盐度对生物阴极微生物燃料电池脱氮除碳及产电性能的影响

刘 明 金春姬，2 孙若晨

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100;2.中国海洋大学 海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100)

水资源的短缺是全世界面临的主要问题，沿海城市的海水代用是解决问题的一个重要途径[1]。但是海水的利用势必会产生含盐废水，会对微生物的物理和生化性能造成影响，导致微生物渗透压改变，从而影响生物处理的性能[2]。

微生物燃料电池(MFC)是将微生物充当为催化剂，将化学能转化成电能的系统[3]。其去除污染物同时产电的性能得到国内外学者的关注[4－8]。生物阴极MFC[9](BCMFC)使用微生物代替化学物质作为催化剂，解决了二次污染、催化剂中毒以及投资过高等问题。目前BCMFC已被证明能够处理多种类型的废水[10－12]。近几年，研究者的目光集中在BCMFC脱氮除碳同时产电的研究上，使用阳极微生物降解有机物，阴极微生物实现同时硝化反硝化[10－13]。使用 BCMFC 处理含盐废水时，适当盐度的增加会提高MFC的产电性能[14]，但是盐度过高会影响阳极和阴极微生物的新陈代谢[15]，从而影响BCMFC去除污染物能力和产电性能。

本实验配制不同浓度模拟海水，阴极采用间歇曝气模式，研究了在盐度影响下，BCMFC脱氮除碳及产电性能，进行了COD和氨氮去除的动力学和硝化反硝化酶活性的分析，以期为BCMFC处理含盐废水提供参考。

1 实验部分

1.1 实验装置

实验采用双室 MFC构型[16]，如图1所示。由两个长方形有机玻璃构成，两个极室净容积为0.5 L。阳极材料为碳布，表面积为35 cm2，阴极材料是表面积为35 cm2的光谱纯石墨板，阴极室中填充1 cm×1 cm×1 cm的碳毡，有效阴极体积约为0.2 L。中间采用有效表面积为48 cm2的质子交换膜(PEM)将阳极室与阴极室分开。使用钛丝将电极相连接，外接22～22 000 Ω电阻箱。

1.2 实验设计

启动5个不同盐度的BCMFC，盐度分别为0%、10%、30%、50%和70%海水比例(相对于海水盐度的百分比，由海水晶提供，每升模拟废水中分别含有0、3.5、10.5、17.5、24.5 g 海水晶)。每升模拟废水中除了加入相应的海水晶外，含有乙酸钠(2.0 g/L)、NaHCO3(1.0 g/L)、NH4Cl(0.3 g/L)、NaH2PO4·2H2O(6.08 g/L)、Na2HPO4·12H2O(21.8 g/L)及微生物所需的微量营养物质[17]。温度维持在30±1℃。启动过程采用间歇运行，逐步提高盐度的方法。经过3个月的启动期，改为阳极室使用蠕动泵连续供水，阴极保持启动时的间歇曝气模式。在1个周期内阴极运行的顺序是进水0.5 h，曝气6 h，停止曝气2 h，出水0.5 h。将阳极室的出水收集到密闭容器中，阴极运行1个周期后再将阳极出水倒入阴极。

图1 BCMFC实验装置

1.3 分析方法

实验电压使用信号采集器采集，采集器每隔1min将数据传递给电脑储存电压数据。通过改变外接电阻值测得电压数据，经过公式(1)和(2)计算得出电流密度和功率密度，以电流密度为横坐标，分别以电压和功率密度为纵坐标绘制得到极化曲线与功率密度曲线。硝化反硝化酶的活性是以NH4Cl和Na2NO2作为测量指标，表征单位时间内，单位微生物所含蛋白质中NH4+－N或NO2－－N增加或减少的物质的量。

电流密度JA(mA/m3):

式中，I为电流(A);VA为阳极室体积(m3)。

功率密度PA(mW/m3):

式中，Vcell为电池电压(V);Rex为外接电阻(Ω)。

COD、NH4+－N、NO2－－N和NO3－－N等化学指标的测定方法均是国家标准方法。硝化反硝化过程中主要参与的酶有氨单加氧酶(AMO)、亚硝酸盐氧化酶(NOR)、硝酸盐还原酶(NR)以及亚硝酸盐还原酶(NIR)，其测定活性见文献[18]。实验所用试剂均为分析纯。

2 结果与讨论

2.1 盐度对BCMFC三氮变化的影响

成功启动5个不同盐度的BCMFC，阳极连续进水，阳极的出水进入阴极，阴极按照SBR工艺运行，控制阴极进水时的溶解氧浓度为5.0 mg/L。外接500 Ω电阻，反应温度维持在30±1℃。实验中分别取阳极进水、阳极出水(阴极进水)、曝气停止以及阴极最后出水，4个不同时间段的水样测试。盐度对阴阳两室脱氮的影响见图2所示。

