加的电流（等式7）：
公式7
其中J N，应用 （克的N-米-2 D - 1）是所施加的电流密度表示为氮气通量。
- 计算氮通量。正常化氮气通量（克N /平方米/天），以在膜表面面积，然后表示为电流密度（I N）。使用此值来计算的CE（式2，3和4）：
- 计算气/液比为（式8）：
方程8 - 计算吸收塔的最大容量。从理论上的最大氮通量ĴNmax时 ，在进水的TAN浓度（摩尔/升），操作吨，膜表面区域A内的时间，和吸收Ⅴ的体积计算的最大理论N加载到吸收塔（方程9）：
公式9 - 计算汽提效率SE（％）（方程10）：
60; 10式 - 计算能量输入为铵提取通过阳离子交换膜（E N，表示为千瓦时/千克氮）（式11）：
11式
与阳极和阴极之间的ΔV所测量的电位差。在生物反应器的情况下，ΔV计算为平均为采样周期，对电化学反应器取出的平均值在整个运行。
式（1） 
公式2 
公式3 
公式4 
公式5 
方程6 
公式7 
方程8 
公式9 
60; 10式
11式Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
计时从生物反应器的效果
的计时结果，根据公式1计算出的，显示出一个典型的曲线图，用于连续反应器（ 图4）。在实验开始时，阳极和阴极在再循环模式进行操作。这允许生物膜发展和目前生产的发作。经过5天的运行中，电流密度达到最大值，然后在当前生产的降低。这是一个指示，该生物膜缺少一个碳/电子源（ 例如 ，乙酸酯），以产生电流。的变化，以连续操作在第6天，用6小时的停留时间，导致在连续电流增加产量，直至平台期达到3.5的A /平方米12日和16，高原是必要的，以获得对铵足够的数据之间提取一定的电流密度。
铵浓度我n中的进料是在几个步骤（ 表2）增加。每一步都导致增加了电流密度，最终达到27 A /平方米的平均电流。这个电流的增加是有联系的阳极进料，在其中加入碳酸氢铵增加离子的浓度，因此，导电性的增加的电导率。较高的导电率降低欧姆电阻，从而有利于目前生产13 计时电流从生物反应器结果
的计时结果，根据公式1计算出的，显示出一个典型的曲线图，用于连续反应器（ 图4）。在实验开始时，阳极和阴极在再循环模式进行操作。这允许生物膜发展和目前生产的发作。经过5天的运行中，电流密度达到最大值，然后在当前生产的降低。这是一个籼针对这样的生物膜缺少一个碳/电子源（ 例如 ，乙酸酯），以产生电流。的变化，以连续操作在第6天，用6小时的停留时间，导致在连续电流增加产量，直至平台期达到3.5的A /平方米12日和16，高原是必要的，以获得对铵足够的数据之间提取一定的电流密度。
铵浓度在原料中在几个步骤（ 表2）中的增加。每一步都导致增加了电流密度，最终达到27 A /平方米的平均电流。这个电流的增加是有联系的阳极进料，在其中加入碳酸氢铵增加离子的浓度，因此，导电性的增加的电导率。较高的导电率降低欧姆电阻，从而有利于目前生产13。
醋酸测量表明彻底清除通过从第27天至37阳极生物膜碳源在此期间，由生物膜产生的电流密度之前介质变化减小。作为介质没有被保持在无菌条件下，原料中的乙酸的浓度下降了时，由于通过在进料瓶非电活性的微生物消耗。只要培养基补充电流密度再次增加。这表明，目前生产的生物膜是由原料中的碳源浓度的限制。是必要的，以防止碳的限制为测试（ 表2）的第二半的几个增加乙酸的浓度。
图4.电流密度随时间的生物电化学系统。改变到连续方式在第6天之后，增加的电流可以被观察到。 ËACH阶段（Ⅱ - Ⅶ）表示的增加铵进料浓度，这导致增加的电流。
电池电位
电池电位是基于在阳极和阴极电位之间的差来计算，所述超电势在电极和欧姆电阻。电池电位涉及需要驱动电化学电池的总功率。对于方程和阐述这个话题，我们指的审查论文Clauwaert和同事13。
在生物铵提取的情况下，阳极电位定为-200毫伏，相对于Ag / AgCl电极与生物膜产生的电流。作为结果，阴极电位变化，以维持电流通过生物膜产生的。在这种情况下，跨电池单元的电阻影响了阴极电位。在第16天的生物系统的细胞电位开始我现象越来越多，虽然没有增加当前观察和阳极电势仍然固定在-200毫伏相对于Ag / AgCl电极。这是在系统中增加的阻力，这可能是膜电阻的结果的结果（ 例如 ，缩放在膜），或所造成的阳极和膜之间混合不良扩散限制。反应器中进行了仔细的排空和打开，所述膜被替换。阳极置于更远离膜，以改善混合。阳极室用事先已除去阳极电解液再次填满。这种操作恢复细胞电位到相同的水平在连续实验（0.5伏）的开始，大约-700毫伏阴极电位稳定，相对于Ag / AgCl电极。
在非生物电化学提取实验中，细胞电位被类似地计算作为用于生物电化学提取，包括超电势和欧姆电阻。既在阳极和c athode潜力都受到变化。电池电压为所述电化学系统比用于生物反应器（ 表5）高。这主要是由于所需的水的电化学氧化成氧气的较高阳极电位。具体的阳极和阴极电势所测试的条件是由Desloover 等人 4所描述。
