養豬廢水資源化利用技術(shù)

　　1 引言

　　微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells，MFCs)是一種廢水資源化技術(shù)，具有污泥產(chǎn)生量小的特點(diǎn)，可用于生活污水、豬場(chǎng)廢水、食品加工廢水及垃圾滲濾液等處理.光合微生物應用于MFCs領(lǐng)域產(chǎn)生了光微生物燃料電池(Photosynthesis Microbial Fuel Cells，Photo-MFCs)，在實(shí)現污染物化學(xué)能轉化成電能的同時(shí)將光能轉化為電能，因而受到越來(lái)越多的重視.

　　養豬場(chǎng)廢水含有大量有機物、懸浮物、氮、磷，并散發(fā)惡臭氣體，水量大且排放集中，對水體造成極大污染.利用MFCs處理養豬場(chǎng)污水的同時(shí)，還能獲得電能.Min等采用單室空氣陰極MFCs處理豬場(chǎng)廢水，電池的功率密度隨廢水COD的升高而增大，MFCs運行100 h，氨氮和溶解性COD去除率分別為83%±4%和86%±6%，但處理后廢水中硝態(tài)氮和磷濃度反而略有升高.Kim等的研究表明，單室MFC具有很好的除臭性能.李小虎等(以乙二胺改性陽(yáng)極構建的MFCs處理養豬場(chǎng)排放廢水，發(fā)現COD和氨氮均有較高的去除率，日平均去除量分別為429.3 mg · L-1和82.6 mg · L-1，最大功率密度為208 mW · m-2.但現階段，MFCs在處理養豬廢水方面還存在無(wú)機氮、磷處理效果差等缺點(diǎn).

　　微藻應用于MFCs陰極，通過(guò)光合作用生成O2為MFCs提供電子受體，利用無(wú)機氮、磷合成生長(cháng)所需的有機物，可提高M(jìn)FCs處理含氮、磷廢水的能力.光合細菌應用于MFCs陽(yáng)極，厭氧條件下代謝有機物，可降低廢水COD.Photo-MFCs實(shí)現廢水處理的同時(shí)，收獲的光合微生物可用于餌料生產(chǎn)或生物質(zhì)能源開(kāi)發(fā)，提升了其在新能源開(kāi)發(fā)和廢水處理方面應用的潛力.

　　基于此，本研究首次將微藻和光合細菌分別接種于雙室MFCs的陰極和陽(yáng)極，構建Photo-MFCs，考察其廢水處理效果，論證其處理養豬廢水 的同時(shí)獲得光合微生物和電能的可行性.

　　2 材料與方法

　　2.1 豬場(chǎng)養殖污水

　　實(shí)驗所用養豬廢水取自廈門(mén)市郊某養豬場(chǎng)，為豬糞和豬舍沖洗水組成的混合廢水，其水質(zhì)特征如表 1所示.

　　表1 實(shí)驗用養豬廢水水質(zhì)特征

　　2.2 MFCs裝置構造

　　本實(shí)驗構建的MFCs為采用有機玻璃板制成的雙室MFCs(圖 1).陽(yáng)極室和陰極室的體積均為135 cm3，陰陽(yáng)極碳氈表面積均為16 cm2(4 cm × 4 cm)，陰極室和陽(yáng)極室均用質(zhì)子交換膜隔開(kāi)，裝置底端和頂端設置進(jìn)、出水口，外接1000 Ω電阻，外電路通過(guò)導線(xiàn)與電極相連構成回路.MFCs輸出電壓由數據采集器每5 min采集1次.

　　圖 1 光合微生物燃料電池裝置

　　2.3 Photo-MFCs的接種與運行

　　以0.2 V(vs.Ag/AgCl)電位及光照富集的光合菌群為Photo-MFCs陽(yáng)極接種物，柵藻(Desmodesmus sp. A8)為陰極微生物;Photo-MFCs啟動(dòng)階段陽(yáng)極液為人工廢水，陰極液為BG11培養基，電池穩定運行后陽(yáng)極液為養豬廢水，陽(yáng)極出水為陰極進(jìn)水.反應器置于3000 lx光照下運行，溫度恒定在28 ℃.待輸出電壓降至40 mV以下更換培養液.

　　2.4 水質(zhì)分析

　　氨氮、磷及COD的測定參照《水和廢水監測分析方法(第4版)》.待測液用0.45 μm濾膜過(guò)濾，COD測定采用重鉻酸氧化法，氨氮測定采用納氏試劑比色法，TP測定采用鉬酸銨分光光度法.氨氮、磷及COD的去除率(r)計算公式如下：

　　式中，C0和Ct分別為初始濃度和處理t天后的濃度.

