程建萍， 孫秋陽(yáng)， 胡淑恒， 陳少華， 汪家權(quán)

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；3.安徽建筑大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 引 言

微生物燃料電池（microbial fuel cell，簡(jiǎn)稱MFC）可在降解有機(jī)污染物的同時(shí)收獲電能，為降低污染修復(fù)的成本提供了可能，因而近年來(lái)受到了廣泛關(guān)注［1］。MFC通常由陽(yáng)極室和陰極室組成，兩極室之間以質(zhì)子交換膜（或鹽橋）作為間隔。在陽(yáng)極室，厭氧微生物降解有機(jī)物（電子供體）產(chǎn)生電子和質(zhì)子，電子通過(guò)陽(yáng)極和外電路的傳遞到達(dá)陰極，質(zhì)子則通過(guò)質(zhì)子交換膜（或鹽橋）的內(nèi)部傳遞到達(dá)陰極，兩者在陰極室與電子受體（如氧氣）反應(yīng)生成最終產(chǎn)物。目前，研究大多集中于對(duì)陽(yáng)極有機(jī)物的降解，如相同結(jié)構(gòu)的單極室空氣陰極型 MFC，分別以纖維素［2］、苯酚廢水［3］、啤酒廢水［4］和市政污水［5］等為陽(yáng)極電子受體，MFC在產(chǎn)電的同時(shí)使得這些廢水中的有機(jī)物得以降解。但是，對(duì)于陰極的電子受體，除了常見(jiàn)的氧氣［6］外，水體污染物硝酸鹽也已被證實(shí)可用于MFC產(chǎn)電并被降解［7］?？梢?jiàn)，嘗試?yán)貌煌再|(zhì)的有機(jī)物作為陰極的電子受體，可使得MFC的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。無(wú)氧環(huán)境下，硝酸鹽、硫酸鹽、鐵、錳和二氧化碳等都可為陰極的最終電子受體［8］。相對(duì)于貴重金屬催化劑昂貴的成本，生物陰極利用自然界廣泛存在的微生物作為催化劑，可以大大減少成本，由此研究人員開(kāi)展了生物陰極的研究。20世紀(jì)60年代，反硝化細(xì)菌把硝酸鹽還原為氮?dú)獾陌l(fā)現(xiàn)，促成了生物陰極概念的提出，然而直到最近這一觀點(diǎn)才被證實(shí)。文獻(xiàn)［9］發(fā)現(xiàn)MFC陰極中的微生物參與了一些生物反應(yīng)，如氨氧化和反硝化作用，這表明了陰極有氮循環(huán)過(guò)程。文獻(xiàn)［10］發(fā)現(xiàn)硝酸鹽在陰極被還原為氮?dú)膺^(guò)程中，硝酸鹽及其中間產(chǎn)物亞硝酸鹽都可以接受電極提供的電子得到還原，但其還原過(guò)程必須有微生物的參與，且有微生物存在時(shí)顯著增強(qiáng)反硝化作用。文獻(xiàn)［11］成功實(shí)驗(yàn)了生物陰極反硝化反應(yīng)，陽(yáng)極中氧化電子供體產(chǎn)生電子，電子通過(guò)外電路到達(dá)陰極，硝酸鹽在陰極室得到電子被還原，且不需要提供外在的電能反而在與生物陰極構(gòu)建的MFC實(shí)現(xiàn)了能源的回收。文獻(xiàn)［12］構(gòu)建的雙室生物陰極MFC在開(kāi)路和閉合情況下均能降解硝酸鹽，且MFC促進(jìn)硝酸鹽反硝化過(guò)程的進(jìn)行。以上研究結(jié)果均表明硝酸鹽在MFC的陰極得到電子被還原。

但是對(duì)于陰極上微生物群落的不同對(duì)整個(gè)MFC運(yùn)行過(guò)程的影響研究還不多見(jiàn)，本文將2種不同類型的微生物接種于陰極，研究它們對(duì)整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)電、硝酸鹽降解的影響，并解釋這2種MFC陰極上微生物與電子之間電子傳遞的過(guò)程與原理，對(duì)揭示通過(guò)生物陰極降解硝酸鹽的電子傳遞機(jī)理有一定的理論意義。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及材料

