不同來源菌群接種微生物燃料電池處理澱粉廢水技術

北極星節能環保網訊:澱粉廢水是澱粉生產過程中各工藝所產生的廢水總和，具有產量大、有機物濃度高的顯著特征，是我國食品工業中汙染最嚴重的廢水之一〔1〕。而微生物燃料電池(micRobialfuelcell，MFC)zuoweikuaisufazhandeshuichulijishu，jikeyiquchufeishuizhongdeyoujiwuranwu，youkejiangyoujiwuranwuzhongzhucundehuaxuenengyidiannengxingshihuishou，shixianfeishuideziyuanhualiyong〔2〕。由於澱粉廢水中有機物含量豐富
，能量巨大

，若將MFCjishuyingyongdaodianfenfeishuidechulizhong，budankeyijinghuashuizhi

，erqiehaikeyiliyongfeishuizhongfengfudeyoujizhiweichandianweishengwutigongyangfen，shixiandiannengdehuishou，jiangdiwushuichulichengben。

目前
，在對MFC的研究中
，直接利用天然厭氧環境中的混合菌為接種菌源是最常用的接種形式〔3〕。相對於純菌MFC的(de)前(qian)期(qi)菌(jun)種(zhong)培(pei)養(yang)和(he)富(fu)集(ji)，混(hun)菌(jun)電(dian)池(chi)的(de)啟(qi)動(dong)不(bu)僅(jin)省(sheng)時(shi)且(qie)更(geng)節(jie)約(yue)成(cheng)本(ben)，而(er)且(qie)混(hun)合(he)菌(jun)抗(kang)環(huan)境(jing)衝(chong)擊(ji)能(neng)力(li)強(qiang)
，可(ke)利(li)用(yong)基(ji)質(zhi)範(fan)圍(wei)廣(guang)，同(tong)時(shi)可(ke)以(yi)發(fa)揮(hui)菌(jun)群(qun)間(jian)的(de)協(xie)同(tong)作(zuo)用(yong)
，增(zeng)強(qiang)MFC運行的穩定性

，提高係統的產電效率和汙水處理效果〔4,5〕。

本研究以天然環境中的混合菌為接種菌源，考察以實際澱粉廢水、生活汙水和二者的混合液為接種菌液，以人工模擬澱粉廢水為底物時，MFC的產電能力與廢水處理效果，篩選出利於MFC產電和處理廢水的菌群源，並進一步優化MFC的操作條件，為澱粉廢水的高值資源化提供新的技術思路。

1材料與方法

1.1MFC試驗裝置

試驗采用兩室型MFC。陽極室和陰極室均由有機玻璃製成，有效容積為150mL，腔體正上方有一直徑為1.5cm的孔，為保證厭氧環境將陽極室用橡膠塞密封，並在橡膠塞上開一孔
，放置電極(陽極和陰極電極均為石墨杆加碳氈
，石墨杆直徑為5mm，碳氈尺寸為1.2cm×1.2cm，厚度為1cm，北京三業碳素有限公司)。腔體上方另開一孔，放置飽和甘汞參比電極(SCE
，232型

，上海精密科學儀器有限公司)。陰陽兩室由陽離子交換膜(CMI27000型，美國膜國際公司)隔開，膜有效麵積為30cm2。負載采用可調電阻箱(ZX21型，天水長城電工儀器廠)。

1.2菌群來源與接種

菌群來源分別為某澱粉廠排放池內的澱粉廢水

，某小區汙水井內的生活汙水，以及二者的混合液(等體積混合)。將3種菌液分別曝氮氣後等體積接入3組MFC的陽極室，同時用曝過氮氣的模擬澱粉廢水補充。模擬澱粉廢水主要成分：澱粉2g/L;蛋白腖0.75g/L;NH4Cl0.2g/L;NaCl1.5g/L。緩衝體係為：Na2HPO4•12H2O6.92g/L;KH2PO44.17g/L。

為保證陰極電勢的穩定性，減小陰極影響，本試驗采用16.45g/L的K3Fe(CN)6為陰極電子受體。緩衝體係為：Na2HPO4•12H2O6.92g/L;KH2PO44.17g/L。

