張金娜，趙慶良，袁一星，尤世界，張國棟，孫靖霄

(1.哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院，哈爾濱150090，zzjjnn-4@163.com; 2.中冶沈勘秦皇島工程技術(shù)有限公司，河北秦皇島066000)

5日生化需氧量(BOD5)是評價污水和廢水有機污染強度的標準方法，但是這種方法有很多不足:耗時長達5 d，不能對污水廠出現(xiàn)的問題及時采取相應的解決措施;測定時需要用培養(yǎng)基接種微生物，消耗大量的藥品，測定費用高;由于稀釋倍數(shù)高使得廢水中的有毒物質(zhì)對微生物的毒性無法反映出來，造成測定和實際情況的巨大偏差.為了解決上述問題，需要研發(fā)快速、經(jīng)濟而又相對準確的方法對有機廢水中的可生物降解有機物質(zhì)量濃度進行估計.微生物燃料電池能夠在微生物的作用下將有機物轉(zhuǎn)化為電能［1-4］，因此，可以用微生物燃料電池將廢水中有機物的污染質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)化為電信號(如電流或電壓等)，然后通過有機污染物質(zhì)量濃度和電信號之間的對應關(guān)系間接確定有機廢水中生化需氧量.

1 基本原理

微生物燃料電池是以微生物作為催化劑將碳水化合物中的化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，在給定外電阻的條件下，電壓輸出和有機物的質(zhì)量濃度具有相關(guān)性，可以用經(jīng)典的Monod方程進行描述［5］，

式中:V(V)為電壓;Vmax(V)為最大電壓;S (mg/L)為底物質(zhì)量濃度;KS(mg/L)為半飽和常數(shù)，其數(shù)值為電壓為最大電壓一半時對應的底物質(zhì)量濃度.

當?shù)孜镔|(zhì)量濃度較高時，式(1)可以寫成，

此時，電池的電壓輸出等于最大電壓(常數(shù))，而不依賴底物質(zhì)量濃度變化.

當?shù)孜镔|(zhì)量濃度較低時，式(1)可以寫成，

對式(3)變形，得

其中，ξ=KS/Vmax.從式(4)可以看出，當?shù)孜镔|(zhì)量濃度較低時，有機物質(zhì)量濃度和電壓輸出呈正相關(guān)性.因此，式(4)便是利用微生物燃料電池測定生化需氧量的依據(jù).

Kim等人［6］使用帶有質(zhì)子交換膜的雙池微生物燃料電池作為生物傳感器測定了廢水中的BOD，但是在這種燃料電池中，陰極曝氣量難以準確控制，另外陽極中的懸浮和膠體物質(zhì)會污染膜的表面，對電壓產(chǎn)生影響［7］.Liu和Logan［5］在空氣陰極微燃料電池中省去了質(zhì)子交換膜從有機物中發(fā)電，獲得了穩(wěn)定的電壓輸出.空氣陰極微燃料電池的陰極不需要曝氣，陰極電位主要取決于大氣中氧氣的分壓和溫度，和曝氣相比，電池電壓輸出相對更加穩(wěn)定.由于不存在質(zhì)子交換膜，沒有膜污染的問題.

本文首次使用空氣微陰極生物燃料電池，以葡萄糖作為底物研究了快速測定BOD的方法，并用實際生活污水對方法進行了驗證.

2 實驗

將微生物燃料電池陽極和陰極分別置于有機玻璃制成的圓柱形反應器(長6 cm，直徑4 cm，有效容積60 mL)兩端，上端的中部設(shè)有取樣口，兩端分別設(shè)有進水和出水口.陽極使用碳紙(5 cm×5 cm，有效面積12.56 cm2，E-TEK)制成，陰極由含有金屬Pt催化劑的碳布(尺寸同陽極)制成.陽極和陰極之間用銅導線連接，電路中設(shè)有變阻箱(0～1 000 Ω).實驗過程產(chǎn)生的電壓通過數(shù)字萬用表(Agilent HP 34970，U.S.)測定，數(shù)據(jù)按照設(shè)定的時間間隔自動記錄到計算機中，并用毫安計(0～5 mA)進行校正.