微生物燃料電池反應(yīng)器的示意圖如圖1所示。它的結(jié)構(gòu)是整體式雙室，陰陽(yáng)兩室均為長(zhǎng)方體的有機(jī)玻璃容器，長(zhǎng)、高、寬分別為15、15、13cm，在陰極室和陽(yáng)極室的上下端均設(shè)有進(jìn)、出樣口；多孔篩板式鹽橋連接雙室，類似一面墻，100個(gè)平行的孔道在墻的橫截面上均勻分布，孔徑均為3mm，長(zhǎng)度10mm，注入鹽橋的溶液實(shí)際體積為190mL；陰、陽(yáng)極電極材料均為碳布，有效面積為64cm2；陽(yáng)極與陰極之間采用銅導(dǎo)線連接，外接電阻100Ω，構(gòu)成回路，并在電阻兩端接上電壓表，在線連續(xù)監(jiān)測(cè)輸出電壓。

圖1 微生物燃料電池反應(yīng)器的示意圖

1.2 MFC的微生物接種與運(yùn)行

取合肥市某污水處理廠A2／O工藝中的好氧污泥和厭氧污泥等體積混合，以污泥上清液為微生物燃料電池的接種液，投加1000mg／L葡萄糖作為MFC的陽(yáng)極燃料，并添加磷酸鹽緩沖溶液（K2HPO4的質(zhì)量濃度6.571g／L，KH2PO4的質(zhì)量濃度2.883g／L）、無(wú)機(jī)鹽（KCl的質(zhì)量濃度0.13g／L，NH4Cl的質(zhì)量濃度0.31g／L）、微量元素（質(zhì)量濃度12.5g／L）和維生素（質(zhì)量濃度5g／L）；MFC啟動(dòng)時(shí)陰極采用鐵氰化鉀作為電子受體，來(lái)馴化陽(yáng)極，經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期的穩(wěn)定運(yùn)行后，最大輸出電壓在500mV以上，將陰極的鐵氰化鉀溶液替換成硝酸溶液，添加相同質(zhì)量濃度的磷酸鹽緩沖溶液、無(wú)機(jī)鹽、微量元素和維生素，并分別添加2種菌種，待MFC產(chǎn)電及對(duì)硝酸鹽的去除效率穩(wěn)定后，即開(kāi)始記錄相關(guān)數(shù)據(jù)；陰極室接種使用的菌群分別來(lái)自活性污泥取自朱磚井城市污水處理廠A2／O工藝中的好氧污泥、厭氧污泥和直接購(gòu)買(mǎi)的反硝化菌（bacillus，Seattle Science and Technology，USA），并根據(jù)陰極室菌群不同標(biāo)記微生物燃料電池為A－MFC和B－MFC。

1.3 分析與測(cè)試方法

MFC的輸出電壓通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡（研華PCI1713型，精度大于10mV）連續(xù)采集，最終記錄的電壓信號(hào)輸出至計(jì)算機(jī)，由專用軟件記錄分析，記錄頻率為400s／min，如無(wú)特別提到，MFC運(yùn)行時(shí)外電阻均為1000Ω。

2 結(jié)果分析

2.1 MFC的產(chǎn)電性能

以合肥市某污水處理廠A2／O工藝中的好氧污泥、厭氧污泥中的混菌和純反硝化菌作為MFC生物陰極上的菌群，菌群的A－MFC和B－MFC連續(xù)運(yùn)行4個(gè)周期的輸出電壓如圖2所示。

