我们展示了利用电化学和生物电化学系统从富含铵的流体中提取铵的方法。讨论了反应器的设置、运行及数据分析。
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摘要
摘要
尿液和粪便等废液可能含有高浓度的铵，这些铵可被回收并重新用于农业或化学领域。本文展示了利用电化学系统和生物电化学系统从富铵废液中提取铵的方法。两种系统均由恒电位仪控制，以设定电流（用于电化学电池）或设定工作电极的电位（用于生物电化学电池）。在生物电化学电池中，电活性细菌催化阳极反应；而在电化学电池中，恒电位仪施加较高电压以产生电流。电流的产生以及由此实现的电池内电荷平衡恢复，促使阳离子（如铵离子）通过阳离子交换膜从阳极液迁移至阴极液。阴极液的高pH环境促使氨的形成，氨可从溶液中吹脱并被酸性溶液吸收，从而实现这一重要营养物质的回收。针对非生物和生物反应器系统，分别在不同阳极液铵浓度和电流条件下，对铵离子跨膜通量进行了表征。两种系统根据其电流效率、铵去除效率以及驱动铵离子跨阳离子交换膜转移所需的能量输入进行了比较。最后，从可靠性、电极成本和反应速率等关键方面进行了对比分析。
本视频文章和实验方案提供了进行电化学和生物电化学氨回收实验所需的全部信息。文中详细说明了两种情况下的反应器装置及其运行方法。我们深入阐述了两种反应器类型的数据分析方法，以及生物电化学系统与电化学系统的优缺点。
引言
随着宝贵资源日益稀缺，从废水中回收有价值的产品变得愈发重要，因为不进行回收的处理仅意味着成本。废水中含有可回收的能量和营养物质，而营养物质的回收有助于实现生产循环的闭环1。通过厌氧消化回收能量是一项成熟的技术，而营养物质的回收则相对较少见。针对尿液和粪便等液态废弃物中营养物质的回收已得到广泛研究，e.g.，通过生成鸟粪石以及直接汽提氨2,3。然而，这些过程需要添加化学试剂，成为其缺点之一4。本文介绍一种从废液流中回收阳离子营养物质的技术，包括钾和铵的回收。由于这些营养物质以阳离子形式存在，因此可利用离子选择性膜在电化学系统中实现回收。该电化学系统由阳极室（发生氧化反应）、阴极室（发生还原反应）以及分隔两个室的离子选择性膜组成。在电池两端施加电压，使电流从阳极流向阴极。该电压可由外部电源提供，以驱动水的氧化和还原反应；或者，阳极上的氧化反应（e.g.有机物的氧化）可由电活性细菌催化，从而降低能耗。为闭合电路并维持电荷平衡，每产生一个电子，就必须有一种带电物种在电极间迁移。因此，铵离子通过阳离子交换膜（CEM）从阳极室向阴极室迁移，可补偿电子的通量4,5。
本文介绍的技术不仅能够从废液中去除铵，还能实现其回收。总氨氮（TAN）以铵（NH4+）和氨（NH3）两种形式处于平衡状态，且该平衡受pH值和温度的影响6。由于阳极室中TAN浓度较高且pH接近中性，NH4+含量丰富，这种带正电的离子因而可在电流作用下穿过阳离子交换膜（CEM）迁移至阴极室。电流在阴极驱动水的还原反应，产生氢氧根离子和氢气。由于阴极室的pH值较高（> 10.0），TAN的平衡几乎完全（接近100%）向NH3方向移动。NH3为气态，可通过气流从吹脱单元轻松转移至吸收柱，并在其中被酸性溶液捕获并浓缩。
该技术有望降低在富含氮的物料（如粪便）进行厌氧消化过程中产生的铵毒性，从而提高这些废物流中的能源回收率，同时实现养分回收4。电化学和生物电化学法提取铵还可作为高总氨氮（TAN）含量废物流（如尿液）的养分回收技术，从而避免在污水处理厂进行脱氮处理所产生的费用7。
本文所述方案可作为多种不同电化学和生物电化学实验的基础，因为我们采用的是模块化反应器。不同类型的电极、膜和框架厚度均可按照下文所述方案进行组合。该方案的主要目的是提供一种利用电解池比较电化学法回收铵与生物电化学法回收铵的方法。这些系统将从提取效率、能耗和可重复性方面进行评估。
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方案
