微生物燃料電池處理苯酚廢水

丁巍巍, 汪家權(quán), 呂 劍, 夏雪蘭

(合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽合肥 230009)

0 引 言

含酚廢水是一種來源廣、水量大及危害十分嚴(yán)重的工業(yè)廢水之一,它可通過皮膚及黏膜的接觸而吸入或經(jīng)口腔浸入生物體內(nèi),與細(xì)胞原漿中的蛋白質(zhì)接觸后形成不溶性蛋白質(zhì)而使細(xì)胞失去活性,尤其對神經(jīng)系統(tǒng)有較大的親和力,使神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生病變[1]。

處理含酚廢水的方法很多,如生物法、電催化氧化法、吸附法、光催化氧化法和膜處理法等。這些方法存在占地面積大、操作條件苛刻和處理效果不理想等問題,因此開發(fā)高效快速、經(jīng)濟適用的含酚廢水處理方法成為研究熱點。而微生物燃料電池不僅能夠處理有機廢水,達(dá)到廢水的去除效果,而且又能產(chǎn)生電能[2],因此研究微生物燃料電池處理苯酚廢水是很有必要的,為處理含酚廢水提供一條經(jīng)濟且處理效果好的處理模式。

本實驗主要研究利用微生物燃料電池處理含酚廢水,尋求一條處理含酚廢水有效經(jīng)濟的厭氧生物處理模式。并且研究此反應(yīng)裝置處理含酚廢水的最佳實驗條件,為此裝置實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。同時MFC將可以被生物降解的物質(zhì)中可利用的能量直接轉(zhuǎn)化成為電能,考察在不同的條件下MFC的電能輸出情況。

1 實 驗

1.1 實驗材料

(1)不銹鋼網(wǎng)、鈦板(使用前均經(jīng)過預(yù)處理除去表面氧化層以及油脂)。

(2)1 kΩ電阻,塑料管,導(dǎo)線若干,錐形瓶若干只。

(3)Na2HPO4,NaH2PO4,KCl,NH4Cl,非營養(yǎng)瓊脂,硝酸鉛等試劑,均為分析純。

(4)一次性塑料注射器:20 mL。

(5)檢測儀器:ULTRMET ERⅡTM6P(MYROW LCOMPANY 2450IMPALA DRIVE CARLSBAD,CA 9210 USA);722E型可見光分光光度計(上海光譜儀有限公司);水浴恒溫振蕩器(江蘇金壇市金城國勝實驗儀器廠);Pico電壓實時監(jiān)測儀(英國Pico公司);?？?025型數(shù)顯萬用表(深圳市福克儀器有限公司)。

1.2 實驗方法

(1)緩沖溶液配制見文獻(xiàn)[3]。

(2)鹽橋制作:準(zhǔn)確稱取4 g瓊脂置于燒杯中,加入200 mL蒸餾水,加熱至瓊脂完全溶解,稱取60 gKCl,繼續(xù)加熱至KCl溶解,待溶液煮沸后趁熱將混合溶液用注射器注入塑料管中[4]。

(3)鈦基二氧化鉛電極制備:將所需鈦板打磨洗凈去除油污后,再將鈦板放入草酸溶液中微沸。風(fēng)干后接入交流電源[5]。

(4)實驗操作方法:本試驗中采用4-氨基安替比林分光光度法測定苯酚的質(zhì)量濃度。用重鉻酸鉀快速測定法測廢水中的 COD量[6]。用6P參數(shù)儀測ORP值和pH值。

