微生物燃料電池用于污水處理及污水生物修復

　　1 引言

　　微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一種利用微生物作為催化劑，將有機物質(zhì)中的化學(xué)能轉換為電能的裝置.MFC作為一種新型的污水處理及污水生物修復技術(shù)，具有同時(shí)去除有機污染物并獲得能源輸出的優(yōu)點(diǎn)，這種具有成本效益的水處理技術(shù)成為廢水處理及新能源開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).

　　在微生物燃料電池中，電化學(xué)活性細菌在陽(yáng)極室內消耗有機質(zhì)，獲得維持微生物生長(cháng)所需能量并產(chǎn)生電子傳遞至陽(yáng)極電極，電子從陽(yáng)極電極經(jīng)由外電路到達陰極，在陰極室內，電子受體消耗電子完成整個(gè)電能輸出過(guò)程.雙室MFC包括陽(yáng)極室與陰極室，影響陽(yáng)極室內微生物產(chǎn)電的因素包括電極材料、pH、基質(zhì)濃度、電極間距、溶液內不同離子等.近年來(lái)，由于化肥流失和工業(yè)排放等原因，水體中的硝酸鹽污染成為較嚴重的環(huán)境問(wèn)題，許多研究者嘗試采用MFC處理含硝酸鹽廢水，并取得了較好的污染物去除及產(chǎn)電效果，但關(guān)于硝酸鹽濃度對MFC陽(yáng)極性能影響的系統研究較少.相關(guān)研究發(fā)現，當陽(yáng)極室內存在硝酸鹽，電池的輸出功率會(huì )受到一定影響，但關(guān)于硝酸鹽濃度對于陽(yáng)極生物膜產(chǎn)電性能的影響機理尚不明確.

　　因此，本文以雙室MFC陽(yáng)極室為研究對象，探究不同硝酸鹽濃度對MFC產(chǎn)電性能及污染物去除的影響機理，并探討不同硝酸鹽濃度對系統內阻的影響，為將MFC應用于處理含硝酸鹽廢水的工藝設計和優(yōu)化提供理論依據.

　　2 材料與方法

　　2.1 雙室MFC的搭建

　　本實(shí)驗共平行啟動(dòng)7個(gè)雙室MFC反應器，兩極室由立方體形有機玻璃容器構成，每個(gè)極室的有效容積為0.41 L，陽(yáng)極室為密封厭氧，陰陽(yáng)極室由Nafion 117型質(zhì)子交換膜分隔開(kāi).兩極室的電極材料均為碳氈(甘肅郝氏)，有效面積均為40 cm2.碳氈使用前經(jīng)馬弗爐(320 ℃)加熱30 min以增加其親水性.陽(yáng)極與陰極之間采用鈦導線(xiàn)連接構成回路，外接電阻為1000 Ω，陽(yáng)極室中放置飽和甘汞電極(SCE)用以測定電極電勢，實(shí)驗啟動(dòng)及運行階段均采用間歇流方式，反應溫度保持在(20±3)℃.

　　2.2 反應器的接種及培養液成分

　　實(shí)驗采用的接種液取自實(shí)驗室長(cháng)期穩定運行的微生物燃料電池，經(jīng)馴化培養達到穩定后進(jìn)行實(shí)驗.陽(yáng)極室進(jìn)水為模擬廢水，其組成為：CH3COONa 1.64 g·L-1、K2HPO4·3H2O 18.3 g·L-1、KH2PO4 2.69 g·L-1、NH4Cl 0.1 g·L-1、NaCl 0.5 g·L-1、MgSO4·7H2O 0.1 g·L-1、CaCl2·2H2O 0.015 g·L-1、微量元素液1 ml·L-1(Virdis et al.，2012).微量元素液根據文獻(Lu et al.，2006)配制，硝酸鹽質(zhì)量濃度根據實(shí)驗要求配加.陰極溶液為50 mmol·L-1鐵氰化鉀溶液，其組成為：K3[Fe(CN)6] 16.46 g·L-1、K2HPO4·3H2O 18.3 g·L-1、KH2PO4 2.69 g·L-1.兩極室反應環(huán)境維持pH=7.4.

