微生物燃料電池處理偶氮含鹽廢水的產(chǎn)電性能和降解過(guò)程

潘文政，紀(jì)志永，汪婧，李淑明，黃智輝，郭小甫，劉杰，趙穎穎，袁俊生

（1 河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津 300130；2 河北工業(yè)大學(xué)海水資源高效利用化工技術(shù)教育部工程研究中心，天津 300130；3 河北省現(xiàn)代海洋化工技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300130）

偶氮染料是印染行業(yè)中常用的染料，占比在80%以上；其應(yīng)用于染整后產(chǎn)生的偶氮含鹽廢水，成分復(fù)雜，對(duì)環(huán)境危害較大。偶氮含鹽廢水中的有機(jī)物多為含有發(fā)色基團(tuán)（如—N==N—）和極性基團(tuán)（如—SONa、—OH、—NH）的染料，無(wú)機(jī)物主要為NaSO等。印染廢水的處理方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法。其中，物理法和化學(xué)法處理含鹽印染廢水的成本較高，易造成二次污染；生物法具有能耗低的特點(diǎn)，近幾年利用微生物燃料電池（microbial fuel cell,MFC）處理廢水的同時(shí)挖掘能源成為熱點(diǎn)之一，但應(yīng)用于偶氮含鹽廢水的處理關(guān)注較少。因此，開展微生物燃料電池處理偶氮含鹽廢水具有重要的意義。

微生物燃料電池是利用陽(yáng)極微生物的催化作用將廢水中有機(jī)物降解并同時(shí)產(chǎn)生電能的技術(shù)。MFC 目前已應(yīng)用于多種類型污水的處理，如生活廢水、抗生素廢水、榨菜廢水等。Liu 等研究發(fā)現(xiàn)基質(zhì)中含二價(jià)陰離子的無(wú)機(jī)鹽濃度增大時(shí)，對(duì)MFC 產(chǎn)電性能的提高存在不利影響，且廢水中SO濃度較低（25mmol/L）時(shí)MFC 可以獲得最佳的功率密度。在將MFC 應(yīng)用于含鹽廢水處理時(shí)發(fā)現(xiàn)廢水的含鹽量影響著MFC 的產(chǎn)電性能，最佳含鹽量（以NaCl 計(jì)）約為0.25mol/L。但在實(shí)際印染廢水中含鹽量一般在0.03mol/L 左右（以NaCl 計(jì)），鹽分主要是NaCO和NaSO。因此需要進(jìn)一步研究不同含二價(jià)陰離子的低濃度無(wú)機(jī)鹽廢水對(duì)MFC產(chǎn)電和降解性能的影響。

偶氮基團(tuán)的降解主要是通過(guò)吸電子還原完成的，在MFC 中其是借助生物電化學(xué)過(guò)程實(shí)現(xiàn)的，因此可通過(guò)研究陽(yáng)極生物膜的微生物群落結(jié)構(gòu)來(lái)探究MFC 對(duì)偶氮染料的降解機(jī)理。前人研究表明，MFC 中微生物群落的變化主要受到有機(jī)底物類型的影響；MFC 降解偶氮染料后陽(yáng)極生物膜的微生物群落主要為變形菌門，這是目前生物法污水處理過(guò)程中常見(jiàn)的微生物種群。但通過(guò)研究微生物群落結(jié)構(gòu)來(lái)探究MFC 對(duì)偶氮染料降解機(jī)理的研究較少。

本文以直接紅13 和葡萄糖共基質(zhì)作為雙室MFC 底物，考察兩種二價(jià)陰離子（對(duì)應(yīng)兩種鹽，即NaCO和NaSO）對(duì)MFC 產(chǎn)電性能和污染物降解的影響，并通過(guò)分析MFC 陽(yáng)極生物膜微生物群落的前后變化以及直接紅13 的降解產(chǎn)物，探究MFC 對(duì)偶氮含鹽廢水的降解機(jī)理，為針對(duì)偶氮含鹽廢水的高效處理及能量回收提供相關(guān)數(shù)據(jù)和理論支持。

1 材料與方法

1.1 試劑與藥品

直接紅13（純度>95%，分子結(jié)構(gòu)如圖1所示），山東優(yōu)索化工科技有限公司；葡萄糖、硫酸鈉、碳酸鈉均為分析純，天津科密歐試劑有限公司；其他試劑均為分析純，上海麥克林試劑有限公司。

