王竹青

摘 要：沉積型微生物燃料電池是一種由上方懸于好氧水體（陰極）及下方埋于厭氧底泥（陽極）構(gòu)成的集產(chǎn)電、去除污染物于一體的新技術(shù)，其具有結(jié)構(gòu)獨(dú)特、構(gòu)建成本低、無需質(zhì)子交換膜等優(yōu)勢(shì)，常被用于海洋、湖泊、河流底泥原位修復(fù)中，不僅能有效將底泥中污染物去除，同時(shí)還能促進(jìn)整體水質(zhì)得到顯著改善。然而，受我國近年來重金屬污染日益嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致沉積型微生物燃料電池體系中重金屬含量顯著增加，從而導(dǎo)致體系運(yùn)行特性也發(fā)生了一定的改變。沉積型微生物燃料電池中的微量重金屬元素包含鐵、銅、鋅、鈷、鎳等多種，本文主要以銅元素為例，探究了銅對(duì)沉積型微生物燃料電池運(yùn)行特性的影響。

關(guān)鍵詞：銅;沉積型微生物燃料電池;運(yùn)行特性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.070

沉積型微生物燃料電池主要由上方懸于好氧水體的陰極及下方埋于厭氧底泥的陽極構(gòu)成，常被應(yīng)用于河湖底泥固體廢棄物處理和原位生態(tài)修復(fù)。然而，隨著我國重工業(yè)發(fā)展所致的底泥重金屬污染日益嚴(yán)重，對(duì)沉積型微生物燃料電池應(yīng)用造成了極大的制約，就如河湖底泥中最常見的重金屬元素之一銅，其會(huì)對(duì)抑制微生物呼吸作用，從而會(huì)對(duì)沉積型微生物燃料電池的運(yùn)行特性產(chǎn)生一定的影響，本文主要以實(shí)驗(yàn)方案，探尋和分析了銅對(duì)沉積型微生物燃料電池運(yùn)行體系輸出電壓和污染物去除等的影響，現(xiàn)報(bào)告如下。

1 材料和方法

（1）實(shí)驗(yàn)材料。紫外可見分光光度計(jì)、火焰原子吸收分光光度計(jì)、高速冷凍離心機(jī)、石墨消解儀、水浴恒溫振蕩器。

（2）實(shí)驗(yàn)方法。建立一個(gè)高22cm、直徑為15cm、有效容積為2.5L的玻璃容器作為沉積型微生物燃料電池裝置，陽、陰極均為圓形石墨氈，間距為7.0cm，經(jīng)鈦絲將陽、陰極與500Ω外電路相連，每隔1h用采集器對(duì)電壓值記錄一次，用1mol/LHCl 溶液浸泡新電極1h后，用去離子水浸泡沖洗，使殘留HCl去除，再用1mol/LNaOH溶液浸泡新電極1h，并用去離子水浸泡沖洗后烘干備用。然后，啟動(dòng)4組上述裝置，與實(shí)驗(yàn)室處理生活污水的膜生物反應(yīng)器剩余污泥進(jìn)行接種，陰極電解液為1.0g/LKCl，陽極營養(yǎng)液為0.3 g/LNH4Cl、1.0 g/L葡萄糖、5.0mL/L維生素液及12.5mL/L微量元素液，當(dāng)輸出電壓<50mV時(shí)，倒掉混合液，更換新的電解液和接種污泥，使其在室溫下進(jìn)行序批式運(yùn)行。

（3）觀察指標(biāo)。銅對(duì)沉積型微生物燃料電池體系運(yùn)行輸出電壓、COD去除率、胞外聚合物（EPS）相關(guān)指標(biāo)的影響，采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定COD去除率，EPS提取測(cè)定方法為：取一定量的陽極污泥，采用熱提取法提取結(jié)合性EPS（BEPS），用離心過濾法提取溶解性EPS（SMP），用苯酚-硫酸法測(cè)定多糖含量，用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定蛋白質(zhì)含量，多糖與蛋白質(zhì)含量之和為EPS總量。

