不同来源菌群接种微生物燃料电池处理淀粉废水技术

Posted 2023-01-15 电能

篇首语：搓绳不能松劲，前进不能停顿。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了不同来源菌群接种微生物燃料电池处理淀粉废水技术相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

淀粉废水是淀粉生产过程中各工艺所产生的废水总和，具有产量大、有机物浓度高的显著特征，是我国食品工业中污染最严重的废水之一〔1〕。而微生物燃料电池（micRobialfuelcell，MFC）作为快速发展的水处理技术，既可以去除废水中的有机污染物，又可将有机污染物中贮存的化学能以电能形式回收，实现废水的资源化利用〔2〕。由于淀粉废水中有机物含量丰富，能量巨大，若将MFC技术应用到淀粉废水的处理中，不但可以净化水质，而且还可以利用废水中丰富的有机质为产电微生物提供养分，实现电能的回收，降低污水处理成本。

目前，在对MFC的研究中，直接利用天然厌氧环境中的混合菌为接种菌源是最常用的接种形式〔3〕。相对于纯菌MFC的前期菌种培养和富集，混菌电池的启动不仅省时且更节约成本，而且混合菌抗环境冲击能力强，可利用基质范围广，同时可以发挥菌群间的协同作用，增强MFC运行的稳定性，提高系统的产电效率和污水处理效果〔4,5〕。

本研究以天然环境中的混合菌为接种菌源，考察以实际淀粉废水、生活污水和二者的混合液为接种菌液，以人工模拟淀粉废水为底物时，MFC的产电能力与废水处理效果，筛选出利于MFC产电和处理废水的菌群源，并进一步优化MFC的操作条件，为淀粉废水的高值资源化提供新的技术思路。

1材料与方法

1.1MFC试验装置

试验采用两室型MFC。阳极室和阴极室均由有机玻璃制成，有效容积为150mL，腔体正上方有一直径为1.5cm的孔，为保证厌氧环境将阳极室用橡胶塞密封，并在橡胶塞上开一孔，放置电极（阳极和阴极电极均为石墨杆加碳毡，石墨杆直径为5mm，碳毡尺寸为1.2cm×1.2cm，厚度为1cm，北京三业碳素有限公司）。腔体上方另开一孔，放置饱和甘汞参比电极（SCE，232型，上海精密科学仪器有限公司）。阴阳两室由阳离子交换膜（CMI27000型，美国膜国际公司）隔开，膜有效面积为30cm2。负载采用可调电阻箱（ZX21型，天水长城电工仪器厂）。

1.2菌群来源与接种

菌群来源分别为某淀粉厂排放池内的淀粉废水，某小区污水井内的生活污水，以及二者的混合液（等体积混合）。将3种菌液分别曝氮气后等体积接入3组MFC的阳极室，同时用曝过氮气的模拟淀粉废水补充。模拟淀粉废水主要成分：淀粉2g/L；蛋白胨0.75g/L；NH4Cl0.2g/L；NaCl1.5g/L。缓冲体系为：Na2HPO4•12H2O6.92g/L；KH2PO44.17g/L。

为保证阴极电势的稳定性，减小阴极影响，本试验采用16.45g/L的K3Fe（CN）6为阴极电子受体。缓冲体系为：Na2HPO4•12H2O6.92g/L；KH2PO44.17g/L。

1.3测试与计算方法

输出电压（U）由数字万用表（DT9205L型，深圳山创仪器仪表有限公司）测定，外电阻R通过可调电阻箱控制，电流根据公式I=U/R计算得到，最大输出功率密度Pm根据公式Pm=IU/V计算得到，其中V是阳极室实际废水体积。总内阻Ri、阳极内阻Ra、阴极内阻Rc以及欧姆内阻Ro的测定依据文献〔6〕。

COD和NH4+-N分别采用重铬酸钾法和纳氏试剂光度法测定〔7〕。pH由pH计（MTTLERTOLEDOSG2型，上海梅特勒-托利多国际贸易有限公司）测定，温度由生化培养箱（SPJ-160B型，金坛大地自动化仪器厂）控制。反应器运行除标明温度外，其余均恒定在25℃。

2结果与讨论

2.1不同菌源接种条件下MFC产电性能与废水处理效果

2.1.1MFC启动时间与输出电压变化

外接R=2000Ω，运行3组反应器，考察不同菌源接种条件下MFC输出电压随时间的变化，结果如图1所示。

由图1可知，当利用混合菌源接种时，反应器运行19d，输出电压基本稳定在660mV，即完成启动；而接种淀粉废水和生活污水的MFC，反应器分别运行27d和26d时，输出电压基本稳定在510mV和630mV，即完成启动。试验结果表明，前者较后两者启动时间分别缩短了29.6%和26.9%，而且稳定时的输出电压也较高。

MFC的启动过程实际上是产电菌在电极上附着、繁殖，并同时产电的过程。所以，产电菌种类及数量是其主要影响要素。以淀粉废水为接种源的MFC启动时间长而且稳定时的输出电压低，可能是因为产电菌量少，或是产电菌活性差。当以混合菌源接种时，可能是不同菌间形成了种间协同效应〔8〕，从而缩短了启动时间，提高了输出电压。

