空氣陰極單室MFC對含糖廢水的處理研究

曹文倩，琚依婷，全秋雨，朱重銀，李永峰，程國玲

(東北林業大學林學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

制糖工業在我國國民經濟中占有重要地位[1]，隨著制糖工業的迅速發展，其生產廢水排放負荷不斷增加。由于制糖工業廢水的COD含量較高，會對水體和生態環境造成嚴重危害，因此，對制糖工業廢水的處理刻不容緩。

微生物燃料電池(MFC)是一種生物電化學裝置，通過外來菌分解可降解有機物并將化學能轉化為電能[2]。糖蜜廢水、生活污水、啤酒廢水等均可利用MFC技術進行處理[3-5]。張文莉等[6]研究發現，好氧活性污泥法常被用來處理有機廢水，但該方法存在電能需求量大、運行成本高等問題。而MFC技術因具有結構簡單、清潔環保、產能穩定等優勢受到研究者的關注。如孫彩玉等[7]分別以豆制品和中藥廢水為陽極基質構建雙室MFC，陽極對COD的平均去除率達(85.5±2.8)%，平均電壓為(375±9) mV。空氣陰極一般由電極基體、氧還原反應催化劑層和空氣擴散層組成[8]，暴露于大氣中的空氣擴散層將氧氣引入催化劑層[9]，氧氣作為催化劑層中的電子受體參與反應。空氣陰極MFC兼具環保、高效等特點，應用前景廣闊。

當前關于制糖有機廢水處理的研究較少，且多用雙室MFC處理。雙室MFC具有內阻大等缺點，而空氣陰極單室MFC具有功率高、內阻小、設計簡單、成本低等優點[10]。鑒于此，作者以鋁空氣電池為陰極、碳刷為陽極構建空氣陰極單室MFC，并與降解菌聯合處理含糖廢水，探究在不同糖源濃度、初始pH值及NH4Cl濃度條件下MFC系統對含糖廢水的COD去除效果和產電性能，優化處理條件，以期為含糖廢水處理提供技術支撐。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

葡萄糖、蔗糖、乳糖、氫氧化鈉、氯化銨、磷酸二氫鉀、氯化鈉、碳酸氫鈉、碳酸鈉、硫酸鉀、七水硫酸鎂、硫酸亞鐵、硫酸鋅、硝酸銅、硫酸錳、98%硫酸，均為分析純，廊坊金海化工有限公司。

LH-9C型智能消解儀、LH-CP3M型COD測定儀，連華科技有限公司；PH-3C 型酸度計，武漢格萊莫檢測設備有限公司；FLUKE 12E+型萬用表，福祿克有限公司；單室微生物燃料電池反應器，深圳康斯頓科技有限公司。

1.2 降解菌

甘度復合菌(含硝化和反硝化細菌屬、芽孢桿菌屬、假單胞菌屬等)，呈黃赭色干粉狀，在25～30 ℃下保存，備用。

1.3 模擬含糖廢水

模擬含糖廢水成分及濃度：30 mg·L-1KH2PO4、45 mg·L-1NaCl、50 mg·L-1NaHCO3、110 mg·L-1Na2CO3、45 mg·L-1K2SO4、55 mg·L-1MgSO4·7H2O、0.2 mg·L-1FeSO4、0.2 mg·L-1ZnSO4、0.2 mg·L-1Cu(NO3)2、0.2 mg·L-1MnSO4；葡萄糖、蔗糖、乳糖及NH4Cl濃度隨實驗設計調整。