圖2 2種陰極微生物MFC的輸出電壓

由圖2可知，A－MFC初始外接電阻1000Ω時(shí)，電池最高輸出電壓達(dá)到了280mV，第1個(gè)產(chǎn)電周期結(jié)束，更換陽(yáng)極溶液，輸出電壓迅速升高至265mV，更換外接電阻100Ω，電壓迅速下降至100mV左右，隨后的周期內(nèi)，保持外接電阻為100Ω，輸出最高電壓一般維持在100mV左右，每個(gè)周期運(yùn)行時(shí)間平均約為300h，且都存在單一峰值；B－MFC初始外接電阻100Ω，第1個(gè)產(chǎn)電周期電壓只能達(dá)到80mV左右，更換陽(yáng)極室溶液后，電壓上升達(dá)到109.9mV，隨后的2個(gè)周期內(nèi)輸出電壓一般維持在100mV左右，每個(gè)周期運(yùn)行時(shí)間平均約為200h，且都存在單一峰值，其中第1周期時(shí)間運(yùn)行最長(zhǎng)，接近400h，隨著時(shí)間推移，接下來(lái)的周期運(yùn)行時(shí)間越來(lái)越短，第4周期僅維持在100h。

2.2 硝酸鹽的降解

為了檢測(cè)MFC對(duì)陰極體系中硝酸鹽的降解和形態(tài)轉(zhuǎn)換效果，實(shí)驗(yàn)對(duì)水樣中的三氮即的質(zhì)量濃度分別進(jìn)行了測(cè)定。MFC中陰極室中硝酸鹽的起始質(zhì)量濃度為100mg／L，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的運(yùn)行處理，出口處三氮的質(zhì)量濃度變化如圖3所示。

圖3 陰極室中和質(zhì)量濃度變化曲線

由圖3可知，硝酸鹽在接種2種不同的微生物陰極上均發(fā)生了降解。A－MFC經(jīng)過(guò)1128h運(yùn)行，陰極出口處的質(zhì)量濃度從起始的97.74mg／L下降到10.2mg／L，平均反硝化速率為1.86mg／（L·d），而 B－MFC陰極出口處的經(jīng)過(guò)960h質(zhì)量濃度從101.9mg／L下降到 14.43mg／L， 平均反硝化速率為2.19mg／（L·d），B－MFC平均反硝化速率比 AMFC的大 0.33mg／（L·d）；A－MFC陰極室在72h累積量值達(dá)到最大，即0.49mg／L，200h后基本檢測(cè)不到，而B(niǎo)－MFC陰極室一直處于波動(dòng)狀態(tài)，在528h時(shí)達(dá)到最大累積量為6.41mg／L；而 AMFC中累積量一直處于上升狀態(tài)，最大累積量為12.07mg／L，B－MFC中的質(zhì)量濃度呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，在864h時(shí)累積量達(dá)到最大，為5.39mg／L。

2.3 生物陰極表面生物膜的相態(tài)分析

為了觀察陰極室中活性污泥接種的碳布和反硝化細(xì)菌接種的碳布表面形態(tài)及菌落生長(zhǎng)情況，分別對(duì)運(yùn)行前后的碳布取樣，經(jīng)過(guò)適當(dāng)預(yù)處理后進(jìn)行SEM觀察，結(jié)果如圖4所示。由圖4可看出，未運(yùn)行前碳布的纖維絲表面光滑；A－MFC活性污泥接種的碳布陰極在1個(gè)周期運(yùn)行結(jié)束后，纖維絲表面覆蓋了一層多孔狀結(jié)構(gòu)，細(xì)菌多附著在孔狀結(jié)構(gòu)上；B－MFC反硝化細(xì)菌接種的陰極碳布，纖維絲表面形成了一種片層狀結(jié)構(gòu)。

