藻炭改性電極強(qiáng)化微生物燃料電池產(chǎn)電及去除硝基苯性能

徐戴非，吳兵黨，楊晶晶，沈正棟，黃天寅*

1.蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

2.蘇州市海綿城市技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

微生物燃料電池(microbial fuel cell，MFC)是一種新型的生物電化學(xué)系統(tǒng)，用于同時(shí)發(fā)電和廢水處理[1]。傳統(tǒng)MFC 由陽(yáng)極室和陰極室2 個(gè)腔室組成（圖1），2 個(gè)腔室由質(zhì)子交換膜隔開(kāi)。MFC 的重點(diǎn)是利用微生物在陽(yáng)極室的代謝活性和陰極室的氧化還原反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。在陽(yáng)極室中，微生物分解有機(jī)物產(chǎn)生電子與質(zhì)子[2-4]，這些電子通過(guò)外部電路，質(zhì)子通過(guò)膜到達(dá)陰極。在陰極，進(jìn)入的電子被氧[5]、鐵氰化物等電子受體還原，從而完成陰極半電池反應(yīng)。到目前為止，除了通過(guò)陽(yáng)極室中的氧化過(guò)程有效去除復(fù)雜的有機(jī)物，MFC 還可以通過(guò)陰極室中的還原過(guò)程成功去除各種污染物，包括重金屬[6]、染料[7]、亞硝酸鹽[8]等。

圖1 MFC 反應(yīng)器原理Fig.1 MFC reactor schematic diagram

低功率性能和高材料成本阻礙了MFC 的大規(guī)模開(kāi)發(fā)和實(shí)際應(yīng)用[9-10]。因此，MFC 未來(lái)能否廣泛投入實(shí)際應(yīng)用必然依賴(lài)于系統(tǒng)性能的提高和材料成本的降低。研究表明，在所有MFC 組件中，陽(yáng)極電極在發(fā)電和去除污染物方面起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)樗c細(xì)菌直接接觸，并影響電子從細(xì)菌到陽(yáng)極表面的轉(zhuǎn)移速率[11]。具有大表面積、豐富的可接近傳質(zhì)通道和高活性表面官能團(tuán)的陽(yáng)極對(duì)于促進(jìn)外電極微生物的附著和生長(zhǎng)，從而提高陽(yáng)極性能至關(guān)重要[12]。在許多研究中，商用碳材料（如碳紙、炭氈或布）被用作MFC 中的電極材料。然而，這些碳材料顯示出相對(duì)較低的細(xì)菌黏附活性，產(chǎn)生的生物膜形成量較低，細(xì)菌與電極表面之間的相互作用較弱，因此導(dǎo)致功率輸出效率較低[13]。在最近的研究中，人們通過(guò)對(duì)原始陽(yáng)極進(jìn)行表面處理或通過(guò)納米材料（如貴金屬和非貴金屬、金屬氧化物、金屬碳化物、天然和合成碳材料以及各種納米復(fù)合材料）進(jìn)行表面涂層來(lái)進(jìn)行陽(yáng)極改性[14]。其中，生物炭是一種富含碳的材料，可以通過(guò)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)、動(dòng)物廢物、城市廢物和其他有機(jī)材料的熱化學(xué)分解產(chǎn)生[15]。生物炭由不同數(shù)量的微量金屬離子組成，具有高表面積的多孔結(jié)構(gòu)、不同的官能團(tuán)、生物相容性好、易修飾等特點(diǎn)[16-17]。Wang 等[18]使用在500 ℃（BC500）和900 ℃（BC900）下燒制的玉米秸稈生物炭和KOH 改性生物炭（BAC）作為生物電化學(xué)系統(tǒng)（BES）的電極材料。與炭氈電極相比，BC500、BC900 和BAC 陽(yáng)極的最大功率密度分別提高了10.7%、56.0%和92.0%。Lan 等[19]通過(guò)炭化蛋白核小球藻（CCP）來(lái)修飾碳布（CC）作為MFC 的陽(yáng)極，結(jié)果表明，CCP 修飾的碳布的生物電催化成功啟動(dòng)后電流密度最高達(dá)（13.44±0.34）A/m2，分別比使用炭黑和裸露CC 的高12%和22%。

硝基苯（NB）是一種典型的硝基芳香族化合物，廣泛用于染料、制藥、炸藥、農(nóng)藥、苯胺制造、有機(jī)溶劑等行業(yè)[20]。隨著全球化學(xué)工業(yè)的快速發(fā)展，硝基苯的排放量也在不斷增加[21]。未經(jīng)處理的原水和處理的工業(yè)廢水中仍含有14~591 mg/L 的NB[22]。由于其致畸性、致癌性、致突變性和高毒性，已被美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局列為“優(yōu)先污染物”[23-24]。廢水中的NB 因具有穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)而難以被降解。且由于NB 中NO2-的缺電子特性，污水處理中常用的氧化劑難以對(duì)NB 進(jìn)行降解，甚至?xí)a(chǎn)生一些有毒副產(chǎn)物，如吡啶甲酸。相比于氧化降解，還原降解更有利[25]。這是因?yàn)楫?dāng)NB 被還原時(shí)，初級(jí)產(chǎn)物苯胺（AN）更容易進(jìn)一步生物降解[26]。因此，開(kāi)發(fā)高性能MFC 以有效去除硝基苯并伴隨高效產(chǎn)電是當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。