　　2.3 分析與測試

　　COD、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮均參照國家環(huán)境保護局發(fā)布的標準方法(國家環(huán)境保護總局，2002)進(jìn)行測定，數據結果測量3次取平均值.

　　采用數據采集系統(Keithley 2700)監測輸出電壓，采用庫侖效率(Coulombic Efficiency，CE)衡量陽(yáng)極的電子回收效率(Logan et al.，2006b)，按照公式(1)進(jìn)行計算.

　　式中，T為一個(gè)周期的時(shí)間(s)，I為電流大小(A)，F為法拉第常數(96485 C·mol-1)，VAn為陽(yáng)極室液體體積(L)，ΔCOD為周期T內COD的變化值(g·L-1).

　　采用電化學(xué)工作站(CHI660E)進(jìn)行電化學(xué)交流阻抗(Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS)的測試，來(lái)表征MFC內阻，并利用Zview軟件進(jìn)行等效電路的擬合.MFC的內阻分為歐姆內阻、傳荷內阻和擴散內阻(He et al.，2009)，歐姆內阻由質(zhì)子交換膜、電極材料和溶液等造成，擴散內阻由物質(zhì)向電極表面遷移引起的傳質(zhì)損失造成(Borole et al.，2010).傳荷內阻則主要表示電極反應中氧化還原反應的發(fā)生及電子傳遞造成的活化損失.

　　陽(yáng)極生物DNA的提取使用Norcross公司的Omega Bio-tek試劑盒，并參照說(shuō)明書(shū)進(jìn)行操作，微生物群落組成分析采用基于Illumina公司MiSeq平臺的高通量測序技術(shù)進(jìn)行(委托上海美吉生物醫藥科技有限公司完成)，測序流程及數據分析參考文獻.

　　3 結果與討論

　　3.1 反應器的啟動(dòng)

　　接種液進(jìn)入陽(yáng)極室后，微生物燃料電池的啟動(dòng)期主要經(jīng)歷了3個(gè)階段：延滯期、上升期和穩定期(尤世界，2008).圖 1為R1反應器啟動(dòng)期輸出電壓及陽(yáng)極電位變化情況，7個(gè)平行反應器啟動(dòng)時(shí)間及穩定電壓情況如表 1所示.由圖 1可知，在陰極電位基本保持不變的情況下，電池的輸出電壓由陽(yáng)極電位變化決定，即MFC系統的輸出電壓主要由陽(yáng)極電勢控制，陽(yáng)極電勢的變化表征了微生物的活性變化，同時(shí)影響電能輸出，可見(jiàn)陽(yáng)極反應是MFC產(chǎn)電的關(guān)鍵因素之一.由表 1可知，當啟動(dòng)穩定后，7個(gè)反應器運行狀況基本平行，同時(shí)將陽(yáng)極溶液替換為不同硝酸鹽濃度的營(yíng)養液進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗.

　　圖 1(Fig. 1)