接種污泥分別取自哈爾濱某污水處理廠的初次沉淀池和二次沉淀池.將取回的污泥在厭氧條件下保存，向內(nèi)投加營養(yǎng)溶液進行培養(yǎng)馴化6個月.試驗過程中，將葡萄糖配制成不同質(zhì)量濃度的溶液，其組成為:NH4Cl(0.31g/L)、KCl (0.13 g/L)、NaH2PO4(4.22g/L)、Na2HPO4(2.75 g/L)、(NH4)2SO4(0.56 g/L)、MgSO4· 7H2O(0.2 g/L)、CaCl2(15 mg/L)、FeCl3·6H2O (1 mg/L)、MnSO4·H2O(20 mg/L).此外投加微生物生長所需的金屬元素和微量元素［8］.實際生活污水取自和接種污泥相同污水處理廠的不同處理構(gòu)筑物出水.由于存在微生物生長所需的各種元素，只投加 NaH2PO4(4.22 g/L)和 Na2HPO4(2.75 g/L)作為緩沖溶液.所有的操作在常規(guī)實驗條件下進行(大氣壓1.013 MPa;溫度25℃).

3 結(jié)果與討論

3.1 微生物燃料電池啟動

微生物燃料電池中轉(zhuǎn)移電子的微生物可以通過活性污泥進行接種［4，9］.為了使電極表面的微生物富集不受底物質(zhì)量濃度的限制，將葡萄糖(折算ρ(BOD)=1 000 mg/L)和培養(yǎng)好的厭氧污泥(ρ(MLSS)=800 mg/L)混合投加到微生物燃料電池中，使系統(tǒng)在外阻為1 000 Ω條件下運行.如圖1所示，40 h后電壓開始上升，在60～80 h之內(nèi)達到(0.26±0.025)V(n=1 405);第二次更換底物時，在96～111 h之內(nèi)電壓上升到(0.382±0.005)V(n=852).這表明微生物燃料電池的電極表面已經(jīng)富集了能夠轉(zhuǎn)移電子的細菌，電池系統(tǒng)啟動成功.

圖1 微生物燃料電池的啟動電壓輸出

3.2 電壓輸出和有機物質(zhì)量濃度的相關(guān)性分析

如果假設(shè)葡萄糖可以完全被微生物作為有機碳源利用，那么可以將葡萄糖質(zhì)量濃度折算成生化需氧量(如果完全反應，1 mg/L葡萄糖相當于BOD(6×32/180)×1 mg/L=1.067 mg/L).燃料電池啟動成功后，使用不同質(zhì)量濃度的葡萄糖作為底物研究了電池電壓輸出和BOD的相關(guān)關(guān)系.從圖2(a)中可以看出，在外電阻為500 Ω時，增加反應器內(nèi)的BOD會增加最大電壓輸出.但是，當BOD質(zhì)量濃度超過170 mg/L時，電壓輸出的差別已經(jīng)變得不明顯.比如，當BOD從25 mg/L增加到170 mg/L，電壓從0.09 V上升到0.239 V;而BOD達到600 mg/L時，電壓僅為0.244 V.這個規(guī)律說明，在微生物燃料電池中，電壓輸出隨底物的變化遵循描述細菌增長的Monod方程，對得到的數(shù)據(jù)按照式(1)進行非線性擬合:

其中，Vmax為0.282 V，KS為46.314 mg/L(相關(guān)系數(shù)R2=0.981 9).當外阻為1 000 Ω，BOD質(zhì)量濃度和500 Ω前3個質(zhì)量濃度相同時，電壓隨進入反應器BOD質(zhì)量濃度的變化模式如圖2(b)所示.因此，在BOD質(zhì)量濃度相同時，高外阻對應的電壓值要高于低外阻時對應的值.

此外，從電壓的輸出模式來看，反應完成一個周期的時間約為7～8 h，而電壓達到最大值用去的時間僅為3～4 h，表明可以在十分短的時間內(nèi)獲得不同BOD對應的電壓輸出.

