發(fā)酵制氫廢液的微生物電解池產(chǎn)氫

吳婷婷，朱葛夫，鄒 然，劉 琳，黃 栩，劉超翔

（中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所城市環(huán)境與健康重點實驗室，福建 廈門 361021；中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

微生物電解池（microbial electrolysis cell，MEC），作為新近發(fā)展的一種可用于減弱厭氧“發(fā)酵障礙”現(xiàn)象的制氫技術(shù)近年來受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視[1-2]。借助生物電催化技術(shù)，以有機廢水為電子供體，通過陽極附著的電活性微生物降解底物釋放電子和質(zhì)子，并在陰極由質(zhì)子接收電子從而產(chǎn)生H2。當有機物通過丙酮酸途徑代謝生成乙酸、丙酸及丁酸等脂肪酸后，在兩極附加電壓的驅(qū)動下，可將發(fā)酵末端產(chǎn)物進一步降解并釋放質(zhì)子和電子，從而大幅度提高H2產(chǎn)率[3]。影響MEC 產(chǎn)氫效能的主要因素包括額外電壓的設(shè)定、底物的選擇、電極材料的選定以及陰極催化劑的確定[3-4]。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)包括陽極室、陰極室和直流電源，原理如圖1 所示。

圖1 MEC 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)原理圖

該反應(yīng)過程主要通過兩極的化學(xué)反應(yīng)來完成，其中以乙酸為底物的反應(yīng)過程如式（1）、式（2） 所示。

陽極：

陰極：

根據(jù)能斯特方程，在pH 值為7.0 時，陰極產(chǎn)生氫氣至少需要-410 mV 的電勢，而傳統(tǒng)MEC 回路產(chǎn)生的電勢一般在-300 mV 左右[5]，所以，為獲得氫氣，添加在陰陽兩極間的電壓至少在110mV。在實際MEC 運行過程中，考慮到內(nèi)阻的影響，通常設(shè)定電壓值在0.2～0.8 V 之間[3]。

選擇合適的底物則對發(fā)展MEC 制氫工藝至關(guān)重要，它將直接決定工藝運行的成本和氫氣產(chǎn)率。在MEC 中，當復(fù)雜碳水化合物經(jīng)水解生成單糖后，微生物在厭氧條件下通過糖酵解途徑將單糖酵解為丙酮酸，隨后通過丙酮酸的氧化還原機制平衡輔酶NAD+或NADP+的量，維持微生物的代謝產(chǎn)能過程，從而使得反應(yīng)自發(fā)進行下去。在丙酮酸氧化還原后，產(chǎn)生的末端產(chǎn)物如乙酸、丙酸、丁酸等揮發(fā)性脂肪酸，在額外電壓的驅(qū)動下，可被微生物繼續(xù)氧化，從而實現(xiàn)厭氧“發(fā)酵障礙”現(xiàn)象的減弱。

當前，已開展以甲酸鹽[6]、乙酸鈉[7]、畜禽廢水[8]、發(fā)酵出水[9]、工業(yè)廢水[10]、蛋白質(zhì)[11]和葡萄糖[12]等為底物進行MEC 產(chǎn)氫研究。對于不同的底物類型，由于乙酸鈉可直接進入生化反應(yīng)從而可獲得比復(fù)合蛋白質(zhì)等更多的產(chǎn)氫量[9]。

本文作者主要通過構(gòu)建單格室MEC，以預(yù)處理過的發(fā)酵制氫廢液為底物，利用發(fā)酵制氫廢液的乙酸為電子供體，碳布為陽極，涂布有Ni 納米顆粒的不銹鋼網(wǎng)為催化陰極，進行系統(tǒng)產(chǎn)氫研究，以期達到減弱厭氧“發(fā)酵障礙”及治污與產(chǎn)能一體化的目的，為未來MEC 應(yīng)用于環(huán)境污染控制領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 產(chǎn)電菌的富集

采用微生物燃料電池（microbila fuel cell，MFC）的方式進行產(chǎn)電菌的富集。通過構(gòu)建單室無膜MFC，以人工配制含乙酸鈉濃度1000 mg/L、pH 值為7.10 的磷酸鹽緩沖液為底物，以碳布為陽極，涂布有Ni 納米顆粒的不銹鋼網(wǎng)為催化陰極，通過測定產(chǎn)生的電壓值和化學(xué)需氧量（COD）降解率來判斷產(chǎn)電菌的富集。待連續(xù)3 個周期產(chǎn)生的電壓穩(wěn)定后，將附著有產(chǎn)電菌的陽極生物膜轉(zhuǎn)入MEC 中，并通過充滿氮氣以排除MEC 內(nèi)的空氣，保證反應(yīng)器維持在厭氧狀態(tài)，使之進入?yún)捬醍a(chǎn)氫模式。