| 电流密度 | 生物阳极（V） | 电化学系统（V）的 |
| 0 A /平方米 | N / A | N / A |
| 10 A /平方米 | 1.69±0.05 | 2.73±0.06 |
| 20 A /平方米 | 2.20±0.11 | 2.99±0.08 |
| 30 A /平方米 | 2.32±0.14 | 3.35±0.21 |
铵提取和剥离
前两个部分中提出的电化学参数是确定通过阳离子交换膜铵提取效率的因素。以下参数计算，以比较的生物和非生物系统的性能S IN铵提取的条款。
氮通量（J·N）和提取的电流效率（CE）
铵离子穿过阳离子交换膜，以恢复在所述单元中的电荷平衡。用于被释放在阳极的每个电子，一个正电荷必须从阳极到阴极隔室移动。如果铵恢复100％的电荷平衡，人们会获得100％的电流效率。
对于生物反应器中的氮通量小于所述电化学系统（ 图5）高。这可以通过电化学系统的进料的低碱度来解释，导致较低的阳极电解液的pH值。这导致铵和质子之间较高的竞争，以恢复在膜的电荷平衡。
图5相比的电化学系统，用于不同的电流密度的氮气通量为生物反应器中的氮气通量通量为生物反应器中被计算为一个范围，在阳极进水TAN浓度。对于电化学系统的光通量只为5克N / L的浓度给出。对于电化学系统的误差棒比符号小。
脱模效率
液体再循环率和空气泵的性能可以获得更高的汽提效率进行调整。一个开放的或封闭的空气循环回路的选择也会对汽提效率的效果。一个开放的空气流是有利的，当吸收效率是高的，并通过该酸通过期间所有的NH 3气体被截留。露天系统确保经过汽提塔气是游离氨，从而导致在用于溶解的NH 3为气态的NH 3的转化率较高的驱动力。的情况下的低吸收效率的封闭系统将防止氨的损失。在气流捕获的氨气体必须被吸收到酸溶液，使汽提过程热力学有利，所表达的勒夏特列14的原理。当吸收开始的pH值上升，必须更换，因为这表明，存在可用于质子化氨不再质子。吸收能力可以预先估计。对于H 2每摩尔的SO 4，从NH 3 2摩尔的N能被捕获。
汽提效率（SE，％）是基于氨氮从阳极除去计算和阴极流出物浓度（C（CAT），出 ）。该方法是更精确的比使用所测量的TAN方法告知吸收塔，因为这些都受到evapora化/沉淀。需要注意的是公式10仅对阳极电解液和阴极电解液的相等流速是很重要的。
生物和非生物系统的整体比较
生物反应器和电化学系统进行比较的测试的最相似的条件：5.1克N- /升生物反应器中的阳极电解液的浓度，结果在27个A /平方米的电流密度为5克N- / L的浓度结合30的A /平方米的电化学系统（ 表6）的情况下，所施加的电流密度。
| 参数 | 生物阳极 | 电化学系统 |
| 电流效率（％） | 67.1±0.28 | 38±0.6 |
| 去除效率（％） | 51±0.5 | 41±2 |
| 氮通量（G N /平方米/天） | 226±1 | 143±7 |
| 电池电压（V） | 2.12±0.09 | 3.35±0.21 |
| 能量输入（千瓦时/千克氮去除） | 6.04±1.78 | 16.8±1.4 |
| 阳极液pH值 | 7.39±0.13 | 1.56±0.14 |
| 阴极pH值 | 12.53±0.07 | 12.92±0.08 |
表6的生物反应器和电化学系统的总体比较 。生物反应器是运行在稳定的状态5.1克N / L进料浓度，造成27 A /平方米的平均电流密度。的电化学系统，在30的A /平方米为5克/升的氮气进料浓度运行。
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Discussion
这份手稿提供了必要的工具，以建立一个生物电化学和回收硫酸铵电化学电池。在结果部分提出了计算系统性能的评价提供参数。生物和电化学系统在设置和功能相似。两个系统之间的主要区别是一个固定的电流，电化学电池相对于一个固定的阳极电势的生物电化学设置的选择。固定电流对非生物的设置是必要的，以驱动电极反应，并允许还允许在本体阶段的处理的调节，从而导致稳态条件。为另一方面的生物电化学系统，-200毫伏相对于Ag / AgCl电极的一个固定的阳极电位被选择以使电子转移至电极15。在两隔室电化学电池允许铵的提取过的膜，通过ELECTRICA驱动l，电流。每个系统呈现比其他某些优点。一些可能的问题，该系统中有描述。
