兩類陰極菌群微生物燃料電池降解硝酸鹽研究

程建萍， 孫秋陽， 胡淑恒， 陳少華， 汪家權

（1.合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院，安徽 合肥 230009；3.安徽建筑大學 材料與化學工程學院，安徽 合肥 230601）

0 引 言

微生物燃料電池（microbial fuel cell，簡稱MFC）可在降解有機污染物的同時收獲電能，為降低污染修復的成本提供了可能，因而近年來受到了廣泛關注［1］。MFC通常由陽極室和陰極室組成，兩極室之間以質子交換膜（或鹽橋）作為間隔。在陽極室，厭氧微生物降解有機物（電子供體）產生電子和質子，電子通過陽極和外電路的傳遞到達陰極，質子則通過質子交換膜（或鹽橋）的內部傳遞到達陰極，兩者在陰極室與電子受體（如氧氣）反應生成最終產物。目前，研究大多集中于對陽極有機物的降解，如相同結構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］等為陽極電子受體，MFC在產電的同時使得這些廢水中的有機物得以降解。但是，對于陰極的電子受體，除了常見的氧氣［6］外，水體污染物硝酸鹽也已被證實可用于MFC產電并被降解［7］?？梢?，嘗試利用不同性質的有機物作為陰極的電子受體，可使得MFC的應用范圍進一步擴大。無氧環(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，由此研究人員開展了生物陰極的研究。20世紀60年代，反硝化細菌把硝酸鹽還原為氮氣的發(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才被證實。文獻［9］發(fā)現(xiàn)MFC陰極中的微生物參與了一些生物反應，如氨氧化和反硝化作用，這表明了陰極有氮循環(huán)過程。文獻［10］發(fā)現(xiàn)硝酸鹽在陰極被還原為氮氣過程中，硝酸鹽及其中間產物亞硝酸鹽都可以接受電極提供的電子得到還原，但其還原過程必須有微生物的參與，且有微生物存在時顯著增強反硝化作用。文獻［11］成功實驗了生物陰極反硝化反應，陽極中氧化電子供體產生電子，電子通過外電路到達陰極，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建的MFC實現(xiàn)了能源的回收。文獻［12］構建的雙室生物陰極MFC在開路和閉合情況下均能降解硝酸鹽，且MFC促進硝酸鹽反硝化過程的進行。以上研究結果均表明硝酸鹽在MFC的陰極得到電子被還原。

但是對于陰極上微生物群落的不同對整個MFC運行過程的影響研究還不多見，本文將2種不同類型的微生物接種于陰極，研究它們對整個反應過程中產電、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程與原理，對揭示通過生物陰極降解硝酸鹽的電子傳遞機理有一定的理論意義。

1 材料和方法

1.1 實驗裝置及材料

微生物燃料電池反應器的示意圖如圖1所示。它的結構是整體式雙室，陰陽兩室均為長方體的有機玻璃容器，長、高、寬分別為15、15、13cm，在陰極室和陽極室的上下端均設有進、出樣口；多孔篩板式鹽橋連接雙室，類似一面墻，100個平行的孔道在墻的橫截面上均勻分布，孔徑均為3mm，長度10mm，注入鹽橋的溶液實際體積為190mL；陰、陽極電極材料均為碳布，有效面積為64cm2；陽極與陰極之間采用銅導線連接，外接電阻100Ω，構成回路，并在電阻兩端接上電壓表，在線連續(xù)監(jiān)測輸出電壓。

圖1 微生物燃料電池反應器的示意圖

1.2 MFC的微生物接種與運行

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的陽極燃料，并添加磷酸鹽緩沖溶液（K2HPO4的質量濃度6.571g／L，KH2PO4的質量濃度2.883g／L）、無機鹽（KCl的質量濃度0.13g／L，NH4Cl的質量濃度0.31g／L）、微量元素（質量濃度12.5g／L）和維生素（質量濃度5g／L）；MFC啟動時陰極采用鐵氰化鉀作為電子受體，來馴化陽極，經過幾個周期的穩(wěn)定運行后，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，添加相同質量濃度的磷酸鹽緩沖溶液、無機鹽、微量元素和維生素，并分別添加2種菌種，待MFC產電及對硝酸鹽的去除效率穩(wěn)定后，即開始記錄相關數據；陰極室接種使用的菌群分別來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、厭氧污泥和直接購買的反硝化菌（bacillus，Seattle Science and Technology，USA），并根據陰極室菌群不同標記微生物燃料電池為A－MFC和B－MFC。