本文以螺旋藻粉為原料制備生物炭，將其修飾在炭氈上作為MFC 的陽(yáng)極以期提高M(jìn)FC 的性能；通過(guò)循環(huán)伏安（CV）測(cè)試、掃描電鏡（SEM）、高通量測(cè)序來(lái)評(píng)估陽(yáng)極的性能；陰極用來(lái)處理硝基苯廢水，測(cè)試其去除率，并定量分析其中間產(chǎn)物。相關(guān)研究結(jié)果將為通過(guò)陽(yáng)極改性提高M(jìn)FC 產(chǎn)電及降解污染物的性能提供參考。

1 材料與方法

1.1 藻炭及生物炭修飾電極的制備

螺旋藻粉購(gòu)于濱州美越飼料科技有限公司。藻粉首先在60 ℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥24 h。干燥后的粉末在管式爐（OTF-1200X-S，合肥科晶材料技術(shù)有限公司）分別以直接熱解、酸活化、堿活化的方法，以500 和700 ℃的熱解溫度制備3 類(lèi)共6 種藻炭材料。具體制作方法如下：1）未活化藻炭。干燥后的藻粉在管式爐中以5 ℃/min 升溫速率，分別從室溫升至500 和700 ℃，并保持2 h，隨后自動(dòng)冷卻至室溫，全程通N2。將熱解的樣品在研缽中研磨過(guò)200 目篩網(wǎng)，篩后粉末用無(wú)水乙醇、2 mol/L HCl 溶液和去離子水連續(xù)洗滌數(shù)次，直到pH 達(dá)到7。將粉末過(guò)濾并在60 ℃下干燥12 h。所得產(chǎn)物表示為BC500、BC700。2）酸活化藻炭。將干燥后的藻粉在1 mol/L 的HCl 溶液中浸泡12 h 以上，攪拌均勻后用離心機(jī)分離，并用純水清洗藻粉直至上清液pH 呈中性為止，將清洗好的藻粉烘干后置于管式爐中碳化，全程通N2，將得到的藻炭研磨、清洗、干燥，步驟與未活化藻炭相同。得到酸活化的藻炭，記為HCl-AC500、HCl-AC700。3）堿活化藻炭。將干燥后的藻粉與NaOH 固體以1∶1 的質(zhì)量比迅速研磨混合，隨即在N2保護(hù)下碳化，將得到的藻炭研磨、清洗、干燥，步驟與未活化藻炭相同。得到堿活化的藻炭，記為NaOH-AC500、NaOH-AC700。

制備藻炭修飾電極：生物炭負(fù)載量按5 mg/cm2計(jì)算，準(zhǔn)確稱(chēng)取45 mg 藻炭置于10 mL 離心管中，分別滴加2 mL 異丙醇、2 mL 5%的Nafion 溶液和1 mL 去離子水，超聲2 h 使材料分散均勻。用移液管將分散好的藻炭懸濁液分幾次均勻滴涂于3 cm×3 cm 的炭氈（carbon felt，CF）表面，常溫晾干后即可制備成微生物燃料電池陽(yáng)極材料，將不同類(lèi)型藻炭材料制備的陽(yáng)極分別命名為NaOH-AC700/CF、HCl-AC700/CF 和BC700/CF 等。

1.2 試驗(yàn)裝置與方法

1.2.1 MFC 反應(yīng)器的組裝與運(yùn)行

通過(guò)亞克力板組裝2 個(gè)相同容積的有機(jī)玻璃室（圖2），拼接成雙室MFC。每個(gè)腔室的尺寸為5 cm×5 cm×9 cm，每個(gè)腔室的有效容積為200 mL。2 個(gè)腔膜（PEM）（CMI-7000）隔開(kāi)。藻炭修飾電極放于陽(yáng)極室中，陰極室由尺寸為3 cm×3 cm 的泡沫鎳組成。電極夾在鈦絲上，陽(yáng)極和陰極電極外接1 000 Ω 的電阻。陽(yáng)極室和陰極室都是密封的，并用磁力攪拌器攪拌以改善傳質(zhì)。所有MFC 的試驗(yàn)均在（30±2）℃下進(jìn)行，所有試驗(yàn)至少重復(fù)3 次。根據(jù)電極的不同材料，反應(yīng)器的命名如表1 所示。

