梁 濤，劉玉香，袁 鑫

（太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024）

淀粉廢水是食品工業(yè)中污染較為嚴(yán)重的一類(lèi)廢水〔1〕，其有機(jī)物濃度高，含有大量淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪等物質(zhì)。對(duì)于淀粉廢水的治理，普遍采用的是厭氧-好氧聯(lián)合生物技術(shù)〔2〕，但該技術(shù)存在運(yùn)行費(fèi)用高、成本高的缺點(diǎn)〔1〕。 微生物燃料電池（MFC）是一種利用微生物將有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，利用該技術(shù)處理淀粉等有機(jī)廢水時(shí)，在凈化污水的同時(shí)還可以收獲電能，實(shí)現(xiàn)了資源的回收〔3〕。

目前在利用MFC降解淀粉廢水的研究中，普遍針對(duì)初始COD較低的淀粉廢水，且COD去除率較低〔4〕。因此，利用該技術(shù)處理高濃度淀粉廢水以及進(jìn)一步優(yōu)化提升COD去除率仍有待研究。光合細(xì)菌在厭氧條件下可以利用光發(fā)酵和暗發(fā)酵分解高濃度淀粉廢水〔5〕，此外其菌體有著豐富的營(yíng)養(yǎng)，包含大量蛋白質(zhì)、葉酸、類(lèi)胡蘿卜素等促長(zhǎng)因子〔6〕。因此使用光合細(xì)菌作為MFC的陽(yáng)極生物不僅可以處理淀粉廢水，所產(chǎn)生的菌泥還可以作為飼料添加劑使用〔7〕。近年來(lái)，國(guó)外對(duì)于以光合細(xì)菌為基礎(chǔ)的MFC也有相關(guān)研究，研究方向包括提高M(jìn)FC的產(chǎn)電性能〔8〕、提高M(jìn)FC對(duì)復(fù)雜底物的適應(yīng)性〔9〕以及開(kāi)發(fā)自持型的小型MFC〔10〕等，為其未來(lái)的實(shí)際應(yīng)用提供了諸多方向。

本研究以實(shí)驗(yàn)室中的光合混菌PB-Z為陽(yáng)極菌，在室溫、自然光照和靜置的環(huán)境下以高濃度淀粉廢水為基質(zhì)，探討MFC的處理效果，并進(jìn)一步研究了氮源及其濃度和添加Ca2+對(duì)COD降解效果的影響，得到了各項(xiàng)優(yōu)化條件，為利用MFC處理淀粉廢水的工業(yè)化應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1 材料方法

1.1 MFC裝置

本研究采用了雙室MFC作為實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

圖1 雙室MFC裝置

該裝置由陽(yáng)極室、陰極室和陽(yáng)離子交換膜三部分組成，陽(yáng)、陰極室均為邊長(zhǎng)6 cm的正方體。中間為陽(yáng)離子交換膜，其有效面積為16 cm2，采用D 5 cm×5 cm×15 cm的碳刷作為陰極和陽(yáng)極的電極材料，用鱷魚(yú)嘴銅線連接電阻（500Ω）和電極材料。陰、陽(yáng)極室、碳刷、陽(yáng)離子交換膜、參比電極及進(jìn)出水口材料參照文獻(xiàn)〔11〕的方法進(jìn)行預(yù)處理后使用。實(shí)驗(yàn)裝置處于自然靜置缺氧狀態(tài)，均不進(jìn)行曝氣和充氮除氧，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境保持室溫和自然光照。

1.2 實(shí)驗(yàn)菌種

陽(yáng)極菌源：來(lái)自實(shí)驗(yàn)室的光合異養(yǎng)產(chǎn)氫混合菌群PB-Z〔12〕，該菌群主要由以下菌種組成：Rhodopseudomonas，39.54%；Dysgonomonas，23.83%；Proteus16.26%。將20%的原始菌液接種到放置碳刷的PB-Z生長(zhǎng)培養(yǎng)基，在30℃、120 r/min的磁力攪拌器上進(jìn)行厭氧培養(yǎng)，給予4 klux的持續(xù)光照，培養(yǎng)4 d至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期后放置在30℃的恒溫光照培養(yǎng)箱中靜置數(shù)天，肉眼可以看到碳刷上有紅色菌膜代表陽(yáng)極碳刷掛膜完成。

陰極菌源：來(lái)自實(shí)驗(yàn)室的異養(yǎng)硝化菌Alcaligenes sp.C16〔13〕，該菌株為產(chǎn)堿桿菌屬。將 1%的原始菌液接種到放置碳刷的C16生長(zhǎng)培養(yǎng)基中，在30℃、120 r/min的搖床中好氧培養(yǎng)2 d至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，然后放置在30℃的恒溫培養(yǎng)箱中靜置培養(yǎng)數(shù)天，肉眼可以看到碳刷上有白色菌膜生成，代表陰極碳刷掛膜完成。