2 結(jié)果

（1）對(duì)輸出電壓的影響。從啟動(dòng)4組微生物燃料電池裝置到體系穩(wěn)定共運(yùn)行7個(gè)周期，通過觀察體系穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出電壓圖可知，各實(shí)驗(yàn)組輸出電壓無明顯差異，其中，銅濃度為3000mg/kg組的峰電壓值最低，為（223.4±0.7）mV，銅濃度為800mg/kg組的峰電壓值最高，為（262.5±4.3）mV，說明銅對(duì)沉積型微生物燃料電池運(yùn)行時(shí)的產(chǎn)電量無明顯影響，與牟姝君[1]研究報(bào)告中得出的結(jié)論一致。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因之一可能為銅同時(shí)對(duì)沉積型微生物燃料電池陽極和陰極產(chǎn)生作用，從而使體系輸出電壓無明顯差異，另外，大部分銅在該體系中以有機(jī)物或沉淀物形式存在，從而使其生物有效性降低，進(jìn)而導(dǎo)致其對(duì)體系輸出電壓影響不大。

（2）對(duì)COD去除率的影響。沉積型微生物燃料電池體系中的COD去除主要由兩部分組成，一是由溶解態(tài)轉(zhuǎn)化為結(jié)合態(tài)，與體系中的銅吸附絡(luò)合，二是被陽極微生物分解代謝，通過實(shí)驗(yàn)可知，不同銅濃度時(shí)，COD去除率不盡相同，銅濃度為0、50、200、500、800、1000、1500、3000mg/kg時(shí)，COD去除率分別為41.1%、42.6%、46.2%、54.5%、57.8%、45.2%、48.3%、52.6%?？梢?，銅濃度為50mg/kg時(shí)，COD去除率最低，銅濃度為800mg/kg時(shí)，COD去除率最高。

（3）對(duì)蛋白/多糖、EPS總量的影響。EPS廣泛分布在沉積型微生物燃料電池表面，是由微生物分泌的用于相互粘附或自我保護(hù)的高分子聚合物，對(duì)重金屬吸附、污泥沉降、脫水及絮凝均有重要作用。蛋白、多糖均是EPS的主要組成成分，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與銅濃度為0mg/kg時(shí)相比，其他各濃度狀態(tài)下，體系中的蛋白/多糖值均有一定降低，說明在銅元素的影響下，會(huì)導(dǎo)致沉積型微生物燃料電池分泌更多多糖對(duì)外界環(huán)境變化進(jìn)行抵抗。另外，研究已證實(shí)，酶活性與EPS的產(chǎn)生具有密切關(guān)聯(lián)，而維持酶活性的關(guān)鍵物質(zhì)為金屬離子，因此，銅離子也勢(shì)必會(huì)對(duì)體系運(yùn)行過程中的EPS含量產(chǎn)生一定影響。本次實(shí)驗(yàn)通過觀察4組裝置周期前后的EPS總量變化可知，當(dāng)銅濃度低于800mg/kg時(shí)，隨著銅濃度增加，EPS總量會(huì)逐漸增加，當(dāng)銅濃度超過800mg/kg時(shí)，隨著銅濃度增加，EPS總量會(huì)逐漸減少，說明在一定銅濃度范圍內(nèi)，銅可刺激微生物燃料電池分泌更多的EPS，而一旦銅濃度超標(biāo)，大于電池耐受限度時(shí)，便會(huì)對(duì)微生物的活性產(chǎn)生抑制和對(duì)其產(chǎn)生毒害作用，從而降低分泌的EPS含量[2]。

3 結(jié)論

銅是微生物生長所必需的微量元素，雖然，適量的銅元素能參與微生物鐵吸收、呼吸等代謝過程和去除其污染物，但是，銅元素過量或濃度過高，則會(huì)對(duì)微生物的呼吸作用產(chǎn)生一定的抑制，從而影響其體系運(yùn)行性能。本文通過相關(guān)研究證實(shí)了銅對(duì)沉積型微生物燃料電池體系的輸出電壓無顯著影響，對(duì)COD去除率、蛋白/多糖和EPS總量等EPS指標(biāo)具有顯著的影響，說明在標(biāo)準(zhǔn)濃度范圍內(nèi)，銅可維持微生物燃料電池運(yùn)行性能良好，一旦濃度超標(biāo)（大于電池耐受限度），便會(huì)改變微生物的有效性和抑制其活性，從而降低其運(yùn)行性能。

參考文獻(xiàn)：

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