微生物燃料電池性能優(yōu)化及微生物分析

王亞君，孫亞紅，廉 靜，田秀蕾，梁曉紅，郭建博,4

(1.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北省污染防治生物技術(shù)實驗室，河北石家莊 050018；3.石家莊市橋西污水處理廠，河北石家莊 050091; 4.天津城建大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，天津 300384)

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微生物燃料電池性能優(yōu)化及微生物分析

王亞君1,2，孫亞紅3，廉 靜1,2，田秀蕾1,2，梁曉紅1,2，郭建博1,2,4

(1.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北省污染防治生物技術(shù)實驗室，河北石家莊 050018；3.石家莊市橋西污水處理廠，河北石家莊 050091; 4.天津城建大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，天津 300384)

為了進(jìn)一步提高微生物燃料電池的運行性能，提高硝酸鹽降解率及改善電能輸出情況，以城鎮(zhèn)污水處理廠二沉池污泥為接種源，硝酸鈉為電子受體運行典型單室空氣陰極微生物燃料電池(MFC)。以1 g/L無水乙酸鈉、50 mmol/L磷酸鹽緩沖液為模擬廢水成功啟動MFC，運行穩(wěn)定后，通過碳源、碳氮比(C/N)、硝酸鹽濃度、溫度4個因素來優(yōu)化MFC運行性能。實驗結(jié)果表明：在溫度為30 ℃、無水乙酸鈉為碳源、C/N=5∶1、硝酸鹽質(zhì)量濃度為200 mg/L時MFC運行性能最佳，硝酸鹽去除率均可達(dá)到90%以上，最大電壓可達(dá)到0.462 V。最佳狀態(tài)下經(jīng)6個周期運行，MFC最高電壓為0.62 V，功率密度高達(dá)4.53 W/m2；交流阻抗分析最佳運行狀態(tài)下MFC內(nèi)阻為130 Ω，掃描電鏡觀察到電極表面微生物種類及數(shù)量均明顯增多。研究證明MFC可以作為含硝酸鹽廢水產(chǎn)能凈化的有效技術(shù)。

水污染防治工程；微生物燃料電池；參數(shù)優(yōu)化；脫氮；電能輸出

目前中國硝酸鹽廢水的排放已嚴(yán)重超出了水體的環(huán)境容量，大量硝酸鹽廢水滲入土地、流入河流中，污染土壤及水體[1-2]；水中過量的硝酸鹽會嚴(yán)重危害人體健康，進(jìn)入人體后硝酸鹽會被還原成亞硝酸鹽，同時將血液中的Fe2+氧化為Fe3+，減少血液中的氧含量，由此引發(fā)各種疾病，長期飲用可能有致畸、致癌的風(fēng)險[3-5]。國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對水體中硝酸鹽濃度做了規(guī)定，集中式生活飲用水地表水源地的一級保護(hù)區(qū)的硝酸鹽最高允許質(zhì)量濃度為10 mg/L(以N計)[6]。目前國內(nèi)外對硝酸鹽廢水處理的方法主要有化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物法等。生物法由于運行成本低、處理效率高等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用，但傳統(tǒng)生物反硝化工藝往往存在碳源不足、需要額外添加大量碳源提供電子(還原1 g硝酸鹽氮需提供2.47 g甲醇)的限制，導(dǎo)致反硝化的運行成本提高[7]。因此，尋找一種產(chǎn)能環(huán)保的新型脫氮技術(shù)迫在眉睫。

微生物燃料電池(microbial fuel cell，MFC)是一種可以在厭氧環(huán)境下通過微生物作用降解有機物，將產(chǎn)生的電子經(jīng)過外電路到達(dá)陰極，并將陰極物質(zhì)還原的裝置。近年來對MFC的研究逐漸深入[8]。汪加權(quán)等[9]構(gòu)建雙室MFC，陽極和陰極底物分別為苯酚和硝酸鹽廢水，結(jié)果反硝化速率達(dá)到4.43 mg/(L·d)；楊金萍等[10]構(gòu)建以活性污泥為接種源雙室A-MFC，陰極反硝化速率達(dá)到1.863 mg/(L·d)；冉春秋等[11]構(gòu)建單室無質(zhì)子膜MFC馴化反硝化菌，其硝酸鹽去除率達(dá)96.7%；POUS等[12]利用微生物燃料電池處理被硝酸鹽污染了的地下水，硝酸鹽的質(zhì)量濃度從初始的(28.32±6.15) mg/L下降到(12.14±3.59)mg/L。但目前通過優(yōu)化微生物生長條件來增強MFC中微生物的活性，進(jìn)而提高M(jìn)FC的運行性能的研究還鮮有報道。本研究以硝酸鹽作為目標(biāo)污染物，考察碳源、碳氮比(以C/N表示)、硝酸鹽濃度、溫度4個因素對MFC運行性能的影響，并對MFC運行最佳狀態(tài)時硝酸鹽和COD的降解效果及電能輸出情況進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 反應(yīng)器接種與啟動

