不同來(lái)源菌群接種微生物燃料電池處理淀粉廢水技術(shù)

淀粉廢水是淀粉生產(chǎn)過(guò)程中各工藝所產(chǎn)生的廢水總和，具有產(chǎn)量大、有機物濃度高的顯著(zhù)特征，是我國食品工業(yè)中污染最嚴重的廢水之一〔1〕。而微生物燃料電池（micRobialfuelcell，MFC）作為快速發(fā)展的水處理技術(shù)，既可以去除廢水中的有機污染物，又可將有機污染物中貯存的化學(xué)能以電能形式回收，實(shí)現廢水的資源化利用〔2〕。由于淀粉廢水中有機物含量豐富，能量巨大，若將MFC技術(shù)應用到淀粉廢水的處理中，不但可以?xún)艋�水質(zhì)，而且還可以利用廢水中豐富的有機質(zhì)為產(chǎn)電微生物提供養分，實(shí)現電能的回收，降低污水處理成本。

目前，在對MFC的研究中，直接利用天然厭氧環(huán)境中的混合菌為接種菌源是最常用的接種形式〔3〕。相對于純菌MFC的前期菌種培養和富集，混菌電池的啟動(dòng)不僅省時(shí)且更節約成本，而且混合菌抗環(huán)境沖擊能力強，可利用基質(zhì)范圍廣，同時(shí)可以發(fā)揮菌群間的協(xié)同作用，增強MFC運行的穩定性，提高系統的產(chǎn)電效率和污水處理效果〔4,5〕。

本研究以天然環(huán)境中的混合菌為接種菌源，考察以實(shí)際淀粉廢水、生活污水和二者的混合液為接種菌液，以人工模擬淀粉廢水為底物時(shí)，MFC的產(chǎn)電能力與廢水處理效果，篩選出利于MFC產(chǎn)電和處理廢水的菌群源，并進(jìn)一步優(yōu)化MFC的操作條件，為淀粉廢水的高值資源化提供新的技術(shù)思路。

1材料與方法

1.1MFC試驗裝置

試驗采用兩室型MFC。陽(yáng)極室和陰極室均由有機玻璃制成，有效容積為150mL，腔體正上方有一直徑為1.5cm的孔，為保證厭氧環(huán)境將陽(yáng)極室用橡膠塞密封，并在橡膠塞上開(kāi)一孔，放置電極（陽(yáng)極和陰極電極均為石墨桿加碳氈，石墨桿直徑為5mm，碳氈尺寸為1.2cm×1.2cm，厚度為1cm，北京三業(yè)碳素有限公司）。腔體上方另開(kāi)一孔，放置飽和甘汞參比電極（SCE，232型，上海精密科學(xué)儀器有限公司）。陰陽(yáng)兩室由陽(yáng)離子交換膜（CMI27000型，美國膜國際公司）隔開(kāi)，膜有效面積為30cm2。負載采用可調電阻箱（ZX21型，天水長(cháng)城電工儀器廠(chǎng)）。

1.2菌群來(lái)源與接種

菌群來(lái)源分別為某淀粉廠(chǎng)排放池內的淀粉廢水，某小區污水井內的生活污水，以及二者的混合液（等體積混合）。將3種菌液分別曝氮氣后等體積接入3組MFC的陽(yáng)極室，同時(shí)用曝過(guò)氮氣的模擬淀粉廢水補充。模擬淀粉廢水主要成分：淀粉2g/L；蛋白胨0.75g/L；NH4Cl0.2g/L；NaCl1.5g/L。緩沖體系為：Na2HPO4•12H2O6.92g/L；KH2PO44.17g/L。

為保證陰極電勢的穩定性，減小陰極影響，本試驗采用16.45g/L的K3Fe（CN）6為陰極電子受體。緩沖體系為：Na2HPO4•12H2O6.92g/L；KH2PO44.17g/L。

1.3測試與計算方法

輸出電壓（U）由數字萬(wàn)用表（DT9205L型，深圳山創(chuàng )儀器儀表有限公司）測定，外電阻R通過(guò)可調電阻箱控制，電流根據公式I=U/R計算得到，最大輸出功率密度Pm根據公式Pm=IU/V計算得到，其中V是陽(yáng)極室實(shí)際廢水體積�？們茸鑂i、陽(yáng)極內阻Ra、陰極內阻Rc以及歐姆內阻Ro的測定依據文獻〔6〕。

COD和NH4+-N分別采用重鉻酸鉀法和納氏試劑光度法測定〔7〕。pH由pH計（MTTLERTOLEDOSG2型，上海梅特勒-托利多國際貿易有限公司）測定，溫度由生化培養箱（SPJ-160B型，金壇大地自動(dòng)化儀器廠(chǎng)）控制。反應器運行除標明溫度外，其余均恒定在25℃。