表1 不同電極的MFC 反應(yīng)器名稱(chēng)Table 1 MFC reactor with different electrodes

圖2 MFC 反應(yīng)器裝置Fig.2 Device diagram of MFC reactor

MFC 的接種污泥來(lái)自蘇州某印染廠厭氧塔的厭氧活性污泥。開(kāi)始接種時(shí)，陽(yáng)極室加入10 mL 接種污泥和190 mL 的營(yíng)養(yǎng)液。陽(yáng)極室營(yíng)養(yǎng)液的制備如下[27]：3.0 g/L NaAc，0.31 g/L NH4Cl，0.13 g/L KCl，10 mg/L CaCl2，20 mg/L MgCl2·6H2O，2 mg/L NaCl，5 mg/L FeCl2，1 mg/L CoCl2·2H2O，1 mg/L MnCl2·4H2O，0.5 mg/L AlCl3， 3 mg/L (NH4)6Mo7O24， 1 mg/L H3BO3，0.1 mg/L NiCl2·6H2O，1 mg/L CuSO4·5H2O，1 mg/L ZnCl2和50 mmol/L pH=7 的磷酸鹽（PBS）緩沖溶液。陰極室加入200 mL 的陰極液，其組分為50 mmol/L 的K3[Fe(CN)6]和50 mmol/L pH 為7 的PBS緩沖溶液。

系統(tǒng)加入接種液和營(yíng)養(yǎng)液后開(kāi)始馴化，以電阻兩端電壓指標(biāo)評(píng)估馴化和穩(wěn)定階段。在馴化階段，當(dāng)電壓低于50 mV 時(shí)，視為1 個(gè)周期的結(jié)束，并更換陰陽(yáng)極液。當(dāng)連續(xù)3 個(gè)周期的最大電壓值相似時(shí)，視為馴化階段結(jié)束，MFC 進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行期[28]。

1.2.2 硝基苯陰極還原試驗(yàn)設(shè)計(jì)

MFC 穩(wěn)定運(yùn)行后，將1 個(gè)周期結(jié)束后的陰極液更換成硝基苯陰極還原試驗(yàn)設(shè)計(jì)條件下的配方，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：1）不同藻炭修飾陽(yáng)極對(duì)硝基苯陰極還原性能的影響。選取CF、BC700/CF、HCl-AC700/CF 和NaOH-AC700/CF 作為MFC 的陽(yáng)極，硝基苯濃度為0.8 mmol/L，以PBS 為電解質(zhì)，pH=7。2）不同陰極初始pH 對(duì)硝基苯陰極還原性能影響。設(shè)置陰極液初始pH 為5、6、7 和8，硝基苯濃度為0.8 mmol/L，以NaOH-AC700/CF 為陽(yáng)極，PBS 為電解質(zhì)。3）不同陰極電解質(zhì)對(duì)硝基苯陰極還原性能影響。設(shè)置陰極電解質(zhì)為NaCl、PBS 和Na2SO4，硝基苯濃度為0.8 mmol/L，以NaOH-AC700/CF 為陽(yáng)極，pH=7。4）不同硝基苯初始濃度對(duì)硝基苯陰極還原的影響。取硝基苯初始濃度分別為0.4、0.8、1.6、和2.4 mmol/L，以NaOH-AC700/CF 為陽(yáng)極，PBS 為電解質(zhì)，pH=7。

取上述試驗(yàn)條件下運(yùn)行144 h 時(shí)的出水檢測(cè)硝基苯、苯胺、亞硝基苯、偶氮苯和氧化偶氮苯濃度，進(jìn)行硝基苯在MFC 陰極還原降解的中間產(chǎn)物分析。

1.3 生物炭與生物膜的表征

使用場(chǎng)發(fā)射電鏡（Quanta FEG 250，美國(guó)）對(duì)藻炭進(jìn)行表征，以了解樣品的表面形貌。利用全自動(dòng)比表面積儀（ASAP 2460，美國(guó)）測(cè)定藻炭的比表面積。

使用場(chǎng)發(fā)射電鏡分析陽(yáng)極表面微生物形貌特征及附著情況。將馴化完成的MFC 陽(yáng)極取出，用小刀在電極中間部分采得帶有微生物附著的炭氈材料；將取得的材料置于2.5%的戊二醛中，冷藏24 h 固定，用pH 為7 的0.1 mol/L 的PBS 溶液沖洗樣品3 次，接著使用乙醇水溶液對(duì)樣品進(jìn)行梯度脫水，溶液中乙醇含量依次為30%、50%、70%、80%、90%和100%，樣品自然干燥后用于SEM 分析。

分別取接種污泥和穩(wěn)定運(yùn)行2 個(gè)月的反應(yīng)器陽(yáng)極表面生物膜樣品，送至蘇州金唯智生物科技有限公司進(jìn)行16S rDNA 擴(kuò)增子測(cè)序，得出Alpha 多樣性指數(shù)，包括Ace、Chao、Shannon 和Simpson。根據(jù)測(cè)序結(jié)果分析陽(yáng)極表面微生物的豐度與物種組成。