單室空氣陰極MFC，總體積為30 mL，每個反應(yīng)器接種1.5 mL污泥(來自石家莊橋東污水處理廠的二沉池)作為反應(yīng)器的接種源。相關(guān)指標(biāo)：總懸浮固體(SS)的質(zhì)量濃度為39.00 g/L，揮發(fā)性固體(VSS)的質(zhì)量濃度為19.20 g/L，ρ(SS)/ρ(VSS)為49.24%。MFC的陰極、陽極均使用碳布電極，其表面積為7 cm2(陰極型號HCP330P、陽極型號HCP330N，上海河森電氣有限公司提供)，陰極使用Pt催化劑進(jìn)行預(yù)處理[13]，外電阻阻值為1 000 Ω，并通過直徑為1 mm的鈦絲與兩電極相連構(gòu)成回路，實驗采用序批式運行，當(dāng)輸出電壓值小于50 mV時更換模擬廢水。啟動期反應(yīng)器模擬廢水組成：無水乙酸鈉(1 g/L)、磷酸鹽緩沖液(PBS，50 mmol/L)、微量元素(12.5 mL/L)、維生素(5 mL/L)，于35 ℃下運行。

1.2 電化學(xué)性能表征

MFC兩端電壓通過數(shù)據(jù)采集模塊(DAM-3039F，北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司提供)進(jìn)行監(jiān)測，每1 min記錄1次數(shù)據(jù)，采集模塊定期使用萬用表進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)MFC開路電壓達(dá)到穩(wěn)定時，使用電化學(xué)工作站(CHI6600，上海辰華儀器有限公司提供)三電極體系測其交流阻抗(EIS)：工作電極接MFC陽極，參比電極和輔助電極接陰極；交流阻抗設(shè)置掃描范圍為0.01～1 000 Hz，交流電壓振幅為10 mV；在MFC運行數(shù)周期輸出電壓穩(wěn)定以后，采用變電阻法同步測定其功率密度曲線和極化曲線，阻值區(qū)間為100～50 000 Ω。

1.3 實驗測定方法

2 結(jié)果與討論

MFC成功啟動后處理100 mg/L的硝酸鹽廢水，10 h硝酸鹽去除率可達(dá)到90%以上，電能輸出如圖1所示，其最高電壓可達(dá)到357 mV，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行MFC運行參數(shù)的優(yōu)化，進(jìn)一步提高M(jìn)FC的硝酸鹽去除率及電能輸出。

2.1 MFC運行性能參數(shù)優(yōu)化

2.1.1 碳源

在溫度為35 ℃，C/N為7∶1，硝酸鹽質(zhì)量濃度為100 mg/L的條件下，實驗設(shè)置COD質(zhì)量濃度為580 mg/L的無水乙酸鈉、葡萄糖、甲醇、庶糖、乙醇等5種有機物來探討不同碳源對MFC運行性能的影響；結(jié)果如圖2所示。MFC在以無水乙酸鈉為碳源時，底物的降解情況最好，4 h硝酸鈉的去除率可達(dá)到99%，葡萄糖、甲醇、乙醇的去除效果次之，4 h底物去除率均可達(dá)到90%以上。但以蔗糖為碳源時底物降解情況最差，10 h硝酸鹽去除率僅達(dá)到92%；由此可見當(dāng)以無水乙酸鈉為有機碳源時，MFC體系微生物對底物的利用率最高，底物降解情況最好。其結(jié)果與孔曉英等[15]的研究結(jié)果基本一致，乙酸鈉作為底物時MFC電能輸出情況最好，可能乙酸鈉是最簡單的碳源，易直接被微生物利用。

圖1 MFC成功啟動后電能輸出情況Fig.1 Electricity output of MFC successfully started

圖2 碳源對MFC降解硝酸鹽的影響Fig.2 Influence of carbon source on MFC degradation of nitrate

圖3 C/N對MFC降解硝酸鹽的影響Fig.3 Influence of C/N on MFC degradation nitrate

2.1.2 碳氮比(C/N)

