沉積型微生物燃料電池對(duì)污染底泥中重金屬Cr(Ⅵ)去除的研究

馬彥濤，杜征宇，王 旭，黃種買(mǎi)

（1. 中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071；2. 武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079）

近幾十年來(lái)，河流水體受到的污染越來(lái)越嚴(yán)重[1]，逐漸威脅到我們的生活，而底泥作為河流水體中污染物最大的“匯”與最大的“源”，其危害巨大。美國(guó)的大湖地區(qū)、德國(guó)的漢堡港、萊茵河流域以及荷蘭的阿姆斯特丹港口等地區(qū)的底泥中含有大量的污染物，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染[2]，并且該污染為二次污染，不僅威脅水體中的植物和動(dòng)物，甚至?xí)：θ祟惤】礫2?4]。隨著國(guó)家對(duì)水體污染的治理越來(lái)越重視，河流水體環(huán)境得到改善，但底泥中大量的污染物仍是一個(gè)巨大的隱患[5]?，F(xiàn)階段有越來(lái)越多針對(duì)河流底泥污染物治理的措施與方法，如傳統(tǒng)底泥污染治理方法中的物理方法、化學(xué)方法及生物生態(tài)方法等，這些方法有一定的適用性，但成本較高。考慮到目前能源危機(jī)不斷凸顯，更加節(jié)能、有效、適用的治理方法成為底泥污染治理的研究熱點(diǎn)。

沉積型微生物燃料電池（SMFC）是將陽(yáng)極置于厭氧的底泥中，陰極懸在底泥上方的好氧水體中，通過(guò)陽(yáng)極表面微生物的代謝作用，使得底泥中的有機(jī)物發(fā)生厭氧降解，產(chǎn)生電子和質(zhì)子，電子通過(guò)外接導(dǎo)線傳遞給陰極附近水體中的氧化性物質(zhì)。同時(shí)，產(chǎn)生的質(zhì)子通過(guò)底泥和上覆水體傳遞到陰極，陰極附近的氧化性污染物得到電子后會(huì)與質(zhì)子反應(yīng)，從而有效去除底泥及上覆水體中污染物。由于陰陽(yáng)極之間形成了閉合回路，因此SMFC 還可以產(chǎn)生電能用于其他方面，節(jié)約成本[6?8]。

SMFC 作為近十幾年發(fā)展的技術(shù)，特殊的結(jié)構(gòu)使其在河流湖泊底泥原位修復(fù)上有較大的潛力。Han et al 用SMFC 實(shí)現(xiàn)了上覆水體中硝酸鹽和Cr(Ⅵ)的同步去除[9]用SMFC 實(shí)現(xiàn)了上覆水體中硝酸鹽和Cr(Ⅵ)的同步去除。目前的研究還集中在利用SMFC 去除各類重金屬，關(guān)于優(yōu)化SMFC 參數(shù)去除Cr(Ⅵ)的研究?jī)?nèi)容較少?；诖?，本文通過(guò)探討鹽酸預(yù)處理后的SMFC 在不同陰極材料、不同外接電阻下對(duì)Cr(Ⅵ)去除的影響，以期望得到底泥中Cr(Ⅵ)的去除機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料、試劑及儀器設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料：PAN 基碳?xì)?、碳刷、電阻、污泥（取自武漢東湖底泥）等。

試劑：鹽酸、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、氯化銨、重鉻酸鉀等。

主要儀器：電化學(xué)工作站（CHI604e）；數(shù)據(jù)采集儀（2700）；生化培養(yǎng)箱（SPX-250BⅢ）；原子吸收光譜儀（contrAA700）；X 射線電子能譜儀（ESCALAB 250Xi）；掃描式電子顯微鏡（QUANTA）。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置的搭建