生物电化学系统提供几个优点与问候到系统的成本。石墨的成本毡阳极比的成本在电化学系统中使用的稳定的阳极低得多。对于一个1平方米电极表面，阳极的资本成本由10倍下降，从1,000元至100元平方米。生物电化学系统的运行成本也更低。在一个反应器中的生物阳极，电流产生在由生物膜低得多的阳极电势相比，电化学反应器，因此，所需要的电池电压是在生物电化学设置低得多。在电化学电池中提取需要的16.8千瓦时的能量输入/千克氮萃取，而对于生物阳极相同的条件下操作所述能量输入减少了一半以上至6.04千瓦时/千克氮额外反恐执行局。所述电催化细菌在较低电势的阳极反应，而不是水的电化学氧化，从而大大降低了生物反应器的运行成本。其他的运营成本，如电力泵和剥离和吸收不包括在内，但预计是相似的两个系统。使用微生物燃料电池（MFC），而不是一个微生物电解电池时获得更低的能量输入。用一个MFC获得的低萃取率使电能在MEC吸引力16的情况下，投资。
而成本增加该生物电化学系统，运行稳定性和可重复性是电化学电池的一个优点。作为生物系统中，电生物膜是对环境敏感，并且可以容易地被破坏。生物膜是变化的pH值，有毒化合物及温度变化的浓度敏感。该influen吨应该很好缓冲至氧化反应过程中保持围绕中性值的pH值。阳极反应将强制如果阳极电解液不能充分缓冲，因为是对于电化学系统的情况下的pH值降低。这是一个关键点利用生物系统即时废水的处理时，以解决。温度的效果很明显，在生物电化学测试这里介绍可见。最好是放置在反应器中的温度控制的环境中，以排除温度对细菌动力学的影响，但是，这不是在生物电化学测试这里提出，在温度波动可以观察到影响计时的情况。 （冷的，低电流）和天（温，高电流）可以在图中可以看出（ 图4），特别是第42天及46之间夜日变化时，没有其他的因素，例如碳源的低可用性被抑制细菌ACTIV性13,17。
另一个缺点是，所述生物体系需要较长的启动时间。生物膜发展了在电极上几天，但改变了进料特性，如TAN浓度必须以减少应力的微生物生物膜逐渐被应用。在我们的系统，电化学系统只需要极化和3 HRTS 24小时，以达到稳定的工作条件。
电化学系统允许更大程度的过度操作参数的控制。例如，电流密度可被控制，以获得产物回收和电源输入4之间的最佳比例。电流密度比这里提出更高（超过30 A /平方米），可以使用，而对于生物电化学系统中的当前生产不能在本状态中的最先进的控制。限制性碳源，或提供过量的碳可以改变第的电流输出ê生物系统，但如在结果部分中讨论更多的因素影响当前的生产通过生物膜，从而使得难以优化的工艺参数。
上面描述的元件为一个反应器，一个给定的流入的评价提供了基础，并且可以帮助确定生物电化学或电化学系统是否应该选择。我们希望这个教学视频提供了必要的工具，操作简单的电化学或生物电化学系统铵提取。
实验操作过程中的故障排除
许多因素影响的电化学电池的性能。该生物电化学系统甚至对干扰更敏感。在反应器操作中最常见的问题是在这里所讨论的，但可能会出现其它问题。反应堆运行是最容易学会动手和对抗有问题将使ÿOU在未来的运行更加方便地操作。关于生物电化学系统的其他方面将在由Gimkeiwicz和哈尼施18中的朱庇特的视频文章处理。
对材料的尺寸
其它反应器大小可能铵提取。例如，将反应器隔室可以是矩形的，而不是正方形，用5×20平方厘米的内部尺寸。最重要的方面是，所有元件应该适合正常。的橡胶应始终覆盖反应器隔室框架的外侧。该膜应切成比交换表面面积。对于8×8平方厘米的反应器13×13平方厘米是合适的尺寸。相同的占石墨毡。不锈钢集流器的生物阳极具有13厘米×13厘米和11厘米×11厘米内部尺寸，以便不以与阳极电解液直接接触的外部尺寸。
恒电位仪 通过将反应器实验开始之前，执行一个虚设单元测试确保电位的适当运作。
欧姆电阻
保持对系统，其中将所述细胞电位在较高值产生不利影响的欧姆电阻密切关注。该系统的欧姆电阻的突然增加可能表明各种各样的问题：（i）本离子交换膜的故障，（二）过大的电极之间的空间，（ⅲ）差的电极连接，（ⅳ）低电解质导电性，或（v）不充分的混合。可以通过检查所需要的顺从电压具有由电位被递送非常迅速地检测的欧姆电阻的急剧增加。如果此变得太高（> 10 V）时，电位软件程序将中断试验，虽然这依赖于设备上。
膜污染和SCA灵可以预期随时间特别是当实际废水用作阳极电解液，由于二价阳离子如Ca 2+和Mg 2+，以及高固体含量19的存在。这将导致增加的欧姆电阻和较高的电池电压，使该系统的效率较低。
参比电极
参考电极应检查相对于一个稳定的参比电极（ 例如，甘汞电极）每周以确保系统在正确的固定电势操作。放置在系统中的参考电极以这样一种方式，气泡不能在参比电极附近的困（连接到该反应器的侧面，而不是顶部）。
氧气入侵
作为生物膜是氧敏感的，氧气的入侵，应避免在任何时候。进水船舶和阳极室应该是流感略有相似之处在启动期间在反应器用氮气建置。虽然在实验运行过程中，低电流密度可能指示使用O 2作为电子受体，而不是在阳极电极。检查所有连接和管道（尤其是泵管）来检测空气泄漏。氧气入侵可以通过使用刃天青被检测，但是这种化合物可能会干扰该电极活性生物膜20。