1. 组装反应器并连接脱除与吸收单元
- 收集构建反应器所需的所有材料：电极、框架和橡胶垫圈（参见材料列表）。组装反应器前，仔细将所有部件切割至相同尺寸，以避免组装时发生泄漏。
- 在反应器腔室上钻孔，以安装双头接头。在其中一个反应器腔室侧面中央额外钻一个孔，用于安装参比电极。
- 配制1 M H2SO4溶液作为吸收柱的储备液。根据氨负荷的高低，可适当提高该溶液的浓度。
- 确保离子交换膜按照制造商说明进行预处理。将碳毡电极浸入2 mM CTAB（表面活性剂）溶液中处理3分钟进行预处理，随后用去离子水冲洗碳毡8。电化学实验中使用的稳定阳极无需预处理。
- 按照反应器类型，依次堆叠各部件。生物反应器的堆叠顺序为：有机玻璃端板、橡胶垫圈、不锈钢集流体、预处理过的石墨毡、有机玻璃反应腔室、橡胶垫圈、阳离子交换膜、橡胶垫圈、隔网材料、不锈钢网状电极、橡胶垫圈、有机玻璃反应腔室、橡胶垫圈、有机玻璃端板。
- 电化学池的部件堆叠顺序如下：有机玻璃端板、橡胶垫圈、通过端板固定的IrOx阳极、有机玻璃反应腔室、橡胶垫圈、隔网、橡胶垫圈、阳离子交换膜、橡胶垫圈、隔网材料、不锈钢网状电极、橡胶垫圈、有机玻璃反应腔室、橡胶垫圈、有机玻璃端板。
- 使用聚四氟乙烯密封反应器的连接端口。将参比电极置于与工作电极相同的腔室中：在生物电化学池中为阳极，在电化学池中则为阴极或阳极。
- 使用螺母和螺栓闭合反应器。对角方向依次拧紧螺栓，以均匀分布压力。切勿使用工具紧固，仅用手拧紧即可确保反应器完全密封。
- 向反应器中注水，检测是否存在泄漏。若发现泄漏，检查螺栓是否已充分拧紧，或反应器部件在组装过程中是否发生移位。若无泄漏，将反应器中的水排空。
- 在解吸柱和吸收柱中加入拉西环，填充至柱体高度的一半。
- 校准所有泵的流速。将进料泵和循环泵连接至反应器，将气泵连接至解吸和吸收单元（图1）。尽可能缩短管路长度。
- 向吸收柱中加入250 ml的1 M H2SO4，应确保酸液浸没拉西环。开启泵后，确保气流能充分混合酸液。根据解吸柱的设计和气泵的容量，适当调整酸液体积。
图 1. 实现铵离子提取的生物电化学系统反应器装置。 本图所示系统以连续模式运行。实线表示液体流动，虚线表示气体流动。请点击此处查看此图的放大版本。
图 2. 实现铵离子提取的生物电化学系统反应器装置。 此处展示的系统以连续模式运行。实线表示液体流动，虚线表示气体流动。请点击此处查看该图的放大版本。
图 3. 有机玻璃反应器框架的设计。每个反应器由两个端板反应器和两个反应器腔室组成。所有部件的厚度均为 2 cm。有关其他材料尺寸的详细信息，请参见材料列表。 请点击此处查看此图的放大版本。
2. 生物阳极驱动提取
- 准备培养基。
- 按照 Table 19 中所述方法制备生物反应器的阳极液。提高培养基中的铵浓度，以模拟富氮废水环境。
- 若需在使用前储存培养基，应对其进行高压灭菌，以防止碳源因污染而消耗。根据 Table 1 配制维生素和微量元素，并在培养基高压灭菌并冷却后加入。
- 用氮气至少吹扫培养基30分钟以去除氧气。操作时，将一根导管或针头插入培养基中，并开启氮气流。
- 配制导电溶液作为阴极液。本实验中使用0.1 M NaCl，以实现碱的生成。
| 组分 | 含量 | ||
| Na2HPO4 | 6 g/L | ||
| KH2PO4 | 3 g/L | ||
| NaCl | 0.5 g/L | ||
| NH4Cl | 0.5 g/L | ||
| MgSO4·7H2O | 0.1 g/L | ||
| CaCl2·2H2O 溶液 (14.6 g/L) | 1 ml | ||
| 乙酸钠 | 2 g/L (用于启动) | ||
| 微量元素 | 1 ml | ||
| 维生素溶液 | 1 ml | ||
| 微量元素 (1,000倍) | g/L | 维生素 (1,000倍) | g/L |
| CoCl2 | 0.1 | 生物素 | 0.004 |