圖1 直接紅13分子結(jié)構(gòu)式

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 微生物燃料電池MFC的構(gòu)建、啟動(dòng)與運(yùn)行

本實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)器為有機(jī)玻璃材質(zhì)，陰陽(yáng)室的工作體積均為28mL。陽(yáng)極基材為改性電極，通過(guò)將石墨氈（2.3cm×3.5cm×2mm）浸沒(méi)于酸性重鉻酸鉀（重鉻酸鉀和硫酸的濃度分別為0.4mol/L、2mol/L）中，在100℃下水熱反應(yīng)2h制得。以此方法獲得改性陽(yáng)極的表面粗糙度得到增強(qiáng)，其官能團(tuán)的種類增多，從而表現(xiàn)出更好的電化學(xué)性能；陰極為同尺寸的石墨氈電極；雙室之間放置4cm×3cm 的質(zhì)子交換膜（DuPont Nafion117，北京普能世紀(jì)科技公司），外接1000Ω 薄膜電阻（或20～10000Ω 的變阻箱，ZX21，富陽(yáng)精密儀器）構(gòu)成閉合回路，構(gòu)成如圖2 所示的微生物燃料電池MFC 反應(yīng)器。MFC的環(huán)境溫度控制在(21±1)℃。

圖2 微生物燃料電池反應(yīng)器示意圖

MFC陽(yáng)極接種的微生物來(lái)自天津某生活污水處理廠的活性污泥。陽(yáng)極接種微生物之后，以乙酸鈉為基質(zhì)運(yùn)行至電壓穩(wěn)定輸出，即為成功啟動(dòng)；當(dāng)外部電阻上監(jiān)測(cè)到的電壓低于50mV時(shí)更換陰陽(yáng)極液，即為完成一個(gè)周期。其中，MFC陽(yáng)極液由1g/L乙酸鈉和50mmol/L磷酸鹽緩沖溶液以及營(yíng)養(yǎng)液組成（每升營(yíng)養(yǎng)液含有12.5mL微量元素溶液和5mL維生素溶液）；陰極液為50mmol/L鐵氰化鉀溶液和50mmol/L磷酸鹽緩沖溶液。上述溶液按照文獻(xiàn)[16-18]配制。

MFC 成功啟動(dòng)后，將陽(yáng)極液更換為偶氮廢水（乙酸鈉更換為1g/L葡萄糖和50mg/L直接紅13，其他成分不變），陰極液成分不變；待MFC以偶氮廢水為底物運(yùn)行至電壓輸出穩(wěn)定后，將陽(yáng)極液替換為含有30mmol/L 硫酸鈉的偶氮含鹽廢水，陰極液替換為含有相同濃度硫酸鈉的鐵氰化鉀溶液，其他成分不變，穩(wěn)定運(yùn)行三個(gè)周期（約108h）；然后，將陽(yáng)極液替換為含有30mmol/L 碳酸鈉的偶氮含鹽廢水，陰極液替換為含有相同濃度碳酸鈉的鐵氰化鉀溶液，其他成分不變，穩(wěn)定運(yùn)行三個(gè)周期（約108h）。上述不同電極液的pH 和電導(dǎo)率如表1 所示，其中各階段電極液的pH 變化不大，添加硫酸鈉和碳酸鈉后溶液的電導(dǎo)率明顯增大。

表1 不同電極液的pH、電導(dǎo)率

1.2.2 MFC性能測(cè)定

通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（MCC-DAQ1608G，美國(guó)MCC）以監(jiān)控MFC 運(yùn)行過(guò)程中的電壓變化，外接電阻兩端的電壓每5min 自動(dòng)記錄存取。電流密度和功率密度所需的數(shù)據(jù)，通過(guò)變電阻法收集，阻值變化范圍在20～10000Ω，每隔5min調(diào)整一次阻值。電流密度和功率密度分別由式(1)、式(2)計(jì)算。