1.3測試與計算方法

輸出電壓(U)由數字萬用表(DT9205L型，深圳山創儀器儀表有限公司)測定，外電阻R通過可調電阻箱控製，電流根據公式I=U/R計算得到，最大輸出功率密度Pm根據公式Pm=IU/V計算得到，其中V是陽極室實際廢水體積。總內阻Ri、陽極內阻Ra、陰極內阻Rc以及歐姆內阻Ro的測定依據文獻〔6〕。

COD和NH4+-N分別采用重鉻酸鉀法和納氏試劑光度法測定〔7〕。pH由pH計(MTTLERTOLEDOSG2型，上海梅特勒-托利多國際貿易有限公司)測定，溫度由生化培養箱(SPJ-160B型
，金壇大地自動化儀器廠)控製。反應器運行除標明溫度外，其餘均恒定在25℃。

2結果與討論

2.1不同菌源接種條件下MFC產電性能與廢水處理效果

2.1.1MFC啟動時間與輸出電壓變化

外接R=2000Ω，運行3組反應器，考察不同菌源接種條件下MFC輸出電壓隨時間的變化
，結果如圖1所示。

由圖1可知
，當利用混合菌源接種時，反應器運行19d
，輸出電壓基本穩定在660mV，即完成啟動;而接種澱粉廢水和生活汙水的MFC，反應器分別運行27d和26d時，輸出電壓基本穩定在510mV和630mV，即完成啟動。試驗結果表明，前者較後兩者啟動時間分別縮短了29.6%和26.9%
，而且穩定時的輸出電壓也較高。

MFC的啟動過程實際上是產電菌在電極上附著
、繁殖，並同時產電的過程。所以，產電菌種類及數量是其主要影響要素。以澱粉廢水為接種源的MFC啟qi動dong時shi間jian長chang而er且qie穩wen定ding時shi的de輸shu出chu電dian壓ya低di，可ke能neng是shi因yin為wei產chan電dian菌jun量liang少shao
，或huo是shi產chan電dian菌jun活huo性xing差cha。當dang以yi混hun合he菌jun源yuan接jie種zhong時shi
，可ke能neng是shi不bu同tong菌jun間jian形xing成cheng了le種zhong間jian協xie同tong效xiao應ying〔8〕
，從而縮短了啟動時間，提高了輸出電壓。

2.1.2MFC最大產電功率密度變化

通過試驗考察了不同菌源接種條件下，MFC產電功率密度的變化。試驗結果表明，利用混合菌源接種時，得到的最大產電功率密度為1.92W/m3;利用生活汙水接種的MFC的產電功率密度次之，為1.81W/m3;而利用澱粉廢水接種的MFC的產電功率密度最小，為0.75W/m3。其結果和前麵輸出電壓間的差異相一致，而且產電功率密度和MFC的總內阻成負相關。

此外，試驗結果還表明，不同菌源接種條件下
，MFC的總內阻主要由陽極內阻決定，接種混合菌源的MFC陽極內阻最小，所以產電能力最好。

2.1.3MFC廢水處理效果

不同菌源接種條件下，MFC分別運行2個周期後出水COD和NH4+-N的變化如圖2所示。

由圖2可知，利用混合菌源接種的MFC的廢水處理效果較其他兩組好
，但差異並不很大
，這說明陽極室內除了產電菌對COD和NH4+-N有一定的去除外，非產電菌同樣參與了COD和NH4+-N的去除，使每組MFC對COD和NH4+-N的去除差別不大。

2.2混合菌源接種MFC條件優化

2.2.1基質pH的影響

試驗去掉陽極緩衝體係，並以1mol/L的NaOH調節陽極基質pH。為防止堿的加入引起基質離子強度的改變，通過NaCl調節溶液離子強度，以確保離子強度相等。不同基質pH條件下MFC的產電能力與廢水處理效果如表1所示。

從表1可以看出，MFC在pH為8～10的弱堿性環境下的產電能力較高。當pH為9時，MFC的產電能力最好

，最大產電功率密度為2.34W/m3。而當pH為7時
，MFC的產電能力最差
，這是因為pH為7時，陽極內阻最大
，微生物產電活性受到抑製，這與G.C.Gil等〔9〕的研究結果相似。