圖4 陰極碳布表面的SEM圖

2.4 陰極電極的電化學(xué)氧化還原性能

研究電極和溶液里的電化學(xué)行為，是從微觀的角度描述MFC系統(tǒng)中細(xì)菌和電極等在MFC運(yùn)行過(guò)程中作用機(jī)理的一種方法。以磷酸鹽緩沖溶液作為三電極體系中電化學(xué)反應(yīng)的溶液介質(zhì)，分別對(duì)MFC陰極系統(tǒng)中陰極液和陰極電極采用循環(huán)伏安法，探討陰極體系的電化學(xué)行為。初始未掛膜的碳布和實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的陰極生物膜碳布作為工作電極，得到的循環(huán)伏安曲線圖如圖5所示。由圖5可知，陰極碳布的電化學(xué)活性隨著反應(yīng)的時(shí)間有很大的變化，對(duì)于初始未掛膜的碳布，在電壓掃描過(guò)程中得到的電流非常低，幾乎為0，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)還原峰；而運(yùn)行結(jié)束后的陰極碳布，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了生物掛膜，它的循環(huán)伏安曲線中出現(xiàn)了一個(gè)很明顯的還原峰，其位置在－0.282V，對(duì)應(yīng)的電流為－6.644×10－5A。

圖5 陰極室溶液的循環(huán)伏安曲線

以掛膜的碳布作為工作電極，測(cè)試了不同時(shí)間段陰極溶液的循環(huán)伏安曲線如圖6所示。

圖6 陰極碳布的循環(huán)伏安曲線

由圖6可知，磷酸鹽緩沖溶液和初始陰極液掃描過(guò)程中電流均非常低，幾乎為0，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氧化還原峰；而運(yùn)行了72h后的陰極溶液循環(huán)伏安曲線上，有一對(duì)明顯的氧化還原電對(duì)，其氧化峰位置在－0.14V處，還原峰位置在0.167V處，對(duì)應(yīng)的氧化還原響應(yīng)電流區(qū)間為－5.35×10－7～3.46×10－7A。

3 討 論

以100mg／L的硝酸鹽作為MFC陰極的電子受體，分別在陰極室中添加2種不同的混菌和純反硝化菌，進(jìn)行厭氧反硝化反應(yīng)，2種MFC均運(yùn)行了4個(gè)周期，其產(chǎn)電趨勢(shì)趨于一致，雖然產(chǎn)電時(shí)間長(zhǎng)短略有不同，但是對(duì)陰極碳布上采用活性污泥接種運(yùn)行的A－MFC，陰極微生物是多樣的，而對(duì)比陰極采用單一反硝化菌接種運(yùn)行的BMFC，在相同的外界電阻為100Ω時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，兩者的輸出電壓一般穩(wěn)定在100mV，陰極單一反硝化菌對(duì)MFC的輸出電壓無(wú)明顯的抑制影響，這說(shuō)明陰極微生物菌群的多樣性與MFC的輸出電壓沒(méi)有直接的關(guān)系。

從陰極體系中硝酸鹽的降解和形態(tài)轉(zhuǎn)換效果來(lái)看，硝酸鹽在接種2種不同的微生物陰極上均發(fā)生了降解和轉(zhuǎn)換。經(jīng)過(guò)4個(gè)周期的運(yùn)行，AMFC中陰極平均反硝化速率比B－MFC小0.33mg／（L·d），可能是B－MFC中接種的純反硝化細(xì)菌對(duì)硝酸鹽的降解具有較強(qiáng)的針對(duì)性；同時(shí)A－MFC陰極室在72h累積量值達(dá)到最大，200h后基本檢測(cè)不到亞硝酸鹽，B－MFC陰極室一直處于波動(dòng)狀態(tài)，在528h時(shí)達(dá)到最大累積量為6.41mg／L，兩者的不同主要是由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中B－MFC陰極室添加了1g／L的NaHCO3，NaHCO3既可以維持反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)需要，同時(shí)又可以進(jìn)行傳統(tǒng)的反硝化作用，導(dǎo)致累積量較多呈波動(dòng)狀態(tài)，但其陰極室中總體上并無(wú)累積增加的趨勢(shì)，主要是由于硝酸鹽和亞硝酸鹽能夠交替作為陰極細(xì)菌的電子受體［13］；實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，A－MFC中累積量一直處于上升狀態(tài)，最大累積量值為12.07mg／L，B－MFC中量呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，在864h時(shí)累積量達(dá)到最大為5.39mg／L，陰極室中累積量的增加并非由于陽(yáng)極室中經(jīng)鹽橋泄露而來(lái)，這可能是由于陰極室中無(wú)有機(jī)碳源，微生物進(jìn)行內(nèi)源反硝化產(chǎn)生了NH3，NH3溶于水，導(dǎo)致溶液中不斷累積增加。