1.3 分析與測試方法

MFC的輸出電壓通過數據采集卡（研華PCI1713型，精度大于10mV）連續(xù)采集，最終記錄的電壓信號輸出至計算機，由專用軟件記錄分析，記錄頻率為400s／min，如無特別提到，MFC運行時外電阻均為1000Ω。

2 結果分析

2.1 MFC的產電性能

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)運行4個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，電池最高輸出電壓達到了280mV，第1個產電周期結束，更換陽極溶液，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，保持外接電阻為100Ω，輸出最高電壓一般維持在100mV左右，每個周期運行時間平均約為300h，且都存在單一峰值；B－MFC初始外接電阻100Ω，第1個產電周期電壓只能達到80mV左右，更換陽極室溶液后，電壓上升達到109.9mV，隨后的2個周期內輸出電壓一般維持在100mV左右，每個周期運行時間平均約為200h，且都存在單一峰值，其中第1周期時間運行最長，接近400h，隨著時間推移，接下來的周期運行時間越來越短，第4周期僅維持在100h。

2.2 硝酸鹽的降解

為了檢測MFC對陰極體系中硝酸鹽的降解和形態(tài)轉換效果，實驗對水樣中的三氮即的質量濃度分別進行了測定。MFC中陰極室中硝酸鹽的起始質量濃度為100mg／L，經過一定時間的運行處理，出口處三氮的質量濃度變化如圖3所示。

圖3 陰極室中和質量濃度變化曲線

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經過1128h運行，陰極出口處的質量濃度從起始的97.74mg／L下降到10.2mg／L，平均反硝化速率為1.86mg／（L·d），而 B－MFC陰極出口處的經過960h質量濃度從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累積量值達到最大，即0.49mg／L，200h后基本檢測不到，而B－MFC陰極室一直處于波動狀態(tài)，在528h時達到最大累積量為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中的質量濃度呈波動上升趨勢，在864h時累積量達到最大，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菌接種的碳布表面形態(tài)及菌落生長情況，分別對運行前后的碳布取樣，經過適當預處理后進行SEM觀察，結果如圖4所示。由圖4可看出，未運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個周期運行結束后，纖維絲表面覆蓋了一層多孔狀結構，細菌多附著在孔狀結構上；B－MFC反硝化細菌接種的陰極碳布，纖維絲表面形成了一種片層狀結構。

圖4 陰極碳布表面的SEM圖

2.4 陰極電極的電化學氧化還原性能

研究電極和溶液里的電化學行為，是從微觀的角度描述MFC系統(tǒng)中細菌和電極等在MFC運行過程中作用機理的一種方法。以磷酸鹽緩沖溶液作為三電極體系中電化學反應的溶液介質，分別對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行為。初始未掛膜的碳布和實驗結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，陰極碳布的電化學活性隨著反應的時間有很大的變化，對于初始未掛膜的碳布，在電壓掃描過程中得到的電流非常低，幾乎為0，也沒有發(fā)現(xiàn)還原峰；而運行結束后的陰極碳布，已經實現(xiàn)了生物掛膜，它的循環(huán)伏安曲線中出現(xiàn)了一個很明顯的還原峰，其位置在－0.282V，對應的電流為－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，測試了不同時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程中電流均非常低，幾乎為0，也沒有發(fā)現(xiàn)氧化還原峰；而運行了72h后的陰極溶液循環(huán)伏安曲線上，有一對明顯的氧化還原電對，其氧化峰位置在－0.14V處，還原峰位置在0.167V處，對應的氧化還原響應電流區(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，進行厭氧反硝化反應，2種MFC均運行了4個周期，其產電趨勢趨于一致，雖然產電時間長短略有不同，但是對陰極碳布上采用活性污泥接種運行的A－MFC，陰極微生物是多樣的，而對比陰極采用單一反硝化菌接種運行的BMFC，在相同的外界電阻為100Ω時可以發(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MFC的輸出電壓無明顯的抑制影響，這說明陰極微生物菌群的多樣性與MFC的輸出電壓沒有直接的關系。

