李 莉， 伍 佳， 張 賽， 丁燕燕， 王 嬌

（1.重慶大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院，重慶400045；2.中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶400039；3，重慶市第七中學(xué)校，重慶400030）

0 引 言

隨著產(chǎn)生的污廢水含量逐年增多，環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，其中偶氮染料是目前處理難度較大的有機(jī)廢水之一［1-2］，其色度較高、成分復(fù)雜、性質(zhì)穩(wěn)定、難降解［3］，降解的中間體芳香族化學(xué)物具有毒性、致癌性和致突變性，會(huì)抑制河流中水生生物的生長(zhǎng)，對(duì)河流中的水生動(dòng)植物具有毒害作用，而偶氮染料廢水中往往存在大量的含硫物質(zhì)。微生物燃料電池（Microbiological Fuel Cell，MFC）是一種利用微生物將有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，具有直接產(chǎn)電、條件溫和、耗能低、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)［4-6］。以污水為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)構(gòu)造的MFC實(shí)現(xiàn)了污水處理的同時(shí)回收電能，從而在一定程度上降低了污水的處理成本［7］。因此在項(xiàng)目組前期的科研工作基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于MFC降解含硫偶氮燃料廢水的綜合性實(shí)驗(yàn)，以含硫化物的偶氮染料為目標(biāo)物，利用單室空氣陰極MFC進(jìn)行降解試驗(yàn)，研究偶氮染料濃度、硫化物濃度和pH對(duì)MFC產(chǎn)電效能和污染物降解率的影響。

本實(shí)驗(yàn)是廢水處理綜合實(shí)驗(yàn)，基于有機(jī)基質(zhì)在陽極室被電活性細(xì)菌氧化并產(chǎn)生電子和質(zhì)子，電子通過細(xì)胞中的一系列呼吸酶，以ATP的形式為細(xì)胞提供能量，產(chǎn)生的電子通過直接電子轉(zhuǎn)移、鈦絲導(dǎo)線或外部介體3種形式傳遞到陽極，再經(jīng)由外部電路轉(zhuǎn)移到陰極。電子轉(zhuǎn)移過程中則產(chǎn)生電流和電壓，該信號(hào)由數(shù)據(jù)采集器采集；同時(shí)在取樣口取樣檢測(cè)基質(zhì)溶液中有機(jī)污染物的變化，通過有機(jī)污染物濃度和電壓電流的變化研究產(chǎn)電效能和污染物降解效能。通過改變主反應(yīng)區(qū)中基質(zhì)溶液中偶氮染料濃度、硫化物濃度和pH值，研究產(chǎn)電規(guī)律和污染物降解機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)裝置由反應(yīng)器、磁力攪拌器、外電阻和數(shù)據(jù)采集器組成，如圖1所示。MFC反應(yīng)器為圓柱狀兩端具有法蘭，總?cè)莘e為400 mL，腔室的容積尺寸為?8 cm×8 cm，反應(yīng)器上側(cè)設(shè)置有取樣口，陽極端通過法蘭連接有陽極密封板，其陰極端通過法蘭連接有陰極鏤空的密封板，反應(yīng)器的陰極端設(shè)置有陰極碳布。陽極電極為?3 cm×12 cm石墨碳纖維刷（日本東麗），由鈦絲和碳纖維絲組成。陰極碳布采用經(jīng)過10%的PTFE疏水處理后的w1 s1005碳布（中國(guó)臺(tái)灣碳能）。陽極和陰極通過鈦絲（直徑1 mm）與1 kΩ的外部電阻連接，形成閉合電路。具體構(gòu)造見圖2。

圖1 反應(yīng)裝置組裝示意圖

圖2 MFC反應(yīng)器三視圖

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 反應(yīng)器的啟動(dòng)

反應(yīng)器啟動(dòng)與運(yùn)行階段，為了增加MFC系統(tǒng)的微生物多樣性，采用污水處理廠的厭氧和好氧混合污泥接種陽極室。為了加快馴化速度以在電極材料上快速富集微生物，加入到陽極室之前，首先將初始污泥加入到含硫化物的偶氮染料廢水中，并置于磁力攪拌器上攪拌24 h得到接種污泥。為了確保MFC系統(tǒng)中有足夠的生物量，將接種污泥和反應(yīng)基質(zhì)以1∶1的比例混合，混合均勻后添加到MFC中進(jìn)行啟動(dòng)。同時(shí)，將中泰科研EM 9636數(shù)據(jù)采集器連接到計(jì)算機(jī)上，實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)的產(chǎn)電電壓。經(jīng)過一段時(shí)間的培養(yǎng)后，如果系統(tǒng)連續(xù)3個(gè)周期的穩(wěn)定電壓相同，則表示系統(tǒng)已成功啟動(dòng)。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用MFC反應(yīng)器研究硫化物濃度、偶氮染料濃度和pH對(duì)硫化物和染料降解效能的影響，測(cè)定輸出功率，分析反應(yīng)過程中COD的變化情況。反應(yīng)器所處的環(huán)境溫度為（28±5）°C，偶氮染料采用剛果紅作為典型代表性物質(zhì)。

