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user: 2. 耦合系统的结构与性能 2.1. CW-MFC结构与运行 耦合系统的组成要素包括CW的基本元素(填料、植物)和MFC的基本元素(电极、电路)以及二者共有的微生物群落 [ 39 ] 。采用不同的填料和植物会影响耦合系统的表现，而优选电极材料或对电极修饰 [ 40 ] 和改性 [ 41 ] 也可以提高系统性能。 关于CW-MFC的报道，最早见于2012年Yadav等人的文章。近六、七年很多学者设计了一些新颖的系统来开展研究 [ 38 ] [ 42 ] - [ 63 ] 。不同的耦合系统其电池结构有所不同，主要包括：双室有分隔系统、单室空气阴极系统、生物阴极系统等 [ 64 ] 。隔膜或玻璃纤维等分隔物可以维持阴阳极之间较大的氧化还原电位差，提高电流密度和电池功率 [ 20 ] ，但也会加大系统的内阻 [ 65 ] 、容易产生堵塞问题且增加系统成本 [ 39 ] ，因而耦合系统多采用空气生物阴极结构 [ 66 ] 。电极材料、基质、植物等与传统的MFC和CW差别不大。另外从运行方式来看，CW-MFC有序批式和连续流两种。而按照布水方式，连续流的耦合系统又分为表面流系统、水平潜流系统和垂直流系统(包括上行流和下行流等)。一些典型耦合系统的具体结构见表1。 Table 1 Structure of typical CW-MFC system 序号 结构名称 装置尺寸 (cm) 基质 植物 电极材料 电极间距(cm) 运行方式 参考文献 1 双室有分隔 62 × φ10.5 砾石 美人蕉 石墨盘 32.5 序批式 Yadav et al. (2012) 2 115 × 47 × 50 芦苇 石墨板 25 水平流 Villasenor et al. (2013) 3 17 × 17 × 70 脱水含铝污泥 石墨颗粒 + 石墨棒 10 上行-下行流 Doherty et al. (2015) 4 65 × φ30 石英砂、火山岩、沸石 宽叶香蒲 石墨棒 15、35 上行流 Yakar et al. (2018) 5 空气阴极 有分隔 60 × φ10.5 砾石 美人蕉 阳极：石墨颗粒 阴极：铂催化碳布 31 序批式 Srivastava et al. (2015) 6 25 × φ11 碎石 + 活性炭 菖蒲 阴极：碳毡 (二氧化锰修饰) 阳极：碳刷 10 上行流 Yang et al. (2016) 7 15 × φ9 砾石 - 阴极：碳毡 阳极：石墨棒 15 序批式 Corbella et al. (2018) 8 空气阴极 垂直半露式 15 × 5 × 30 土、石英砂混合 黄菖蒲 石墨毡 25 水平流 Wu et al. (2015) 9 双室无分隔 阴极曝气 150 × φ9 石英砂 灯芯草 石墨盘 12 上行流 + 出水回流 Wu et al. (2017) 10 双室无分隔 阴极曝气 多阳极并联 75 × φ18 砾石 香蒲 碳毡 15、30、45 上行流 Oon et al. (2015) 11 伊乐藻 颗粒活性炭 Oon et al. (2017) 表1. 典型CW-MFC耦合系统结构 Continued 2.2. CW-MFC产电性能 利用微生物催化作用将化学能转变为清洁的电能是研究者追求的目标。但从目前研究结果来看，为降低成本 [ 67 ] 而较多采用的生物阴极耦合系统 [ 68 ] 其电能的转化效率不高，产电水平甚至低于传统的MFC。以污水处理为主要目的的耦合系统，其外电压在100~1000 mV居多，功率密度大多在10 0 ~10 3 mW∙m −2 (或10 2 ~10 3 mW∙m −3 )，库伦效率一般小于10% [ 42 ] [ 43 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 50 ] [ 52 ] - [ 57 ] [ 61 ] [ 62 ] [ 63 ] 。尽管如此，回收电能与污水处理之间较为密切的相关关系，使得电学化指标对于表征MFC强化CW污染物去除作用仍具有重要意义 [ 63 ] 。对于耦合系统电化学性能的研究，大多仍是沿用MFC研究中的一些指标，诸如外电压、内阻值、功率密度、库伦效率等 [ 39 ] 。