1.4 水質(zhì)分析

采用高效液相色譜儀（Breeze QS，美國(guó)）測(cè)定硝基苯、亞硝基苯、苯胺濃度，具體檢測(cè)方法：甲醇與1‰乙酸水流動(dòng)相（體積比為60∶40），紫外檢測(cè)波長(zhǎng)為240 nm，進(jìn)樣量為10 μL，流速為1 mL/min。試驗(yàn)中污染物濃度采用標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)法確定。

采用氣質(zhì)聯(lián)用儀（Agilent 7890A/5975C，美國(guó)）對(duì)硝基苯還原過(guò)程中的中間產(chǎn)物進(jìn)行定性與定量分析。將硝基苯還原終點(diǎn)得到的產(chǎn)物用乙酸乙酯萃取。質(zhì)譜使用EI 離子源，采用全掃模式，掃描范圍為50~400 m/z，進(jìn)樣體積為1 μL，進(jìn)樣溫度為250℃，以5 ℃/min 升溫速率升到300 ℃。確定中間產(chǎn)物后，進(jìn)一步通過(guò)配備火焰離子化檢測(cè)器（FID）的GC 進(jìn)行定量分析。

1.5 電化學(xué)測(cè)量

使用數(shù)據(jù)采集器（Agilent 34972A，美國(guó)）記錄電阻兩端的電壓。通過(guò)穩(wěn)態(tài)放電法將外電阻從20 000 Ω 到10 Ω 獲得計(jì)劃曲線(xiàn)。功率密度計(jì)算公式如下：

式中：P為功率密度，W/m2；U為電壓，V；I為電流，A；A為陽(yáng)極的投影橫截面積，m2。

電極的CV 測(cè)試在電化學(xué)工作站（CHI660，上海辰華）中進(jìn)行，采用三電極體系，以鉑電極為對(duì)電極，Ag/AgCl 為參比電極，修飾電極為工作電極，掃描速率為1 mV/s，掃描范圍為-0.8~0.8 V。

2 結(jié)果與討論

2.1 藻炭及藻炭修飾電極的表征和電化學(xué)性能分析

2.1.1 不同藻炭修飾電極表面形貌

圖3 展示了藻炭及其原材料藻粉的掃描電鏡圖。從表面形貌來(lái)看，原材料藻粉呈球狀，表面有較多褶皺，光滑，無(wú)孔洞結(jié)構(gòu)。BC500、BC700 整體形貌類(lèi)似，表面較為粗糙，但未觀察到孔洞結(jié)構(gòu)，其中BC500 材料表面有少量顆粒狀晶體結(jié)構(gòu)，這可能是熱解過(guò)程中，焦油與生物質(zhì)中鹽成分混合形成的殘留雜質(zhì)。HCl-AC500、HCl-AC700 整體形貌類(lèi)似，表面相對(duì)光滑，有少量細(xì)小的孔洞出現(xiàn)，并有少量晶體狀雜質(zhì)附于材料表面。NaOH-AC500、NaOHAC700 表面形貌特征類(lèi)似，表面粗糙，形成了豐富的孔狀結(jié)構(gòu)，孔徑小且密，呈蜂窩狀，具有更大的比表面積。在較大放大倍數(shù)視野中觀察發(fā)現(xiàn)，相比于NaOH-AC500 材料〔圖3（g）〕，NaOH-AC700 材料〔圖3（i）〕成孔率更高，孔洞更為密集。

圖3 藻炭材料SEM 圖Fig.3 SEM diagram of algal biochar

進(jìn)一步對(duì)比微生物馴化后電極表面形貌特征，觀察各電極表面微生物附著情況，經(jīng)馴化后各電極表面形貌如圖4 所示。

圖4 MFC 陽(yáng)極表面微生物附著情況SEM 圖Fig.4 SEM diagram of microorganism adhesion on MFC anode surface

由圖4（a）可知，CF 電極纖維結(jié)構(gòu)明顯，表面較為光滑，只有少數(shù)物質(zhì)附著在碳纖維絲表面，視野內(nèi)觀察到的微生物較少。由圖4（b）可知，BC700/CF 陽(yáng)極表面發(fā)現(xiàn)有大塊球形顆粒物質(zhì)堆積，推測(cè)為藻炭材料與微生物的混合物，雖然量比較多，但是類(lèi)型較為單一。由圖4（c）可知，HCl-AC700/CF 陽(yáng)極表面能觀察到明顯的藻炭顆粒，且在藻炭顆粒上發(fā)現(xiàn)了少量球形微生物。由圖4（d）可知，NaOH-AC700/CF 陽(yáng)極表面未發(fā)現(xiàn)由滴涂黏附的生物炭，但觀察到有明顯的層狀結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)了大量桿狀微生物附著在其表面，推測(cè)該層狀結(jié)構(gòu)是由生物炭吸附陽(yáng)極液中有機(jī)物質(zhì)形成的，表面粗糙，為微生物的提供了更大的黏附面積，利于微生物的富集與掛膜。