（1）硫化物濃度影響規(guī)律。硫化物在MFC中擔(dān)任電子供體的角色［8］，具有關(guān)鍵性的作用，為了評(píng)價(jià)硫化物濃度的改變對(duì)MFC產(chǎn)電效能和污染物降解的影響，通過控制硫化物濃度進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)分析。設(shè)置進(jìn)水硫化物濃度分別為120，180，240，300和360mg/L，初始投加剛果紅染料和COD（乙酸鹽）濃度分別為200和1 000 mg/L，通過1 mol/L的NaOH調(diào)節(jié)MFC陽極液進(jìn)水pH值為7.0，外電阻為1 kΩ，測(cè)定分析輸出功率、硫化物、偶氮染料濃度和COD濃度的變化。

（2）偶氮染料濃度影響規(guī)律。為了評(píng)價(jià)剛果紅濃度的改變對(duì)MFC產(chǎn)電效能和污染物降解的影響，通過控制剛果紅濃度進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)分析，設(shè)置進(jìn)水剛果紅濃度分別100，200，300，400和500 mg/L，初始投放硫化物濃度和COD（乙酸鹽）分別為180和1 000mg/L，通過1 mol/L的NaOH調(diào)節(jié)MFC陽極液進(jìn)水pH值為7.0，外電阻為1 kΩ，測(cè)定分析輸出功率、硫化物、偶氮染料濃度和COD濃度的變化。

（3）pH值影響規(guī)律。MFC運(yùn)行中，陽極液pH能影響底物的代謝活性，進(jìn)而影響質(zhì)子和電子的生成和轉(zhuǎn)移機(jī)制，對(duì)MFC的整體性能有著重要作用。調(diào)整進(jìn)水燃料的pH分別為5.0、6.0、7.0、8.0、9.0，初始投放硫化物濃度和COD（乙酸鹽）分別為180和1 000mg/L，通過1 mol/L的NaOH調(diào)節(jié)MFC陽極液進(jìn)水pH值為7.0，外電阻為1 kΩ，測(cè)定分析輸出功率、硫化物、偶氮染料濃度和COD濃度的變化。

2.3 分析與計(jì)算方法

硫化物濃度采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分析方法GB/T 16 489亞甲基藍(lán)分光光度法；COD濃度采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分析方法HJ828重鉻酸鉀法測(cè)定；染料以剛果紅作為代表，通過紫外分光光度計(jì)在496 nm處測(cè)量吸光度表征濃度。

（1）功率密度。MFC電極兩端的電壓通過連接在電腦上的數(shù)據(jù)采集器（中泰科研EM 9636B）每5 min采集記錄1次，自動(dòng)記錄和保存。電流公式為

式中：I為電流，A；U為外電阻兩端的電壓，V；R為電極兩端外電阻，Ω。

功率密度為

式中：P為功率密度，mW/m2；U為MFC電壓，V；A為反應(yīng)器陰極的有效面積，cm2。

（2）降解率。染料、硫化物以及COD等污染物降解率，

式中：E為降解率，%；C0為初始濃度，mg/L；Ci為第i次取樣濃度，mg/L。

3 結(jié)果與分析

3.1 硫化物濃度對(duì)MFC的影響

由圖3（a）可見，MFC的最大功率密度隨硫化物濃度的升高而增大。這表明：一方面，MFC陽極微生物對(duì)高濃度的硫化物具有良好的適應(yīng)性，能夠快速高效地氧化陽極液中硫化物和乙酸鹽并產(chǎn)生電能；另一方面，硫化物濃度的增大會(huì)產(chǎn)生更多的電子和質(zhì)子并轉(zhuǎn)移至陰極，使得MFC最大功率密度和產(chǎn)電量增加；另外，硫化物的增加降低了MFC電池的陽極電勢(shì)［9］，而增加陽極電勢(shì)可以促進(jìn)產(chǎn)電微生物獲得足夠的能量，加速反應(yīng)器中電化學(xué)反應(yīng)和生物反應(yīng)的進(jìn)行，進(jìn)一步加快MFC的產(chǎn)電效能。因此，在適當(dāng)范圍內(nèi)增加硫化物的濃度可以增加MFC的產(chǎn)電效能，這對(duì)于MFC電能領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一定的理論和技術(shù)支持。

