微生物燃料電池降解染料廢水的綜合實驗設(shè)計

李 莉， 伍 佳， 張 賽， 丁燕燕， 王 嬌

（1.重慶大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院，重慶400045；2.中機中聯(lián)工程有限公司，重慶400039；3，重慶市第七中學(xué)校，重慶400030）

0 引 言

隨著產(chǎn)生的污廢水含量逐年增多，環(huán)境問題日益嚴峻，其中偶氮染料是目前處理難度較大的有機廢水之一［1-2］，其色度較高、成分復(fù)雜、性質(zhì)穩(wěn)定、難降解［3］，降解的中間體芳香族化學(xué)物具有毒性、致癌性和致突變性，會抑制河流中水生生物的生長，對河流中的水生動植物具有毒害作用，而偶氮染料廢水中往往存在大量的含硫物質(zhì)。微生物燃料電池（Microbiological Fuel Cell，MFC）是一種利用微生物將有機物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，具有直接產(chǎn)電、條件溫和、耗能低、環(huán)保等優(yōu)點［4-6］。以污水為營養(yǎng)物質(zhì)構(gòu)造的MFC實現(xiàn)了污水處理的同時回收電能，從而在一定程度上降低了污水的處理成本［7］。因此在項目組前期的科研工作基礎(chǔ)上，設(shè)計了一個基于MFC降解含硫偶氮燃料廢水的綜合性實驗，以含硫化物的偶氮染料為目標(biāo)物，利用單室空氣陰極MFC進行降解試驗，研究偶氮染料濃度、硫化物濃度和pH對MFC產(chǎn)電效能和污染物降解率的影響。

本實驗是廢水處理綜合實驗，基于有機基質(zhì)在陽極室被電活性細菌氧化并產(chǎn)生電子和質(zhì)子，電子通過細胞中的一系列呼吸酶，以ATP的形式為細胞提供能量，產(chǎn)生的電子通過直接電子轉(zhuǎn)移、鈦絲導(dǎo)線或外部介體3種形式傳遞到陽極，再經(jīng)由外部電路轉(zhuǎn)移到陰極。電子轉(zhuǎn)移過程中則產(chǎn)生電流和電壓，該信號由數(shù)據(jù)采集器采集；同時在取樣口取樣檢測基質(zhì)溶液中有機污染物的變化，通過有機污染物濃度和電壓電流的變化研究產(chǎn)電效能和污染物降解效能。通過改變主反應(yīng)區(qū)中基質(zhì)溶液中偶氮染料濃度、硫化物濃度和pH值，研究產(chǎn)電規(guī)律和污染物降解機理。

1 實驗裝置

本實驗裝置由反應(yīng)器、磁力攪拌器、外電阻和數(shù)據(jù)采集器組成，如圖1所示。MFC反應(yīng)器為圓柱狀兩端具有法蘭，總?cè)莘e為400 mL，腔室的容積尺寸為?8 cm×8 cm，反應(yīng)器上側(cè)設(shè)置有取樣口，陽極端通過法蘭連接有陽極密封板，其陰極端通過法蘭連接有陰極鏤空的密封板，反應(yīng)器的陰極端設(shè)置有陰極碳布。陽極電極為?3 cm×12 cm石墨碳纖維刷（日本東麗），由鈦絲和碳纖維絲組成。陰極碳布采用經(jīng)過10%的PTFE疏水處理后的w1 s1005碳布（中國臺灣碳能）。陽極和陰極通過鈦絲（直徑1 mm）與1 kΩ的外部電阻連接，形成閉合電路。具體構(gòu)造見圖2。

圖1 反應(yīng)裝置組裝示意圖

圖2 MFC反應(yīng)器三視圖

2 實驗過程

2.1 反應(yīng)器的啟動

反應(yīng)器啟動與運行階段，為了增加MFC系統(tǒng)的微生物多樣性，采用污水處理廠的厭氧和好氧混合污泥接種陽極室。為了加快馴化速度以在電極材料上快速富集微生物，加入到陽極室之前，首先將初始污泥加入到含硫化物的偶氮染料廢水中，并置于磁力攪拌器上攪拌24 h得到接種污泥。為了確保MFC系統(tǒng)中有足夠的生物量，將接種污泥和反應(yīng)基質(zhì)以1∶1的比例混合，混合均勻后添加到MFC中進行啟動。同時，將中泰科研EM 9636數(shù)據(jù)采集器連接到計算機上，實時記錄系統(tǒng)的產(chǎn)電電壓。經(jīng)過一段時間的培養(yǎng)后，如果系統(tǒng)連續(xù)3個周期的穩(wěn)定電壓相同，則表示系統(tǒng)已成功啟動。