將鈦絲來(lái)回穿插所需要的碳材料，用ABS 塑料棒固定好陰陽(yáng)極，使得陽(yáng)極在下方，陰極在上方，陽(yáng)極與ABS 塑料棒近端的距離為1 cm，將陰陽(yáng)極之間的間距設(shè)為6 cm，中間接入1 000 Ω 電阻。將制作好的SMFC 骨架放置到1 L 燒杯中，加入底泥和PBS 緩沖液，使SMFC 的陽(yáng)極被底泥完全淹沒(méi)，構(gòu)建厭氧環(huán)境，其中底泥厚度為4 cm，緩沖液液面距燒杯上沿1 cm。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)首先利用鹽酸對(duì)碳?xì)?、碳刷預(yù)處理。鹽酸處理可顯著提高碳?xì)?、碳刷表面的N 含量、比表面積、孔徑體積以及輸出功率，減少啟動(dòng)時(shí)間[10]。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)置6 組對(duì)照，見(jiàn)表1。

表1 對(duì)照試驗(yàn)各參數(shù)

碳?xì)种睆綖?.5 cm，厚度為0.5 cm，碳刷長(zhǎng)度為3 cm，半徑1.5 cm。鑒于所取的東湖底泥Cr 含量較低，加入140 mg Cr/（kg 干污泥）重鉻酸鉀溶液，攪拌均勻后放置一天，測(cè)得底泥中Cr 的含量為182.4 mg Cr/（kg 干污泥）。將處理后東湖底泥與PBS 緩沖液加入燒杯中，PBS 緩沖液的成分為11.55 g/L Na2HPO4·12H2O， 2.77 g/L NaH2PO4·2H2O，0.31 g/L NH4Cl，0.13 g/L KCl。將組裝好的SMFC 裝置置于25 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中運(yùn)行60 d，每天加入純水以補(bǔ)償蒸發(fā)的水量。在SMFC 啟動(dòng)過(guò)程中，3、4、5、6 組所接電阻均為1 000 Ω，待SMFC 啟動(dòng)后，再將5、6 組外接電阻換成100 Ω。

1.4 實(shí)驗(yàn)測(cè)定項(xiàng)目及方法

SMFC 運(yùn)行中輸出電壓以標(biāo)準(zhǔn)Ag/AgCl 電極為參比采用keithley2700 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；各電極電勢(shì)采用電化學(xué)工作站CHI604e 監(jiān)測(cè)；底泥與上覆水體總鉻濃度分別采用國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)HJ 491—2009、HJ 757—2015 中方法測(cè)定。

極化曲線獲取方法：將SMFC 開(kāi)路5 h，使外接電阻依次為開(kāi)路狀態(tài)，2 000、1 000 、500、200、100、50 和20 Ω，每種電阻保持30 min 后測(cè)得電阻兩端電壓，依據(jù)所接電阻大小，測(cè)得電流密度和功率密度，得到極化曲線和功率密度曲線[11?12]。

取SMFC 一部分陽(yáng)極材料經(jīng)脫水后進(jìn)行掃描電鏡能譜分析；利用X 射線電子能譜儀測(cè)定陰極上Cr 的價(jià)態(tài)；底泥有機(jī)質(zhì)采用燒失量測(cè)定，見(jiàn)式（1）：式中：LOI為燒失量，%；cw105為底泥在105 ℃下烘干并冷卻至室溫后的恒重，g；cw550為底泥在550oC下煅燒后冷卻至室溫的恒重，g。

微生物群落分析方法：取SMFC 部分陽(yáng)極材料， 用 MIO-BIO PowerSoil DNA Isolation Kit（MOBIO Laboratories, Carlsbad, CA, USA）進(jìn)行DNA 抽提。選擇特異引物序列為細(xì)菌16S rRNA上V4-V5 區(qū) 域 的515F（5′-GTGCCAGCMGCCG CGGTAA-3 ′ ） 和926R （ 5 ′-CCGTCAATTCMTTT GAGTTT-3′）[13?15]。采用兩步PCR 擴(kuò)增的方法構(gòu)建文庫(kù)。待二次PCR 擴(kuò)增后，將PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物于2%瓊脂糖凝膠電泳切膠回收?；厥詹捎肁xyPrepDNA凝膠回收試劑盒（AXYGEN），回收產(chǎn)物在FTC-3000TM real-time PCR 儀上進(jìn)行定量，均一化混勻后文庫(kù)制備結(jié)束。