溫度為35 ℃，無水乙酸鈉為碳源，硝酸鹽質(zhì)量濃度為100 mg/L條件下，實驗設(shè)置初始C/N分別為1∶1，3∶1，5∶1，7∶1來分析相同底物時不同C/N對MFC運行性能的影響，結(jié)果如圖3所示。當(dāng)C/N=5∶1時MFC體系硝酸鹽去除率最高，4 h去除率可達(dá)到92%，當(dāng)C/N=7∶1時，5 h可去除93%的硝酸鹽，C/N=3∶1時，4 h可去除70%的硝酸鹽，且隨著時間的增長硝酸鹽濃度幾乎沒有下降，C/N=1∶1時，3 h可去除25%的硝酸鹽，且隨著時間的增加硝酸鹽的濃度沒有降低；由此可見，當(dāng)C/N=5∶1時MFC體系降解硝酸鹽情況最好，去除效率最高。

2.1.3 硝酸鹽濃度

溫度為35 ℃，無水乙酸鈉為碳源，C/N=5∶1條件下，實驗設(shè)置6個不同硝酸鹽質(zhì)量濃度，分別為100，150，200，250，300，400 mg/L來探討硝酸鹽濃度對MFC運行性能的影響。結(jié)果如圖4所示：當(dāng)初始硝酸鹽質(zhì)量濃度從(100±0.3)mg/L提高至(300±0.80)mg/L時，4 h硝酸鹽去除率均可達(dá)到95%以上，但降解時間隨硝酸鹽濃度的升高而延長，當(dāng)硝酸鹽質(zhì)量濃度不超過200 mg/L時，MFC可以在3 h以內(nèi)去除98%的硝酸鹽；可見一定濃度范圍的硝酸鹽，隨著其濃度的增加去除效率逐漸降低，可能是由于此MFC體系與傳統(tǒng)反硝化體系一樣，高濃度的硝酸鹽易導(dǎo)致反硝化反應(yīng)器中亞硝酸鹽的積累，而高濃度亞硝酸鹽具有較強的毒性，對微生物活性有抑制作用，故后續(xù)選取模擬廢水的硝酸鹽質(zhì)量濃度為200 mg/L。但ZHANG等[16]發(fā)現(xiàn)，以高效反硝化反應(yīng)器中污泥為接種源，在陽極反硝化MFC體系中，底物的硝酸鹽濃度可以影響產(chǎn)電行為，硝酸鹽質(zhì)量濃度為200～4 300 mg/L時體系降解速率均良好，本研究與其反硝化差距大可能是由于所接種的微生物不同造成的。

2.1.4 溫度

周大國說：“這個我還真不知道，我跟他雖然熟，但是辦公區(qū)不同，所以呢平常也很少在一起，毛夫人后來報毛主任失蹤后，院方很重視，也報過警，陪同當(dāng)?shù)嘏沙鏊娜ニ霓k公室查過，也問他的助手及他科室的其他人，都沒有反常情況。他的電腦中還有才寫到一半的論文呢，桌上擺著的參考書也都是攤開著的，他還安排了差不多一周的日程，包括講學(xué)、去電視臺錄節(jié)目等?！?/p>

無水乙酸鈉為碳源，C/N為5∶1，硝酸鹽質(zhì)量濃度為100 mg/L條件下，實驗設(shè)置5個不同溫度(10，20，30，35，40 ℃)，來探討其對MFC運行性能的影響，結(jié)果如圖5所示。當(dāng)溫度在35 ℃時，4 h之后硝酸鹽質(zhì)量濃度降低到10 mg/L以下，其去除率均可達(dá)到98%以上；在30 ℃時MFC降解硝酸鹽速率最快，3.5 h硝酸鹽質(zhì)量濃度降低到5.5 mg/L；但當(dāng)溫度升高到40 ℃時，MFC降解硝酸鹽速率降低，8 h硝酸鹽去除效率達(dá)到95%，降解時間延長，當(dāng)溫度低至10 ℃時MFC降解硝酸鹽速率降低，3.5 h其去除率僅為80%；故MFC體系微生物降解硝酸鹽的最適溫度為30 ℃，溫度過高或過低都會使去除率降低 ，這與趙煜等[17]實驗結(jié)果基本一致：一定溫度范圍內(nèi)，提升運行溫度有助于增強微生物的電化學(xué)活性，降低體系傳荷阻抗，提高輸出功率；但降低溫度會影響MFC體系微生物的活性，使運行性能下降。