2.2 實驗設(shè)計

利用MFC反應(yīng)器研究硫化物濃度、偶氮染料濃度和pH對硫化物和染料降解效能的影響，測定輸出功率，分析反應(yīng)過程中COD的變化情況。反應(yīng)器所處的環(huán)境溫度為（28±5）°C，偶氮染料采用剛果紅作為典型代表性物質(zhì)。

（1）硫化物濃度影響規(guī)律。硫化物在MFC中擔(dān)任電子供體的角色［8］，具有關(guān)鍵性的作用，為了評價硫化物濃度的改變對MFC產(chǎn)電效能和污染物降解的影響，通過控制硫化物濃度進行單因素實驗分析。設(shè)置進水硫化物濃度分別為120，180，240，300和360mg/L，初始投加剛果紅染料和COD（乙酸鹽）濃度分別為200和1 000 mg/L，通過1 mol/L的NaOH調(diào)節(jié)MFC陽極液進水pH值為7.0，外電阻為1 kΩ，測定分析輸出功率、硫化物、偶氮染料濃度和COD濃度的變化。

（2）偶氮染料濃度影響規(guī)律。為了評價剛果紅濃度的改變對MFC產(chǎn)電效能和污染物降解的影響，通過控制剛果紅濃度進行單因素實驗分析，設(shè)置進水剛果紅濃度分別100，200，300，400和500 mg/L，初始投放硫化物濃度和COD（乙酸鹽）分別為180和1 000mg/L，通過1 mol/L的NaOH調(diào)節(jié)MFC陽極液進水pH值為7.0，外電阻為1 kΩ，測定分析輸出功率、硫化物、偶氮染料濃度和COD濃度的變化。

（3）pH值影響規(guī)律。MFC運行中，陽極液pH能影響底物的代謝活性，進而影響質(zhì)子和電子的生成和轉(zhuǎn)移機制，對MFC的整體性能有著重要作用。調(diào)整進水燃料的pH分別為5.0、6.0、7.0、8.0、9.0，初始投放硫化物濃度和COD（乙酸鹽）分別為180和1 000mg/L，通過1 mol/L的NaOH調(diào)節(jié)MFC陽極液進水pH值為7.0，外電阻為1 kΩ，測定分析輸出功率、硫化物、偶氮染料濃度和COD濃度的變化。

2.3 分析與計算方法

硫化物濃度采用國家標(biāo)準分析方法GB/T 16 489亞甲基藍分光光度法；COD濃度采用國家標(biāo)準分析方法HJ828重鉻酸鉀法測定；染料以剛果紅作為代表，通過紫外分光光度計在496 nm處測量吸光度表征濃度。

（1）功率密度。MFC電極兩端的電壓通過連接在電腦上的數(shù)據(jù)采集器（中泰科研EM 9636B）每5 min采集記錄1次，自動記錄和保存。電流公式為

式中：I為電流，A；U為外電阻兩端的電壓，V；R為電極兩端外電阻，Ω。

功率密度為

式中：P為功率密度，mW/m2；U為MFC電壓，V；A為反應(yīng)器陰極的有效面積，cm2。

（2）降解率。染料、硫化物以及COD等污染物降解率，

式中：E為降解率，%；C0為初始濃度，mg/L；Ci為第i次取樣濃度，mg/L。

3 結(jié)果與分析

3.1 硫化物濃度對MFC的影響

由圖3（a）可見，MFC的最大功率密度隨硫化物濃度的升高而增大。這表明：一方面，MFC陽極微生物對高濃度的硫化物具有良好的適應(yīng)性，能夠快速高效地氧化陽極液中硫化物和乙酸鹽并產(chǎn)生電能；另一方面，硫化物濃度的增大會產(chǎn)生更多的電子和質(zhì)子并轉(zhuǎn)移至陰極，使得MFC最大功率密度和產(chǎn)電量增加；另外，硫化物的增加降低了MFC電池的陽極電勢［9］，而增加陽極電勢可以促進產(chǎn)電微生物獲得足夠的能量，加速反應(yīng)器中電化學(xué)反應(yīng)和生物反應(yīng)的進行，進一步加快MFC的產(chǎn)電效能。因此，在適當(dāng)范圍內(nèi)增加硫化物的濃度可以增加MFC的產(chǎn)電效能，這對于MFC電能領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一定的理論和技術(shù)支持。