1.2 底物的來源

從實驗室穩(wěn)定運行的厭氧發(fā)酵制氫反應(yīng)器中獲得發(fā)酵制氫廢液導(dǎo)入MEC 中，通過對底物進行預(yù)處理，強化乙酸的積累后，以乙酸作為MEC 的主要電子供體，并添加1 mL/L 的營養(yǎng)鹽。營養(yǎng)鹽成分如下所示：H3BO350 mg/L；CuCl230 mg/L；MnSO4·H2O 50 mg/L；(NH4)6Mo7O24·4H2O 50 mg/L；AlCl350 mg/L；CoCl2·6H2O 50 mg/L；NiCl250 mg/L；ZnCl250 mg/L。

1.3 MEC 催化陰極制備

MEC 催化陰極由涂布有Ni 納米顆粒的不銹鋼網(wǎng)（306#）（長4 cm×寬2 cm）制成，其中不銹鋼網(wǎng)催化陰極的制作采用熱解涂布法來完成，包括擴散層和催化層。在擴散層一側(cè)，將PTFE 溶液（質(zhì)量分數(shù)為60%）均勻涂布一層后置于350 ℃馬弗爐中灼燒0.5 h，重復(fù)上述步驟涂布4 層；在催化層一側(cè)，稱取16 mg 的Ni 納米顆粒，溶于13.28 μL 的去離子水和53.28 μL 的異丙醇中，加入106.7 μL 的PTFE（質(zhì)量分數(shù)為60%）溶液，漩渦震蕩20 s 后置于350 ℃的馬弗爐中灼燒0.5 h，最后獲得Ni 催化陰極含Ni 量約為2 mg/cm2。

1.4 反應(yīng)裝置

MEC 反應(yīng)裝置由有機玻璃制成的內(nèi)徑5 cm 的單室無膜結(jié)構(gòu)，有效溶液體積為85 mL。頂部設(shè)置氣體采集口，以氣袋收集的方式收集氣體。陽極為氮氣處理過的碳布（長4 cm×寬2 cm）。陰極為自制的催化陰極，額外附加電壓通過穩(wěn)壓直流電源（Atten PPS3003S）控制在Eap=0.6 V。整個反應(yīng)器運行溫度恒定在(30±1) ℃。

1.5 分析及計算方法

（1）氫氣含量的測定 混合氣體中氫氣含量 的測定采用配備有熱導(dǎo)檢測器（TCD）的氣相色譜儀（GC9890A，上海天美），以氣密性注射器（400 μL，Agilent Syringe）手動進樣的方式進樣。

（2）厭氧發(fā)酵制氫廢液乙酸等揮發(fā)性脂肪酸 濃度的測定 采用配備有陽離子交換柱（IonPac AS11：250 mm×4 mm）和保護柱（50 mm×4 mm）的離子色譜儀（ICS-3000，DIONEX）來測定。采用濃度梯度程序分離，淋洗液流速控制在 1.0 mL/min。所有樣品在進入離子色譜儀前先在6000 r/min 的轉(zhuǎn)速下離心15 min 后經(jīng)0.22 μm 的水性濾膜過濾，最后調(diào)整樣品的pH 值在3 左右待測。

（3）COD 的測定 采用標準方法測定[13]。

（4）COD 去除率計算

式中，CODin為進水COD 濃度；CODout為出水COD 濃度。

（5）制氫系統(tǒng)指標計算

氫氣產(chǎn)量

氫氣產(chǎn)率

能量效率

式中，VH2為氣袋收集的氣體體積；VR為MEC反應(yīng)器有效體積；WH2為氫氣的燃燒值 285.83 kJ/mol；Win為穩(wěn)壓直流電源輸入的電能。

2 結(jié)果和討論

2.1 底物的預(yù)處理

將獲取的發(fā)酵制氫廢液作為MEC 的底物，調(diào)控相關(guān)因子對發(fā)酵出水進行預(yù)處理，從而強化乙酸的積累，設(shè)定pH 值[14]、C/N[15]和二溴乙烷磺酸鹽（BES）濃度[16]，通過正交實驗結(jié)果（表1）進行極差分析，可知對出水乙酸濃度積累影響最大的因子為BES 濃度。主要是因為BES 是一種特異性極強的物質(zhì)，除產(chǎn)甲烷菌外對其它厭氧產(chǎn)酸細菌沒有影響，同時具有產(chǎn)甲烷菌的輔酶M 的結(jié)構(gòu)類似物，在適當濃度下，可抑制嗜氫產(chǎn)甲烷菌和嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌，且可促進同型乙酸菌的生長，通過水解發(fā)酵產(chǎn)酸和同型產(chǎn)乙酸過程來實現(xiàn)厭氧發(fā)酵末端產(chǎn)物中乙酸濃度的積累。由表1 的因素水平均值分析，每個因子的不同水平對厭氧發(fā)酵反應(yīng)器的影響各自不同。對比因素水平均值的出水乙酸濃度值，pH 因素中，K21＞K31＞K11；而對因素BES 而 言，K23＞K13＞K33；對 C/N 而 言，則 K32＞K22＞K12。即強化出水乙酸濃度積累的最優(yōu)工藝參數(shù)分別為pH=7，C/N=44，BES=20 mmol/L。最后在最優(yōu)參數(shù)運行下，發(fā)酵制氫廢液主要以乙酸為主且具有明顯優(yōu)勢，各組分濃度分別為：乙酸1031.12 mg/L，乳酸51.32 mg/L，丙酸84.94 mg/L，丁酸71.24 mg/L。