2.1.2 不同藻炭比表面積

比表面積是表征生物炭吸附能力的重要指標(biāo)，作為MFC 陽(yáng)極材料，比表面積越大，對(duì)污泥的黏附面積越大，越利于微生物在陽(yáng)極表面的富集。不同活化方式下的藻炭比表面積如表2 所示。6 種藻炭材料中，2 種堿活化藻炭的比表面積遠(yuǎn)大于未活化藻炭與酸活化藻炭。NaOH-AC500 與NaOH-AC700的比表面積分別為46.726 4 和664.203 4 m2/g。從活化溫度來(lái)看，NaOH-AC700 藻炭比表面積遠(yuǎn)大于NaOH-AC500 的比表面積，該結(jié)果與SEM 形貌特征一致。

表2 不同類(lèi)型藻炭比表面積Table 2 Specific surface area of different types of algal biochar

2.1.3 不同藻炭修飾電極的CV 曲線(xiàn)

CV 法是一種評(píng)價(jià)電極電化學(xué)性能的常用手段，CV 曲線(xiàn)的閉合面積越大，在相同時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移的電荷量越多，電極的電荷轉(zhuǎn)移能力也越強(qiáng)，表明電極表面具有更多的活性位點(diǎn)并且電極的導(dǎo)電性更好[29]。裸露炭氈以及其他不同藻炭修飾電極的CV 曲線(xiàn)如圖5所示。由圖5 可見(jiàn)，各藻炭修飾電極的閉合面積均明顯大于CF 電極，說(shuō)明6 種藻炭修飾電極對(duì)電子的轉(zhuǎn)移都有一定的促進(jìn)作用。按活化方法來(lái)看，堿活化藻炭修飾電極CV 曲線(xiàn)閉合面積最大，未活化與酸活化藻炭修飾電極閉合面積接近；按活化溫度看，700 ℃下活化的藻炭修飾電極CV 曲線(xiàn)閉合面積均大于500 ℃下活化的藻炭。總體來(lái)看，700 ℃下活化的NaOH-AC700 修飾電極電化學(xué)性能最好，NaOH-AC500 次之。其中，NaOH-AC700/CF 電極電化學(xué)性能遠(yuǎn)好于其他藻炭修飾電極，具有良好的導(dǎo)電性。后續(xù)采用700 ℃下的各類(lèi)生物炭修飾電極進(jìn)行試驗(yàn)。

圖5 藻炭修飾電極CV 曲線(xiàn)Fig.5 CV diagram of algal biochar modified electrodes

2.2 藻炭修飾陽(yáng)極MFC 產(chǎn)電性能分析

為了考察不同藻炭修飾陽(yáng)極在實(shí)際運(yùn)用中對(duì)MFC 產(chǎn)電性能的影響，以BC700/CF、HCl-AC700/CF 和NaOH-AC700/CF 為MFC 陽(yáng)極，與普通CF 電極對(duì)比，分析不同藻炭修飾電極對(duì)MFC 啟動(dòng)與運(yùn)行電壓輸出的影響，結(jié)果如圖6 所示。由圖6（a）可知，NaOH-AC700/CF-MFC 的響應(yīng)時(shí)間最短，在第1 天就出現(xiàn)電壓響應(yīng)，第2 天開(kāi)始有較穩(wěn)定的電壓輸出，然后依次是HCl-AC700/CF-MFC 和BC700/CFMFC，CF-MFC 響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)，在第7 天開(kāi)始才有明顯的電壓輸出。從馴化階段的電壓輸出來(lái)看，NaOH-AC700/CF-MFC 最大輸出電壓達(dá)到0.65 V，HCl-AC700/CF-MFC 和BC700/CF-MFC最大輸出電壓接近，在0.6 V 左右，CF-MFC 最大輸出電壓最低，僅有0.53 V。研究表明，MFC 啟動(dòng)時(shí)間與啟動(dòng)響應(yīng)電壓受電極材料、接種污泥和化學(xué)需氧量（COD）等因素影響[30]，電極材料是微生物參與陽(yáng)極反應(yīng)傳遞電子的接觸界面，是影響MFC 啟動(dòng)的主要因素之一。NaOH-AC700/CF 陽(yáng)極在MFC 馴化過(guò)程中展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，一定程度上說(shuō)明NaOH-AC700/CF 具有良好的生物相容性。

反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行后的電壓輸出情況與啟動(dòng)時(shí)基本一致。由圖6（b）可知，NaOH-AC700/CF-MFC 輸出電壓最高，最大可達(dá)0.67 V，分別是CF 陽(yáng)極、BC700/CF 陽(yáng)極和HCl-AC700/CF 陽(yáng)極MFC 最高輸出電壓的1.26、1.20、1.14 倍。