圖3 硫化物濃度對MFC的影響

MFC間歇式運行一個完整的周期，每隔4 h測定硫化物和剛果紅的濃度。由圖3（b）可見，不同濃度下硫化物的降解趨勢相近，降解速率在28 h之內(nèi)增加迅速，隨后達到平穩(wěn)，降解速率均為80%以上。由此可見，隨著MFC中初始硫化物濃度的增加，硫化物氧化受到明顯影響，去除率呈現(xiàn)出顯著下降的趨勢。這種現(xiàn)象表明較高的硫化物濃度可以通過抑制微生物活性而對硫化物的電化學(xué)氧化產(chǎn)生負影響，硫化物和乙酸鹽在MFC中作為電子供體，發(fā)生氧化反應(yīng)，高濃度的硫化物降低了微生物電子轉(zhuǎn)移速率［10］，進一步的抑制了硫酸鹽的生物還原途徑。

如圖3（c）所示。偶氮染料的降解率隨著MFC中硫化物濃度的增加而升高。偶氮染料脫色效率的明顯提高（77.22%～87.10%）主要是由于高濃度的硫化物產(chǎn)生更多的電子，電子通過外電路轉(zhuǎn)移到電池陰極上，使得更多的染料得到電子被還原，從而加速了電極間的電子轉(zhuǎn)移速率，促進剛果紅染料的還原反應(yīng)。

在MFC系統(tǒng)中，硫氧化菌（SOB）與硫酸鹽還原菌（SRB）在一定的條件下與厭氧菌可能會存在競爭關(guān)系，甚至?xí)捬蹙男玛惔x有抑制作用。因此為了考察硫氧化菌與硫酸鹽還原菌和厭氧菌之間的關(guān)系，需要考察在不同硫化物濃度下COD的去除率。如圖3（d）所示，隨著進水硫化物濃度的增加，COD的去除率由37.88%下降到21.90%，COD的去除率有著較小幅度的降低，影響的程度不大，表明進水硫化物濃度的增加對COD去除率的影響較小，能夠在一定程度上抑制有機物的電子轉(zhuǎn)移能力；也表明了硫氧化菌和硫酸鹽還原菌能夠?qū)捬蹙鸬揭欢ǖ囊种谱饔茫筂FC中發(fā)酵菌的數(shù)量降低，因此有機物的消耗量減少。

3.2 染料濃度對MFC的影響

如圖4（a）所示，隨著剛果紅濃度的增加，MFC的最大功率密度呈現(xiàn)降低的趨勢，說明染料濃度對MFC產(chǎn)電效能有著顯著的影響作用。微生物燃料電池中，剛果紅作為電子受體，接受來自硫化物和有機物的電子而發(fā)生還原反應(yīng)，同時，空氣陰極附近的O2結(jié)合e-

圖4 不同染料濃度對MFC的影響

和H+生成水。隨著剛果紅濃度的增加，抑制了反應(yīng)器中厭氧微生物的活性，電子傳遞速率減慢，陰極得到電子數(shù)量相比降低，由此高濃度剛果紅MFC的產(chǎn)電效能變差。

如圖4（b）所示，隨著剛果紅偶氮染料濃度的增加，硫化物的氧化速率加快。但是，反應(yīng)36 h后，當(dāng)染料濃度從100 mg/L增加到500 mg/L時，硫化物的去除效率并未受到明顯影響，均為98%左右。在該系統(tǒng)中偶氮染料作為電子受體，硫化物為電子供體［11］，當(dāng)電子受體濃度較高時，硫化物可以更快被去除。

從圖4（c）可以看出，隨著剛果紅染料濃度的增加，剛果紅的去除率呈現(xiàn)下降的趨勢。這是因為在較高的剛果紅濃度下，陽極產(chǎn)電微生物的活性被抑制［12-13］，剛果紅的降解率較低。

由圖4（d）所示，在高濃度的剛果紅染料濃度下，COD的降解效果最好。一方面是因為剛果紅濃度增加，陽極液中需要更多的電子使染料發(fā)生還原反應(yīng)而脫色，由此需要有機物和硫化物提供更多的電子供體，在硫化物濃度一定的條件下，促使有機物的消耗量增加；另一方面，COD的去除率由34.66%增加到40.23%，變化幅度較小，說明剛果紅濃度的增加對MFC中的發(fā)酵菌影響較小。