1.3 實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)基

陽(yáng)極菌 PB-Z 生長(zhǎng)培養(yǎng)基（g/L）：CH3COONa·3H2O 3、NH4Cl 0.5、MgCl2·6H2O 0.2、K2HPO4·12H2O 0.5、蛋白胨 1、NaCl 2、酵母膏 0.2。

陰極菌C16生長(zhǎng)培養(yǎng)基（g/L）：檸檬酸鈉4.902、（NH4）2SO40.472、MgSO4·7H2O 0.05、K2HPO40.2、NaCl 0.12、MnSO4·4H2O 0.01、FeSO40.01。

陽(yáng)極高濃度淀粉培養(yǎng)基（g/L）：可溶性淀粉12.6、尿素 0.09、MgSO40.2、NaCl 1、K2HPO40.5、酵母膏 0.2、復(fù)合維生素B溶液1 mL、微量元素溶液1 mL。

（4）強(qiáng)化創(chuàng)新人才培養(yǎng)，鼓勵(lì)創(chuàng)新人才在華發(fā)展。美國(guó)一直以來(lái)十分重視人才培養(yǎng)和人才引進(jìn)，對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)研究給予大力支持，同時(shí)為在美國(guó)的高素質(zhì)留學(xué)生創(chuàng)造較為便利的科研或創(chuàng)業(yè)條件，高度重視高校在科技創(chuàng)新發(fā)展中的推動(dòng)作用。我國(guó)無(wú)疑是擁有最多從事科技創(chuàng)新研究和工作人群的國(guó)家，在基數(shù)優(yōu)勢(shì)的前提下，我國(guó)應(yīng)更加關(guān)注創(chuàng)新人才的素質(zhì)和能力，加強(qiáng)海外高水平創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的引進(jìn)，并引導(dǎo)各類(lèi)創(chuàng)新型企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)聘用實(shí)力過(guò)硬的高層次人才，提高專業(yè)素質(zhì)和創(chuàng)新能力的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)?！?/p>

陰 極 培 養(yǎng) 基 （g/L）：NaNO30.608、MgSO4·7H2O 0.05、K2HPO40.2、NaCl 0.12、MnSO4·4H2O 0.01、FeSO40.01、CuSO40.16。

微量元素溶液（g/L）：MnSO4·4H2O 2.1，H3BO32.8，ZnSO4·7H2O0.248，F(xiàn)eSO4·7H2O1.8，（NH4）6Mo7O24·4H2O 8.0。

維生素溶液（g/L）：維生素 B16.0，維生素 B23.0，維生素B320.0，維生素B60.4。

培養(yǎng)液在使用前均調(diào)節(jié)pH至7.0，經(jīng)過(guò)高壓蒸汽滅菌（121℃，20 min）之后再使用。

1.4 測(cè)試方法

NH4+-N，納氏試劑分光光度法；NO3--N，酚二磺酸分光光度法；NO2--N，N-（1-奈基）-乙二胺光度法；TN，過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法；COD，快速消解分光光度法；以O(shè)D660測(cè)量菌密度，可見(jiàn)光分光光度計(jì)在660 nm處測(cè)定吸光度；電壓，美國(guó)吉時(shí)利Keithley 2700數(shù)據(jù)采集器。

2 結(jié)果與討論

2.1 PB-Z在MFC中降解高濃度淀粉廢水的初試實(shí)驗(yàn)

陽(yáng)極氮源為尿素，考察PB-Z在MFC中降解高濃度淀粉廢水初試的降解效果，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 PB-Z在MFC中降解高濃度淀粉廢水初試的降解效果

由圖2（a）可知，對(duì)于以PB-Z為陽(yáng)極菌種的MFC而言，可以降解高濃度淀粉廢水。在12 d中，COD從初始的11 583.3 mg/L降至4 420 mg/L，COD去除率為61.84%。相對(duì)應(yīng)的PB-Z菌密度則較低，最大OD660出現(xiàn)在第2 d，為0.298，之后隨著時(shí)間的增加，OD660逐漸下降至0.2以下并趨于平穩(wěn)。