2結果與討論

2.1不同菌源接種條件下MFC產(chǎn)電性能與廢水處理效果

2.1.1MFC啟動(dòng)時(shí)間與輸出電壓變化

外接R=2000Ω，運行3組反應器，考察不同菌源接種條件下MFC輸出電壓隨時(shí)間的變化，結果如圖1所示。

由圖1可知，當利用混合菌源接種時(shí)，反應器運行19d，輸出電壓基本穩定在660mV，即完成啟動(dòng)；而接種淀粉廢水和生活污水的MFC，反應器分別運行27d和26d時(shí)，輸出電壓基本穩定在510mV和630mV，即完成啟動(dòng)。試驗結果表明，前者較后兩者啟動(dòng)時(shí)間分別縮短了29.6%和26.9%，而且穩定時(shí)的輸出電壓也較高。

MFC的啟動(dòng)過(guò)程實(shí)際上是產(chǎn)電菌在電極上附著(zhù)、繁殖，并同時(shí)產(chǎn)電的過(guò)程。所以，產(chǎn)電菌種類(lèi)及數量是其主要影響要素。以淀粉廢水為接種源的MFC啟動(dòng)時(shí)間長(cháng)而且穩定時(shí)的輸出電壓低，可能是因為產(chǎn)電菌量少，或是產(chǎn)電菌活性差。當以混合菌源接種時(shí)，可能是不同菌間形成了種間協(xié)同效應〔8〕，從而縮短了啟動(dòng)時(shí)間，提高了輸出電壓。

2.1.2MFC最大產(chǎn)電功率密度變化

通過(guò)試驗考察了不同菌源接種條件下，MFC產(chǎn)電功率密度的變化。試驗結果表明，利用混合菌源接種時(shí)，得到的最大產(chǎn)電功率密度為1.92W/m3；利用生活污水接種的MFC的產(chǎn)電功率密度次之，為1.81W/m3；而利用淀粉廢水接種的MFC的產(chǎn)電功率密度最小，為0.75W/m3。其結果和前面輸出電壓間的差異相一致，而且產(chǎn)電功率密度和MFC的總內阻成負相關(guān)。

此外，試驗結果還表明，不同菌源接種條件下，MFC的總內阻主要由陽(yáng)極內阻決定，接種混合菌源的MFC陽(yáng)極內阻最小，所以產(chǎn)電能力最好。

2.1.3MFC廢水處理效果

不同菌源接種條件下，MFC分別運行2個(gè)周期后出水COD和NH4+-N的變化如圖2所示。

由圖2可知，利用混合菌源接種的MFC的廢水處理效果較其他兩組好，但差異并不很大，這說(shuō)明陽(yáng)極室內除了產(chǎn)電菌對COD和NH4+-N有一定的去除外，非產(chǎn)電菌同樣參與了COD和NH4+-N的去除，使每組MFC對COD和NH4+-N的去除差別不大。

2.2混合菌源接種MFC條件優(yōu)化

2.2.1基質(zhì)pH的影響

試驗去掉陽(yáng)極緩沖體系，并以1mol/L的NaOH調節陽(yáng)極基質(zhì)pH。為防止堿的加入引起基質(zhì)離子強度的改變，通過(guò)NaCl調節溶液離子強度，以確保離子強度相等。不同基質(zhì)pH條件下MFC的產(chǎn)電能力與廢水處理效果如表1所示。

從表1可以看出，MFC在pH為8～10的弱堿性環(huán)境下的產(chǎn)電能力較高。當pH為9時(shí)，MFC的產(chǎn)電能力最好，最大產(chǎn)電功率密度為2.34W/m3。而當pH為7時(shí)，MFC的產(chǎn)電能力最差，這是因為pH為7時(shí)，陽(yáng)極內阻最大，微生物產(chǎn)電活性受到抑制，這與G.C.Gil等〔9〕的研究結果相似。

不同pH下COD去除率的變化趨勢與產(chǎn)電效果一致。當pH為9時(shí)，COD去除率最大，為75.1%；而當pH為7時(shí)，COD去除率最小，為72.2%。不同pH下NH4+-N去除率的變化不大，均在80%左右。

依據試驗結果，為了減少陽(yáng)極基質(zhì)pH的變化，以下試驗的陽(yáng)極緩沖體系為：Na2CO31.06g/L，NaHCO37.56g/L，調整陽(yáng)極基質(zhì)pH在9左右。