| Na2MoO4·2H2O | 0.01 | 叶酸 | 0.004 |
| H3BO3 | 0.01 | 盐酸吡哆醇 | 0.02 |
| Mg2Cl2·6H2O | 3 | 核黄素 | 0.01 |
| ZnCl2 | 0.1 | 盐酸硫胺素 | 0.01 |
| CaCl2·2H2O | 0.1 | 烟酸 | 0.01 |
| NaCl | 1 | DL-泛酸钙 | 0.01 |
| 次氮基三乙酸 | 1.5 | 维生素B12 | 0.0002 |
| AlCl3·6H2O | 0.01 | p-氨基苯甲酸 | 0.01 |
| CuCl2 | 0.01 | 硫辛酸 | 0.01 |
| FeCl2 | 0.1 | myo-肌醇 | 0.01 |
| MnCl2·2H2O | 0.5 | 氯化胆碱 | 0.01 |
| 用KOH调节至pH 6.5 | 烟酰胺 | 0.01 | |
| 盐酸吡哆醛 | 0.01 | ||
| 抗坏血酸钠 | 0.01 |
表1. 用于生物阳极驱动铵提取的阳极液组成。
- 生物反应器的接种
注意：由于本生物反应器使用混合菌群接种，且反应器运行条件将筛选出特定的电活性微生物，因此无需在无菌条件下操作。- 准备接种物。为此生物反应器，准备30 ml来自活跃厌氧生物反应器的出水混合物，包括发酵罐、生物阳极、厌氧消化器和/或原生废水。将混合液收集至注射器中。
- 将充满N2的气袋连接至阳极液瓶，以维持压力稳定并防止氧气进入。通过将装有接种物的注射器排入培养基瓶中，将接种源与一定体积的阳极液混合（此处为每30 ml接种源加入100 ml阳极液）。确保获得足以填满阳极室的体积。
- 使用注射器同时向阳极室和阴极室注入相应的溶液。将充满N2的气袋连接至阳极液瓶，以便通过取样口移除阳极液而不引入氧气。在转移间隔期间，用旋塞关闭取样口。
注意：建议与同事协作完成此步骤，以确保两个反应器腔室同时被填充。 - 当两个反应器腔室均被填满后，开启循环泵，循环流速约为6 L/hr。
- 使用电化学工作站电缆连接三电极系统，以阳极为工作电极。将参比电极置于阳极室内。
- 通过电化学工作站软件将电化学工作站设置为恒电位模式（计时安培法），设定阳极固定电位为-200 mV（相对于Ag/AgCl）。
- 运行连续式反应器进行铵提取
注意：随着生物膜的形成，乙酸盐被消耗并产生电流。随着乙酸盐的耗尽，电流将下降（见结果部分，图3）。- 为切换至连续进料模式，启动阳极和阴极的进料泵。泵速将决定水力停留时间（HRT）。此处，将反应器运行于HRT为6小时的条件下。
- 启动 stripping 与吸收单元的空气泵。可采用闭路循环空气，或使用环境空气进行开路循环。气流配置会影响吸收效率。
- 每周更换三次培养基。按照步骤2.1.1–2.1.4所述方法配制新鲜的阳极液和阴极液。
- 完成上述操作后，将充满N2的气袋连接至封闭的进料瓶，停止进料泵，在进液管路上夹上夹具，更换新旧瓶子，最后移除夹具并重新启动泵。
- 每次更换进料时，分别从阳极液和阴极液的进水与出水中各取5 ml液体样品，用于测定电导率、pH、乙酸含量和铵浓度。
- 更换进料时，同时从吸收柱中取3 ml样品，用于监测pH及总氨氮（TAN）分析。当pH接近4时，更换吸收液为新鲜的1 M硫酸溶液，以确保高吸收效率。
- 由于电流将先上升后趋于稳定，需测定阳极液进水与出水中乙酸含量，以确认该现象并非由碳源限制引起：若阳极液出水中乙酸浓度低于100 mg/L，则表明存在碳源限制。此时应提高进料中的乙酸浓度（表2）。
- 若电流稳定并非由乙酸限制引起，则逐步提高进料中铵浓度，并等待电流再次稳定，以评估提取效率（表3）。
注意：随着铵浓度升高，氨毒性及高电导率将对生物膜造成压力，最终导致电流下降。
| 时间 | 添加至阳极进料的乙酸钠量 (g/L) |
| 第 0 天 – 第 35 天 | 2 |
| 第 35 天 – 第 37 天 | 3 |