在該組實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)裝置處于自然靜置缺氧狀態(tài)，均不進(jìn)行曝氣和充氮除氧，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境保持室溫和自然光照，共有3組平行實(shí)驗(yàn)，考察其電壓，結(jié)果表明，在這3組平行實(shí)驗(yàn)中，都有電壓產(chǎn)生，但是由于實(shí)驗(yàn)在自然光照下放置，因此PB-Z受到晝夜交替變化的影響，產(chǎn)生了一定規(guī)律性的波浪電壓，有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于包含光合微生物的MFC而言，光照有助于發(fā)電，黑暗條件下產(chǎn)電性能下降〔15〕，波峰段的電壓平均在50mV左右，波谷段的電壓平均為10 mV。一定規(guī)律的電壓說(shuō)明了MFC中陽(yáng)極選用PB-Z降解高濃度淀粉廢水具有可行性，但是COD和TN的去除率依舊較低，為60%左右，剩余的COD濃度較高，在利用尿素時(shí)會(huì)將其轉(zhuǎn)化為NH4+-N再進(jìn)一步進(jìn)行利用，因此本研究中的MFC陽(yáng)極降解淀粉廢水具有進(jìn)一步優(yōu)化和提升的空間。

2.2 氮源對(duì)PB-Z降解高濃度淀粉廢水的影響

由相關(guān)文獻(xiàn)〔14〕和2.1節(jié)可知，NH4+-N對(duì)PB-Z具有重要的影響，PB-Z在利用尿素時(shí)會(huì)先將其轉(zhuǎn)化為NH4+-N再進(jìn)行利用。因此如果將氮源由尿素直接更換為NH4+-N（以氯化銨為例），可能會(huì)更有利于PB-Z的生長(zhǎng)和對(duì)COD的降解效果，考察不同氮源對(duì)PB-Z降解效果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同氮源對(duì)PB-Z降解效果的影響

由圖3（a）可知，氮源由尿素更換為氯化銨后，PB-Z的菌密度有了比較高的增長(zhǎng)，并且在第2~8 d都可以維持在0.2以上，說(shuō)明以氯化銨作為氮源可以更有效地促進(jìn)PB-Z的生長(zhǎng)；COD的去除也有了較大的改善，在12 d內(nèi)，COD從11 466.7 mg/L降至3 186.7 mg/L，COD去除率提升至72.2%，相比以尿素為氮源時(shí)COD去除率增加了10.3%。這主要是因?yàn)镹H4+-N可以直接被光合菌利用，而尿素則需要先被細(xì)菌轉(zhuǎn)化為NH4+-N再進(jìn)行利用，以NH4+-N為氮源節(jié)省了中間反應(yīng)過(guò)程，更加容易被光合菌吸收。

由圖3（b）可知，以氯化銨為氮源時(shí)，沒(méi)有硝氮和亞硝氮積累，TN與NH4+-N相近，此時(shí)NH4+-N從53.13 mg/L降至18.12 mg/L，NH4+-N去除率為65.9%，與更換氮源前沒(méi)有較大提升?？赡苁怯捎赑B-Z本身對(duì)氮的利用較少，同時(shí)因?yàn)榻o予的氮源濃度本身較低，不能促進(jìn)其更好的吸收。

2.3 NH4+-N濃度對(duì)PB-Z降解高濃度淀粉廢水的影響

雖然經(jīng)過(guò)更換氮源的優(yōu)化之后，光合菌對(duì)COD的去除率有所提升，但是依然有進(jìn)一步改善的空間，此外考慮到對(duì)NH4+-N的去除率沒(méi)有明顯改善可能是由于氮源濃度較低，因此研究了不同NH4+-N濃度對(duì)PB-Z降解高濃度淀粉廢水的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 NH4+-N濃度對(duì)PB-Z降解效果的影響

由圖4（a）可知，按陽(yáng)極NH4+-N投加濃度為3、6、9 mmol/L進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，隨著NH4+-N投加濃度增加，COD去除速度和COD去除率也隨之增加，COD去除率分別為72.2%、84.57%、90.26%。與此同時(shí)，陽(yáng)極的菌落數(shù)在NH4+-N濃度為9 mmol/L時(shí)達(dá)到最大（2 d），為0.6 mL-1，說(shuō)明氨氮濃度越高，PB-Z生長(zhǎng)越快且菌落數(shù)越大。

由圖4（b）可知，NH4+-N濃度越高，NH4+-N 的降解速度越快，初始NH4+-N越高，反應(yīng)結(jié)束之后剩余的NH4+-N濃度也越高，所以NH4+-N濃度分別增加至3、6、9 mmol/L時(shí)，其N(xiāo)H4+-N去除率只有小部分提升，分別為65.9%、67.49%、69.57%，由此可以說(shuō)明2.1節(jié)中，PB-Z對(duì)NH4+-N沒(méi)有較高去除率的原因不是由于其N(xiāo)H4+-N濃度小，而可能主要是由于PB-Z本身對(duì)氮源的利用率不高，導(dǎo)致了其N(xiāo)H4+-N去除率不能顯著提升。