不同pH下COD去除率的變化趨勢與產電效果一致。當pH為9時，COD去除率最大，為75.1%;而當pH為7時，COD去除率最小，為72.2%。不同pH下NH4+-N去除率的變化不大
，均在80%左右。

依據試驗結果，為了減少陽極基質pH的變化，以下試驗的陽極緩衝體係為：Na2CO31.06g/L，NaHCO37.56g/L，調整陽極基質pH在9左右。

2.2.2基質離子強度的影響

本研究變換陽極基質NaCl的濃度，對MFC基質離子強度進行優化。不同NaCl濃度下MFC的產電能力與廢水處理效果如表2所示。

由表2可知，隨著NaCl濃度的增加，MFC的產電能力先增大後減小，當NaCl質量濃度為1.0g/L時，MFC的產電能力最好。分析原因：在一定離子強度範圍內，隨著陽極溶液中NaCl濃度的增大，陽極內阻明顯降低，可能是增大了質子生成與傳遞速率，從而提高了產電能力。當NaCl濃度過高時
，MFC輸出功率反而略有降低，可能是過高的含鹽量對微生物的生長和活性產生了負麵影響
，從而影響了電池產電能力〔10〕。

不同NaCl濃度下COD和NH4+-N去除率的變化趨勢和產電能力相同
，在NaCl質量濃度為1.0g/L時，COD和NH4+-N的去除率最大。

2.2.3基質COD的影響

在前一試驗的基礎上，取陽極基質NaCl投加質量濃度為1.0g/L
，變換澱粉投加量進行基質COD影響試驗。不同基質COD下MFC的產電能力與廢水處理效果如表3所示。

由表3可知



，隨著基質COD的增加，MFC的產電能力先增大後減小
，當COD為3100mg/L時，MFC的產電能力最大。出現此變化趨勢的原因可能是：在一定COD範圍內
，隨著基質COD的增加,微生物獲得更多的營養物質，加速了微生物降解底物、產生電子的速率，從而提高了MFCdechandiannengli。tongshi，dianfenweigaofenzihuahewu，rongjieyushuihourongyixingchengjiaoti，dianfennongduyuegao，jiaotiliangyueduo
，erjiaotibiaomianwangwangdaiyouyidingliangdedianhe，kenengyingxiangledianzi、質子的傳遞，從而影響了微生物的產電能力;過多的澱粉投加量也可能產生了過多的不利於微生物生長代謝的中間產物

，影響微生物產電。

不同基質COD下，COD和NH4+-N去除率的變化趨勢和產電能力相同。當基質COD為3100mg/L時，廢水處理效果最好，但總體上差異並不顯著。

2.2.4溫度的影響

不同溫度下MFC的產電能力與廢水處理效果如表4所示。

從表4可知，較高的溫度有利於MFC產電，當溫度為30℃時，最大產電功率密度為4.63W/m3。最大產電功率密度與陽極內阻呈負相關，較高溫度時微生物的產電活性較大〔11〕，從而減小了陽極內阻，提高了產電能力。

較高的溫度也提高了微生物對基質的降解能力，當溫度為30℃時，COD和NH4+-N去除率最大，分別為86.3%和82.6%。

3結論

(1)MFC利用澱粉廢水與生活汙水混合接種
，可節省啟動時間，提高產電能力。相對於澱粉廢水和生活汙水，啟動時間分別節省了29.6%和26.9%，同時最大產電功率密度分別提高了156%和6.1%，但COD、NH4+-N去除率的變化不大。

(2)混合菌源接種條件下

，當MFC陽極室基質溶液pH為9，NaCl質量濃度為1.0g/L
，基質COD為3100mg/L
，溫度為30℃時，得到了最大產電功率密度，為4.63W/m3
，最大COD去除率為86.3%

，最大NH4+-N去除率為82.6%。

(3)陽極內阻是MFC產電能力大小的決定因素。隨著陽極內阻的減小，MFC產電能力提高。

(4)微生物燃料電池對COD、NH4+-N的去除受環境因素影響較小，不同菌源接種條件下其去除率變化不大。