　　圖 1 微生物燃料電池R1啟動(dòng)期輸出電壓及陽(yáng)極電位情況

　　表 1 微生物燃料電池R1~R7反應器啟動(dòng)期電化學(xué)性能

　　3.2 不同陽(yáng)極初始硝酸鹽濃度下的電壓變化

　　當7個(gè)平行反應器運行穩定后，將陽(yáng)極營(yíng)養液的初始硝酸鹽濃度控制為0、50、100、250、300、500及1000 mg·L-1，圖 2為陽(yáng)極室內加入不同濃度硝酸鹽后電壓的變化情況.由圖 2可知，加入硝酸鹽后，輸出電壓具有明顯的下降趨勢，這是由于有機物降解產(chǎn)生的電子還未傳至陽(yáng)極電極表面，便被反硝化過(guò)程所消耗，使得電流密度降低.由圖 2還可知，當初始硝酸鹽濃度為0~250 mg·L-1時(shí)，系統輸出電壓經(jīng)下降后均迅速回升至初始電壓水平，呈現“降低-升高-平穩-再降低”的四階段特性，表明隨著(zhù)反硝化過(guò)程的進(jìn)行，硝酸鹽濃度降低，陽(yáng)極生物產(chǎn)生的電子大部分又再次傳遞至陰極，系統恢復正常產(chǎn)電，而后隨著(zhù)陽(yáng)極溶液的有機物消耗殆盡，電池輸出電壓下降，周期內最大輸出功率均可達到120 mW·m-2左右.而張吉強等(2014)構建的反硝化微生物燃料電池在甲醇與硝酸鹽共基質(zhì)作用下呈現“電壓初降-電壓上升-電壓再降”三階段特性，其電壓回升后未經(jīng)平穩段就逐步降低，其推測“再降”段電壓是由于反硝化細菌內碳源分解及微生物細胞水解所致.

　　圖 2 不同陽(yáng)極初始硝酸鹽濃度下的MFC輸出電壓

　　當硝酸鹽濃度升至300 mg·L-1時(shí)，如圖 2e所示，其經(jīng)歷電壓下降段后，電壓升高后的平穩電壓在500 mV左右波動(dòng)，無(wú)法達到初始電壓輸出水平，說(shuō)明產(chǎn)電生物活性下降;而當初始硝酸鹽濃度升至500 mg·L-1(圖 2f)及1000 mg·L-1(圖 2g)時(shí)，MFC輸出電壓均立即出現大幅下降，直至失去電壓輸出能力，且超過(guò)30 h未見(jiàn)電壓回升，說(shuō)明在高濃度的硝酸鹽溶液中，產(chǎn)電生物活性受到了極大的抑制.Gorby等(2006)也研究發(fā)現，電子受體的存在會(huì )抑制納米導線(xiàn)的產(chǎn)生，從而影響電子傳遞.此外，為了確定高濃度硝酸鹽對產(chǎn)電生物的抑制影響是否可逆，在陽(yáng)極溶液投加高濃度硝酸鹽35 h后，將陽(yáng)極溶液更換為不含硝酸鹽的營(yíng)養液，由圖 2f、圖 2g可知，當更換營(yíng)養液后，初始硝酸鹽濃度為500和1000 mg·L-1的MFC輸出電壓僅可回升至0.4 V和0.2 V附近，且連續運行3個(gè)周期后，最大輸出電壓仍然維持在0.4 V及0.2V左右.說(shuō)明當陽(yáng)極初始硝酸鹽濃度過(guò)高時(shí)，即使后續運行中解除了抑制條件，產(chǎn)電微生物仍然無(wú)法完全恢復產(chǎn)電能力，推測是由于高濃度的硝酸鹽對陽(yáng)極微生物的產(chǎn)電活性造成抑制，破壞了電子產(chǎn)生和傳遞過(guò)程，且該抑制對產(chǎn)電活性的影響不可逆.

　　3.3 不同陽(yáng)極初始硝酸鹽濃度下MFC的污染物去除及庫侖效率分析

　　表 2為不同陽(yáng)極初始硝酸鹽濃度下MFC的污染物降解情況及庫侖效率.當進(jìn)水COD在1000 mg·L-1左右時(shí)，各初始硝酸鹽濃度下系統均具有較好的COD去除效果，COD去除率基本都能達到95%左右，最大去除負荷可達到1.392 kg·m-3·d-1，與相關(guān)文獻(Jang et al.，2004;Liu et al.，2004)的去除負荷(0.02~0.97 kg·m-3·d-1)相比，本MFC系統的陽(yáng)極室具有較好的COD去除效果.

