反硝化菌生物陰極微生物燃料電池對模擬焦化廢水的處理

胡 正,林山杉,李天宇,高 遠

(東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,吉林長春 130117)

焦化廢水主要來自焦爐煤氣初冷和焦化生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)用水及蒸汽冷凝廢水，其成分復(fù)雜,含有大量酚類、聯(lián)苯、吡啶、吲哚和喹啉等有機污染物，還含有氰、氨氮等有毒有害物質(zhì)，污染物色度高，屬較難生化降解的高濃度有機工業(yè)廢水[1-2].

近年來，國內(nèi)外研究了很多有效的焦化廢水處理技術(shù)，李東偉等[3]采用UV-Fenton試劑對焦化廢水進行氧化處理，結(jié)果表明，經(jīng)過UV-Fenton 氧化處理后的焦化廢水的COD去除率可達到86%以上，揮發(fā)酚基本被完全去除.Sun等[4]以炭納米管和聚四氟乙烯為涂層的改性電極處理焦化廢水生化出水，COD去除率達到51%，有機物數(shù)量減少.但目前各處理技術(shù)單獨使用均具有一定的局限性，無法兼顧處理效果良好、投資運行費用低、無二次污染的要求.

隨著微生物燃料電池(MFC)技術(shù)在處理有機廢水方面的廣泛研究[5-6]，MFC技術(shù)開始利用到焦化廢水的處理中.張翠萍等[7]構(gòu)建了以毛刷作為電極、鐵氰化鉀作為陰極電子受體的雙極室MFC處理含喹啉和吡啶的廢水;駱海萍等[8]構(gòu)建了碳紙陽極和單面鍍鉑陰極的雙室MFC處理苯酚廢水；范小豐等[9]利用焦化廢水作為基質(zhì)對MFC進行產(chǎn)電的研究；另外，陳少華[10]、汪家權(quán)等[11]利用MFC處理苯酚廢水，均取得良好的去除效果.

本研究通過篩選出具有良好厭氧反硝化性能的菌群作為生物陰極構(gòu)建MFC處理模擬焦化廢水，利用微生物產(chǎn)生的電能將其中的有機物遷移到陰極而被去除，并測定出水中有機物濃度的變化，結(jié)合COD的降解，探究MFC對模擬焦化廢水的處理效果.

1 實驗部分

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 菌種來源 某焦化廠A2/O工藝的缺氧池活性污泥.

1.1.3 儀器與試劑 所用的化學(xué)試劑均為分析純.TU-1091雙光束紫外可見光度計；BN2823電子天平；TDL-40B臺式飛鴿牌系列離心機；YM30智能型不銹鋼立式壓力蒸汽滅菌器.反硝化細菌擴大培養(yǎng)培養(yǎng)基：白糖13.2 g·L-1，KNO32 g·L-1；K2HPO40.5 g·L-1；MgSO4·7H2O 0.2 g·L-1；FeSO4·7H2O 0.05 g·L-1；CaCl20.028 g·L-1；調(diào)節(jié)pH 至7.5～8.0,115 ℃滅菌30 min.

1.2 反硝化菌的篩選

1.2.1 菌源活性污泥分離純化 加100 mL反硝化細菌富集培養(yǎng)基于250 mL的錐形瓶中，接種適量活性污泥.在30 ℃，160 r·min-1的搖床上培養(yǎng)24 h.重復(fù)富集后，經(jīng)顯微觀察發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基中微生物數(shù)量較多，活性良好，污泥馴化培養(yǎng)已經(jīng)成熟，進行10倍濃度梯度稀釋至10-10.稀釋液均取0.1 mL分別涂布至平板上于30 ℃下培養(yǎng).通過平板劃線技術(shù)獲得純化的單菌落，進行革蘭氏染色，并在顯微鏡下觀察細菌形態(tài).

1.2.2 反硝化能力驗證 為了驗證菌株的反硝化能力，無菌環(huán)境下，挑取2～3環(huán)已分離并保存在斜面上的菌株，分別接種到裝有150 mL反硝化細菌擴大培養(yǎng)基中，在30 ℃，轉(zhuǎn)速160 r·min-1搖床中分別培養(yǎng)24 和48 h，通過分光光度法分別測定空白培養(yǎng)基和離心后上清液硝酸鹽氮的含量，計算得出各菌株硝酸鹽氮去除率，篩選出具有高效反硝化能力的單株優(yōu)勢菌.