本文采用SEM觀察A－MFC和B－MFC中2種細(xì)菌接種的碳布表面形態(tài)，發(fā)現(xiàn)A－MFC中碳布被孔狀結(jié)構(gòu)物覆蓋了全部的碳布纖維絲，而B(niǎo)MFC形成的片層狀結(jié)構(gòu)較稀疏，這可能是兩者的微生物菌落不同，且活性污泥接種馴化的陰極碳布運(yùn)行的時(shí)間較長(zhǎng)，而反硝化細(xì)菌馴化的陰極碳布運(yùn)行時(shí)間較短。

經(jīng)過(guò)MFC運(yùn)行4周期后的陰極電極碳布，循環(huán)伏安曲線圖掃描過(guò)程中出現(xiàn)了1個(gè)很明顯的還原峰，其位置在－0.282V處，對(duì)應(yīng)的電流為－6.644×10－5A，這說(shuō)明附著在陰極生物膜上富集的細(xì)菌進(jìn)行的是一種催化還原反應(yīng)，該過(guò)程與MFC陰極發(fā)生的硝酸鹽被還原的反應(yīng)一致；對(duì)比陰極溶液經(jīng)過(guò)MFC運(yùn)行前后的CV曲線可知，陰極溶液在MFC中運(yùn)行72h后，在循環(huán)伏安曲線上有1對(duì)明顯的氧化還原電對(duì)，這說(shuō)明陰極溶液中也確實(shí)存在氧化還原介體，主要是負(fù)責(zé)在微生物和電極之間進(jìn)行電子的傳遞，并且陰極和陽(yáng)極存在的氧化還原電對(duì)是不同的，另外，該MFC體系中并無(wú)添加其他氧化還原介體，初始陰極溶液的循環(huán)伏安曲線中也并未發(fā)現(xiàn)氧化還原電對(duì)，說(shuō)明形成該氧化還原電對(duì)的氧化還原介體是由微生物新陳代謝分泌到細(xì)胞外的某種物質(zhì)組成的，證實(shí)本實(shí)驗(yàn)的MFC體系中確實(shí)存在電子穿梭傳遞機(jī)制。

4 結(jié) 論

陰極接種活性污泥和反硝化細(xì)菌的MFC產(chǎn)電性能均良好，在產(chǎn)電的同時(shí)均能有效地去除廢水中的硝酸鹽。在外接電阻為100Ω的情況下，A－MFC和B－MFC達(dá)到的最大輸出電壓分別為119.6mV和117.2mV，表明陰極微生物菌群的多樣性與MFC的輸出電壓沒(méi)有直接的關(guān)系；同時(shí)，B－MFC在陰極室的平均反硝化速率為2.19mg／（L·d）比 A－MFC的平均反硝化速率1.86mg／（L·d）略高，這說(shuō)明接種的純反硝化細(xì)菌對(duì)硝酸鹽的降解具有較強(qiáng)的針對(duì)性。

對(duì)經(jīng)過(guò)運(yùn)行一段時(shí)間后的陰極碳布，通過(guò)SEM觀察到A－MFC和B－MFC的碳布纖維絲表面形貌存在差異，A－MFC中碳布被孔狀結(jié)構(gòu)物覆蓋了碳布纖維絲，而B(niǎo)－MFC被形成的片層狀結(jié)構(gòu)物所覆蓋，這說(shuō)明在陰極起作用的微生物類型不同。

采用循環(huán)伏安曲線法來(lái)測(cè)定陰極碳布和陰極溶液，結(jié)果表明陰極碳布上接種的2種菌群均發(fā)生催化還原反應(yīng)；運(yùn)行72h的陰極溶液和陽(yáng)極溶液均發(fā)現(xiàn)了氧化還原電對(duì)，說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)的MFC體系中確實(shí)存在電子穿梭體的傳遞機(jī)制，推斷電子傳遞的主要任務(wù)是由電極上的電活性微生物完成的。

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