2 結(jié)果與討論

2.1 SMFC 的啟動(dòng)與輸出電壓分布

3-6 號(hào)SMFC 在第32 d 均啟動(dòng)，各陽(yáng)極電勢(shì)穩(wěn)定在?0.35 V 以下。其中4 號(hào)陰極電勢(shì)較低，位于?0.15 V 左右，其他SMFC 的陰極電勢(shì)穩(wěn)定在0.1 V左右，見(jiàn)圖1。SMFC 電能的輸出會(huì)受限于陰極電勢(shì)[16]，從而使4 號(hào)SMFC 輸出電壓較低，見(jiàn)圖2。

圖1 各SMFC 啟動(dòng)期間陰陽(yáng)極電勢(shì)分布

圖2 各SMFC 輸出電壓分布

觀察各SMFC 在整個(gè)運(yùn)行期間輸出電壓分布情況，待SMFC 啟動(dòng)后，3 號(hào)與6 號(hào)SMFC 的輸出電壓均穩(wěn)定在0.4 V 以上，5 號(hào)SMFC 的輸出電壓穩(wěn)定在0.5 V 左右，4 號(hào)SMFC 的輸出電壓則穩(wěn)定在0.3V 左右，這是由于其陰極電勢(shì)較低導(dǎo)致。在第34 d 將5 號(hào)與6 號(hào)SMFC 的外接電阻從1 000 Ω換成100 Ω，其輸出電壓快速下降，最后穩(wěn)定在0.05 V 左右。

2.2 極化曲線和功率密度曲線的變化

在第32 d 測(cè)定各個(gè)SMFC 的極化曲線，此時(shí)各個(gè)SMFC 均已啟動(dòng)，外阻為1000 Ω，可通過(guò)比較各個(gè)SMFC 的極化曲線，來(lái)反映其電化學(xué)性能的優(yōu)劣。各SMFC 開(kāi)路電壓均分布在0.8 V 左右，其中4 號(hào)SMFC 的電壓隨電流密度增加時(shí)下降較快，導(dǎo)致其輸出功率密度較小。6 號(hào)SMFC 的輸出功率密度最大，其最大輸出功率密度為34 mW/m2，其次是3 號(hào)SMFC，最大輸出功率密度為32 mW/m2。4 號(hào)由于啟動(dòng)時(shí)陰極電勢(shì)較低，整體電化學(xué)性能較差。對(duì)比6 號(hào)、3 號(hào)與5 號(hào)SMFC，6 號(hào)SMFC 的最大輸出功率密度最大，但差距較小，這可能是因?yàn)殡姌O經(jīng)鹽酸處理，各個(gè)SMFC 電化學(xué)性能得到一定提升，使陰極材料不同帶來(lái)的差距減小，見(jiàn)圖3。

圖3 各SMFC 極化曲線和功率密度曲線

2.3 重金屬Cr 的濃度變化

SMFC 上覆水體為PBS 緩沖液，初始不含重金屬Cr，經(jīng)實(shí)驗(yàn)后上覆水體中Cr 濃度均小于15 μg/L，濃度變化較小，故本文不考慮上覆水體中Cr 濃度。