表2列举了一些典型耦合系统的产电情况。 2.3. CW-MFC脱氮效果 早期在CW-MFC耦合系统刚刚出现之时，对于其污水处理效果，学者们主要关注以有机物为主的物质或是一些难降解物质的去除情况，考察指标以COD为主。随着研究的深入，耦合系统有助于提升湿地脱氮能力的功效逐渐被发现。 在传统的CW系统中，有机物的去除一般能够取得较为满意的效果，但其往往面临硝化作用不完全、反硝化碳源不足等问题；而MFC恰好可以解决这些问题 [ 69 ] [ 70 ] 。越来越多的研究表明耦合系统可以取得更理想的脱氮效果。Virdis等在MFC阳极完成的有机物去除，阴极完成了同步硝化反硝化过程 [ 71 ] ；Pous等探讨了在反硝化过程中，生物阴极的胞外电子传递规律 [ 72 ] ；Corbella等发现耦合系统中MFC的作用使生活污水的出水氨氮多降低25% [ 53 ] ；Wang等也发现在闭合电路条件下，耦合系统硝酸盐还原菌的群落数量增加，从而使硝酸盐去除率提升一倍 [ 59 ] 。目前现有的耦合系统脱氮研究成果 [ 38 ] [ 45 ] [ 47 ] [ 50 ] - [ 58 ] [ 60 ] [ 61 ] [ 62 ] [ 63 ] [ 73 ] [ 74 ] [ 75 ] 汇总于表3。 Table 2 Power production of CW-MFC system 序号 系统外接电阻值 (Ω) 最大平均外电压(mV) 系统内阻最小值(Ω) 最大平均功率密度 (mW∙m −2 或mW∙m −3 ) 库伦效率 (%) 参考文献 1 120 700 120 15.6 mW∙m −2 0.27 Villasenor et al. (2013) 2 - 339.5 209 55.05 mW∙m −2 阳极：8.39~10.48 阴极：7.08~8.86 Liu et al. (2014) 3 950 434 300 268 mW∙m −3 0.10~0.36 Doherty et al. (2015) 4 1000 305 300 9.6 mW∙m −2 - Wu et al. (2015) 5 1000 760 - 320.8 mW∙m −3 - Srivastava et al. (2015) 6 1000 421.7 820 6.12 mW∙m −2 8.6 Oon et al. (2015) 7 1000 656 200 852 mW∙m −3 0.52 Fang et al. (2015) 8 1000 430 - 3868 mW∙m −3 (102 mW∙m −2 ) - Yang et al. (2016) 9 500 589.9 129.8 2000 mW∙m −3 1.85 Xu et al. (2017) 10 1000 545.8 200~450 184.8 mW∙m −3 10.28 Oon et al. (2017) 11 950 200~400 - 112 mW∙m −2 - Wu et al. (2017) 12 1000 416 800 21.53 mW∙m −2 0.38 Wang et al. (2017) 13 1000 - 238.8 26.16 mW∙m −2 - Xu et al. (2018) 14 50~1000 245 - 346 mW∙m −3 10 Corbella et al. (2018) 15 - 1008 - 15.1 mW∙m −2 1.64 Yakar et al. (2018) 16 1000 265.8 373 3714.08 mW∙m −2 - Xu et al. (2018) 表2. CW-MFC耦合系统产电情况 Table 3 Nitrogen removal performance of CW-MFC system 序号 运行方式及HRT 氮素种类 进水浓度(mg/L) 去除率(%) 参考文献 1 序批式，4 d 有机氮(含氮染料亚甲基蓝) 500~2000 93.15 (脱色率) Yadav et al. (2012) 2 上行-下行流，1 d 氨氮 40.0 75 Doherty et al. (2015) 3 序批式，5 d 26.83 99 Wu et al. (2015) 表3. CW-MFC耦合系统脱氮效果 Continued