　　2.5 微藻生長(cháng)曲線(xiàn)繪制

　　采用F-4600分光光度計在680 nm處測定微藻Desmodesmus sp.A8培養物的光密度(OD680)，以考察微藻的生長(cháng)情況.

　　2.6 氮、磷對微藻生長(cháng)的影響

　　以BG11培養基為基礎，考察了氮源、氮濃度及磷濃度對陰極微藻A8生長(cháng)的影響.氮源實(shí)驗采用氮濃度為250 mg · L-1的硝氮(NaNO3)、氨氮(NH4Cl)、有機氮(尿素)及硝銨混合氮(NH4NO3);氮濃度實(shí)驗添加硝酸鈉，氮濃度分別為0、5、50、125、250 mg · L-1;磷濃度實(shí)驗采用K2HPO4，磷濃度分別為0.8、7.2、21.6、64.8 mg · L-1.

　　3 結果與討論

　　3.1 氮源及氮磷濃度對Photo-MFCs陰極微藻生長(cháng)的影響

　　養豬廢水含氮污染物種類(lèi)多、濃度高，對微藻生長(cháng)有一定影響，本研究首先考察了高濃度氮源對陰極微藻Desmodesmus sp. A8生長(cháng)的影響(圖 2a).由圖 2a可知，4 種氮源都能促進(jìn)陰極微藻Desmodesmus sp. A8的生長(cháng)，尿素為氮源的微藻生長(cháng)狀況最佳，其次是硝氮、混合氮，最差的是氨氮.硝氮、氨氮、混合氨和尿素為氮源培養20 d，光密度值(OD680)分別為2.03、1.45、1.74和2.33，實(shí)驗結果表明，陰極微藻Desmodesmus sp. A8不僅能利用無(wú)機氮(硝氮和氨氮)，而且也能利用有機氮(尿素)，并能適應較高的氮濃度.

　　圖 2 氮源(a)、氮濃度(b)、磷濃度(c)對微藻A8生長(cháng)的影響

　　氮、磷是微藻生長(cháng)過(guò)程中最基本的營(yíng)養元素，它們參與包括葉綠素分子在內的有機物合成(張正斌等，2004).氮、磷濃度對Desmodesmus sp.A8生長(cháng)的影響如圖 2b和2c所示.顯著(zhù)性分析表明，隨著(zhù)氮、磷濃度的升高，微藻比生長(cháng)速率更快，但在實(shí)驗設置的氮、磷濃度范圍內，氮、磷濃度升高到一定值后對微藻A8生長(cháng)影響不顯著(zhù)(p>0.05).

　　3.2 光照對陽(yáng)極光合細菌群電勢的影響

　　開(kāi)路電勢(Open Circuit Potential，OCP)反應了微生物的代謝途徑，常用于表征微生物燃料電池的性能(Liu et al., 2005).光暗條件下接種光合細菌群的生物電化學(xué)系統開(kāi)路電勢變化如圖 3所示，在黑暗條件下，陽(yáng)極接種取自0.2 V(vs. Ag/AgCl)電位富集的光合菌群代謝乙酸鈉，開(kāi)路電勢迅速下降，40 h后穩定在-0.4 V(vs. Ag/AgCl);黑暗條件下穩定運行180 h后，給予光照(1500 lx)，OCP迅速降低，說(shuō)明光照能提高光合細菌的還原活性.另外，光照條件下，隨著(zhù)反應器的運行，陽(yáng)極液玫瑰紅色逐漸加深.光照條件下體系OCP降低至-0.6 V(vs. Ag/AgCl)并穩定，說(shuō)明光合細菌在光照條件下存在有別于黑暗條件的代謝方式和電子傳遞路徑.

　　圖 3 光暗條件下光合菌群OCP(vs. Ag/AgCl)變化(180 h添加光照)

　　3.3 以養豬廢水為基質(zhì)的Photo-MFCs產(chǎn)電特性

　　構建的Photo-MFCs以含乙酸鈉的人工廢水作為陽(yáng)極液?jiǎn)��?dòng)并運行2個(gè)周期后，陽(yáng)極液更換為待處理養豬廢水，Photo-MFCs以這兩種廢水作為燃料的電壓隨時(shí)間的變化如圖 4所示.由圖可知，產(chǎn)電曲線(xiàn)總體呈現上升、平穩和下降3個(gè)階段，剛加入廢水時(shí)，微生物所需要的營(yíng)養物質(zhì)得以補充，電壓迅速上升至最大值并穩定，出現較好的產(chǎn)電平臺，隨著(zhù)廢水中有機物被降解，電壓逐漸下降.