“醫(yī)養(yǎng)結(jié)合”的養(yǎng)老模式主要是促使?fàn)I利性養(yǎng)老服務(wù)機(jī)構(gòu)與定點(diǎn)醫(yī)院合作建立“雙向轉(zhuǎn)軌”機(jī)制。在養(yǎng)老機(jī)構(gòu)里，應(yīng)設(shè)立醫(yī)務(wù)室，方便對(duì)慢性病老年人進(jìn)行護(hù)理并滿足老年人日常的用藥需求。同時(shí)，設(shè)置一些臨床科目，讓醫(yī)院的醫(yī)師及專家可以定期到養(yǎng)老服務(wù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行會(huì)診，從而能夠把慢性病老年人逐漸從醫(yī)院分流出來(lái)。另外，養(yǎng)老服務(wù)機(jī)構(gòu)應(yīng)與醫(yī)療急救中心合作，在養(yǎng)老服務(wù)機(jī)構(gòu)設(shè)立120急救站，方便老年人就醫(yī)，一旦養(yǎng)老服務(wù)機(jī)構(gòu)的老年人病情突然嚴(yán)重時(shí)可及時(shí)轉(zhuǎn)入大醫(yī)院治療。

式中，為電流密度；為外部負(fù)載兩端的電壓；為變阻箱電阻；為陽(yáng)極基材的橫截面積（2.3cm×3.5cm）；為功率密度。

通過(guò)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（UV-2700，日本島津）在527nm測(cè)定處理液的吸光度，采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法確定處理液中直接紅13 的濃度；電極液中葡萄糖濃度的測(cè)定采用3,5-二硝基水楊酸比色法。

1.2.3 直接紅13降解產(chǎn)物的分析

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17592—2011中的方法，使用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)（TQ8040，日本島津）對(duì)MFC處理液中可能存在的物質(zhì)進(jìn)行分析。

1.2.4 MFC陽(yáng)極生物膜的微生物群落分析

微生物的群落分析委托北京百邁客生物科技有限公司進(jìn)行。即采用16s rDNA 雙末端方法，將陽(yáng)極生物膜收集定量后送入Illumina HiSeq 平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同偶氮廢水對(duì)MFC產(chǎn)電性能的影響

在利用MFC 處理偶氮廢水的過(guò)程中，電極液的成分變化會(huì)對(duì)MFC的產(chǎn)電性能產(chǎn)生影響。由圖3中不同陽(yáng)極液下MFC 的電壓輸出情況可知，該MFC 系統(tǒng)的運(yùn)行可分為四個(gè)階段：Ⅰ為MFC 產(chǎn)電馴化階段，Ⅱ?yàn)镸FC 處理偶氮廢水階段，Ⅲ和Ⅳ為處理偶氮含鹽廢水階段（所含鹽分別為硫酸鈉和碳酸鈉）。進(jìn)入階段Ⅱ后，陽(yáng)極液中的有機(jī)物發(fā)生變化，最大輸出電壓經(jīng)過(guò)三個(gè)周期后逐步穩(wěn)定在450mV 左右。MFC 在階段Ⅲ的最大輸出電壓為495.10mV(Ⅲ)，高于458.37mV(Ⅱ)和438.06mV(Ⅳ)。階段Ⅱ前兩個(gè)周期電壓發(fā)生急劇變化的原因是陽(yáng)極的產(chǎn)電活性微生物因?yàn)橛袡C(jī)底物的改變而轉(zhuǎn)變?yōu)檫m應(yīng)當(dāng)前環(huán)境的群落，微生物總量降低，進(jìn)而導(dǎo)致MFC 的輸出電壓降低；當(dāng)陽(yáng)極生物膜逐漸成熟并穩(wěn)定后，最大輸出電壓也隨之穩(wěn)定。而Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ階段最大輸出電壓變化的主要原因是，電極液中無(wú)機(jī)鹽的差異導(dǎo)致了導(dǎo)電能力及緩沖能力的差異。文獻(xiàn)研究表明，在MFC 其他條件相同，且電極液的含鹽量保持相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，溶液的導(dǎo)電能力決定MFC 的產(chǎn)電性能。因此，向陽(yáng)極液額外添加硫酸鈉可以增強(qiáng)溶液的導(dǎo)電能力，進(jìn)而改善MFC 的產(chǎn)電能力。