| 第 37 天 – 第 51 天 | 4 |
| 第 51 天 – 第 61 天 | 5 |
表2. 生物阳极驱动铵提取过程中阳极液中乙酸钠的浓度。
| 时间 | 向阳极进料中添加的 NH4HCO3 量 (g/L) | 阶段 |
| 第 0 天 – 第 16 天 | 2.26 | I |
| 第 16 天 – 第 26 天 | 4.5 | II |
| 第 26 天 – 第 33 天 | 9 | III |
| 第 33 天 – 第 40 天 | 14.1 | IV |
| 第 40 天 – 第 47 天 | 20 | V |
| 第 47 天 – 第 54 天 | 25.4 | VI |
| 第 54 天 – 第 63 天 | 31 | VII |
表3. 生物阳极驱动的铵提取过程中阳极液中铵的浓度。 各阶段在电流密度图（图2）中注明。
3. 电化学提取
- 配制培养基
- 根据 表44 配制合成废水作为阳极液。加入硫酸铵，使氮的终浓度达到 1、3 或 5 g N/L。
- 配制 0.1 M NaCl 溶液作为阴极液。
| 组分 | 含量 |
| Na2HPO4.2H2O | 1.03 g/L |
| KH2PO4 | 0.58 g/L |
| MgSO4·7H2O | 0.1 g/L |
| CaCl2.2H2O | 0.02 g/L |
| (NH4)2SO4 | 根据实验需要，以获得最终氮浓度为 1/3/5 g N/L |
表4. 电化学铵提取的阳极液组成4。
- 运行连续式反应器进行铵提取
- 启动进料泵以填充反应器各室。为加快填充过程，可暂时提高泵速。
- 反应器充满后，降低泵速，使水力停留时间（HRT）达到 6 hr。以 6 L/hr 的流速启动循环泵，并采集进水样品（5 ml）。
注意：在整个实验过程中需定期测量流速，以确保其保持稳定。 - 启动解吸与吸收单元。该单元的操作方式与生物反应器相同。
- 通过电化学工作站软件，以恒电流计时电位法模式启动电化学工作站。首先施加约 0.5 A/m² 的低电流密度，对膜进行极化，以测定仅由扩散引起的氮通量。
- 系统极化持续 24 小时后，施加实验所需的目标电流密度。可测试不同的电流密度，通常范围为 10 A/m² 至 50 A/m²。在提高电流密度前，采集阳极和阴极出水以及吸收柱的样品。
注意：经过 3 个 HRT 周期后，反应器应接近稳态。 - 反应器达到稳态后，在一段时间内至少采集 3 次样品。分别从阳极出水、阴极出水及吸收柱中取样（每次 5 ml）。记录每次采样的体积、日期和时间。
- 根据阳极进水的稳定性，必要时重新采集阳极进水样品。当使用实际废水时，此步骤尤为必要。
- 改变实验条件，如施加的电流密度和总氨氮（TAN）浓度。每次改变条件后，需等待反应器稳定至少 3 个 HRT 周期后再进行采样。
- 当吸收柱的 pH 接近 4 时，更换为新鲜的 1 M 硫酸溶液作为吸收剂。
4. 样品分析
- 采样当天即测定样品的 pH 值和电导率，以减少因挥发性氨损失导致的测量误差。使用经过适当校准的 pH 探针和电导率探针对 pH 值和电导率进行测定。
- 若样品无法立即测定，应将用于总氨氮（TAN）分析的样品（两个反应器）以及用于脂肪酸分析的样品（生物反应器）在 4 °C 下保存。将生物反应器阳极出水和进水样品通过 0.45 μm 滤膜过滤，以去除生物量并有助于保护脂肪酸。将所有样品管装至管口，以尽量减少 NH3 的损失。
- 采用标准蒸馏法或任何其他可靠的测定方法测量总氨氮（TAN）含量10。
- 采用离子色谱法或气相色谱法11等可靠方法测定乙酸形式的脂肪酸含量。
5. 数据分析与计算
- 从软件中导出恒电位仪的数据文件，并将其导入电子表格程序。对电化学变量按小时计算平均值，以减少数据点数量，并在绘图时使曲线更加平滑。
- 将所有测量数据（pH、铵、挥发性脂肪酸）汇总到一个数据文件中用于计算。相关计算在结果部分中讨论。