　　表 2 不同陽(yáng)極初始硝酸鹽濃度下MFC的庫侖效率及污染物去除情況

　　隨著(zhù)進(jìn)水中硝酸鹽濃度的升高，傳質(zhì)強度增大，硝酸鹽的降解速率也隨之增大，但當硝酸鹽濃度高于250 mg·L-1時(shí)，硝酸鹽降解速率產(chǎn)生下降趨勢.推測是由于該濃度超過(guò)陽(yáng)極生物承受能力，且本實(shí)驗采用COD為1000 mg·L-1的配水，當硝酸鹽濃度過(guò)高時(shí)，不足以為反硝化過(guò)程提供充足的碳源，菌體的生長(cháng)就受到抑制.當陽(yáng)極初始硝酸鹽濃度為0~250 mg·L-1時(shí)，MFC系統的穩定輸出電壓未受到較大的影響，且系統的硝酸鹽去除率能達到99%以上;當初始硝酸鹽濃度達到300 mg·L-1時(shí)，雖然系統的穩定產(chǎn)電能力下降，但仍具有較好的脫氮性能，硝酸鹽去除率也在99%以上，推測是由于此時(shí)作為優(yōu)勢菌種的Pseudomonas sp.C27產(chǎn)電能力受到抑制，其主要表現出反硝化性能.

　　傳統反硝化反應器的容積負荷為0.1~0.5 kg·m-3·d-1(李金濤等，2012)，陰極脫氮MFC的硝酸鹽去除負荷為0.07~0.18 kg·m-3·d-1(溫青等，2008;楊金萍，2012)，而本實(shí)驗系統最大硝酸鹽去除負荷可達到0.155 kg·m-3·d-1(以N計)，說(shuō)明本系統具有較好的脫氮性能.

　　由表 2可得，不同初始硝酸鹽濃度下電壓下降段的庫侖效率遠低于全周期庫侖效率，庫侖效率下降90%以上，這是由于反硝化作用消耗電子，導致進(jìn)入外電路循環(huán)的電子減少，造成系統庫侖效率的下降，且隨著(zhù)進(jìn)水中硝酸鹽初始濃度的升高，總庫侖效率具有下降趨勢.

　　3.4 陽(yáng)極生物膜電化學(xué)阻抗分析

　　為探究不同硝酸鹽濃度下MFC系統內阻的組成及變化，在陽(yáng)極室添加硝酸鹽后輸出電壓下降達到最低點(diǎn)時(shí)，對其進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜(EIS)測試.在復阻抗平面上，將測得阻抗的實(shí)部(Z′)作為橫坐標，虛部絕對值(-Z″)作為縱坐標，繪制Nyquist圖.在不同硝酸鹽濃度下MFC的EIS測試結果如圖 3所示.

　　圖 3 不同陽(yáng)極初始硝酸鹽濃度下微生物燃料電池的Nyquist圖

　　將交流阻抗圖用Zview軟件進(jìn)行模擬，等效電路如圖 4所示.電極和溶液之間的雙電層一般用等效電容來(lái)表示，實(shí)際中由于碳氈本身材料具有不平整性且附著(zhù)有生物膜，會(huì )產(chǎn)生“彌散效應”，所以用恒相位角元件CPE來(lái)表示雙電層阻抗;Rs為歐姆內阻;Rct為傳荷內阻，反映了活化過(guò)程的特征;W為擴散阻抗(Warbug阻抗)，反映了傳質(zhì)過(guò)程的特征(史海鳳，2012).以陽(yáng)極初始硝酸鹽濃度為300 mg·L-1時(shí)的EIS數據進(jìn)行等效電路模擬舉例(圖 5)，可發(fā)現擬合值與實(shí)測值具有較好的重合性，其余各濃度下均具有較好的擬合效果.