圖2 不同葡萄糖質(zhì)量濃度對應的微生物燃料電池電壓輸出

3.3 外阻對BOD計算結(jié)果的影響

通過電壓來實現(xiàn)BOD的測定需要電壓輸出信號和BOD質(zhì)量濃度具有良好的線性關(guān)系.從圖3中可以看出，這種線性關(guān)系在 ρ(BOD)＜100 mg/L時體現(xiàn)得最為明顯(R2=0.962 6)，線性回歸方程為

圖3 微生物燃料電池電壓輸出和底物質(zhì)量濃度相關(guān)性

而當ρ(BOD)＞100 mg/L時，電壓已經(jīng)不能對BOD質(zhì)量濃度進行區(qū)分，因此不能用來計算BOD的值.使用不同的外電阻時，對應的電壓輸出也不同.如圖3所示，在外阻為1 000 Ω時對應的電壓和BOD的線性回歸方程為

可以看出，在微生物燃料電池運行的過程中，不同的外阻會使得BOD和電壓之間的線性方程表達形式不同.

在外阻為500 Ω和1 000 Ω時，10個小時后完成一個反應周期，將得到的電壓根據(jù)式(6)和(7)分別對BOD進行計算，然后與實際的BOD值進行比較，結(jié)果如表1所示.雖然不同的外電阻得到的線性方程不同，但是計算得到的BOD值和真實值相差不多，說明在使用微生物燃料電池測定BOD時，外電阻不會影響計算結(jié)果.

3.4 微生物燃料電池測定生活污水BOD的應用

從以上的研究可以看出，可以利用微生物燃料電池有機物發(fā)電的原理和電壓同BOD之間的相關(guān)性來測定廢水中BOD.將葡萄糖換成實際生活污水進一步研究了該方法的可行性和合理性.由于電壓和BOD質(zhì)量濃度之間的線性關(guān)系在ρ(BOD)＜100 mg/L時體現(xiàn)得最為明顯，而實際生活污水的BOD為(298±5)mg/L，因此，需要將取來的生活污水進行稀釋后再測定.具體的操作步驟為:

表1 不同外電阻得到的電壓和BOD值

1)將生活污水原水用傳統(tǒng)的生物法測BOD5后，分別將BOD5質(zhì)量濃度稀釋至20，30，40，50，60，80，100 mg/L，然后向其中加入緩沖溶液;

2)將處理好的污水水樣依次加到微生物燃料電池中，在外電阻為1 000 Ω條件下分別反應10 h，并記錄每個質(zhì)量濃度水樣對應的電壓輸出情況，根據(jù)得到電壓和BOD質(zhì)量濃度作圖即得到線性回歸方程，并以此作為標準曲線，結(jié)果如圖4所示，回歸方程為

回歸系數(shù)R2=0.971 3;

3)將沉砂池和初沉池出水稀釋為原來的6倍，曝氣池出水不稀釋作為測定水樣，加入同樣質(zhì)量濃度的緩沖液，投加到微生物燃料電池中，反應10 h，將反應周期中的最大電壓按照圖4中的標準曲線進行計算(圖4中實線與虛線的交叉點即為從標準曲線查得的結(jié)果);

4)將計算得到的沉砂池和初沉池出水BOD乘以稀釋倍數(shù)6，分別為280.69 mg/L(實際BOD為289.57 mg/L)和250.31 mg/L(實際BOD為241.66 mg/L)，曝氣池出水BOD為24.82 mg/L (實際BOD為23.74 mg/L).可以看出，計算得到的BOD和實際測定結(jié)果吻合得比較好，能夠相對準確反映有機廢水中的BOD值.而利用生物燃料電池在測定廢水BOD時，每個水樣的測定時間僅為10 h左右.

