武天翔 宋新山

（1上海交通大學附屬中學 上海 200240 2東華大學環(huán)境科學與工程學院 上海 201620）

引言

人工濕地因為構建成本低、管理費用小、能源消耗低等優(yōu)勢而廣泛應用于生活污水、河道生態(tài)及工業(yè)廢水的治理。[1]然而，其實際應用中仍存在水處理效率不高、占地面積大等問題。[2]而人工濕地微生物燃料電池CW-MFC（Constructed Wetland-Microbial Fuel Cell），可通過濕地自身氧化還原電位差形成產(chǎn)電活躍菌聚集地及強化電子轉移。通過加快電子轉移，強化微生物參與的氧化還原過程，從而達到強化污染物降解的目的。本課題探索了濕地植物對CW-MFC系統(tǒng)生物電輸出和除氮的影響。人工濕地是指通過工程技術模擬天然濕地的結構與功能，它是由多介質、植物及大量微生物構建而成。[3]通過物理、化學和生物相互作用去除水體污染物。人工濕地可同時去除水中的多種污染物，并有效地調(diào)節(jié)水體污染，但其占地面積較大，因此特別適合應用于人口較少的區(qū)域。

微生物燃料電池是指以產(chǎn)電活躍菌（其實就是工廠的污水）作為生物催化劑，在利用生物降解的同時輸出生物電（如圖1）。

圖1 微生物燃料電池工作原理

整個系統(tǒng)由上層陰極室（好氧區(qū)）、下層陽極室（厭氧區(qū)）和外電路組成。其工作原理是：濾床上、下層分別形成好氧、厭氧區(qū)環(huán)境，為微生物的生長繁殖提供了良好的環(huán)境。有機質氧化降解主要發(fā)生在陽極室，這個過程中陽極室電極表面有產(chǎn)電活躍菌參與到有機物氧化反應產(chǎn)生電子和質子，流入上層的污水轉化為小分子有機物，在這個過程中它的可被降解性增強。[4]而電子在氧化還原電位電勢差的作用下經(jīng)外電路傳至陰極與上述的電子受體結合進行，從而完成水質凈化。

具體來說，濕地凈水有三個途徑：基質吸附（物理變化）、植物吸附（分泌O2）微生物轉化（生物反應）。其中最主要的是微生物轉化，這是一個氧化還原的過程，拿除氮來說，硝酸根或有機氮中的氮元素化合價升高，發(fā)生氧化反應。

微生物就是電子供體，有機碳源通過有機物厭氧氧化給出電子，同時生成水和二氧化碳，微生物逐漸適應厭氧環(huán)境，成為產(chǎn)電活躍菌，而在厭氧環(huán)境下生成的電子通過外電路轉移至上層好氧環(huán)境中，微生物電子從胞內(nèi)到胞外，成為電子受體，從而進一步擴大陰極室與陽極室的電位差，加快電子轉移，也就加大生物電輸出能力。

1 CW-M FC的構造

構建的CW-MFC中包含1個開路的CW-MFC耦合系統(tǒng)和CW-MFC耦合系統(tǒng)，命名為裝置1和2。兩者尺寸均為直徑20cm，高60cm。各裝置承托層鋪設粒徑為4-6mm的沙砂顆粒。電極材料為碳氈。濕地上層分別移栽旺盛的的挺水植物（美人蕉），各裝置的種植密度為2株/單元，移栽之前美人蕉初始長度約為35cm。裝置搭建完成后，各裝置接種等量稀釋的活性污泥（4.0L，取自松江污水處理廠），加入少量紅糖水作為營養(yǎng)液。

裝置運行初期，各裝置的總容積約為4L，含水量約為1.5L。其中閉合回路裝置陽極電極材料均位于裝置底部往上約12cm處，陰極電極材料位于裝置頂部以下約5cm處，陽、陰室電極材料通過外電路（絕緣銅導線）連接于外置電阻箱兩端。實驗過程中，電壓自動記錄儀記錄下外電阻兩端的電壓。另外，用于采集出水水樣的多孔管位于各裝置的底部往上約7cm處。