1.2.3 單株優(yōu)勢菌與組合優(yōu)勢菌反硝化能力對比試驗 在250 mL錐形瓶中分別加入20 mL經(jīng)反硝化能力驗證得到的單株優(yōu)勢菌液，用10%焦化廢水的反硝化細菌擴大培養(yǎng)基定容到100 mL.在30 ℃，轉(zhuǎn)速為160 r·min-1搖床中培養(yǎng)24和48 h，分別測定其離心后上清液硝酸鹽氮去除率和OD600的含量(以空白培養(yǎng)基作為對照).同時將上述單株優(yōu)勢分別進行三株、四株和五株等體積混合(混合后總體積為20 mL)進行對比試驗，選出去除效果最好的組合作為實驗用菌.

1.3 MFC系統(tǒng)裝置及搭建

陰極由兩個直徑為2 cm、高為13 cm的PVC管，外面包裹經(jīng)石墨烯修飾過的碳布(9 cm×8 cm)組成，由銅線連接引出電極，將PVC管放置反硝化菌群中吸附飽和后[13]，放入30 ℃ 恒溫培養(yǎng)箱中密封靜置培養(yǎng)3 d，待系統(tǒng)搭建時取出.陽極由一塊17.5 cm×12 cm的不銹鋼網(wǎng)(開孔率為60%～70%)制成直徑為5.5 cm，高為12 cm圓柱形不銹鋼網(wǎng)組成，電極由銅線導(dǎo)出，陽極區(qū)填充一定量的活性炭顆粒.

實驗系統(tǒng)由正方體的有機玻璃槽(14.7 cm×14.7 cm×15.5 cm)構(gòu)成，有效容積為3.4 L(圖1).搭建系統(tǒng)前，先將吸附飽和后的陰極PVC管插入到陽極銅網(wǎng)內(nèi)，并用塑料膜上下固定，將準備好的MFC插入電池區(qū)，串聯(lián)2個MFC，然后加入系統(tǒng)容積10%的新鮮污泥(約300 mL)，再加入定量配置的模擬焦化廢水，密封處理后厭氧培養(yǎng).將MFC與外接電阻連接，電壓測量儀與電腦相連測量電阻兩端的路端電壓，并定時取樣，測定系統(tǒng)水樣COD及水樣中有機物濃度.通過紫外分光光度法同時測定苯酚、吡啶、喹啉和吲哚四組分有機物濃度，當濃度設(shè)置在0～50 mg·L-1時，相對誤差較小，測定更準確.因此模擬廢水設(shè)置苯酚、吡啶、喹啉、吲哚等濃度分別為25.0,6.0,9.0和9.0 mg·L-1.

1.4 性能分析

利用電壓表(UT61E)連接電腦在線測定MFC的路端電壓，每隔30 min自動采集和保存；COD采用重鉻酸鉀法測定；電流密度和功率密度計算如下:

其中，I為電流密度(mA·m-2);P為功率密度(mW·m-2);U為MFC電壓(mV);R為外部電阻(Ω);A為陽極的有效面積(m2).

有機物苯酚、吡啶、喹啉和吲哚濃度通過雙光束紫外可見光度計建立吸光度-濃度方程測得，由于吸光度具有加和性，即混合物的總吸光度等于混合物中各組分的吸光度之和，通過一系列有機物標曲制定，建立吸光度-濃度方程，采用解聯(lián)立方程法求得混合物中各組分的含量[13].混合物中有四組分苯酚、吡啶、喹啉和吲哚，則有

Aλ=εijC1b+εijC2b+εijC3b+εijC4b,(3)

Aλ(i=1…，4)為在波長256，270，288.5和313 nm處測得混合物的總吸光度之和，C1，C2，C3，C4為混合物中各組分的濃度；εij為各組分(j=1…,4)在對應(yīng)波長λi處吸光系數(shù)(L·mg·cm-1)或稱毫克分子吸收率，可由各純組分標準溶液的吸光度測量求得，b=1 cm(石英比色皿光程).實驗得出吸光度-濃度方程如下