1.4 COD去除率的測定

按1 g·L-1的接種量將降解菌加入到模擬含糖廢水中，激活12 h后，采用重鉻酸鉀氧化-COD快速測定法[11]測定COD值：向兩支消解管中分別加入2.5 mL蒸餾水、0.5 mL模擬含糖廢水和2 mL蒸餾水，再加入專用D試劑(K2Cr2O7-HgSO4)0.7 mL和專用E試劑(Ag2SO4-H2SO4)4.8 mL；混勻后置于溫度達165 ℃的智能消解儀中消解10 min，后經過2 min的空冷和2 min的水冷卻；將只裝有蒸餾水的消解管中的溶液倒入石英比色皿，置于COD測定儀(調節測定儀曲線為M01-3)中設置空白后，再測定另一支消解管中溶液的COD值，即為進水COD值。將模擬含糖廢水注入MFC反應器，在陽極，降解菌均勻分布于碳刷上，以糖類作為碳源，分解為CO2和H2O，產生能量用于自身生命活動，此時模擬廢水中有機物含量降低，COD值下降；直至降解菌不再分解糖類，反應結束，測定出水COD值。按下式計算COD去除率(%)：

1.5 對含糖廢水COD去除效果的影響

采用單因素實驗考察糖源濃度(1 g·L-1、2 g·L-1、3 g·L-1、4 g·L-1、5 g·L-1、6 g·L-1)、初始pH值(6.0、6.4、6.8、7.2、7.6、8.0)及NH4Cl濃度(10 mg·L-1、20 mg·L-1、40 mg·L-1、80 mg·L-1、160 mg·L-1、320 mg·L-1)對含糖廢水COD去除效果的影響。

1.6 產電性能評價

降解菌分解糖類的過程中產生的電子經導線到達陰極，形成完整回路，因此MFC系統產生電流，可用萬用表將檔位調節至“mV”進行測定，每天測量3次，待示數接近零且不再變化時結束測量，取電壓峰值表征產電性能。

2 結果與討論

2.1 對含糖廢水COD去除效果的影響

2.1.1 不同糖源濃度廢水的COD去除效果(圖1)

圖1 不同糖源濃度廢水的COD去除效果Fig.1 COD removal efficiency of wastewater with different sugar source concentrations

由圖1可知，隨著廢水中糖源濃度的增加，MFC系統對3種模擬含糖廢水的COD去除率先升高后降低，其中含葡萄糖廢水的COD去除效果最好，在1～6 g·L-1濃度范圍內，含葡萄糖廢水的COD去除率均達到80%以上，且在濃度為4 g·L-1時去除率最高，為93.10%。同時，在濃度為3 g·L-1時，MFC系統對含蔗糖和乳糖廢水的COD去除率均達最高，分別為90.52%和88.71%。在糖源濃度較低時，糖源濃度的增加為降解菌的生長繁殖提供了足夠的養分，降解菌的增殖比較穩定，COD去除率升高；而在糖源濃度超過降解菌可利用范圍后，過多的碳源會對其產生抑制或毒害作用，反而導致COD去除率下降。含不同糖源廢水的最高COD去除率大小依次為：葡萄糖>蔗糖>乳糖。可見，降解菌在特定環境下對碳源具有一定選擇性[12]，從而對COD的去除效果產生影響。

2.1.2 不同初始pH值下含葡萄糖廢水的COD去除效果(圖2)

圖2 不同初始pH值下含葡萄糖廢水的COD去除效果Fig.2 COD removal efficiency of glucose-containing wastewater at different initial pH values

由圖2可知，隨著初始pH值的增大，MFC系統對含葡萄糖廢水的COD去除率先升高后降低。當初始pH值為6.0時，COD去除率低于90%；當初始pH值增至7.2時，COD去除率達最高，為94.70%；繼續增大初始pH值，COD去除率逐漸降低。這是因為，不同pH值環境下降解菌的選擇能力不同，通過菌種間相互配合，分泌胞外酶或胞內酶，對糖類加以降解[13]。研究表明，pH值中性時有利于降解糖類的菌群生長，弱酸或弱堿條件都對其生長不利[14]，進而造成COD去除率降低。

2.1.3 不同NH4Cl濃度下含葡萄糖廢水的COD去除效果(圖3)

圖3 不同NH4Cl濃度下含葡萄糖廢水的COD去除效果Fig.3 COD removal efficiency of glucose-containing wastewater with different NH4Cl concentrations