圖3 不同陽(yáng)極液MFC的電壓輸出曲線

圖4 不同陽(yáng)極液對(duì)MFC產(chǎn)電性能的影響

2.2 不同偶氮廢水對(duì)MFC降解有機(jī)物效果的影響

圖5 不同陽(yáng)極液對(duì)MFC去除直接紅13的影響

廢水中葡萄糖共基質(zhì)的降解同樣會(huì)受到電極液成分變化的影響。不同陽(yáng)極液對(duì)MFC 降解葡萄糖共基質(zhì)的影響如圖6所示。由圖6可知，MFC對(duì)葡萄糖的降解率在第2周期趨于穩(wěn)定，且當(dāng)電極液額外添加鹽時(shí)降解率較高（96%～98%）；額外添加硫酸鈉時(shí)對(duì)葡萄糖的降解率可以達(dá)到98%以上，高于添加碳酸鈉時(shí)的降解效果。產(chǎn)生上述變化的主要原因是：①M(fèi)FC 陽(yáng)極生物膜受到陽(yáng)極液成分改變的影響，其活性會(huì)發(fā)生變化，從而降低微生物初期對(duì)有機(jī)物的去除率，當(dāng)微生物逐步適應(yīng)變化后，對(duì)有機(jī)物的降解會(huì)恢復(fù)到穩(wěn)定的水平；②額外添加適量鹽能提高陽(yáng)極生物膜上微生物的活性，從而改善了MFC 陽(yáng)極生物膜對(duì)廢水中易降解有機(jī)物的利用率；③MFC 過(guò)程中電子通常經(jīng)過(guò)外部電路在陰極與電子受體結(jié)合。當(dāng)添加SO時(shí)，其可以作為電子受體在陽(yáng)極接收有機(jī)物降解過(guò)程中產(chǎn)生的部分電子，這樣就縮短了電子消耗的路徑，進(jìn)而提高了MFC 對(duì)共基質(zhì)的降解效率；當(dāng)添加CO時(shí)，其會(huì)影響電極液中離子（特別是質(zhì)子）的傳遞，一定程度上導(dǎo)致質(zhì)子在陽(yáng)極累積，進(jìn)而抑制產(chǎn)電活性微生物對(duì)葡萄糖共基質(zhì)的降解。

圖6 不同陽(yáng)極液對(duì)MFC降解葡萄糖共基質(zhì)的影響

2.3 MFC降解直接紅13的產(chǎn)物組成

有機(jī)物在MFC 中的降解過(guò)程主要是生物電化學(xué)降解過(guò)程。為確定MFC 降解直接紅13 后的產(chǎn)物進(jìn)而分析直接紅13 的降解過(guò)程，對(duì)固相萃取后的樣品進(jìn)行GC-MS 檢測(cè)，結(jié)果如圖7 和表1 所示。從中可以得到，出水中有機(jī)物主要以芳香胺為主，如苯胺、鄰甲苯胺、1,4-苯二胺、2-萘胺、5-硝基-鄰甲苯胺、4-氨基聯(lián)苯等。其中，偶氮基團(tuán)（A—N==N—A'） 降 解 產(chǎn) 生 芳 香 胺（A—NH、A'—NH）的過(guò)程如式(3)。

圖7 MFC出水的GC-MS譜圖

表2 MFC降解直接紅13產(chǎn)生的物質(zhì)

由此認(rèn)為，MFC 對(duì)直接紅13 的降解過(guò)程包括兩部分：①產(chǎn)電活性微生物氧化葡萄糖及直接紅13 中除偶氮基團(tuán)外的其他官能團(tuán)，產(chǎn)生電子和質(zhì)子；②偶氮基團(tuán)在還原細(xì)菌的作用下，接受①產(chǎn)生的電子和質(zhì)子進(jìn)行加氫還原，被降解轉(zhuǎn)化為芳香胺等物質(zhì)。如Liu 等研究MFC 對(duì)剛果紅的降解產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)陽(yáng)極生物膜的作用，偶氮基團(tuán)被還原轉(zhuǎn)化為胺基，最終產(chǎn)物以芳香胺（萘胺）為主。

2.4 MFC的群落結(jié)構(gòu)變化

通常有機(jī)底物的變化會(huì)顯著影響到MFC 陽(yáng)極生物膜上微生物群落的變化。將MFC處理偶氮廢水和偶氮含鹽廢水后的陽(yáng)極生物膜（分別為S1 和S2），與產(chǎn)電馴化后的陽(yáng)極生物膜（domestic）和接種污泥（origin）進(jìn)行群落結(jié)構(gòu)對(duì)比，結(jié)果如圖8所示（僅顯示相對(duì)占比前十的微生物群落）。在本研究中，有機(jī)底物始終是直接紅13 和葡萄糖共基質(zhì)，通過(guò)分析MFC 在處理偶氮含鹽廢水之后的微生物群落，可探究MFC 在含鹽條件下對(duì)直接紅13的降解機(jī)理。