- 计算生物反应器产生的电流。最合适的表示方式是电流密度，其计算方法如下（公式112）：
公式 1
其中 j 表示电流密度，I 表示绝对电流，A 表示电极的投影表面积。在某些软件中，可在实验开始前输入阳极表面积，从而自动完成该计算。 - 计算与铵提取相关的参数
- 计算氮通量。将氮通量（g N/m²/d）归一化至膜表面积，然后表示为电流密度（IN）。使用该值计算电流效率（CE）（公式2、3和4）：
公式 2
其中 CAn,in（g N/L）和 CAn,out（g N/L）分别为进入和离开阳极室的测得铵浓度。Q（L/d）为阳极流速，A（m2）为膜表面积（等于阳极和阴极的投影表面积）。 - 将氮通量表示为电流密度（IN，A/m²）：
公式 3
其中 zNH4+（-）为 NH4+ 的电荷数，F 为法拉第常数（96,485 C/mol），M 为氮的分子量（14 g/mol）。 - 计算电流效率（CE，%）：
公式 4
其中 IApplied（A/m²）为施加的（电化学提取）或测得的（生物电化学提取）电流密度。 - 计算理论氮通量。根据给定的施加电流和膜表面积，计算最大理论氮通量（JN,Max，g N/m²/d）（公式5）：
公式 5 - 计算氮去除效率（RE，%）。将从阳极液中去除的铵所占的百分比定义为去除效率。根据阳极进水和出水的总氨氮（TAN）浓度计算（公式6）。
公式 6 - 根据给定的进水 TAN 负荷和施加电流，计算最大理论氮去除效率（REmax，%）（公式7）：
公式 7
其中 JN,applied（g N m−2 d−1）为以氮通量表示的施加电流密度。
- 计算氮通量。将氮通量（g N/m²/d）归一化至膜表面积，然后表示为电流密度（IN）。使用该值计算电流效率（CE）（公式2、3和4）：
- 计算气液比（公式8）：
公式 8 - 计算吸收柱的最大容量。根据最大理论氮通量 JNmax、进水中 TAN 浓度（mol/L）、运行时间 t、膜表面积 A 和吸收液体积 V，计算进入吸收柱的最大理论氮负荷（公式9）：
公式 9 - 计算解吸效率 SE（%）（公式10）：
公式 10 - 计算通过阳离子交换膜进行铵提取的能量输入（EN，单位为 kWh/kg N）（公式11）：
公式 11
其中 ΔV 为测得的阳极与阴极之间的电势差。对于生物反应器，ΔV 取采样期间的平均值；对于电化学反应器，则取整个运行期间的平均值。
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结果
生物反应器的计时安培法结果
根据公式1计算的计时安培法结果展示了连续式反应器的典型曲线图（图4）。实验开始时，阳极和阴极以循环模式运行，以促进生物膜的形成并启动电流的产生。经过5天的运行后，电流密度达到最大值，随后电流产生开始下降。这表明生物膜缺乏产生电流所需的碳源/电子供体（例如，乙酸盐）。在第6天转为连续运行模式，水力停留时间（HRT）为6小时，电流产生持续增加，直至在第12至16天之间达到3.5 A/m²的稳定平台期。达到稳定平台期对于在特定电流密度下获取足够的铵提取数据是必要的。
进料中的铵浓度分多个阶段逐步增加（表2）。每个阶段均导致电流密度上升，最终达到平均27 A/m²的电流。该电流的增加与阳极进料电导率的提高相关，其中碳酸氢铵的添加提高了离子浓度，从而增强了电导率。较高的电导率可降低欧姆电阻，进而有利于电流的产生13生物反应器的计时安培法结果
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讨论
本文提供了建立用于回收铵的生物电化学系统和电化学系统的必要工具。结果部分列出的计算方法为评估系统性能提供了参数。这两种系统在装置和功能上相似，主要区别在于电化学系统采用恒定电流，而生物电化学系统则采用恒定阳极电位。对于非生物系统，施加恒定电流对于驱动电极反应是必要的，同时也可调控体相中的过程，从而实现稳态条件。而对于生物电化学系统，则选择相对于Ag/AgCl为-200 mV的恒定阳极电位，以促进电子向电极的转移15。双室电化学池可在电流驱动下通过膜提取铵离子。两种系统各自具有一定的优势。文中还描述了这些系统可能存在的部分问题。