由圖3可知，隨著NH4Cl濃度的增加，COD去除率先迅速升高后迅速降低。在NH4Cl濃度為80 mg·L-1時，COD去除率最高，為94.70%。這是因為，降解菌對鹽度的耐受有一定的范圍，當鹽度過低，降解菌對環境的適應時間延長，此時，降解菌需要對自身酶系統進行調整；而鹽度過高又會阻礙酶的合成，抑制糖的降解[15]。可見，鹽度過低或過高均會影響COD的去除效果。

相較于樊磊等[16]構建的雙室MFC對1 g·L-1含葡萄糖廢水的COD去除率50.6%，該系統的COD去除率顯著提高。這是因為，本研究所用降解菌性能較好，且采用的單室MFC相較雙室MFC具有原料直接在陽極發生反應后無需經過傳質膜到達陰極、物質損失少的優點。

2.2 對產電性能的影響

2.2.1 不同糖源濃度廢水MFC系統的產電效果(圖4)

圖4 MFC系統處理不同糖源濃度廢水的產電效果Fig.4 Electricity production efficiency of MFC system for wastewater with different sugar source concentrations

由圖4可知，隨著廢水中糖源濃度的增加，電壓峰值先增大后減小，其中含葡萄糖廢水的產電效果最佳，在濃度為4 g·L-1時電壓峰值達到20.7 mV；含蔗糖和乳糖廢水的電壓峰值均在濃度為3 g·L-1時達最大，分別為12.8 mV和10.3 mV。在超過最適濃度時，受降解菌降解能力的限制，產電量不再升高。含不同糖源廢水的電壓峰值大小依次為：葡萄糖>蔗糖>乳糖，這與孔曉英等[17]的研究結果相一致。MFC在利用有機物產電時，復雜結構的有機物被降解為小分子有機物后才能被降解菌所利用，因此，三者中結構最簡單的葡萄糖作為主要基質時，易被降解為小分子有機物，利于提高降解效率，促進產電量顯著提高。

2.2.2 不同初始pH值下含葡萄糖廢水MFC系統的產電效果(圖5)

由圖5可知，隨著含葡萄糖廢水初始pH值的增大，電壓峰值呈先增大后減小的趨勢，當初始pH值為7.2時，電壓峰值最大，為28.9 mV。故含葡萄糖廢水在初始pH值為7.2時產電效果最佳。

圖5 MFC系統處理不同初始pH值的含葡萄糖廢水的產電效果Fig.5 Electricity production efficiency of MFC system for glucose-containing wastewater with different initial pH values

2.2.3 不同NH4Cl濃度下含葡萄糖廢水MFC系統的產電效果(圖6)

圖6 MFC系統處理不同NH4Cl濃度的含葡萄糖廢水的產電效果Fig.6 Electricity production efficiency of MFC system for glucose-containing wastewater with different NH4Cl concentrations

由圖6可知，隨著含葡萄糖廢水NH4Cl濃度的增加，電壓峰值先迅速增大后迅速減小，當NH4Cl濃度為80 mg·L-1時，電壓峰值最大，為28.9 mV。這是因為，鹽度升高對降解菌的活性表現出極強的抑制作用，其降解能力降低，導致產電量明顯下降。

3 結論

探究了在不同糖源濃度、初始pH值及NH4Cl濃度條件下空氣陰極單室MFC-降解菌復合系統對含糖廢水的COD去除效果和產電性能。結果表明：MFC系統對不同糖源含糖廢水的COD去除率及電壓峰值大小依次為：葡萄糖>蔗糖>乳糖。該系統對初始pH值為7.2、NH4Cl濃度為80 mg·L-1的4 g·L-1含葡萄糖廢水的COD去除效果和產電性能均最佳，COD去除率為94.70%，電壓峰值為28.9 mV。適宜的pH值及NH4Cl濃度對空氣陰極單室MFC系統去除COD和產電具有顯著的促進作用。采用的甘度復合菌降解菌價格低廉、構建的單室MFC系統成本低且易于操作，可在相關工業含糖廢水的處理中推廣應用。