厭氧和好氧生物陰極MFC去除活性污泥中鉻的研究

殷建惠+劉貫一

摘 要：通過構(gòu)建雙室生物陰極微生物燃料電池，研究了在陰極室好氧及厭氧環(huán)境下，反應(yīng)器對活性污泥中六價鉻的去除效果以及過程中的產(chǎn)電情況。結(jié)果表明，在陰極室厭氧條件下幾乎沒有電壓產(chǎn)生，對污泥中六價鉻的去除效果較差。而在陰極室好氧情況下，反應(yīng)器對活性污泥中的六價鉻具有較好的去除效果，陰極室中溶解氧的大量存在對MFC去除活性污泥中六價鉻是有很大的促進作用的。

關(guān)鍵詞：微生物燃料電池；生物陰極；好氧陰極；厭氧陰極；六價鉻； Cr6

環(huán)境中的鉻主要以鉻（Ⅲ）和鉻（Ⅵ）的形式存在，鉻的存在直接威脅著人體健康，過量的鉻會使人中毒甚至致癌[1]，并且六價鉻的化合物具有極強的氧化性，會直接對人體的呼吸系統(tǒng)、皮膚等造成傷害。經(jīng)過研究者的不斷探索，微生物燃料電池（Microbial Fuel Cells，MFC）的出現(xiàn)為去除城市活性污泥中的鉻提供了一條新的思路。典型MFC由陽極室、陰極室、質(zhì)子交換膜和外電路組成，在陽極室中產(chǎn)電菌通過降解其中的有機質(zhì)產(chǎn)生質(zhì)子和電子，其中電子通過外電路進入陰極室產(chǎn)生電流，質(zhì)子則通過質(zhì)子交換膜進入陰極室與電子受體結(jié)合生成水或其他物質(zhì)[2-3]。

在本次實驗中，通過構(gòu)建雙室生物陰極微生物燃料電池，利用污泥中六價鉻的強氧化性，作為電子受體研究微生物燃料電池運行過程中，陽極室和陰極室在好氧和厭氧條件下分別對活性污泥中六價鉻的去除效果，通過兩者的比較研究陰極室中大量溶解氧的存在是否對微生物燃料電池中鉻的去除具有促進作用。

1 材料和方法

1.1實驗裝置

本次實驗采用雙室生物陰極微生物燃料電池，反應(yīng)器采用有機玻璃制成，整體構(gòu)型為橢圓柱體，中間夾有質(zhì)子交換膜，陽極室有效容積1000ml，陰極室有效容積為500ml，下方配有磁力加熱攪拌器對陽極污泥進行持續(xù)攪拌。

污泥超聲破碎裝置采用N&DN系列超聲波細(xì)胞粉碎機對實驗污泥進行超聲溶胞預(yù)處理。

1.2 反應(yīng)器的啟動

陽極室和陰極室的接種污泥均取自唐山市曹妃甸區(qū)污水處理廠二沉池污泥，在厭氧環(huán)境下保存好備用。接種時，將污泥過40目篩，去除污泥中較大顆粒物質(zhì)。污泥進行超聲溶胞預(yù)處理，在超聲波頻率為20～25KHz，聲能密度為0.6W/ml，條件下進行超聲破碎20min。

陰陽極室均按照1：1的比例添加營養(yǎng)液與污泥，營養(yǎng)液成分為KCl（0.13g/L）、Na2HPO4（2.75g/L）、Na H2PO4（4.22g/L）、NH4Cl（0.31g/L）。啟動過程按比例添加好污泥和營養(yǎng)液，采用間歇進水方式，在反應(yīng)器啟動過程中當(dāng)電壓出現(xiàn)急劇下滑至30mv以下時視為一周期結(jié)束，每一周期完結(jié)進行換水。電壓穩(wěn)定在0.2V左右，表示反應(yīng)器啟動成功。

1.3分析方法

實驗過程中COD、SCOD均采用重鉻酸鉀法，六價鉻的測定采用二苯碳酰二肼分光光度法[4]。

實驗過程中采用PISO813多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接記錄電壓，數(shù)據(jù)按照每30分鐘記錄一次。