圖4 硝酸鹽質(zhì)量濃度對MFC硝酸鹽降解的影響Fig.4 Effects of nitrate concentration on MFC degradation nitrate

圖5 溫度對MFC降解硝酸鹽的影響Fig 5 Effects of temperature on MFC degradation nitrate

2.2 MFC最佳狀態(tài)下運行性能和微生物相分析

2.2.1 MFC出水指標(biāo)分析

MFC運行25天期間，對周期末端出水的硝酸鹽、COD和pH值等指標(biāo)進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖6所示。MFC運行前16天，出水COD去除率保持在90%以上，硝酸鹽去除率始終保持96%以上，且pH值由7.5逐步增大到8左右并穩(wěn)定；隨著運行時間的增長，16～20天時各去除率略有下降，但到23天左右，COD的去除率急速下降，pH值逐漸減小，MFC運行性能降低，交流阻抗譜(EIS)分析結(jié)果如圖7所示。最佳狀態(tài)下的MFC內(nèi)阻為130 Ω，比啟動期的190 Ω降低了32%，但隨著運行時間增長，內(nèi)阻逐漸增大，內(nèi)阻比運行末期的200 Ω低35%，該實驗結(jié)果與常東霞等[18]的研究結(jié)論基本一致。長期運行導(dǎo)致生物膜的電化學(xué)活性降低，電池產(chǎn)電能力大大下降，MFC體系的內(nèi)阻逐漸增大，可能是由于電極表面生物膜老化所致，微生物的活性下降，底物利用率降低。LI等[19]發(fā)現(xiàn)，在pH值為7.5左右時電極生物膜已逐漸形成，因此MFC優(yōu)化后期生物膜基本形成，但到pH值為8以后，隨著反應(yīng)運行陰極OH-轉(zhuǎn)移會被抑制，導(dǎo)致pH值增大，運行性能降低，最終由于微生物對有機物利用率降低，導(dǎo)致H+累積，使pH值降低，MFC運行性能下降。

圖6 MFC運行期間出水情況Fig.6 Water situation of operation period

圖7 交流阻抗譜(EIS)分析Fig.7 Analysis of EIS

2.2.2 MFC電能輸出情況

由圖8可見，優(yōu)化前后MFC周期運行情況有明顯變化，1 000 min(約16.7 h)之前2個產(chǎn)電周期為MFC成功啟動后但未經(jīng)優(yōu)化前的電能輸出情況，其最高電壓可達(dá)到0.38 V左右，但最大電壓持續(xù)時間較短，1 000～1 750 min(約16.7～29.2 h)為開始優(yōu)化以后MFC體系產(chǎn)電周期，其最大電壓可達(dá)到0.462 V，最大功率密度達(dá)到4.53 W/m2。由圖9可知，在最佳條件下經(jīng)過6個周期的運行，MFC體系最大電壓可達(dá)到0.627 V，且持續(xù)時間增長。表明該體系在底物利用率提高的同時電能輸出的性能也得到明顯提升。

圖8 優(yōu)化前后MFC電能輸出情況Fig.8 Electricity output before and after MFC optimization

圖9 優(yōu)化后運行最佳MFC電壓Fig.9 MFC voltage of optimized operation

2.2.3 MFC陽極微生物相分析

對優(yōu)化后運行6個周期最佳狀態(tài)下的MFC陰、陽極微生物進(jìn)行微生物掃描電鏡觀察，結(jié)果如圖10、圖11所示。由圖可發(fā)現(xiàn)此時微生物種類較剛啟動時豐富，且有大量螺旋桿菌、桿狀菌、球形菌等吸附到電極表面，微生物的吸附增多形成生物膜也導(dǎo)致MFC運行性能提高，由于對MFC體系運行參數(shù)的優(yōu)化，體系中微生物的活性得到明顯提升，王愛杰等[20]報道，目前純種產(chǎn)電微生物已有50余種，包括硫還原地桿菌(Geobactersulfurreducens)、奧奈達(dá)希瓦氏菌(Shewanellaoneidensis)、銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)等[21-22]，這些產(chǎn)電菌大多數(shù)為兼性厭氧菌，以有機物等作為電子供體，適宜在MFC體系中生長，分析降解硝酸鹽的微生物可能大多也屬于產(chǎn)電菌，因此降解硝酸鹽的微生物活性增強導(dǎo)致了產(chǎn)電菌活性增強，同時MFC運行性能得到提升。