圖7 為不同藻炭修飾陽(yáng)極MFC 穩(wěn)定運(yùn)行后的功率密度曲線(xiàn)與極化曲線(xiàn)。功率密度是一個(gè)直接反映微生物燃料電池產(chǎn)電性能優(yōu)劣的指標(biāo)，功率密度越大，電池產(chǎn)電性能越好[31]。由圖7(a)可知，NaOHAC700/CF-MFC、 HCl-AC700/CF-MFC、 BC700/CF-MFC 和CF-MFC 最大功率密度分別為0.60、0.44、0.41 和0.29 W/m2，NaOH-AC700/CF-MFC 的最大功率密度是CF-MFC 的2 倍，高于Huggins 等[32]以林業(yè)殘?jiān)湍拘細(xì)堅(jiān)锾繕?gòu)建的生物炭電極MFC的最大功率密度〔（532±18）和（457±20）mW/m2〕。極化曲線(xiàn)反映了電極電位與電流密度之間的關(guān)系，是表征電極性能的重要指標(biāo)。由圖7（b）可知，隨著電流密度的增加，NaOH-AC700/CF-MFC 的極化程度最低，進(jìn)一步證明了NaOH-AC700/CF 陽(yáng)極的優(yōu)異性能。

圖7 不同藻炭修飾陽(yáng)極MFC 功率密度曲線(xiàn)與極化曲線(xiàn)Fig.7 MFC power density curve and polarization curve of different algal biochar modified anodes

2.3 MFC 對(duì)硝基苯陰極還原性能和降解途徑分析

2.3.1 不同藻炭修飾陽(yáng)極對(duì)硝基苯陰極還原性能影響

不同藻炭修飾陽(yáng)極MFC 硝基苯陰極降解與產(chǎn)物生成情況如圖8 所示。由圖8（a）可知，反應(yīng)7 d 后， CF-MFC、 BC700/CF-MFC、 HCl-AC700/CFMFC 和NaOH-AC700/CF-MFC 的陰極對(duì)硝基苯的降解率分別為81.3%、94.5%、96.3%和99.3%，各反應(yīng)器的苯胺生成率分別為18.9%、27.7%、29.6%、42.2%。相比于CF 陽(yáng)極，NaOH-AC700/CF-MFC 的降解效率提高了22.1%，苯胺生成率提高了123.3%〔圖8（b）〕，且具有更高的反應(yīng)速率，表明較大的系統(tǒng)功率密度利于陰極還原過(guò)程，該試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[18,33]研究結(jié)果一致。

圖8 不同陽(yáng)極MFC 體系硝基苯降解、產(chǎn)物生成及電壓變化Fig.8 Nitrobenzene degradation, product formation and voltage variation in different anode MFC systems

亞硝基苯是硝基苯還原生成苯胺過(guò)程中主要的中間產(chǎn)物，其濃度變化如圖8（c）所示，反應(yīng)中亞硝基苯的濃度總體呈先升高后降低的趨勢(shì)。3 種藻炭修飾陽(yáng)極MFC 亞硝基苯濃度在2 d 內(nèi)達(dá)到峰值，CFMFC 亞硝基苯濃度達(dá)到峰值的時(shí)間較晚，約在第4 天其峰值與BC700/CF-MFC 相近，低于NaOHAC700/CF-MFC 和HCl-AC700/CF-MFC。原因可能是反應(yīng)前期，陽(yáng)極COD 充足，微生物活性較高，大量硝基苯得電子還原為亞硝基苯。反應(yīng)第2 天，亞硝基苯濃度達(dá)到峰值，與硝基苯競(jìng)爭(zhēng)電子，此時(shí)硝基苯降解速率下降，苯胺生成量持續(xù)升高，直至第5 天，反應(yīng)逐漸結(jié)束。在反應(yīng)過(guò)程中，硝基苯、苯胺和亞硝基苯3 種物質(zhì)摩爾濃度之和始終處于逐漸下降的趨勢(shì)〔圖8（d）〕，反應(yīng)結(jié)束后，觀察到陰極液呈淡黃色，初步推測(cè)反應(yīng)過(guò)程中含有氧化偶氮苯和偶氮苯，由中間產(chǎn)物亞硝基苯與其進(jìn)一步還原后生成的不穩(wěn)定化合物苯基羥胺（苯胲）縮合反應(yīng)生成[34]。

對(duì)比硝基苯在各藻炭陽(yáng)極MFC 與CF-MFC 的陰極還原發(fā)現(xiàn)，NaOH-AC700/CF 陽(yáng)極不僅提升了MFC 對(duì)硝基苯的還原效率，同時(shí)提高了苯胺的生成率，降低了陰極亞硝基苯的積累，大大提升了MFC對(duì)硝基苯的定向還原能力。