1.3 MFC中微生物的接種和運行

實驗所采用的菌種采用合肥市王小郢污水處理廠的氧化溝厭氧段污泥,取回來后加入營養(yǎng)液和苯酚在厭氧條件下培養(yǎng)。同時培養(yǎng)器中放入陽極不銹鋼網(wǎng),以便微生物在陽極網(wǎng)上附著,有利于微生物接種。接種過程中先將陽極緩沖液曝N2 5 min,后將陽極網(wǎng)以及培養(yǎng)中少量營養(yǎng)液和陽極緩沖液一起倒入500 mL的錐形瓶中。整個過程一直要曝N2,再在錐形瓶中加入0.25 g NaHCO3(2.52 g/L),1.25 g Na2S?9H2O(0.5 g/L)調(diào)節(jié)體系的pH值,封口膜密封。微生物培養(yǎng)中溫度為30℃。而且,以陽極緩沖液為均衡微生物生長所必須的元素,加速細(xì)菌的增長馴化。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 溫度對分體式微生物燃料電池效能的影響

不同溫度對微生物燃料電池去除苯酚的影響,如圖1所示。整體呈下降趨勢,但曲線中苯酚質(zhì)量濃度在開始時運行不穩(wěn)定,25℃的降解速率比35℃、15℃高,可能是因為微生物培養(yǎng)時的溫度為30℃、25℃條件下的微生物能較快適應(yīng)環(huán)境。且因微生物為加入苯酚馴化后接入到反應(yīng)器中,存在微生物的吸附與解吸作用,有時會使苯酚質(zhì)量濃度比起始質(zhì)量濃度還高。后期35℃的比15℃、25℃下降趨勢比較快,這說明溫度為35℃時微生物數(shù)量多且微生物的活性高,陽極室的氧化還原速率快。這與厭氧微生物的適宜溫度35℃左右相符合。表明體系溫度到35℃左右有利于提高電池反應(yīng)速率,但最后35℃的降解速率是最小。出現(xiàn)這樣的結(jié)果可能是由35℃微生物的數(shù)量多,微生物降解底物的速率快,當(dāng)最后底物不足條件下,微生物出現(xiàn)活性低和死亡[7]。且微生物對苯酚存在吸附-解吸的動態(tài)平衡過程,當(dāng)微生物活性低或死亡時將苯酚釋放出來,導(dǎo)致35℃條件下最后苯酚質(zhì)量濃度的上升。

圖1 不同溫度下MFC陽極苯酚的降解變化

圖2所示的是微生物燃料電池中陽極室COD降解情況,在陽極室去除苯酚的同時對COD也有降解,COD的去除效率分別為15℃時57.41%;25℃時59.62%;35℃時28.51%。15℃與25℃的去除效率差不多,但35℃的去除效率低,是否在降解苯酚時生成了有機中間產(chǎn)物還需進(jìn)一步探討。

圖2 不同溫度下MFC陽極降解變化

不同溫度下微生物燃料電池的產(chǎn)電情況,如圖3所示。此階段的電壓經(jīng)過一段時間才達(dá)到穩(wěn)定值。此時的電壓變化曲線呈現(xiàn)開始產(chǎn)電和持續(xù)產(chǎn)電2個階段。

圖3 不同溫度下的M FC的電壓曲線

接入到陽極室后,MFC即開始代謝底物而產(chǎn)電,但電極上的功能微生物還處于適應(yīng)環(huán)境,微生物活性不高,此時的電流可能主要是由細(xì)菌懸浮液產(chǎn)生的。隨著反應(yīng)的進(jìn)行,微生物在代謝底物的過程中,以陽極電極為電子受體,電壓有了明顯的增長。陽極室溫度15℃時的適應(yīng)期最長,這是由于微生物馴化時的溫度為30℃。之后進(jìn)入持續(xù)產(chǎn)電階段,電壓值能夠維持在某一數(shù)值上,這有利于電壓的利用。但整體上35℃的電壓值最高,且25℃與35℃數(shù)值相差不大,雖然由Nernst公式知,提高溫度可以提高微生物燃料電池的電能輸出,但25℃提高到35℃電能提高幅度不大,而15℃提高到25℃電壓由180 mV左右提高到250 mV左右?？捎嬎愕肕FC的最大輸出功率密度(Pmax)為20.8 mW/m2。