2結(jié)果與討論

2.1 好氧生物陰極MFC去除污泥中六價鉻效果及產(chǎn)電情況

將經(jīng)過超聲溶胞預(yù)處理后的污泥與營養(yǎng)液按照1：1的比例置于陽極室和陰極室內(nèi)，對陰極室進行持續(xù)曝氣，保持曝氣氣壓穩(wěn)定。電壓在很短的時間內(nèi)迅速增長至200MV以上，其中微生物生長活躍可以較快速的降解污泥中的有機質(zhì)，隨后經(jīng)過1天的時間增長至500MV左右并趨于穩(wěn)定，此時反應(yīng)器中微生物的生長代謝處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，直至第6天左右電壓有所下降最后降至400MV左右。

與此同時，陽極室和陰極室中鉻變化情況如圖3所示，陽極室和陰極室中六價鉻均呈現(xiàn)先增長后下降的趨勢，在最初的3天反應(yīng)中可能由于微生物的降解作用，使得污泥絮體被破壞，細(xì)胞體中一部分重金屬鉻被釋放出來從而導(dǎo)致反應(yīng)器中鉻濃度的增長。陽極室最高增長至400 ug/L以上，陰極室六價鉻最高增長至300 ug/L左右，第3天以后反應(yīng)器中六價鉻含量迅速下降，此時由于電極對六價鉻的吸附作用以及六價鉻做為電子受體的部分大于從污泥絮體中釋放的部分，所以鉻濃度出現(xiàn)下降現(xiàn)象，最后下降至50 ug/L以下。

2.2 厭氧生物陰極MFC去除污泥中六價鉻效果及產(chǎn)電情況

將經(jīng)過超聲溶胞預(yù)處理后的污泥與營養(yǎng)液按照1：1的比例置于陽極室和陰極室內(nèi)，關(guān)閉曝氣泵，反應(yīng)過程中9天內(nèi)電壓始終為0。

在陰極室厭氧反應(yīng)過程中，陽極室和陰極室六價鉻含量變化情況如圖5所示，在第1至3天過程中六價鉻含量均出現(xiàn)下降現(xiàn)象，可能由于此時陰極室中作為電子受體的氧氣不足，污泥中的六價鉻可以直接作為電子受體被利用從而下降，而此后反應(yīng)器中由于微生物降解作用釋放處出的六價鉻遠遠大于被利用的六價鉻，因此陽極室和陰極室中六價鉻含量出現(xiàn)上升現(xiàn)象，由于陽極室原本處于厭氧狀態(tài)，而陰極室由好氧狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換為厭氧環(huán)境，因此陽極室中微生物的生長代謝活動相比陰極室比較活躍，對污泥絮體的水解作用相對比較大，釋放出的六價鉻含量更多。此后反應(yīng)器中六價鉻由于電極的媳婦作用以及作為電子受體被利用的速度大于從污泥絮體中釋放的速度，因此陽極室和陰極室六價鉻含量均出現(xiàn)下降現(xiàn)象。

3結(jié)論

（1）厭氧生物陰極MFC，在陰極室不加入任何可以作為電子受體的物質(zhì)時，MFC幾乎不出現(xiàn)電壓，證明MFC不可以正常運行 ，陽極室由原來的121.4ug/L變化為129.7ug/L，變化不大，陰極室對六價鉻雖然有所去除，但是去除效果不佳，由原來的121.4ug/L降至58.7ug/L，去除率為51.65%。

（2）好氧生物陰極MFC，在對陰極室進行持續(xù)抱起的情況下，反應(yīng)器運行情況良好，電壓最高可穩(wěn)定在500MV左右。同時，陽極室和陰極室對六價鉻均有明顯去除，陽極室中六價鉻由原來的121.4ug/L降至40ug/L，去除率為67.05%，陰極室中六價鉻由原來的121.4ug/L降至12.9ug/L，去除率達到了89.37%。

（3）通過（1）和（2）的對比，發(fā)現(xiàn)陰極室溶解氧的存在對反應(yīng)中六價鉻的去除具有很大程度的促進作用。

參考文獻：

[1] 楊方.微生物燃料電池在多孔介質(zhì)中處理重金屬鉻廢水的研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

[2] 馮玉杰，王鑫.微生物燃料電池[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2009： 1 - 3.

[3] 楊捷.微生物燃料電池驅(qū)動的電吸附技術(shù)處理有毒有害廢水的研究[D].南開大學(xué)，2014

[4] 國家環(huán)保局編水和廢水監(jiān)測分析方法[M].第四版.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002，102-109.