2.1.2MFC最大产电功率密度变化

通过试验考察了不同菌源接种条件下，MFC产电功率密度的变化。试验结果表明，利用混合菌源接种时，得到的最大产电功率密度为1.92W/m3；利用生活污水接种的MFC的产电功率密度次之，为1.81W/m3；而利用淀粉废水接种的MFC的产电功率密度最小，为0.75W/m3。其结果和前面输出电压间的差异相一致，而且产电功率密度和MFC的总内阻成负相关。

此外，试验结果还表明，不同菌源接种条件下，MFC的总内阻主要由阳极内阻决定，接种混合菌源的MFC阳极内阻最小，所以产电能力最好。

2.1.3MFC废水处理效果

不同菌源接种条件下，MFC分别运行2个周期后出水COD和NH4+-N的变化如图2所示。

由图2可知，利用混合菌源接种的MFC的废水处理效果较其他两组好，但差异并不很大，这说明阳极室内除了产电菌对COD和NH4+-N有一定的去除外，非产电菌同样参与了COD和NH4+-N的去除，使每组MFC对COD和NH4+-N的去除差别不大。

2.2混合菌源接种MFC条件优化

2.2.1基质pH的影响

试验去掉阳极缓冲体系，并以1mol/L的NaOH调节阳极基质pH。为防止碱的加入引起基质离子强度的改变，通过NaCl调节溶液离子强度，以确保离子强度相等。不同基质pH条件下MFC的产电能力与废水处理效果如表1所示。

从表1可以看出，MFC在pH为8～10的弱碱性环境下的产电能力较高。当pH为9时，MFC的产电能力最好，最大产电功率密度为2.34W/m3。而当pH为7时，MFC的产电能力最差，这是因为pH为7时，阳极内阻最大，微生物产电活性受到抑制，这与G.C.Gil等〔9〕的研究结果相似。

不同pH下COD去除率的变化趋势与产电效果一致。当pH为9时，COD去除率最大，为75.1%；而当pH为7时，COD去除率最小，为72.2%。不同pH下NH4+-N去除率的变化不大，均在80%左右。

依据试验结果，为了减少阳极基质pH的变化，以下试验的阳极缓冲体系为：Na2CO31.06g/L，NaHCO37.56g/L，调整阳极基质pH在9左右。

2.2.2基质离子强度的影响

本研究变换阳极基质NaCl的浓度，对MFC基质离子强度进行优化。不同NaCl浓度下MFC的产电能力与废水处理效果如表2所示。

由表2可知，随着NaCl浓度的增加，MFC的产电能力先增大后减小，当NaCl质量浓度为1.0g/L时，MFC的产电能力最好。分析原因：在一定离子强度范围内，随着阳极溶液中NaCl浓度的增大，阳极内阻明显降低，可能是增大了质子生成与传递速率，从而提高了产电能力。当NaCl浓度过高时，MFC输出功率反而略有降低，可能是过高的含盐量对微生物的生长和活性产生了负面影响，从而影响了电池产电能力〔10〕。

不同NaCl浓度下COD和NH4+-N去除率的变化趋势和产电能力相同，在NaCl质量浓度为1.0g/L时，COD和NH4+-N的去除率最大。

2.2.3基质COD的影响

在前一试验的基础上，取阳极基质NaCl投加质量浓度为1.0g/L，变换淀粉投加量进行基质COD影响试验。不同基质COD下MFC的产电能力与废水处理效果如表3所示。

由表3可知，随着基质COD的增加，MFC的产电能力先增大后减小，当COD为3100mg/L时，MFC的产电能力最大。出现此变化趋势的原因可能是：在一定COD范围内，随着基质COD的增加,微生物获得更多的营养物质，加速了微生物降解底物、产生电子的速率，从而提高了MFC的产电能力。同时，淀粉为高分子化合物，溶解于水后容易形成胶体，淀粉浓度越高，胶体量越多，而胶体表面往往带有一定量的电荷，可能影响了电子、质子的传递，从而影响了微生物的产电能力；过多的淀粉投加量也可能产生了过多的不利于微生物生长代谢的中间产物，影响微生物产电。

不同基质COD下，COD和NH4+-N去除率的变化趋势和产电能力相同。当基质COD为3100mg/L时，废水处理效果最好，但总体上差异并不显著。。

2.2.4温度的影响

不同温度下MFC的产电能力与废水处理效果如表4所示。

从表4可知，较高的温度有利于MFC产电，当温度为30℃时，最大产电功率密度为4.63W/m3。最大产电功率密度与阳极内阻呈负相关，较高温度时微生物的产电活性较大〔11〕，从而减小了阳极内阻，提高了产电能力。

较高的温度也提高了微生物对基质的降解能力，当温度为30℃时，COD和NH4+-N去除率最大，分别为86.3%和82.6%。

3结论

（1）MFC利用淀粉废水与生活污水混合接种，可节省启动时间，提高产电能力。相对于淀粉废水和生活污水，启动时间分别节省了29.6%和26.9%，同时最大产电功率密度分别提高了156%和6.1%，但COD、NH4+-N去除率的变化不大。

（2）混合菌源接种条件下，当MFC阳极室基质溶液pH为9，NaCl质量浓度为1.0g/L，基质COD为3100mg/L，温度为30℃时，得到了最大产电功率密度，为4.63W/m3，最大COD去除率为86.3%，最大NH4+-N去除率为82.6%。

（3）阳极内阻是MFC产电能力大小的决定因素。随着阳极内阻的减小，MFC产电能力提高。

（4）微生物燃料电池对COD、NH4+-N的去除受环境因素影响较小，不同菌源接种条件下其去除率变化不大。