圖8（e）為不同陽(yáng)極MFC 陰極降解硝基苯時(shí)的電壓曲線(xiàn)，NaOH-AC700/CF-MFC 最大輸出電壓為0.58 V，分 別 是CF 陽(yáng) 極、BC700/CF 陽(yáng) 極 和HCl-AC700/CF 陽(yáng)極MFC 最高輸出電壓的1.26、1.23、1.10 倍。與MFC 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電壓相比均出現(xiàn)了下降的情況，但NaOH-AC700/CF 陽(yáng)極的輸出電壓仍是最高的，因此陰極能獲得更多的電子加速硝基苯的還原。

2.3.2 不同陰極初始pH 對(duì)硝基苯陰極還原性能影響

pH 是影響MFC 性能的主要因素之一[35-36]。不同初始pH 條件下硝基苯降解和產(chǎn)物生成變化結(jié)果如圖9 所示。從降解速率來(lái)看，初始pH 越低，降解速率越快。pH 對(duì)苯胺生成效率影響顯著，pH 越低，苯胺生成量越高，pH 為5 時(shí)，反應(yīng)終點(diǎn)苯胺生成量為52.8%，較初始pH 為6、7、8 時(shí)分別提升了16.6%、32.1%、67.3%。各反應(yīng)器硝基苯、苯胺和亞硝基苯3 種物質(zhì)摩爾濃度之和如圖9（d）所示，pH 越低，反應(yīng)終點(diǎn)3 種物質(zhì)之外的其他產(chǎn)物的生成量也越低。推測(cè)原因可能是當(dāng)pH 較低時(shí)，會(huì)抑制氧化偶氮苯等產(chǎn)物的生成[37]，促進(jìn)了硝基苯在陰極對(duì)苯胺的定向還原。

圖9 不同初始pH 條件下硝基苯降解和產(chǎn)物生成變化Fig.9 Nitrobenzene degradation and product formation changes at various initial pH

2.3.3 硝基苯陰極還原降解產(chǎn)物及路徑分析

通過(guò)GC-MS 譜圖分析硝基苯陰極還原的降解產(chǎn)物，檢測(cè)到的物質(zhì)有亞硝基苯、苯胺、硝基苯、偶氮苯和氧化偶氮苯，與文獻(xiàn)[38-39]中的結(jié)果基本一致，但本試驗(yàn)中未檢測(cè)出苯基羥胺，推測(cè)可能是苯基羥胺不穩(wěn)定易分解所致[33]。

進(jìn)一步研究在不同陽(yáng)極類(lèi)型、陰極電解質(zhì)、陰極初始pH 和硝基苯初始濃度條件下硝基苯陰極還原的特點(diǎn)，對(duì)偶氮苯與氧化偶氮苯進(jìn)行定量分析，并計(jì)算硝基苯還原終點(diǎn)各產(chǎn)物占比，結(jié)果如圖10 所示。由圖10 可見(jiàn)，以上4 個(gè)影響因素中，陽(yáng)極類(lèi)型與陰極初始pH 在硝基苯陰極還原中起關(guān)鍵作用。NaOH-AC700/CF-MFC 不僅提高了硝基苯的降解率，同時(shí)促進(jìn)了硝基苯對(duì)苯胺的定向還原，且在4 種陽(yáng)極MFC 中亞硝基苯積累量最低，減小了溶液的生物毒性，有利于陽(yáng)極對(duì)該混合液的進(jìn)一步降解，與2.3.1節(jié)結(jié)果一致。pH 是影響硝基苯還原的重要因素。當(dāng)溶液呈堿性時(shí)，對(duì)硝基苯的還原明顯起抑制作用；當(dāng)酸性增強(qiáng)時(shí)，硝基苯的降解率與苯胺的生成率明顯升高，利于后續(xù)反應(yīng)的進(jìn)行。硝基苯初始濃度與電解質(zhì)類(lèi)型對(duì)硝基苯陰極降解的影響較小。

圖10 各條件下反應(yīng)終點(diǎn)產(chǎn)物占比Fig.10 Proportion of end products under various conditions

基于以上產(chǎn)物分析，繪制MFC 陰極硝基苯的還原路徑（圖11）。亞硝基苯和苯基羥胺可通過(guò)縮合反應(yīng)生成氧化偶氮苯，并可進(jìn)一步還原為偶氮苯與氫化偶氮苯，最后得電子生成苯胺[40]。因此苯胺的生成量越多，說(shuō)明硝基苯得到的電子越多，也反映了MFC 陽(yáng)極向陰極傳遞的電子越多。