圖3 硫化物濃度對(duì)MFC的影響

MFC間歇式運(yùn)行一個(gè)完整的周期，每隔4 h測(cè)定硫化物和剛果紅的濃度。由圖3（b）可見，不同濃度下硫化物的降解趨勢(shì)相近，降解速率在28 h之內(nèi)增加迅速，隨后達(dá)到平穩(wěn)，降解速率均為80%以上。由此可見，隨著MFC中初始硫化物濃度的增加，硫化物氧化受到明顯影響，去除率呈現(xiàn)出顯著下降的趨勢(shì)。這種現(xiàn)象表明較高的硫化物濃度可以通過抑制微生物活性而對(duì)硫化物的電化學(xué)氧化產(chǎn)生負(fù)影響，硫化物和乙酸鹽在MFC中作為電子供體，發(fā)生氧化反應(yīng)，高濃度的硫化物降低了微生物電子轉(zhuǎn)移速率［10］，進(jìn)一步的抑制了硫酸鹽的生物還原途徑。

如圖3（c）所示。偶氮染料的降解率隨著MFC中硫化物濃度的增加而升高。偶氮染料脫色效率的明顯提高（77.22%～87.10%）主要是由于高濃度的硫化物產(chǎn)生更多的電子，電子通過外電路轉(zhuǎn)移到電池陰極上，使得更多的染料得到電子被還原，從而加速了電極間的電子轉(zhuǎn)移速率，促進(jìn)剛果紅染料的還原反應(yīng)。

在MFC系統(tǒng)中，硫氧化菌（SOB）與硫酸鹽還原菌（SRB）在一定的條件下與厭氧菌可能會(huì)存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，甚至?xí)?duì)厭氧菌的新陳代謝有抑制作用。因此為了考察硫氧化菌與硫酸鹽還原菌和厭氧菌之間的關(guān)系，需要考察在不同硫化物濃度下COD的去除率。如圖3（d）所示，隨著進(jìn)水硫化物濃度的增加，COD的去除率由37.88%下降到21.90%，COD的去除率有著較小幅度的降低，影響的程度不大，表明進(jìn)水硫化物濃度的增加對(duì)COD去除率的影響較小，能夠在一定程度上抑制有機(jī)物的電子轉(zhuǎn)移能力；也表明了硫氧化菌和硫酸鹽還原菌能夠?qū)捬蹙鸬揭欢ǖ囊种谱饔?，使MFC中發(fā)酵菌的數(shù)量降低，因此有機(jī)物的消耗量減少。

3.2 染料濃度對(duì)MFC的影響

如圖4（a）所示，隨著剛果紅濃度的增加，MFC的最大功率密度呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，說明染料濃度對(duì)MFC產(chǎn)電效能有著顯著的影響作用。微生物燃料電池中，剛果紅作為電子受體，接受來自硫化物和有機(jī)物的電子而發(fā)生還原反應(yīng)，同時(shí)，空氣陰極附近的O2結(jié)合e-

圖4 不同染料濃度對(duì)MFC的影響

和H+生成水。隨著剛果紅濃度的增加，抑制了反應(yīng)器中厭氧微生物的活性，電子傳遞速率減慢，陰極得到電子數(shù)量相比降低，由此高濃度剛果紅MFC的產(chǎn)電效能變差。

如圖4（b）所示，隨著剛果紅偶氮染料濃度的增加，硫化物的氧化速率加快。但是，反應(yīng)36 h后，當(dāng)染料濃度從100 mg/L增加到500 mg/L時(shí)，硫化物的去除效率并未受到明顯影響，均為98%左右。在該系統(tǒng)中偶氮染料作為電子受體，硫化物為電子供體［11］，當(dāng)電子受體濃度較高時(shí)，硫化物可以更快被去除。

從圖4（c）可以看出，隨著剛果紅染料濃度的增加，剛果紅的去除率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谳^高的剛果紅濃度下，陽極產(chǎn)電微生物的活性被抑制［12-13］，剛果紅的降解率較低。

由圖4（d）所示，在高濃度的剛果紅染料濃度下，COD的降解效果最好。一方面是因?yàn)閯偣t濃度增加，陽極液中需要更多的電子使染料發(fā)生還原反應(yīng)而脫色，由此需要有機(jī)物和硫化物提供更多的電子供體，在硫化物濃度一定的條件下，促使有機(jī)物的消耗量增加；另一方面，COD的去除率由34.66%增加到40.23%，變化幅度較小，說明剛果紅濃度的增加對(duì)MFC中的發(fā)酵菌影響較小。