從圖8(a)可以看出，相較于接種污泥，產(chǎn)電馴化后陽(yáng)極生物膜的種群數(shù)量降低，專一性增強(qiáng)，以變 形 菌 門 （） 、 擬 桿 菌 門（）和厚壁菌門（）等產(chǎn)電活性微生物為主；在以直接紅13和葡萄糖為底物時(shí)， 擬 桿 菌 門（） 和 放 線 菌 門（）占比顯著增大，陽(yáng)極生物膜轉(zhuǎn)變?yōu)橐宰冃尉T（45%）、擬桿菌門（29%）、厚壁菌門（15%）和放線菌門（9%）為主。在處理完偶氮含鹽廢水后，對(duì)其微生物群落在屬水平上的差異進(jìn)一步分析[圖8(b)]，發(fā)現(xiàn)地桿菌屬（）相對(duì)占比下降，由46.03%降至5.32%～6.14%；擬桿 菌 屬 （）、 克 雷 伯 氏 菌 屬（）、脫硫弧菌屬（）和氨基酸球菌屬（）相對(duì)占比增長(zhǎng)顯著。

圖8 MFC接種污泥（origin）、產(chǎn)電馴化后（domestic）、處理偶氮廢水和偶氮含鹽廢水后的陽(yáng)極生物膜（分別為S1和S2）的微生物群落柱形圖

在處理偶氮廢水后，陽(yáng)極生物膜原有的產(chǎn)電活性菌（、和）等受到抑制，這是因?yàn)樘幚砼嫉獜U水時(shí)，陽(yáng)極生物膜不再僅以產(chǎn)電為主，而是需要降解轉(zhuǎn)化復(fù)雜有機(jī)物（葡萄糖、直接紅13）并同步產(chǎn)電。在對(duì)S1 和S2的微生物群落進(jìn)行對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，微生物群落進(jìn)一步演變，種群數(shù)量進(jìn)一步降低。其中，地桿菌屬（）和脫硫弧菌屬（）為典型的電活性菌和水解產(chǎn)酸菌，廢水中的葡萄糖共基質(zhì)在上述菌屬的共同作用下產(chǎn)生電子和質(zhì)子；還原菌[氨基酸球菌屬（）、擬桿菌屬（）和克雷伯氏菌屬（）]對(duì)偶氮基團(tuán)的還原起到重要作用。在這幾類菌的協(xié)同作用下，電活性菌和水解產(chǎn)酸菌降解葡萄糖產(chǎn)生的電子和質(zhì)子參與還原菌加氫還原直接紅13 偶氮基團(tuán)的過(guò)程，即通過(guò)生物電化學(xué)過(guò)程實(shí)現(xiàn)直接紅13中偶氮基團(tuán)的加氫還原，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)直接紅13 的降解去除。

3 結(jié)論

本研究通過(guò)接種天津某生活污水處理廠的活性污泥構(gòu)建了MFC，并應(yīng)用于處理偶氮含鹽廢水，實(shí)現(xiàn)了直接紅13 的降解和同步產(chǎn)電，并探究了MFC降解偶氮含鹽廢水中直接紅13的機(jī)理。

（1）MFC 處理含硫酸鈉的偶氮含鹽廢水時(shí)，其最大輸出電壓穩(wěn)定在約495mV，最大電流密度為1.1A/m，最大功率密度為265.38mW/m，高于處理偶氮廢水和含碳酸鈉的偶氮含鹽廢水時(shí)的效果。

（3）MFC 降解偶氮含鹽廢水后的菌落主要有變 形 菌 門 （） 、 厚 壁 菌 門（）、擬桿菌門（）和放線菌門（），總占比達(dá)到了95%以上；地桿菌屬（）脫硫弧菌屬（）、克 雷 伯 氏 菌 （）、 擬 桿 菌 屬（）、氨基酸球菌屬（）的共同作用實(shí)現(xiàn)了直接紅13 的還原降解，并通過(guò)生物電化學(xué)過(guò)程將直接紅13還原為芳香胺類物質(zhì)。