2.2 不同的苯酚質(zhì)量濃度對燃料電池的影響

本實驗探求不同苯酚質(zhì)量濃度對微生物燃料電池的影響。

由于苯酚為有毒有害物質(zhì),不但要探求低質(zhì)量濃度條件下的降解情況,還要考察高質(zhì)量濃度的苯酚對微生物燃料電池中微生物毒性的影響。圖4所示的是苯酚隨著天數(shù)的變化,在陽極室的殘留率變化情況。

從圖4可以看出,在微生物燃料電池中低中高苯酚質(zhì)量濃度都有降解。苯酚質(zhì)量濃度為0 g/L時隨著天數(shù)苯酚質(zhì)量濃度一直在0附近,這與初始質(zhì)量濃度0 g/L相符合的。苯酚質(zhì)量濃度為0.15 g/L和0.36 g/L時,接入電極后就開始有降解,開始時兩者的降解速率比較快,但低質(zhì)量濃度(0.15 g/L)時苯酚降解很快,在7 d左右時苯酚已降解完。

0.36 g/L時苯酚質(zhì)量濃度一直在降低,而質(zhì)量濃度為1 g/L、2 g/L時,都要經(jīng)過緩慢的調(diào)整期后才開始降解苯酚,經(jīng)過一個較快的降解速率后一直處于平穩(wěn)狀態(tài)。此時的降解速率比低質(zhì)量濃度時開始的降解速率還要高。這是由于苯酚本身為有毒有害物質(zhì),且此時苯酚的質(zhì)量濃度較高,微生物活性得到抑制,適應(yīng)高苯酚質(zhì)量濃度的微生物在經(jīng)過5 d時間才開始降解苯酚,而且降解速率很快,在3 d時間內(nèi)苯酚降解率達(dá)75%左右。這是由于從第5 d開始,微生物已經(jīng)馴化并增值達(dá)到一定數(shù)目,此時的底物充足,因此表現(xiàn)出了較高的降解效率。

從圖4中發(fā)現(xiàn),當(dāng)?shù)孜镔|(zhì)量濃度為1 g/L、2g/L時的殘留率大于100%,是因為苯酚是有毒物質(zhì)在實驗準(zhǔn)備階段加入了一定質(zhì)量濃度的苯酚對微生物進(jìn)行訓(xùn)化,由于底物質(zhì)量濃度太高導(dǎo)致微生物中吸附的苯酚釋放出來,出現(xiàn)了高質(zhì)量濃度時苯酚的殘留率高于100%。

從圖4可得出0.15 g/L、0.36 g/L、1 g/L及2 g/L的降解率分別為 99.63%、71.71%、63.62%及64.17%,在低質(zhì)量濃度下苯酚的降解率最高幾乎完全降解,在中高質(zhì)量濃度下的降解率也達(dá)到60%以上。

3 結(jié) 論

(1)微生物燃料電池能夠去除苯酚,在初始苯酚質(zhì)量濃度為0.15 g/L時去除效率為99.63%,為以后去除有毒有害物質(zhì)提供新思路,既能去除有害物質(zhì),又能產(chǎn)生電能。

(2)分體式微生物燃料電池在不同溫度下(15℃,25℃,35℃)隨著溫度的升高,苯酚的去除速率提高,但是系統(tǒng)溫度為35℃時苯酚的去除率最低,可能是因為微生物的最適溫度為35℃左右,功能性微生物數(shù)量多,底物降解速率快,后期微生物由于底物不足,微生物進(jìn)入內(nèi)源呼吸。

(3)微生物燃料電池可以去除不同質(zhì)量濃度的苯酚,苯酚質(zhì)量濃度較高0.15 g/L時苯酚的降解效果較差。苯酚質(zhì)量濃度高時對微生物有抑制作用,系統(tǒng)需要經(jīng)過一個適應(yīng)期才開始降解苯酚。

(4)在 35℃條件下,當(dāng)苯酚質(zhì)量濃度為0.36 g/L時,MFC系統(tǒng)的最大輸出電壓可達(dá)到300 mV,最大功率密度為20.8 mW/m2。

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