圖4 微生物燃料電池中生活污水BOD和電壓輸出的相關(guān)關(guān)系(圖中數(shù)據(jù)點為標準曲線數(shù)據(jù)點)

3.5 微生物燃料電池測定有機廢水BOD的討論

在微生物燃料電池中，只有能夠被微生物通過自身代謝氧化的有機物才能被轉(zhuǎn)化為電能，進而在外電路獲得電信號.從這個意義上講，有機廢水中的BOD能夠被微生物燃料電池中轉(zhuǎn)移電子的細菌氧化，在一定的BOD質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，外電路的電壓輸出和BOD呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性.微生物燃料電池快速測定有機廢水中的BOD利用的就是這個原理.Lorenzo等人［10］和Kumlanghan等人［11］報道了使用MFC測定可生物降解有機物的質(zhì)量濃度，但是他們均使用人工配水作為目標檢測物.相比之下，本研究使用MFC測定的是實際生活廢水中的BOD.以葡萄糖作為單一有機底物時，電池電壓輸出和有機物質(zhì)量濃度遵循經(jīng)典的Monod方程.但是只有在ρ(BOD)＜100 mg/L時電壓才和有機物質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，通過這個線性關(guān)系可以間接計算有機物質(zhì)量濃度.值得注意的是，使用不同的外電阻時，相同質(zhì)量濃度的有機物對應的電壓輸出不同.外阻越大，電壓值越大.雖然不同外阻對應BOD和電壓的線性關(guān)系不同，但是并不影響計算BOD的值.

利用微生物燃料電池測定有機廢水BOD的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下4個方面:第一，耗時短.利用普通的稀釋接種法測定BOD一般來說需要在20℃條件下反應5 d，即通常所說的5日生化需氧量(BOD5);而在微生物燃料電池中，得到一個BOD的數(shù)值僅需要10 h，在污水處理廠中能夠?qū)ξ鬯幚硐到y(tǒng)出現(xiàn)的問題在第一時間做出判斷，及時采取相應的控制對策.第二，通過這種方法計算BOD和廢水實際BOD十分接近，因此，在廢水BOD已知的前提下能夠準確地確定BOD值.第三，微生物燃料電池的電壓輸出受環(huán)境溫度的影響很小.根據(jù)Liu等人的報道，空氣陰極微生物燃料電池的電能輸出在20℃和30℃時并沒有明顯差別［12］，因此，不需要像稀釋接種法那樣嚴格控制反應溫度，減少了操作的復雜性.第四，除了需要向廢水中投加少量的緩沖溶液外不需要其他的生化試劑，降低了測定的費用.

該方法的主要缺點是很難提高BOD測定的準確性，主要是因為在繪制BOD質(zhì)量濃度和對應電壓的標準曲線時，廢水的BOD是預先通過標準方法測定得到的.如果廢水的初始BOD不夠準確，通過計算得到的BOD值也不準確.另外，隨著運行時間的增長微生物燃料電池系統(tǒng)自身的內(nèi)阻會發(fā)生一定的變化，可能會對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響，因此，應定期對電池系統(tǒng)進行電化學測試，一旦發(fā)現(xiàn)內(nèi)阻變化較大，應重新作標準曲線，以提高測定結(jié)果的準確性.盡管有以上的不足，這并不意味著這種方法沒有實際應用的價值.雖然不能準確地反映廢水BOD的絕對數(shù)值，但是電壓的輸出能夠間接反映出廢水BOD的相對變化趨勢，在某種程度上能夠為指導污水處理廠的正常運行提供一些可供參考的信息，因此，在今后的實驗中，還需要對該方法的穩(wěn)定性和測試誤差作進一步的研究，并對影響測試的因素和適用條件進行探索，以便使本方法更具實用價值.

4 結(jié)論

1)利用葡萄糖作為底物時，微生物燃料電池的電壓輸出和葡萄糖質(zhì)量濃度之間的關(guān)系遵循Monod方程式.

2)在ρ(BOD)＜100 mg/L時，電壓輸出和葡萄糖質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系;不同的外阻在葡萄糖質(zhì)量濃度相同時對應的電壓不同，但是不影響B(tài)OD的計算.

3)利用實際生活污水作為底物時，利用微生物燃料電池測定污水處理廠沉砂池、初沉池和曝氣池出水的BOD僅需10 h，得到的結(jié)果和實際BOD值吻合較好，有一定的實際應用價值.

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