2 結(jié)果與討論

2.1 反硝化菌的篩選

2.1.1 反硝化菌的分離純化結(jié)果 如表1所示，反硝化菌培養(yǎng)2 d后，添加了焦化廢水的培養(yǎng)基和基礎(chǔ)培養(yǎng)基中均生長出菌落，其中沒有加焦化廢水的培養(yǎng)基上生長的菌株比添加焦化廢水的培養(yǎng)基單一，整個培養(yǎng)基上占優(yōu)勢的主要是直徑約3～5 mm邊緣整齊的圓形菌落.添加了焦化廢水的培養(yǎng)基上，菌落的形態(tài)比較豐富，出現(xiàn)了2株基礎(chǔ)培養(yǎng)基中沒有的菌株形態(tài)，并且菌落的分布較均勻.最終通過平板劃線技術(shù)從焦化廢水的培養(yǎng)基中分離出12株純的單菌落，記為F1～F12.

表1 菌落的形態(tài)

2.1.2 反硝化能力驗證結(jié)果 表2為單菌株對硝酸鹽氮降解情況，可以看出，F(xiàn)1，F(xiàn)5，F(xiàn)6，F(xiàn)7，F(xiàn)12對硝酸鹽氮去除較好，48 h可達80%以上，而其他菌株硝酸鹽氮去除較低，排除優(yōu)勢菌株的可能.因此確定F1，F(xiàn)5，F(xiàn)6，F(xiàn)7，F(xiàn)12為優(yōu)勢菌.

2.1.3 單株優(yōu)勢菌與組合優(yōu)勢菌反硝化能力對比試驗結(jié)果 由于焦化廢水成分復(fù)雜，有毒有害難降解的物質(zhì)含量高，工藝上一般選用混合的菌組來進行生物降解，以彌補單株菌株抗逆性差的缺點,結(jié)果見表3和表4所示.表4中組合反硝化菌群24和48 h對硝酸鹽氮去除效率明顯優(yōu)于表3中各株單株優(yōu)勢菌，且OD600均呈上升趨勢，表明菌株生長穩(wěn)定，其中混菌中5株混合菌F1+F5+F6+F7+F12對硝酸鹽氮去除效果最佳，48 h對硝酸鹽氮去除率可達99%，因此選用F1+F5+F6+F7+F12組合菌為實驗用菌.

表3 優(yōu)勢菌硝酸鹽氮去除率和OD600

表4 優(yōu)勢菌組硝酸鹽氮去除率和OD600

2.2 MFC產(chǎn)電性能

MFC在啟動運行期的電壓曲線見圖2所示，可以看出，反硝化菌生物陰極MFC產(chǎn)電正常，系統(tǒng)電壓總體呈現(xiàn)先升后降的趨勢，反應(yīng)初期電壓先經(jīng)歷一個滯后期，隨后快速上升，體現(xiàn)了微生物在陰極生長的過程，吸附在陰極上的反硝化菌適應(yīng)環(huán)境后，快速大量繁殖，電壓開始增長，44 h后達到最高點，最大電壓可達495 mV，期間電壓略有微小波動，可能為電極晃動所致，電壓保持相對高的時間有72 h，產(chǎn)電穩(wěn)定，整體MFC的電壓處在一個較高的水平，產(chǎn)電效果良好.反應(yīng)后期隨著系統(tǒng)內(nèi)有機物消耗，產(chǎn)電性能下降，電壓逐漸降低.

2.3 MFC功率密度及極化曲線

微生物燃料電池的電壓、電極極化行為、功率輸出都與電路中的電流密切相關(guān)，通過改變微生物燃料電池的外接電阻來改變電流，以研究微生物燃料電池電壓對電流變化的響應(yīng)，得到微生物燃料電池的最大功率.在電壓穩(wěn)定后,改變外電阻(10～1 000 Ω得到微生物燃料電池的功率密度曲線和極化曲線，如圖3所示，當電阻由10增加到200 Ω時，功率密度由4.87增至29.23 mW·m-2;當負載電阻為200 Ω時，功率密度達到最大值;當負載電阻由200增加到1 000 Ω時，MFC的功率密度由29.23下降到14.08 mW·m-2，相較于丁擎等[14]在利用單室微生物燃料電池處理黑水產(chǎn)電的實驗研究中得到的120 mW·m-2g功率較小.由極化曲線線性區(qū)域估算系統(tǒng)的內(nèi)阻，本MFC內(nèi)阻為198 Ω,與其他研究相比該試驗的內(nèi)阻較小[15-16]，說明反硝化菌生物陰極MFC的電極結(jié)構(gòu)在電子傳遞的過程中阻力較小.