生物电化学系统在系统成本方面具有多项优势。石墨毡阳极的成本远低于电化学系统中所用稳定阳极的成本。对于1 m² 电极表面，阳极的资本成本降低了10倍，从每平方米1000美元降至100美元²生物电化学系统的运行成本也更低。在生物阳极反应器中，与电化学反应器相比，生物膜可在低得多的阳极电位下产生电流，因此生物电化学体系所需的电池电压显著降低。在电化学电池中，每提取1 kg氮需要输入16.8 kWh的电能，而在相同条件下运行...
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作得到了根特大学对SG的BOF资助。AL得到了罗格斯大学国家科学基金会燃料跨学科研究生教育与培训项目（Fuels-IGERT）的支持。SA得到了欧盟第七框架计划项目“ProEthanol 2G”的支持。SA和KR得到了根特大学多学科研究伙伴关系（MRP）——面向可持续经济的生物技术（01 MRA 510W）的支持。JD得到了IOF高级资助（F2012/IOF-Advanced/094）的支持。KR得到了欧洲研究理事会启动资助项目“Electrotalk”的支持。作者感谢Tim Lacoere设计图文摘要插图，Robin Declerck搭建条带和吸收柱，以及Kun Guo提供接种源。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3.18 毫米厚碳毡 | Alfa Aesar | ALFA43199 | 用作生物阳极，110 毫米 × 110 毫米 |
| 涂覆铱基混合金属氧化物的钛电极 | Magneto 特殊阳极（荷兰） | 用作电化学测试的稳定阳极 | |
| 不锈钢网 | 索拉纳（比利时） | RVS 554/64：材料 AISI 316L，网孔宽度：564 微米，丝径：140 微米，目数：36.6 | 用作阴极，110 毫米 × 110 毫米 |
| 不锈钢板 | 索拉纳（比利时） | 304不锈钢板，厚度：0.5 mm | 用作生物阳极的集流体 |
| Ag/AgCl参比电极 | Bio-Logic（法国） | A-012167 RE-1B | |
| 恒电位仪（VSP 多通道恒电位仪） | Bio-Logic（法国） | ||
| EC Lab | Bio-Logic（法国） | 用于进行电化学测量的软件 | |
| 阳离子交换膜 | 膜国际（美国） | Ultrex CMI-7000 | 根据制造商说明书进行预处理 |
| 湍流促进网 | ElectroCell Europe A/S（Tarm，丹麦） | EPC20432-PP-2 | 间隔材料，110 mm × 110 mm |
| 连接器 | Serto | 1,281,161,120 | 其他尺寸亦可实现，具体取决于导管类型及框架上孔洞的大小 |
| 层析柱与吸附柱 | 自主研发设计 | ||
| 导管 | Masterflex | HV-06404-16 | |
| 气体袋 | Keika Ventures | 带罗伯茨阀的Kynar气体袋 | |
| 拉西环 | Glasatelier Saillart（比利时） | 4 mm × 4 mm 拉西环 | 将条带和吸附柱放入以增强气液接触。多家供应商可提供 |
| 橡胶垫片 | 裁剪至适合亚克力框架 | ||
| 有机玻璃反应器框架 | Vlaeminck, Beernem | 内部设计，见标签页 "反应器框架" 在此文件中 |
参考文献
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