剥离和吸收效率
应保持高汽提效率，以避免从阴极流出物的氨损失以及避免溶解的NH 3向阳极室背面扩散。因此，一个最小气体至1,000（克/升）液比建议。使用拉西环势在必行抽提过程中，以有利于液体/气体传送。的吸收效率要高，以保持汽提气体中的NH 3的浓度低。所述absorptio的pHN个列应保持低于4。
不足废气再循环
该气体再循环泵（膜真空泵，VWR），因此气体流速的功率可随时间而减少，由于潮气和结垢的影响。安装前的真空泵的入口的水阱和清洗泵的膜头经常以防止和除去结垢。
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Carbon Felt 3.18 mm Thick | Alfa Aesar | ALFA43199 | Used as bioanode, 110 mm x 110 mm |
| Ti electrode coated with Ir MMO | Magneto Special Anodes (The Netherlands) | Used as stable anode for electrochemical tests | |
| Stainless steel mesh | Solana (Belgium) | RVS 554/64: material AISI 316L, mesh width: 564 micron, wire thickness: 140 micron, mesh number: 36,6 | Used as cathode, 110 mm x 110 mm |
| Stainless steel plate | Solana (Belgium) | inox 304 sheet, thickness: 0.5 mm | Used as current collector for the bioanode |
| Ag/AgCl Reference Electrode | Bio-Logic (France) | A-012167 RE-1B | |
| Potentiostat (VSP Multipotentiostat) | Bio-Logic (France) | ||
| EC Lab | Bio-Logic (France) | software for performing electrochemistry measurements | |
| Cation Exchange Membrane | Membranes International (USA) | Ultrex CMI-7000 | Pretreated according to the manufacturers' instructions |
| Turbulence Promotor mesh | ElectroCell Europe A/S (Tarm, Denmark) | EPC20432-PP-2 | spacer material, 110 mm x 110 mm |
| Connectors | Serto | 1,281,161,120 | Other sizes possible, dependant on tubing type and size of holes in frames |
| Strip and absorption column | In house design | ||
| Tubing | Masterflex | HV-06404-16 | |
| Gas bag | Keika Ventures | Kynar gas bag with Roberts valve | |
| Rashig Rings | Glasatelier Saillart (Belgium) | Raschig rings 4 x 4 mm | Put inside the strip and absorption column to improve the air/liquid contact. Available with many suppliers |
| Rubber sheet | Cut to fit on the perspex frames | ||
| Perspex reactor frames | Vlaeminck, Beernem | In-house design, see tab "reactor frames" in this file |
References
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