圖2 電壓隨時間變化情況

2.4 COD和有機物去除

COD是評價廢水的一項重要指標，它的去除率可以反映廢水處理效果的好壞.COD通過重鉻酸鉀法測得，測得系統(tǒng)運行期間COD和苯酚等濃度變化，結(jié)果如圖4和圖5.

圖3 MFC極化曲線和功率密度圖

圖4 COD隨時間變化情況

圖5 有機物濃度變化情況

圖4為運行10 d內(nèi)COD變化情況，可知，COD變化呈先升后降的趨勢(原水COD為131.5 mg·L-1)，前期COD上升可能是由于系統(tǒng)運行初期，污泥和水混合不穩(wěn)定未被反硝化菌利用所致，結(jié)合MFC原理,前期COD濃度上升反映了微生物對底物的適應(yīng)過程，初期微生物的代謝作用較緩,代謝速率低于陽極底物自身發(fā)酵作用，所以陽極底物COD會升高，而隨著微生物充分適應(yīng)底物，電壓逐漸穩(wěn)定后,微生物代謝作用開始強于陽極底物發(fā)酵作用，陽極區(qū)底物被消耗，COD開始降低，最終出水COD穩(wěn)定在40.0 mg·L-1左右(去除率70%)，由此得知穩(wěn)定運行后，系統(tǒng)在穩(wěn)定產(chǎn)電的同時可以有效去除有機物，陽極區(qū)活性污泥提供的碳源可以很好地降解為小分子有機物，被吸附固載在活性炭纖維上的反硝化菌所利用.

圖5為模擬廢水中代表性有機物苯酚、吡啶、吲哚與喹啉濃度隨時間的變化情況.由圖5可知，苯酚、吡啶、吲哚與喹啉4種有機物濃度在反應(yīng)周期內(nèi)均隨著時間的變化呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，前2 d苯酚等濃度變化趨勢較緩慢，這是由于運行初期微生物對環(huán)境的適應(yīng)過程，此時生物代謝較緩慢，對有機物降解速率慢，因此濃度變化較小;經(jīng)過2 d的適應(yīng)期后，微生物開始大量繁殖，代謝加快，穩(wěn)定產(chǎn)電的同時對苯酚等有機物降解速率開始明顯加快，運行末期，測得模擬廢水中苯酚去除率可達61%，吡啶，吲哚，喹啉等有機物也均達到30%左右，去除效果良好，表明該系統(tǒng)在穩(wěn)定產(chǎn)電同時可有效去除模擬焦化廢水中苯酚等代表性有機物，為實際焦化廢水的去除提供一定參考.文中主要針對焦化廢水中代表性有機物苯酚等在MFC運行期間的去除做了研究，而對于焦化廢水中氨、氰、硫氰根等無機污染物存在下MFC運行效果及微生物生長狀況并未進行深入研究，后續(xù)研究可以在此基礎(chǔ)上加強，為實際廢水的去除提供更好的方法.

3 結(jié)束語

通過從焦化廠缺氧池活性污泥中篩選出具有良好反硝化性能的菌群，對焦化廢水中代表性有機物去除具有良好的促進效果，將其作為生物陰極吸附在活性炭纖維柱上，以厭氧活性污泥為陽極區(qū)底物，不銹鋼網(wǎng)和活性炭顆粒為陽極，構(gòu)建反硝化菌生物陰極MFC處理模擬焦化廢水.實驗結(jié)果初步表明，與單株優(yōu)勢菌相比，優(yōu)勢混合菌群具有更強的反硝化能力，48 h硝酸鹽去除率均可達99%.運行期間，MFC系統(tǒng)產(chǎn)電性能較好，輸出電壓較穩(wěn)定，最高達495 mV，表觀內(nèi)阻較低(198 Ω)，功率密度最高達29.23 mW·m-2.反硝化菌生物陰極MFC對焦化廢水代表性有機物、COD具有良好的去除效果，其中COD去除率達70%；苯酚、吡啶、喹啉與吲哚等有機物均有所去除，苯酚的去除率達到61%，吡啶，喹啉與吲哚等去除率也達到30%，表明生物陰極MFC具有良好的處理效果，在穩(wěn)定產(chǎn)電的同時可以有效除焦化廢水中苯酚等代表性有機物，為焦化廢水的處理提供很好的方法.