　　圖 4 不同陽(yáng)極初始硝酸鹽濃度MFC等效電路

　　圖 5 陽(yáng)極初始硝酸鹽濃度為300 mg·L-1時(shí)的等效電路擬合

　　表 3為不同硝酸鹽濃度下通過(guò)擬合等效電路所得的MFC阻抗值.由表 3可得，當硝酸鹽濃度為0、50、100、250 mg·L-1時(shí)，傳荷阻抗占該等效電路總電阻值的絕對份額分別為78.7%、76.8%、77.3%、72.8%，表明陽(yáng)極生物膜發(fā)生的電化學(xué)反應是傳荷控制過(guò)程.進(jìn)一步分析系統各阻抗值的變化趨勢可知，硝酸鹽濃度為50、100、250 mg·L-1時(shí)的傳荷內阻比不加硝酸鹽時(shí)MFC的傳荷內阻分別降低了6.7%、11.0%、31.3%，表明當硝酸鹽的濃度低于250 mg·L-1時(shí)，隨著(zhù)硝酸鹽濃度的升高，系統傳荷內阻減小，微生物發(fā)生催化反應需要克服的活化能壘降低.這可能是因為陽(yáng)極室內優(yōu)勢菌為Pseudomonas sp.C27，其具有反硝化及產(chǎn)電功能，硝酸鹽的加入促進(jìn)了該細菌的生長(cháng)，更多的有機物質(zhì)被該類(lèi)細菌利用，細菌活性增強，從而提升了其電子傳遞效率.Dunaj等(2012)的研究也表明，MFC的產(chǎn)電菌種在長(cháng)期的馴化刺激下，適應該環(huán)境的微生物會(huì )大量富集，進(jìn)而影響系統產(chǎn)電及污染物降解性能.同時(shí)，本文也對不同硝酸鹽濃度下的陽(yáng)極液進(jìn)行了電導率測定，測定結果如表 4所示，結果顯示，硝酸鹽的加入會(huì )提高陽(yáng)極液的電導率，這在一定程度上也會(huì )對系統的產(chǎn)電具有促進(jìn)作用.而當硝酸鹽濃度大于250 mg·L-1時(shí)，系統傳荷內阻具有增大趨勢，此時(shí)陽(yáng)極液的電導率值與250 mg·L-1硝酸鹽濃度下的電導率值相差不大，造成系統傳荷內阻增大的原因很可能是此時(shí)大部分電子被反硝化作用消耗，產(chǎn)電菌活動(dòng)受到抑制;且由表 2可知，此時(shí)硝酸鹽降解速率產(chǎn)生下降趨勢，說(shuō)明過(guò)高的硝酸鹽濃度抑制微生物活性.而當硝酸鹽濃度上升至500 mg·L-1時(shí)，Nyquist圖低頻段紊亂，表明電池內部受到破壞，且該濃度下輸出電壓大幅下降，后續運行中電壓均未回升，表明微生物生長(cháng)受到極大的抑制，已經(jīng)無(wú)法構成有效的電路，造成EIS測試結果異常.

　　表 3 不同陽(yáng)極初始硝酸鹽濃度下MFC阻抗擬合數據

　　表 4 不同硝酸鹽濃度下陽(yáng)極液的電導率

　　由此可見(jiàn)，當陽(yáng)極初始硝酸鹽濃度小于250 mg·L-1時(shí)，硝酸鹽的加入有助于降低MFC的傳荷內阻，提升電子的傳遞效率;而當硝酸鹽濃度大于250 mg·L-1時(shí)，硝酸鹽濃度的上升會(huì )造成傳荷內阻的不斷增加.因此，在MFC的實(shí)際應用中，需注意控制硝酸鹽濃度的影響，可考慮結合其它的水處理工藝控制進(jìn)水的硝酸鹽濃度，以達到較高的污染物去除效率及能源回收效率.