2.2.2基質(zhì)離子強度的影響

本研究變換陽(yáng)極基質(zhì)NaCl的濃度，對MFC基質(zhì)離子強度進(jìn)行優(yōu)化。不同NaCl濃度下MFC的產(chǎn)電能力與廢水處理效果如表2所示。

由表2可知，隨著(zhù)NaCl濃度的增加，MFC的產(chǎn)電能力先增大后減小，當NaCl質(zhì)量濃度為1.0g/L時(shí)，MFC的產(chǎn)電能力最好。分析原因：在一定離子強度范圍內，隨著(zhù)陽(yáng)極溶液中NaCl濃度的增大，陽(yáng)極內阻明顯降低，可能是增大了質(zhì)子生成與傳遞速率，從而提高了產(chǎn)電能力。當NaCl濃度過(guò)高時(shí)，MFC輸出功率反而略有降低，可能是過(guò)高的含鹽量對微生物的生長(cháng)和活性產(chǎn)生了負面影響，從而影響了電池產(chǎn)電能力〔10〕。

不同NaCl濃度下COD和NH4+-N去除率的變化趨勢和產(chǎn)電能力相同，在NaCl質(zhì)量濃度為1.0g/L時(shí)，COD和NH4+-N的去除率最大。

2.2.3基質(zhì)COD的影響

在前一試驗的基礎上，取陽(yáng)極基質(zhì)NaCl投加質(zhì)量濃度為1.0g/L，變換淀粉投加量進(jìn)行基質(zhì)COD影響試驗。不同基質(zhì)COD下MFC的產(chǎn)電能力與廢水處理效果如表3所示。

由表3可知，隨著(zhù)基質(zhì)COD的增加，MFC的產(chǎn)電能力先增大后減小，當COD為3100mg/L時(shí)，MFC的產(chǎn)電能力最大。出現此變化趨勢的原因可能是：在一定COD范圍內，隨著(zhù)基質(zhì)COD的增加,微生物獲得更多的營(yíng)養物質(zhì)，加速了微生物降解底物、產(chǎn)生電子的速率，從而提高了MFC的產(chǎn)電能力。同時(shí)，淀粉為高分子化合物，溶解于水后容易形成膠體，淀粉濃度越高，膠體量越多，而膠體表面往往帶有一定量的電荷，可能影響了電子、質(zhì)子的傳遞，從而影響了微生物的產(chǎn)電能力；過(guò)多的淀粉投加量也可能產(chǎn)生了過(guò)多的不利于微生物生長(cháng)代謝的中間產(chǎn)物，影響微生物產(chǎn)電。

不同基質(zhì)COD下，COD和NH4+-N去除率的變化趨勢和產(chǎn)電能力相同。當基質(zhì)COD為3100mg/L時(shí)，廢水處理效果最好，但總體上差異并不顯著(zhù)。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

2.2.4溫度的影響

不同溫度下MFC的產(chǎn)電能力與廢水處理效果如表4所示。

從表4可知，較高的溫度有利于MFC產(chǎn)電，當溫度為30℃時(shí)，最大產(chǎn)電功率密度為4.63W/m3。最大產(chǎn)電功率密度與陽(yáng)極內阻呈負相關(guān)，較高溫度時(shí)微生物的產(chǎn)電活性較大〔11〕，從而減小了陽(yáng)極內阻，提高了產(chǎn)電能力。

較高的溫度也提高了微生物對基質(zhì)的降解能力，當溫度為30℃時(shí)，COD和NH4+-N去除率最大，分別為86.3%和82.6%。

3結論

（1）MFC利用淀粉廢水與生活污水混合接種，可節省啟動(dòng)時(shí)間，提高產(chǎn)電能力。相對于淀粉廢水和生活污水，啟動(dòng)時(shí)間分別節省了29.6%和26.9%，同時(shí)最大產(chǎn)電功率密度分別提高了156%和6.1%，但COD、NH4+-N去除率的變化不大。

（2）混合菌源接種條件下，當MFC陽(yáng)極室基質(zhì)溶液pH為9，NaCl質(zhì)量濃度為1.0g/L，基質(zhì)COD為3100mg/L，溫度為30℃時(shí)，得到了最大產(chǎn)電功率密度，為4.63W/m3，最大COD去除率為86.3%，最大NH4+-N去除率為82.6%。

（3）陽(yáng)極內阻是MFC產(chǎn)電能力大小的決定因素。隨著(zhù)陽(yáng)極內阻的減小，MFC產(chǎn)電能力提高。

（4）微生物燃料電池對COD、NH4+-N的去除受環(huán)境因素影響較小，不同菌源接種條件下其去除率變化不大。