圖11 硝基苯陰極還原降解路徑Fig.11 Cathodic reduction degradation pathway of nitrobenzene

2.4 不同藻炭陽(yáng)極表面微生物群落分析

不同藻炭修飾陽(yáng)極MFC 陽(yáng)極表面微生物Alpha 多樣性分析結(jié)果如表3 所示。由表3 可知，與接種污泥相比，各電極表面微生物Ace 指數(shù)與Chao1 指數(shù)均有不同程度的降低；除CF 陽(yáng)極MFC 外，各MFC 的Shannon 指數(shù)和Simpson 指數(shù)的下降也較為明顯，說(shuō)明其環(huán)境中物種多樣性降低。橫向?qū)Ρ雀鞣磻?yīng)器發(fā)現(xiàn)，NaOH-AC700/CFMFC 中電極表面微生物各項(xiàng)指標(biāo)均處于最低水平。研究表明，電化學(xué)性能好的MFC 中所形成的陽(yáng)極生物膜上優(yōu)勢(shì)菌屬的豐度相對(duì)較高，但是微生物群落多樣性往往較低[41-43]。

表3 生物種群Alpha 多樣性分析Table 3 Alpha diversity analysis of biological population

圖12 是馴化前后微生物主要屬水平下的豐度（相對(duì)豐度排名前20）。從圖12 可以看到，接種污泥馴化前后優(yōu)勢(shì)菌差異巨大，接種污泥中優(yōu)勢(shì)菌種主要為氫噬胞菌屬（Hydrogenophaga）、脫氯桿菌屬（Dechlorobacter）、固氮弧菌屬（Azoarcus）和產(chǎn)乙酸嗜蛋白質(zhì)菌（Proteiniphilum）等厭氧反應(yīng)中常見(jiàn)菌屬。經(jīng)馴化培養(yǎng)后，各MFC 反應(yīng)器中主要優(yōu)勢(shì)產(chǎn)電菌屬為弧形桿菌屬（Arcobacter）和銅綠假單胞菌屬（Pseudomonas），還有少數(shù)反硝化細(xì)菌屬（Lentimicrobium）和地桿菌屬（Geobacter）等。

圖12 藻炭修飾陽(yáng)極微生物馴化前后屬水平下菌群相對(duì)豐度（排名前20）Fig.12 Relative abundance of bacteria at genus level before and after acclimation of algal biochar modified anodes （top 20 genus）

弧形桿菌屬是一種常見(jiàn)的以乙酸鹽為電子供體的產(chǎn)電菌，能在短時(shí)間內(nèi)迅速產(chǎn)生較大的功率密度，是一種頗具潛力的產(chǎn)電微生物[44]。陽(yáng)極產(chǎn)電菌的相對(duì)豐度一定程度上反映了MFC 的產(chǎn)電性能，橫向?qū)Ρ炔煌逄筷?yáng)極表面優(yōu)勢(shì)菌屬的相對(duì)豐度發(fā)現(xiàn)，NaOH-AC700/CF 陽(yáng)極表面的產(chǎn)電菌屬相對(duì)豐度最高，然后依次是HCl-AC700/CF 陽(yáng)極、BC700/CF 陽(yáng)極和CF 陽(yáng)極。其中NaOH-AC700/CF陽(yáng)極表面產(chǎn)電菌主要為弧形桿菌屬，相對(duì)豐度為65%；而HCl-AC700/CF 陽(yáng)極和BC700/CF陽(yáng)極表面弧形桿菌屬（Arcobacter）的相對(duì)豐度分別為35%和16%，銅綠假單胞菌屬的相對(duì)豐度分別為20%和15%。這在一定程度上解釋了NaOH-AC700/CF 陽(yáng)極對(duì)MFC 啟動(dòng)與穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的促進(jìn)效果。

陽(yáng)極生物膜的微觀形貌與微生物群落分析結(jié)果表明，藻炭陽(yáng)極特別是NaOH-AC700/CF 對(duì)陽(yáng)極產(chǎn)電微生物的富集與掛膜具有良好的促進(jìn)作用。

3 結(jié)論

（1）NaOH-AC700 具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，其比表面積遠(yuǎn)大于未活化和酸活化藻炭，且使用NaOHAC700 修飾的炭氈電極擁有最多的電化學(xué)活性位點(diǎn)。NaOH-AC700/CF-MFC 的最大電壓為0.67 V，最大功率密度為0.60 W/m2，功率輸出比裸炭氈高出1 倍。

（2）通過(guò)對(duì)藻炭改性用以修飾MFC 的炭氈陽(yáng)極，可提升MFC 的功率密度，加快了電子轉(zhuǎn)移速率，從而促進(jìn)了硝基苯的陰極還原。MFC 去除硝基苯的最好工況：硝基苯的初始濃度為0.8 mmol/L，以NaOH-AC700/CF 為陽(yáng)極，電解液為pH=5 的PBS 緩沖液，該工況下硝基苯去除率達(dá)99.9%。

（3）NaOH-AC700/CF 陽(yáng)極的優(yōu)越性能歸因于其較大的比表面積和生物相容性，有利于微生物的吸附和生長(zhǎng)，其良好的導(dǎo)電性對(duì)電極表面及內(nèi)部的電子傳遞有促進(jìn)作用?；⌒螚U菌屬和銅綠假單胞菌屬是MFC 主要的產(chǎn)電菌。