CW-MFC耦合系統(tǒng)裝置采用間歇式進水模式運行，各個周期的進水時間為4:00 p.m.，污水由CW-MFC上層進入，并通過下層出水孔收集各水樣。同時，進水過程中進水水位需要控制在陰極電極材料上、下約1cm。連續(xù)進行三個實驗階段，周期為5-7天。（這個五到七天是有講究的，在一份研究中看到，在水力停留5天后，微生物附著填料總sul,總tet的抗性基因的相對豐度比水力停留2.5天時低，較低的抗性基因的豐度會使得微生物電子轉移加快，從而使實驗效果更好[5]。

2 數(shù)據(jù)分析

裝置產(chǎn)生的生物電的電流、電壓采用電壓記錄儀測量并記錄，pH采用筆試pH計測量。DO和硝態(tài)氮取樣后在東華大學環(huán)境學院實驗室測量。同樣的，DO使用熒光法測量，而COD用硫酸-重鉻酸鉀法測量，硝氮的是用紫外分光光度法。

3 結果與分析

各CW-MFC裝置的電壓的起止時間分別為進水和出水時間。

總體而言，兩裝置的平均電壓分別為180、250mv。有生物電輸出的要比無植物的裝置1分別高出70%。進水的水溫在20-27°C之間波動，進水水質的平均pH和DO分別為7.53和6.06mgL-1。進水氨氮量約為55.2mgL-1。

實驗值如下表所示。欄目一是閉合回路，欄目二是開路。

指標z出水值m 單位 進水值 一 二溫度 (℃) 25.5 26.0 25.9 pH 7.5 7.1 7.1 DO (mg L-1) 6.06 0.64 0.47 NH4-N (mg L-1) 15.16 11.60 10.82 NO3-N (mg L-1) 38.95 8.54 7.98 COD (mg L-1) 207 53 48

可見，裝置的出水參數(shù)中溫度和pH之間不存在顯著性差異。對比進、出水pH可以發(fā)現(xiàn)，各裝置出水的pH值要比進水的pH值有降低的趨勢，這可能是各裝置進水中的有機物由微生物代謝為小分子酸的緣故。[5]從植物根區(qū)的微生物降解效果來看，栽種植物的CW-MFC裝置的有機物和無機氮的去除能力都顯著高于無植物的CW-MFC耦合系統(tǒng)，主要是因為植物的根際分泌物和泌氧能夠顯著提升脫氮菌特別是異養(yǎng)反硝化菌的相對豐度，[6]并且部分相對豐度較高的細菌具有處理難降解有機物的能力，而這些細菌的提升最終加強了植物根區(qū)無機氮及有機物的降解能力和整個CW-MFC裝置的水處理效率。

4 小結

通過產(chǎn)電特性分析表明，植物顯著提高CW-MFC裝置的生物電的輸出效率，其主要是由于發(fā)達的植物根系和泌氧能力給根區(qū)的微生物提高了異養(yǎng)微生物的豐度，這些細菌通過氧化一些復雜或簡單的有機物產(chǎn)生小分子的化合物，這些物質能夠在陰極室作為電子受體從而提高了生物電的輸出效率；另外，植物的根系較高的泌氧能力也增加陰極室的氧化還原電位，從而擴大了陰極室和陽極室之間的氧化還原電位差，也提高了生物電的電壓。

結語

人工濕地燃料電池是一種新的思想和實驗，它是源于人們對于正在被不斷破壞的水體的一種積極的解決辦法，它反映了人們對于環(huán)境的不斷追求，是人類對于未來美好生活的向往。本實驗就是研究濕地植物對于微生物生物電輸出的研究，包括根系降解和成分調(diào)節(jié)，使用兩個pvc管模擬兩個人工濕地系統(tǒng)，把濕地植物閉合回路系統(tǒng)與開路對于水質變化影響進行對比，也是控制變量和對比實驗，水質通過自制的可控出水管來控制，結論是植物對于MFC裝置產(chǎn)生生物電效率有很大幫助，原因簡單來說是植物泌氧能力使微生物豐度提高并且形成小分子化合物，形成陽極室和陰極室，有了電位差，導致電子移動，提高電壓，提高了產(chǎn)電效率，也就促進了微生物降解，達到提高凈化水質效果的目的。

研究不能離開實際生活，我認為凈化水質需要一套組合拳來實現(xiàn)。一是利用好人工濕地，二是種植類似于美人蕉、菖蒲的水生植物，還有就是嚴控污水排放，從根源上解決問題。高效的水處理不是一天兩天可以成功達成的，需要我們每一個人為之作出努力，要有信心，還要有耐心。