图2 不同盐度下BCMFC三氮浓度的变化(图中A、B、C、D和E分别表示海水比例为0%、10%、30%、50%和70%盐度)

由图2可知，氮在阳极出水中主要以氨氮形式存在，受盐度的影响，阳极微生物去除氨氮的性能变差，出水中氨氮的浓度随着盐度的增加而升高。曝气时阴极发生硝化反应，在0%海水比例时，阴极室中的氮以硝态氮的形式存在，10%海水比例时，亚硝酸盐出现并积累，曝气结束时浓度达到12.64 mg/L。30%海水比例时，亚硝酸盐的积累量达到最大，为20.26 mg/L。然而当盐度超过30%海水比例时，亚硝酸盐的积累量随着盐度的增加而变小。可能原因是亚硝酸盐细菌和硝酸盐细菌对盐的耐受性不同[19]，首先抑制硝酸盐细菌的活性，导致亚硝酸盐转成硝酸盐的过程变缓甚至停止，所以会造成亚硝酸盐的积累。随着盐度继续增加，亚硝酸盐细菌亦受到盐度的抑制作用，从而导致在盐度≥50%海水比例时，亚硝酸盐的浓度也减少。曝气停止后，阴极发生反硝化反应，相比于0%海水比例的全程硝化反硝化过程，盐度为10%海水比例则变成了短程硝化反硝化过程，缩短反硝化的时间。但是盐度≥30%海水比例，反硝化微生物受到抑制，反硝化效果变差。最后出水中，三氮之和记为总氮(TN)浓度分别为9.13 mg/L、8.62 mg/L、11.71 mg/L、11.98 mg/L以及30.21 mg/L，去除率分别为 85.54%、86.99%、80.23%、82.41% 以及 52.55%。可以明显看出当盐度大于30%海水比例时，BCMFC的脱氮性能受到抑制。

2.2 盐度对BCMFC化学需氧量去除的影响

BCMFC运行过程中COD(进水COD浓度约为1 600 mg/L)去除率的变化见图3所示。

从图3可以看出，盐度＜50%海水比例时，BCMFC对COD的去除效果大致相同，当盐度≥50%海水比例，盐度抑制BCMFC降解有机物。盐度＜50%海水比例时，阳极出水中COD的去除率变化不大，均能达到89%以上。当海水比例升高至50%时，去除率降至77%左右，70%海水比例盐度下，COD去除率降至69%。曝气停止时COD的浓度分别为19、22、82、104、326 mg/L，去除率分别为 99%、98%、95%、94%、80%。从图3还可以看出，在氧气足够的情况下，仅有70%海水比例盐度的BCMFC的COD去除率较差。最后出水中COD浓度分别为13、9、38、51、229 mg/L，去除率分别为 99%、99%、98%、97%、86%。以上现象说明盐度对阳极和阳极微生物有抑制作用。原因是微生物在盐度较高的条件下，会生成保护机制，分泌胞外聚合物保护细胞，平衡渗透压，或者改变酶的代谢途径以求生存，这些过程需要能量，所以微生物用于繁殖的能量变少，生长缓慢，生物量变少，COD去除效果自然降低。

图3 不同盐度下BCMFC的COD去除率的变化

2.3 盐度对BCMFC产电性能的影响

极化曲线与功率密度曲线能够很好的反应BCMFC产电过程中内阻和输出功率随盐度的变化。由于不曝气的时候改变了DO的量，电压值很小，输出电流直线下降，功率密度也不大，所以本文所测的极化曲线与功率密度曲线均是在曝气阶段测试的。不同盐度下的BCMFC极化曲线和功率密度曲线见图4。

图4 不同盐度下BCMFC极化曲线和功率密度曲线(图中实心图标表示功率密度，空心图标表示极化曲线)

从图4可以看出，BCMFC的输出功率及内阻受盐度的影响较大。0%海水比例下，最大功率密度为2 500 mW/m3，根据全电路Ohm定律[3]计算出0%海水比例下的内阻为160 Ω。随着盐度的增加，功率密度有所上升，为2 520 mW/m3，内阻为151 Ω。原因是盐度的加入，增加BCMFC的电导率，减少欧姆损失。参比电极与双极膜间由于溶液传导而引起的欧姆损失可由公式(4)计算[20]