　　圖 4 Photo-MFCs以人工廢水和養豬廢水為燃料產(chǎn)電特性

　　構建的Photo-MFCs以人工廢水和養豬廢水為陽(yáng)極液的產(chǎn)電曲線(xiàn)略有不同，外阻R=1000 Ω，Photo-MFCs以含乙酸鈉的人工廢水為基質(zhì)，穩定的輸出電壓約為207 mV，運行兩個(gè)循環(huán)后，陽(yáng)極液更換為養豬廢水，電池輸出電壓下降至184 mV.可能由于養豬廢水成分更加復雜，對陽(yáng)極微生物的生長(cháng)產(chǎn)生了不利沖擊，導致電池輸出電壓下降至161 mV，并趨于穩定.

　　3.4 Photo-MFCs處理養豬廢水

　　構建的Photo-MFCs以養豬廢水為基質(zhì)穩定運行后，每次換液量為64 mL(即0.5倍陽(yáng)極液)，表 2是第2個(gè)產(chǎn)電周期內養豬廢水經(jīng)Photo-MFCs處理前后水質(zhì)的變化情況.由表 2可知，養豬廢水經(jīng)過(guò)Photo-MFCs陽(yáng)極和陰極處理后，廢水中COD、氨氮和總磷都有較高的去除率，經(jīng)過(guò)1個(gè)運行周期(水力停留時(shí)間為4 d)，陽(yáng)極對養豬廢水COD平均去除率為 70.6%，氨氮平均去除率為46.9%，但對磷的去除率只有16.1%;陽(yáng)極出水經(jīng)微藻陰極進(jìn)一步處理后，磷的濃度下降至9.2 mg · L-1，總的去除率達81.7%;COD與氨氮總的去除率分別為91.8%和90.2%，養豬廢水經(jīng)過(guò)陽(yáng)極光合細菌和陰極微藻處理后呈現透明狀態(tài)，渾濁度明顯下降，臭味也幾乎消失，但出水呈棕黃色.

　　　　表2 Photo-MFCs進(jìn)出水水質(zhì)

　　3.5 陰極柵藻在不同處理廢水中的生長(cháng)

　　為了考察陽(yáng)極處理后養豬廢水是否可用于微藻培養，本文以OD680為細胞密度指標，監測了柵藻A8在BG11培養基、養豬廢水、稀釋1倍的養豬廢水及經(jīng)陽(yáng)極光合菌群處理的養豬廢水中的生長(cháng)情況，結果如圖 5所示.在養豬廢水中，培養前3 d OD680有一定的升高，但3 d后細胞密度開(kāi)始下降，培養16 d OD680僅為1.23.在稀釋1倍養豬廢水、經(jīng)陽(yáng)極光合細菌處理后的養豬廢水及BG11培養基中，微藻光密度隨著(zhù)培養時(shí)間的延長(cháng)，光密度逐漸增大，但微藻A8在這3種培養液中的生長(cháng)速率不同，培養16 d后，OD680值分別達到3.75(BG11)、2.43(稀釋1倍養豬廢水)、3.40(光合菌處理后養豬廢水).

　　圖 5 不同水體培養條件下微藻生長(cháng)曲線(xiàn)

　　用處理后的養豬廢水培養微藻A8，其光密度高于稀釋后的養豬廢水，僅次于對照組BG11培養基.養豬廢水污染物種類(lèi)多、COD高等因素可能是導致微藻生長(cháng)緩慢的主要原因，養豬廢水稀釋后污染物濃度降低，對微藻生長(cháng)的影響減弱，經(jīng)過(guò)陽(yáng)極處理的廢水，污染物濃度降低的同時(shí)，氮、磷的殘留又能滿(mǎn)足微藻的生長(cháng).具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　4 結論

　　1)Photo-MFCs陰極微藻A8不僅對無(wú)機氨氮和有機尿素有比較好的適應性，且能在高濃度氮(250 mg · L-1)、磷(64.8 mg · L-1)條件下正常生長(cháng).

　　2)以光合細菌群為陽(yáng)極微生物，微藻為陰極微生物構建的Photo-MFCs利用養豬廢水為燃料產(chǎn)電是可行的，該Photo-MFCs以含乙酸鈉的人工廢水為基質(zhì)，輸出電壓為207 mV(外阻R=1000 Ω)，以養豬廢水為基質(zhì)，電池穩定輸出電壓為161 mV.

　　3)構建的Photo-MFCs能利用養豬廢水產(chǎn)電并達到凈化水質(zhì)的效果.養豬廢水先后經(jīng)過(guò)陽(yáng)極和陰極的處理，COD去除率為91.8%，氨氮去除率為90.2%，磷的去除率達81.7%，并具有較好的除臭性能.

　　4)微藻A8能在光合細菌群處理的養豬廢水中很好地生長(cháng)，培養16 d后，OD680值為3.40，僅次于BG11培養基的3.75，優(yōu)于稀釋1倍養豬廢水培養獲得的2.43，微藻在養豬廢水原液中幾乎沒(méi)有生長(cháng).