經(jīng)SMFC 作用后，底泥中Cr 的濃度均出現(xiàn)不同程度的下降，見(jiàn)圖4。

圖4 底泥中重金屬Cr 濃度變化

圖4 可知，4 號(hào)SMFC 中Cr 的去除率最大為27.4%，1 號(hào)SMCF 中Cr 去除率最低，為2.1%。對(duì)比不同陰極材料的SMFC 重金屬Cr 的去除率，可知陰極為碳刷的SMFC 更有利于Cr 的去除。這是因?yàn)樘妓⒅刑祭w維束比較分散，導(dǎo)致其比表面積大，更有利微生物的生長(zhǎng)繁殖，從而利于Cr 的去除[16]。對(duì)比3 號(hào)與5 號(hào)以及4 號(hào)與6 號(hào)SMFC 中Cr 的去除率，發(fā)現(xiàn)采用相同的陰陽(yáng)極材料時(shí)，外電阻為1000 Ω 相對(duì)于100 Ω 更有利于Cr 的去除，這可能是因?yàn)镾MFC 在外接電阻為1000 Ω 時(shí)的輸出電壓大于外接電阻為100 Ω 時(shí)的輸出電壓，從而驅(qū)動(dòng)更多的Cr 從陽(yáng)極遷移到陰極上，進(jìn)而被去除。4 號(hào)SMFC 中重金屬Cr 的去除率最高，但其電化學(xué)性能最差，說(shuō)明SMFC 是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，需要更深層次的研究。

2.4 陽(yáng)極EDS 分析和陰極XPS 分析

SMFC 陽(yáng)極上C、O、Al、Si、Au 元素含量較高，見(jiàn)圖5。

圖5 各SMFC 陽(yáng)極掃描電鏡能譜圖

C、O 元素來(lái)自碳?xì)郑籄l、Si 元素來(lái)自附著于碳?xì)值牡啄啵籄u 元素來(lái)自掃描電鏡能譜分析前鍍金；Cr 含量較少，這部分Cr 可能是電極材料對(duì)底泥中Cr 的吸附所產(chǎn)生的，相較于底泥中Cr 含量，電極材料吸附的量可以忽略不計(jì)，表明Cr 的去除不發(fā)生在陽(yáng)極上。

對(duì)SMFC 陰極進(jìn)行X 射線能譜分析，觀察Cr 的價(jià)態(tài)，判斷Cr 的去除機(jī)制，見(jiàn)圖6。

圖6 各SMFC 陰極X 射線能譜

結(jié)合能為576.9 eV 與579 eV 處的峰分別為Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)的典型峰[17]。3-6 號(hào)SMFC 的X 射線能譜圖上均可觀察到Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ) 的典型峰，表明4 個(gè)SMFC 陰極上同時(shí)存在Cr(Ⅵ) 與Cr(Ⅲ)?；诖?，底泥中的Cr(Ⅵ)從陽(yáng)極遷移到陰極后接受電子從而被還原成Cr(Ⅲ)，Cr(Ⅲ)易沉淀進(jìn)而被去除[17]。

2.5 底泥燒失量和DO 的變化

通過(guò)底泥燒失量的變化情況可反映底泥中有機(jī)質(zhì)的消耗情況，見(jiàn)圖7。

圖7 底泥燒失量變化

實(shí)驗(yàn)前底泥燒失量為7.26%，經(jīng)處理后，各底泥中燒失量均有所下降，表明底泥中有機(jī)質(zhì)被消耗。分別對(duì)比3 號(hào)與5 號(hào)、4 號(hào)與6 號(hào)SMFC 中底泥有機(jī)質(zhì)去除率，發(fā)現(xiàn)外接電阻為1000 Ω 時(shí)SMFC 底泥有機(jī)質(zhì)去除量較多，這與一些研究的結(jié)論相悖[18?20]，具體原因需進(jìn)一步研究。將閉路與開(kāi)路的SMFC 中底泥有機(jī)質(zhì)去除率進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在SMFC 中形成閉路，更有利于陽(yáng)極有機(jī)質(zhì)的消耗，這是由于閉路發(fā)生電子傳遞轉(zhuǎn)移。