表1 正交實驗出水乙酸濃度積累值

2.2 陽極生物膜富集

以MFC 模式進行陽極生物膜的富集，通過對COD 去除率的考察，確定陽極生物膜的附著。MFC進水COD 由乙酸鈉提供，通過配制1000 mg/L 乙酸鈉溶液，COD 約為450 mg/L，經(jīng)過9 個周期的運行，從COD 的去除率走勢圖可以看到，COD 去除率逐步呈現(xiàn)增大趨勢，平均去除率達89.1%±3.1%（圖2）。通過設(shè)置的非生物性控制實驗和空白實驗的對照，可以得出在MFC 中，有機物的降解主要通過陽極生物膜來實現(xiàn)，即可判斷陽極生物膜附著成功。

2.3 MEC 對COD 去除效果

將附著有生物膜的陽極導(dǎo)入到MEC 中，以預(yù)處理過的發(fā)酵制氫廢液作為電子供體。從MEC 的進出水COD 分析其去除效果（圖3）。從圖3 可以看出，預(yù)處理過的厭氧發(fā)酵制氫廢液在MEC 裝置中可被進一步降解，其COD 總的去除率可達99%以上，明顯高于以市政污水為底物的MEC 去除率（76%）[17]和以發(fā)酵出水為底物的單室MEC 中SCOD 去除率（60%）[18]。其對COD 的去除過程主要通過陽極附著的產(chǎn)電菌作用，利用電化學(xué)反應(yīng)過程，將末端產(chǎn)物中的有機物繼續(xù)降解同時釋放電子，而陰極催化劑Ni 納米顆粒的作用則促進了陽極電子向陰極的遷移，從而加速了陽極微生物對有機物的降解。結(jié)果表明，使用預(yù)處理過的厭氧發(fā)酵制氫廢液為底物，其中的乙酸可被MEC 較為徹底地去除，體現(xiàn)了MEC 對高濃度有機廢水的處理具有的強大潛力。

圖2 MFC 陽極生物膜富集過程COD 去除效果圖

圖3 MEC 對COD 的去除效果圖

2.4 MEC 產(chǎn)氫效果

以預(yù)處理過的厭氧發(fā)酵制氫廢液為底物，利用其中的乙酸為主要的電子供體，穩(wěn)定運行5 個周期后，收集MEC 產(chǎn)生的氣體，可獲得(1.31±0.04) m3H2/(m3·d)（圖4），與兩階段厭氧-電催化系統(tǒng)的產(chǎn)氫率(1.11±0.13) L H2/(L·d)[19]相比，略有增大。但與發(fā)酵-MFC-MEC 產(chǎn)氫率0.48 m3H2/(m3·d)[9]相比，本研究的產(chǎn)氫優(yōu)勢就明顯體現(xiàn)。出現(xiàn)該結(jié)果的原因主要是在本次的研究中，通過預(yù)處理厭氧發(fā)酵制氫廢液，優(yōu)化了發(fā)酵制氫廢液中乙酸濃度的積累，使得底物在MEC 反應(yīng)器中，在產(chǎn)電菌的作用下可直 接作為電子通體進入生化反應(yīng)降解轉(zhuǎn)化為氫氣，同時陰極Ni 納米顆粒的催化作用可較大的降低陰極過電勢，并提高陰陽兩極間的極化能，從而獲得比無催化劑MEC 高的產(chǎn)氫率[0.5 m3H2/(m3·d)][20]。由圖4 可知，在0.6V 額外電壓的催化下，MEC 進行產(chǎn)氫可獲得較高的能量效率（138.6%±3.1%，圖4），表明MEC 利用預(yù)處理過的乙酸為主的厭氧發(fā)酵制氫廢液為底物在產(chǎn)氫方面具有較大的潛力。

圖4 MEC 產(chǎn)氫效果及能量效率圖

3 結(jié) 論

（1）通過調(diào)控相關(guān)因子可實現(xiàn)厭氧發(fā)酵制氫 廢液中乙酸濃度的高效積累，其中BES 對發(fā)酵產(chǎn)乙酸過程影響最大。

（2）利用預(yù)處理過的厭氧發(fā)酵制氫廢液為底物，以乙酸為主要的電子供體，在單格室無膜MEC反應(yīng)器中，以涂布有Ni 納米顆粒的不銹鋼網(wǎng)為陰極，碳布為陽極，最終可獲得(1.31±0.04) m3H2/(m3·d)和(2.78±0.11) mLH2/mgCOD 的產(chǎn)氫率，以及138.6%±3.1%的能量效率，同時對COD 的去除率可達99.0%±0.3%。

（3）整個實驗研究表明，以乙酸為主的發(fā)酵制氫廢液可作為MEC 的主要電子供體，利用產(chǎn)電菌的作用可實現(xiàn)在處理高濃度有機廢水的同時進行產(chǎn)氫，從而實現(xiàn)了厭氧“發(fā)酵障礙”現(xiàn)象的減弱。

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