　　3.5 陽(yáng)極微生物群落結構分析

　　陽(yáng)極微生物在電子向電極的傳遞及污染物降解轉化的過(guò)程中起著(zhù)至關(guān)重要的作用，對不加硝酸鹽的陽(yáng)極生物膜和加入硝酸鹽濃度為250 mg·L-1的陽(yáng)極生物膜取樣，對樣品進(jìn)行Illumina MiSeq測序分析，相關(guān)結果如圖 6所示，其中，不加硝酸鹽表示進(jìn)水中無(wú)硝酸鹽，加硝酸鹽表示進(jìn)水硝酸鹽濃度為250 mg·L-1.

　　圖 6 進(jìn)水有無(wú)硝酸鹽對陽(yáng)極生物膜群落結構組成的影響(a.門(mén)水平 b.屬水平)

　　在系統中，變形菌門(mén)(Proteobacteria)為絕對的優(yōu)勢菌種，在不加硝酸鹽時(shí)(50.6%)和加入硝酸鹽后(91.9%)所占比例均非常高.而在屬的水平上進(jìn)行分析，在不加硝酸鹽時(shí)，MFC陽(yáng)極菌種雖然菌種豐富，但豐度普遍不高，而加入硝酸鹽并運行一段時(shí)間后，假單胞菌(Pseudomonas)和陶厄氏菌(Thauera)富集成為MFC陽(yáng)極的優(yōu)勢菌種，所占比例分別為52.48%和30.9%.假單胞菌屬γ-變形菌綱下的異養菌，以有機物為氮源和能源，進(jìn)行無(wú)氧呼吸.本體系具體檢測到的菌種為Pseudomonas sp. C27(相似度99%);Lee等(2009)曾用該純菌種成功啟動(dòng)MFC，并證明該菌種具備產(chǎn)電及反硝化性能.陶厄氏菌屬是β-變形菌綱下的一類(lèi)革蘭氏陰性細菌，大都為桿狀且具有反硝化能力.Morgan等(2008)報道了陶厄氏菌在活性污泥反硝化過(guò)程中起著(zhù)非常重要的作用，其具有較高的反硝化活性.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。

　　由加入硝酸鹽前后陽(yáng)極菌群結構變化可知，在加入硝酸鹽并運行一段時(shí)間后，系統陽(yáng)極微生物多樣性降低，產(chǎn)電及反硝化菌群所占比例優(yōu)勢非常明顯，可見(jiàn)MFC在長(cháng)期含硝酸鹽條件運行下對微生物種類(lèi)起了顯著(zhù)的選擇作用.Rabaey等(2004)研究也發(fā)現，當系統產(chǎn)電性能等發(fā)生變化時(shí)，適應該環(huán)境的菌種會(huì )成為優(yōu)勢菌種并得到富集，造成系統生物多樣性降低.

　　4 結論

　　1)采用雙室MFC陽(yáng)極室處理含硝酸鹽廢水，初始COD在1000 mg·L-1左右，當初始硝酸鹽濃度在0~250 mg·L-1時(shí)，對系統穩定階段輸出電壓影響較小，系統最大輸出功率密度可達到120 mW·m-2左右.

　　2)由于含硝酸鹽廢水中有機物降解產(chǎn)生的部分電子用于反硝化，造成了MFC庫侖效率的降低，當初始硝酸鹽濃度由250 mg·L-1增加到300 mg·L-1時(shí)，微生物燃料電池庫侖效率由9.3%下降至4.5%.

　　3)當陽(yáng)極初始硝酸鹽濃度為0~250 mg·L-1時(shí)，系統傳荷內阻隨著(zhù)硝酸鹽濃度的上升而降低，MFC系統的產(chǎn)電性能均可恢復;但當初始硝酸鹽濃度大于300 mg·L-1時(shí)，會(huì )對MFC陽(yáng)極產(chǎn)電生物造成不可逆的抑制，系統產(chǎn)電能力會(huì )大幅度下降且無(wú)法恢復至未受抑制階段.