2.6 微生物群落分析

SMFC 陽(yáng)極生物膜中變形菌門(mén)含量（Proteobacteria）超過(guò)30%、綠彎菌門(mén)（Chloroflexi）約20%，兩者含量最多，見(jiàn)圖8。將1 號(hào)與其他SMFC 對(duì)比，發(fā)現(xiàn)連有外阻的SMFC 陽(yáng)極上變形菌門(mén)的含量增多，這是由于閉路的SMFC 能夠產(chǎn)電，有利于此類產(chǎn)電菌繁殖。從綱水平對(duì)變形菌門(mén)進(jìn)行 細(xì) 分， 發(fā) 現(xiàn)1 號(hào)SMFC 上Y- 變 形 菌 綱（Gammaproteobacteria）含量最多，為12.3%，其次是δ-變形菌綱（Deltaproteobacteria），為12.0%。在3-6 號(hào)SMFC 上δ-變 形 菌 綱 含 量 最 高，分 別為15.5%、13.5%、18.0%以及22.3%，一些研究認(rèn)為δ-變形rong 菌綱為SMFC 陽(yáng)極上的優(yōu)勢(shì)菌[21?22]，這與文章結(jié)果一致，表明陽(yáng)極上優(yōu)勢(shì)產(chǎn)電菌的生長(zhǎng)繁殖有利于SMFC 穩(wěn)定運(yùn)行。3 號(hào)與4 號(hào)，5 號(hào)與6 號(hào)SMFC 對(duì)比結(jié)果表明不同陰極材料不會(huì)顯著影響陽(yáng)極上微生物的群落分布。對(duì)比3 號(hào)與5 號(hào)，4 號(hào)與6 號(hào)SMFC，觀察到外電阻的不同對(duì)陽(yáng)極上微生物的群落分布影響較小，這可能是由于啟動(dòng)期間外接電阻相同，啟動(dòng)后各SMFC 陽(yáng)極上的微生物群落趨于穩(wěn)定，更換電阻對(duì)陽(yáng)極微生物群落的影響較小。

圖8 基于門(mén)水平與綱水平的陽(yáng)極微生物群落分布

對(duì)陰極生物膜上的微生物群落進(jìn)行分析，見(jiàn)圖9。

圖9 基于門(mén)水平的陰極微生物群落分布

基于門(mén)水平上分析，各個(gè)樣品中變形菌門(mén)（Proteobacteria）含量最多，分別為51.1%、49.5%、46.4%、68.7% 與44.7% 。 其 次 為 擬 桿 菌 門(mén)（Bacteroidetes），分 別 為11.1%、13.4%、37.2%、16.0%與13.2%，這與安眾一[23]研究結(jié)果相似。本實(shí)驗(yàn)中Cr 的去除率較低可能與陰極生物膜上厚壁菌門(mén)（Firmicutes）含量較低有關(guān)，說(shuō)明厚壁菌門(mén)（Firmicutes）等與Cr(Ⅵ)還原相關(guān)的菌類含量越高越有利于陰極上Cr(Ⅵ)的還原[24]。

3 結(jié)論

（1）底泥中的Cr(Ⅵ) 主要是在陰極上被去除，陽(yáng)極材料會(huì)對(duì)底泥中的Cr(Ⅵ)產(chǎn)生吸附作用，但吸附量較小。

（2）碳刷相較碳?xì)指欣贑r(Ⅵ)的去除。外接電阻為1 000 Ω 時(shí)，整個(gè)SMFC 的輸出電壓較高，相較于外接電阻為100 Ω 時(shí)，可產(chǎn)生更大的電驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)使更多的Cr(Ⅵ)從底泥中遷移到上覆水體中，有利于Cr(Ⅵ)的去除。

（3）SMFC 在陰極去除Cr(Ⅵ)的同時(shí)可在陽(yáng)極去除底泥中的有機(jī)質(zhì)。外接電阻為1 000 Ω 時(shí)，SMFC 可去除底泥中更多的有機(jī)質(zhì)。

（4）SMFC 陽(yáng)極生物膜上部分產(chǎn)電菌含量較高，利于SMFC 穩(wěn)定運(yùn)行。陰極區(qū)域由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏，導(dǎo)致陰極微生物膜上部分與Cr(Ⅵ)還原相關(guān)的菌類，如厚壁菌門(mén)（Firmicutes）含量較低，不利于Cr(Ⅵ)的還原，使陽(yáng)極底泥中Cr(Ⅵ)去除率較低。