3.3 pH值對(duì)MFC的影響

如圖5（a）所示，功率密度在pH為7.0時(shí)最大，過酸和過堿條件下功率密度最小，說明過高或過低的陽極液pH均會(huì)抑制產(chǎn)電菌的活性，影響MFC陽極反應(yīng)速率，使得MFC體系的最大功率密度降低，影響系統(tǒng)的整體產(chǎn)電性能。

不同的pH對(duì)微生物的酶系統(tǒng)有不同程度的影響，pH過高或者過低都會(huì)降低酶活性，進(jìn)而影響反應(yīng)速率。圖5（b）顯示，在陽極液pH=7.0下觀察到最高的硫化物去除率，中性條件和酸性條件更適合細(xì)菌生長(zhǎng)。當(dāng)pH為5.0和9.0時(shí)，硫化物依然可以保持較高的降解率（96.87%和85.19%），表明MFC體系下的微生物具有較好的pH耐受性。

如圖5（c）所示，在pH為7.0時(shí)，剛果紅的降解效率最高，高于或低于此值脫色率均降低，說明過酸或過堿的環(huán)境會(huì)影響酶的活性，抑制微生物的生長(zhǎng)繁殖，由此降低了剛果紅的脫色率。在反應(yīng)過程中，電子供體和電子受體之間的電位差對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)電有影響，因此，為了能夠最大限度地使系統(tǒng)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，選擇還原電位較低的厭氧環(huán)境。硫的存在形式受到pH的影響，在中性條件下主要以HS-存在，這會(huì)導(dǎo)致更負(fù)的陽極電勢(shì)［14-15］，使系統(tǒng)產(chǎn)電最大，因此選擇中性條件同時(shí)去除硫化物和偶氮染料。

由圖5（d）可知，pH為7.0時(shí)有機(jī)物的降解率最快。附著在MFC的陽極膜上的厭氧產(chǎn)電菌對(duì)細(xì)菌和電極的胞外電子轉(zhuǎn)移有著重大的作用，在MFC系統(tǒng)中，COD的去除是陽極微生物，產(chǎn)甲烷菌和發(fā)酵細(xì)菌協(xié)同作用下的結(jié)果。因此在極端的pH條件下參與代謝的微生物活性受到抑制，使有機(jī)污染物的分解速率降低，從而降低COD的去除率。

圖5 不同初始pH對(duì)MFC的影響

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

MFC的研究中涉及了電化學(xué)、微生物學(xué)、水污染控制等多方面的理論知識(shí)，實(shí)驗(yàn)中涉及COD的測(cè)定，紫外分光光度計(jì)的使用以及微生物燃料電池的組裝等方面的動(dòng)手能力，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)將MFC引入到本科教學(xué)中，這與本科環(huán)境工程專業(yè)的教學(xué)方向高度契合。學(xué)生在學(xué)習(xí)理論課程后，查閱資料制定實(shí)驗(yàn)計(jì)劃、自主組裝實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)踐檢測(cè)方法以及分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在整個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)過程中將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐，鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)提升解決實(shí)際復(fù)雜問題的能力［16-19］。

在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中還可以根據(jù)課時(shí)量增加溫度、陰極材料等影響因素實(shí)驗(yàn)，根據(jù)授課深度拓展電化學(xué)工作站、電鏡掃描、微生物群落結(jié)構(gòu)等分析進(jìn)一步解析微觀機(jī)理。因此，該綜合實(shí)驗(yàn)可通過實(shí)驗(yàn)方案的拓展和變化培養(yǎng)學(xué)生的探索能力和創(chuàng)新思維能力。此外，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果引導(dǎo)學(xué)生探索該技術(shù)工程化應(yīng)用中亟待解決的瓶頸問題，例如如何增強(qiáng)污染物處理效率及產(chǎn)電性，降低處理成本等問題，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的科研興趣，樹立發(fā)現(xiàn)問題解決問題的研究思維模式。

5 結(jié) 語

本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建單室空氣陰極MFC實(shí)驗(yàn)裝置處理含硫化物的染料廢水，通過考察不同影響因素的產(chǎn)電和污染物去除效能，結(jié)合電化學(xué)、微生物學(xué)、水污染控制理論知識(shí)解析MFC的機(jī)理。實(shí)驗(yàn)裝置搭建簡(jiǎn)單易行，實(shí)驗(yàn)方案科學(xué)可行，檢測(cè)方法易于掌握，實(shí)驗(yàn)條件穩(wěn)定可控，因此將本實(shí)驗(yàn)引入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅可讓學(xué)生了解及掌握科學(xué)前沿知識(shí)，同時(shí)也鞏固和豐富學(xué)生的專業(yè)理論知識(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新意識(shí)，對(duì)于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才具有積極意義。