由上述結(jié)果可知，NH4+-N濃度越高，PB-Z降解淀粉廢水的效果越好。 通過(guò)對(duì)張樂(lè)〔12〕及孫明星〔14〕關(guān)于PB-Z產(chǎn)氫的最佳氮源濃度的研究分析可知，PB-Z在降解高濃度淀粉廢水的最佳NH4+-N濃度應(yīng)該為23~25 mmol/L，NH4+-N濃度過(guò)高或者過(guò)低都會(huì)影響光合混菌的生長(zhǎng)。但是陽(yáng)極NH4+-N濃度越高，遷移到陰極的氨氮越多，造成MFC陰極氮去除率降低的同時(shí)陽(yáng)極也會(huì)剩余大量的NH4+-N，進(jìn)而使得MFC整體氮去除效果變差，此外對(duì)于高濃度淀粉廢水而言，選擇傳統(tǒng)的最佳NH4+-N濃度可能存在著氮源不足的現(xiàn)象，如果額外補(bǔ)充氮源會(huì)增加污水的處理成本。因此，本研究綜合陽(yáng)極COD的去除、陰極NH4+-N的遷移等因素考慮，選擇NH4+-N濃度為6 mmol/L作為MFC陽(yáng)極的氨氮最佳濃度。

2.4 Ca2+對(duì)PB-Z降解高濃度淀粉廢水的影響

完成對(duì)光合混菌的氮源以及氮源濃度優(yōu)化之后，其對(duì)淀粉廢水的COD去除率提升至84.57%，氨氮去除率為67.49%。除了氮源以外，微量元素對(duì)微生物也具有重要的影響。孫明星〔14〕發(fā)現(xiàn)添加Ca2+可以提高PB-Z的產(chǎn)氫量和OD660值，在本研究中，在MFC陽(yáng)極中添加不同濃度的Ca2+（試劑為CaCl2）以探究其對(duì)COD去除效果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖 5（a）可知，Ca2+質(zhì)量濃度為 30 mg/L 時(shí)，COD去除效果最好，在12 d的反應(yīng)時(shí)間中從12 116.67 mg/L降至648.67 mg/L，COD去除率達(dá)到94.64%，而添加了其他濃度Ca2+的COD去除率均小于85%。與此同時(shí)，PB-Z的OD660在Ca2+質(zhì)量濃度為30 mg/L時(shí)也是最大的，尤其是在第2 d達(dá)到了0.441。這說(shuō)明添加適量的Ca2+可以促進(jìn)陽(yáng)極PB-Z的生長(zhǎng)和有機(jī)物的去除，當(dāng)Ca2+過(guò)量后可能會(huì)對(duì)其產(chǎn)生抑制作用，導(dǎo)致降解效果變差。

圖5 Ca2+質(zhì)量濃度對(duì)PB-Z降解效果的影響

由圖 5（b）可知，Ca2+的添加對(duì) PB-Z的 NH4+-N降解沒(méi)有較大的幫助，其N(xiāo)H4+-N去除率基本在60%~70%。因此根據(jù)COD去除效果，選擇了最佳Ca2+質(zhì)量濃度為30 mg/L，此質(zhì)量濃度下NH4+-N的去除率為70.13%。

3 結(jié)論與展望

（1）光合混菌PB-Z在MFC中降解高濃度淀粉廢水的初試實(shí)驗(yàn)中，COD去除率為61.84%，TN去除率為62.89%，同時(shí)有規(guī)律性電壓產(chǎn)生。

（2）通過(guò)將PB-Z的氮源由尿素更換為氯化銨，COD去除率提升至72.2%，NH4+-N去除率為65.9%，確定氯化銨為優(yōu)化后的氮源。

（3）通過(guò)優(yōu)化PB-Z的氮源濃度，確定最佳濃度為6 mmol/L，此時(shí)COD去除率為84.57%，NH4+-N去除率為67.49%。

（4）通過(guò)添加不同濃度的Ca2+，確定最佳質(zhì)量濃度為30 mg/L，此時(shí)COD去除率為94.64%，NH4+-N去除率為70.13%。

大部分光合細(xì)菌對(duì)光照要求較高，但是在本研究中，選用了實(shí)驗(yàn)室分離出的光合混菌PB-Z，并證明了其可以在自然光照（即不需要額外提供照明）、室溫和靜置下對(duì)高濃度淀粉廢水進(jìn)行有效降解，一定程度上擺脫了光照條件、溫度及傳質(zhì)方面的限制，為其實(shí)際應(yīng)用和未來(lái)工業(yè)化應(yīng)用增加可行性，提供了方向和良好的理論基礎(chǔ)。