圖10 運行最佳狀態(tài)下陽極掃描電鏡Fig.10 SEM of anode on operation optimally

圖11 運行最佳狀態(tài)下陰極掃描電鏡Fig.11 SEM of cathode on operation optimally

3 結(jié) 論

本實驗通過對成功啟動的MFC運行過程中碳源、C/N、硝酸鹽濃度、溫度4個因素影響反應(yīng)體系硝酸鹽的去除率及電能輸出情況的研究，得出如下實驗結(jié)果：當(dāng)溫度為30 ℃，無水乙酸鈉為有機碳源，C/N=5∶1，硝酸鹽質(zhì)量濃度為200 mg/L時，MFC體系中硝酸鹽的去除率最高，均可達(dá)到90%以上；MFC運行周期有穩(wěn)定的電壓輸出，且增加至0.627 V，同時最大電壓持續(xù)時間增長，經(jīng)過計算其最大功率密度為4.53 W/m2，最佳狀態(tài)下內(nèi)阻變小，比運行末期降低35%；隨著MFC條件的優(yōu)化，運行末期出水COD和硝酸鹽的去除效率降低，pH值變小；微生物掃描電鏡發(fā)現(xiàn)電極表面微生物的種類及數(shù)量大量增多，MFC體系的條件優(yōu)化可提高硝酸鹽降解微生物的活性，同時增強產(chǎn)電菌的活性，導(dǎo)致MFC體系的性能提高。

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Performance optimization and microbiological analysis of microbial fuel cell

WANG Yajun1,2, SUN Yahong3, LIAN Jing1,2, TIAN Xiulei1,2, LIANG Xiaohong1,2, GUO Jianbo1,2，4

(1.School of Environmental Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China; 2.Pollution Prevention Biotechnology Laboratory of Hebei Province, Shijiazhuang, Hebei 050018,China; 3.Shijiazhuang Qiaoxi Wastewater Treatment Plant, Shijiazhuang, Hebei 050091, China; 4.School of Environmental and Municipal Engineering, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China)

In order to improve the operation performance of microbial fuel cells, improved the degradation rate of nitrate and the power output of microbial fuel cell, a typical single chamber air-cathode microbial fuel cell (AC-MFC) is inoculated and operated with urban sewage treatment plant clarifier sludge as inoculum source and sodium nitrate as electron acceptor. It is successfully started by synthetic wastewater containing a phosphate buffered nutrient solution (PBS, 50 mmol/L) and sodium acetate (1 g/L). After successful starting, the four factors of carbon source, C/N, nitrate concentration and temperature are considered to optimize the operation performance of MFC. The test result shows that the operation performance of MFC is best under the conditions of anhydrous sodium acetate as carbon source, C/N of 5∶1, 200 mg/L nitrate concentration and at 30 ℃, and the degradation rate of nitrate reaches more than 90% and the voltage of MFC is 0.462 V. After 6 cycles of operation, the voltage and power density of MFC reaches 0.62 V and 4.53 W /m2. AC impedance analysis indicates that the MFC resistance is 130 Ω. Scanning electron microscopy of electrode surface illustrates that the number of microbial species are significantly increased. The results indicate that MFC can be an effective technology for nitrate contained wastewater treatment and energy production.

water pollution prevention engineering; microbial fuel cell; parameter optimization; denitrification; electricity product

1008-1542(2016)03-0309-06

10.7535/hbkd.2016yx03015

2015-08-21；

2015-11-09；責(zé)任編輯：王海云

國家自然科學(xué)基金 (51208170)；河北省杰出青年科學(xué)基金(E2012208012)；河北省高校百名優(yōu)秀創(chuàng)新人才支持計劃(BR2-211)；河北省高等學(xué)校高層次人才科學(xué)研究項目(GCC2014045)

王亞君(1991—)，女，遼寧鐵嶺人，碩士研究生，主要從事水污染控制方面的研究。

郭建博教授。E-mail:jianbguo@163.com

X522

A

王亞君，孫亞紅，廉 靜，等.微生物燃料電池性能優(yōu)化及微生物分析[J].河北科技大學(xué)學(xué)報,2016,37(3):309-314.

WANG Yajun, SUN Yahong, LIAN Jing, et al.Performance optimization and microbiological analysis of microbial fuel cell[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2016,37(3):309-314.