從陰極體系中硝酸鹽的降解和形態(tài)轉換效果來看，硝酸鹽在接種2種不同的微生物陰極上均發(fā)生了降解和轉換。經過4個周期的運行，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菌對硝酸鹽的降解具有較強的針對性；同時A－MFC陰極室在72h累積量值達到最大，200h后基本檢測不到亞硝酸鹽，B－MFC陰極室一直處于波動狀態(tài)，在528h時達到最大累積量為6.41mg／L，兩者的不同主要是由于實驗過程中B－MFC陰極室添加了1g／L的NaHCO3，NaHCO3既可以維持反硝化細菌的生長需要，同時又可以進行傳統(tǒng)的反硝化作用，導致累積量較多呈波動狀態(tài)，但其陰極室中總體上并無累積增加的趨勢，主要是由于硝酸鹽和亞硝酸鹽能夠交替作為陰極細菌的電子受體［13］；實驗還發(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中量呈波動上升趨勢，在864h時累積量達到最大為5.39mg／L，陰極室中累積量的增加并非由于陽極室中經鹽橋泄露而來，這可能是由于陰極室中無有機碳源，微生物進行內源反硝化產生了NH3，NH3溶于水，導致溶液中不斷累積增加。

本文采用SEM觀察A－MFC和B－MFC中2種細菌接種的碳布表面形態(tài)，發(fā)現(xiàn)A－MFC中碳布被孔狀結構物覆蓋了全部的碳布纖維絲，而BMFC形成的片層狀結構較稀疏，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行的時間較長，而反硝化細菌馴化的陰極碳布運行時間較短。

經過MFC運行4周期后的陰極電極碳布，循環(huán)伏安曲線圖掃描過程中出現(xiàn)了1個很明顯的還原峰，其位置在－0.282V處，對應的電流為－6.644×10－5A，這說明附著在陰極生物膜上富集的細菌進行的是一種催化還原反應，該過程與MFC陰極發(fā)生的硝酸鹽被還原的反應一致；對比陰極溶液經過MFC運行前后的CV曲線可知，陰極溶液在MFC中運行72h后，在循環(huán)伏安曲線上有1對明顯的氧化還原電對，這說明陰極溶液中也確實存在氧化還原介體，主要是負責在微生物和電極之間進行電子的傳遞，并且陰極和陽極存在的氧化還原電對是不同的，另外，該MFC體系中并無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，說明形成該氧化還原電對的氧化還原介體是由微生物新陳代謝分泌到細胞外的某種物質組成的，證實本實驗的MFC體系中確實存在電子穿梭傳遞機制。

4 結 論

陰極接種活性污泥和反硝化細菌的MFC產電性能均良好，在產電的同時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的輸出電壓沒有直接的關系；同時，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，這說明接種的純反硝化細菌對硝酸鹽的降解具有較強的針對性。

對經過運行一段時間后的陰極碳布，通過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中碳布被孔狀結構物覆蓋了碳布纖維絲，而B－MFC被形成的片層狀結構物所覆蓋，這說明在陰極起作用的微生物類型不同。

采用循環(huán)伏安曲線法來測定陰極碳布和陰極溶液，結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；運行72h的陰極溶液和陽極溶液均發(fā)現(xiàn)了氧化還原電對，說明本實驗的MFC體系中確實存在電子穿梭體的傳遞機制，推斷電子傳遞的主要任務是由電極上的電活性微生物完成的。

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