式中，dw为溶液宽度(cm);I为电流密度，A/cm2;S为溶液的电导率(S/cm)。当溶液宽度(即极间距)固定不变时，增加电导率会使欧姆损失减少，从而提高功率密度。但是图4可以明显看出，当盐度为30%海水比例及70%海水比例时，最大输出功率分别为515 mW/m3和175 mW/m3，内阻分别为600 Ω和1 352 Ω。最大输出功率密度随着盐度的增加而下降，内阻上升至10%海水比例的4倍和9倍。原因是:(1)在盐度的作用下，虽然增加了电导率，但是电导率增加到一定程度就达到饱和，不能很大程度的增加功率密度和减少内阻。而且添加的海水晶中含有大量的Cl－，会对微生物有毒害作用，使阴阳两极的产电微生物受到抑制，所以导致输出功率密度变小，内阻变大;(2)微生物和海水晶会堵塞PEM，从而导致阳极到阴极质子的传递速率降低，引起输出功率变小。

2.4 不同盐度下BCMFC基质降解动力学分析

实验使用自配污水，成分较为单一，实验过程中保持参数恒定，所以认为基质的降解动力学与基质的浓度有关，因此可以用简单动力学对BCMFC阳极降解有机物和阴极对氨氮去除过程加以描述，通过讨论零级、一级和二级三种动力学方程及其回归系数，来确定基质降解的反应级数和所对应的反应速率常数。比较不同盐度下反应速率常数，进一步解释盐度对有机物和氨氮去除过程的影响。

零级反应动力学方程:

一级反应动力学方程:

二级反应动力学方程:

式中Ct表示t时间的基质浓度;C0表示基质的初始浓度;t表示时间;k0、k1、k2分别表示零级、一级、二级反应速率常数。

2.4.1 阳极有机物降解动力学分析

在盐度影响下，阳极有机物降解动力学分析见表1。

表1 不同盐度下阳极COD降解的反应动力学级数、反应速率常数及回归系数

由表1可知，0%海水比例下，一级反应方程拟合较好(R21=0.980)，零级次之(R20=0.929)，二级最差(R22=0.785)。相同的现象也发生在盐度为10%、30%和50%海水比例。这原因可能是由于底物乙酸钠是一种单一类型的易降解有机物质。所以呈现出的动力学反应级数较为简单。特殊的是在盐度为70%海水比例时，R22(0.998)＞R21(0.982)＞R20(0.924)。原因可能是受到盐度的影响，阳极微生物的种类与其他盐度下的不同，产生代谢途径不一样。比较不同盐度下的k1，随着盐度增加，k1先上升后下降，盐度为10%海水比例的k1是70%海水比例的2.4倍。说明10%海水比例下，阳极微生物降解COD的速率最快，所以在相同时间内出水中的COD浓度最低。

2.4.2 阴极氨氮去除动力学分析

在盐度影响下，阴极氨氮去除的反应动力学方程及回归系数见表2。

表2 不同盐度下阴极NH+4－N去除的反应动力学级数、反应速率常数及回归系数

由2表可知，比较5种盐度下的反应级数变化，除了海水比例为0%和10%是一级反应外，其他盐度下均为二级反应。10%海水比例下的k1是70%海水比例的5倍。说明盐度不仅影响了阴极氨氮的去除速率，而且可能影响了氨氮在阴极去除的途径，从图2三氮的变化也可以看出。因为盐度影响了阴极的亚硝酸盐细菌与硝酸盐细菌的活性，由于两者的耐盐性不同，随着盐度的增加，硝酸盐细菌的活性受到抑制，出现亚硝酸盐的积累;当盐度继续增加，抑制了亚硝酸盐细菌的活性，阻碍了阴极的亚硝酸化的进程，降低了氨氮转化速率以及影响了阴极微生物的代谢途径。

2.5 硝化反硝化酶的活性

硝化反硝化过程中参与的酶:AMO、NIR、NR以及NIR的活性，见表3。

由表3可知随着盐度增加，AMO在盐度≥50%海水比例时，活性下降。从图2也可以看出，在海水比例为50%和70%时，二者的硝化过程产生的亚硝酸盐的浓度小于海水比例为10%和30%的情况。NOR在盐度为0%～30%海水比例范围内变化不大，当盐度≥50%海水比例时，NOR活性下降，说明盐度对硝酸盐细菌产生影响。从NR和NIR的变化可以看出，高盐度对反硝化细菌活性起到的抑制性作用。这也与图2所示一样，随着盐度增加反硝化性能变差。

3 结论

实验结果表明，BCMFC的阴极采用间歇曝气模式，使得BCMFC去除COD和NH+4－N的同时能够实现脱氮。

盐度为10%海水比例时，BCMFC脱氮除碳及产电性能最佳，TN去除率为86.99%，COD去除率为99%，最大输出功率为2 520 mW/m3，内阻为151 Ω。COD和NH+4－N符合一级反应动力学，反应速率常数最大。

BCMFC适宜的盐度范围为盐度≤30海水比例，盐度≥50%海水比例影响TN和COD的去除率，内阻增大至10%海水比例盐度的9倍左右，输出功率下降。随着盐度增加，反应级数由一级变为二级且反应速率常数减小;硝化反硝化酶的活性受到明显的抑制。

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