3.3 pH值對MFC的影響

如圖5（a）所示，功率密度在pH為7.0時最大，過酸和過堿條件下功率密度最小，說明過高或過低的陽極液pH均會抑制產(chǎn)電菌的活性，影響MFC陽極反應(yīng)速率，使得MFC體系的最大功率密度降低，影響系統(tǒng)的整體產(chǎn)電性能。

不同的pH對微生物的酶系統(tǒng)有不同程度的影響，pH過高或者過低都會降低酶活性，進而影響反應(yīng)速率。圖5（b）顯示，在陽極液pH=7.0下觀察到最高的硫化物去除率，中性條件和酸性條件更適合細菌生長。當(dāng)pH為5.0和9.0時，硫化物依然可以保持較高的降解率（96.87%和85.19%），表明MFC體系下的微生物具有較好的pH耐受性。

如圖5（c）所示，在pH為7.0時，剛果紅的降解效率最高，高于或低于此值脫色率均降低，說明過酸或過堿的環(huán)境會影響酶的活性，抑制微生物的生長繁殖，由此降低了剛果紅的脫色率。在反應(yīng)過程中，電子供體和電子受體之間的電位差對系統(tǒng)產(chǎn)電有影響，因此，為了能夠最大限度地使系統(tǒng)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，選擇還原電位較低的厭氧環(huán)境。硫的存在形式受到pH的影響，在中性條件下主要以HS-存在，這會導(dǎo)致更負的陽極電勢［14-15］，使系統(tǒng)產(chǎn)電最大，因此選擇中性條件同時去除硫化物和偶氮染料。

由圖5（d）可知，pH為7.0時有機物的降解率最快。附著在MFC的陽極膜上的厭氧產(chǎn)電菌對細菌和電極的胞外電子轉(zhuǎn)移有著重大的作用，在MFC系統(tǒng)中，COD的去除是陽極微生物，產(chǎn)甲烷菌和發(fā)酵細菌協(xié)同作用下的結(jié)果。因此在極端的pH條件下參與代謝的微生物活性受到抑制，使有機污染物的分解速率降低，從而降低COD的去除率。

圖5 不同初始pH對MFC的影響

4 實驗教學(xué)效果

MFC的研究中涉及了電化學(xué)、微生物學(xué)、水污染控制等多方面的理論知識，實驗中涉及COD的測定，紫外分光光度計的使用以及微生物燃料電池的組裝等方面的動手能力，通過實驗教學(xué)設(shè)計將MFC引入到本科教學(xué)中，這與本科環(huán)境工程專業(yè)的教學(xué)方向高度契合。學(xué)生在學(xué)習(xí)理論課程后，查閱資料制定實驗計劃、自主組裝實驗裝置、實踐檢測方法以及分析處理實驗數(shù)據(jù)，在整個綜合實驗過程中將理論知識應(yīng)用到實踐，鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)知識的同時提升解決實際復(fù)雜問題的能力［16-19］。

在實驗設(shè)計中還可以根據(jù)課時量增加溫度、陰極材料等影響因素實驗，根據(jù)授課深度拓展電化學(xué)工作站、電鏡掃描、微生物群落結(jié)構(gòu)等分析進一步解析微觀機理。因此，該綜合實驗可通過實驗方案的拓展和變化培養(yǎng)學(xué)生的探索能力和創(chuàng)新思維能力。此外，結(jié)合實驗結(jié)果引導(dǎo)學(xué)生探索該技術(shù)工程化應(yīng)用中亟待解決的瓶頸問題，例如如何增強污染物處理效率及產(chǎn)電性，降低處理成本等問題，進一步激發(fā)學(xué)生的科研興趣，樹立發(fā)現(xiàn)問題解決問題的研究思維模式。

5 結(jié) 語

本實驗構(gòu)建單室空氣陰極MFC實驗裝置處理含硫化物的染料廢水，通過考察不同影響因素的產(chǎn)電和污染物去除效能，結(jié)合電化學(xué)、微生物學(xué)、水污染控制理論知識解析MFC的機理。實驗裝置搭建簡單易行，實驗方案科學(xué)可行，檢測方法易于掌握，實驗條件穩(wěn)定可控，因此將本實驗引入本科實驗教學(xué)中，不僅可讓學(xué)生了解及掌握科學(xué)前沿知識，同時也鞏固和豐富學(xué)生的專業(yè)理論知識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新意識，對于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才具有積極意義。