微生物燃料电池降解染料废水的综合实验设计

李 莉， 伍 佳， 张 赛， 丁燕燕， 王 娇

（1.重庆大学环境与生态学院，重庆400045；2.中机中联工程有限公司，重庆400039；3，重庆市第七中学校，重庆400030）

0 引 言

随着产生的污废水含量逐年增多，环境问题日益严峻，其中偶氮染料是目前处理难度较大的有机废水之一［1-2］，其色度较高、成分复杂、性质稳定、难降解［3］，降解的中间体芳香族化学物具有毒性、致癌性和致突变性，会抑制河流中水生生物的生长，对河流中的水生动植物具有毒害作用，而偶氮染料废水中往往存在大量的含硫物质。微生物燃料电池（Microbiological Fuel Cell，MFC）是一种利用微生物将有机物中的化学能转化为电能的装置，具有直接产电、条件温和、耗能低、环保等优点［4-6］。以污水为营养物质构造的MFC实现了污水处理的同时回收电能，从而在一定程度上降低了污水的处理成本［7］。因此在项目组前期的科研工作基础上，设计了一个基于MFC降解含硫偶氮燃料废水的综合性实验，以含硫化物的偶氮染料为目标物，利用单室空气阴极MFC进行降解试验，研究偶氮染料浓度、硫化物浓度和pH对MFC产电效能和污染物降解率的影响。

本实验是废水处理综合实验，基于有机基质在阳极室被电活性细菌氧化并产生电子和质子，电子通过细胞中的一系列呼吸酶，以ATP的形式为细胞提供能量，产生的电子通过直接电子转移、钛丝导线或外部介体3种形式传递到阳极，再经由外部电路转移到阴极。电子转移过程中则产生电流和电压，该信号由数据采集器采集；同时在取样口取样检测基质溶液中有机污染物的变化，通过有机污染物浓度和电压电流的变化研究产电效能和污染物降解效能。通过改变主反应区中基质溶液中偶氮染料浓度、硫化物浓度和pH值，研究产电规律和污染物降解机理。

1 实验装置

本实验装置由反应器、磁力搅拌器、外电阻和数据采集器组成，如图1所示。MFC反应器为圆柱状两端具有法兰，总容积为400 mL，腔室的容积尺寸为Ø8 cm×8 cm，反应器上侧设置有取样口，阳极端通过法兰连接有阳极密封板，其阴极端通过法兰连接有阴极镂空的密封板，反应器的阴极端设置有阴极碳布。阳极电极为Ø3 cm×12 cm石墨碳纤维刷（日本东丽），由钛丝和碳纤维丝组成。阴极碳布采用经过10%的PTFE疏水处理后的w1 s1005碳布（中国台湾碳能）。阳极和阴极通过钛丝（直径1 mm）与1 kΩ的外部电阻连接，形成闭合电路。具体构造见图2。

图1 反应装置组装示意图

图2 MFC反应器三视图

2 实验过程

2.1 反应器的启动

反应器启动与运行阶段，为了增加MFC系统的微生物多样性，采用污水处理厂的厌氧和好氧混合污泥接种阳极室。为了加快驯化速度以在电极材料上快速富集微生物，加入到阳极室之前，首先将初始污泥加入到含硫化物的偶氮染料废水中，并置于磁力搅拌器上搅拌24 h得到接种污泥。为了确保MFC系统中有足够的生物量，将接种污泥和反应基质以1∶1的比例混合，混合均匀后添加到MFC中进行启动。同时，将中泰科研EM 9636数据采集器连接到计算机上，实时记录系统的产电电压。经过一段时间的培养后，如果系统连续3个周期的稳定电压相同，则表示系统已成功启动。

2.2 实验设计

利用MFC反应器研究硫化物浓度、偶氮染料浓度和pH对硫化物和染料降解效能的影响，测定输出功率，分析反应过程中COD的变化情况。反应器所处的环境温度为（28±5）°C，偶氮染料采用刚果红作为典型代表性物质。

（1）硫化物浓度影响规律。硫化物在MFC中担任电子供体的角色［8］，具有关键性的作用，为了评价硫化物浓度的改变对MFC产电效能和污染物降解的影响，通过控制硫化物浓度进行单因素实验分析。设置进水硫化物浓度分别为120，180，240，300和360mg/L，初始投加刚果红染料和COD（乙酸盐）浓度分别为200和1 000 mg/L，通过1 mol/L的NaOH调节MFC阳极液进水pH值为7.0，外电阻为1 kΩ，测定分析输出功率、硫化物、偶氮染料浓度和COD浓度的变化。

（2）偶氮染料浓度影响规律。为了评价刚果红浓度的改变对MFC产电效能和污染物降解的影响，通过控制刚果红浓度进行单因素实验分析，设置进水刚果红浓度分别100，200，300，400和500 mg/L，初始投放硫化物浓度和COD（乙酸盐）分别为180和1 000mg/L，通过1 mol/L的NaOH调节MFC阳极液进水pH值为7.0，外电阻为1 kΩ，测定分析输出功率、硫化物、偶氮染料浓度和COD浓度的变化。

（3）pH值影响规律。MFC运行中，阳极液pH能影响底物的代谢活性，进而影响质子和电子的生成和转移机制，对MFC的整体性能有着重要作用。调整进水燃料的pH分别为5.0、6.0、7.0、8.0、9.0，初始投放硫化物浓度和COD（乙酸盐）分别为180和1 000mg/L，通过1 mol/L的NaOH调节MFC阳极液进水pH值为7.0，外电阻为1 kΩ，测定分析输出功率、硫化物、偶氮染料浓度和COD浓度的变化。

2.3 分析与计算方法

硫化物浓度采用国家标准分析方法GB/T 16 489亚甲基蓝分光光度法；COD浓度采用国家标准分析方法HJ828重铬酸钾法测定；染料以刚果红作为代表，通过紫外分光光度计在496 nm处测量吸光度表征浓度。

（1）功率密度。MFC电极两端的电压通过连接在电脑上的数据采集器（中泰科研EM 9636B）每5 min采集记录1次，自动记录和保存。电流公式为

式中：I为电流，A；U为外电阻两端的电压，V；R为电极两端外电阻，Ω。

功率密度为

式中：P为功率密度，mW/m2；U为MFC电压，V；A为反应器阴极的有效面积，cm2。

（2）降解率。染料、硫化物以及COD等污染物降解率，

式中：E为降解率，%；C0为初始浓度，mg/L；Ci为第i次取样浓度，mg/L。

3 结果与分析

3.1 硫化物浓度对MFC的影响

由图3（a）可见，MFC的最大功率密度随硫化物浓度的升高而增大。这表明：一方面，MFC阳极微生物对高浓度的硫化物具有良好的适应性，能够快速高效地氧化阳极液中硫化物和乙酸盐并产生电能；另一方面，硫化物浓度的增大会产生更多的电子和质子并转移至阴极，使得MFC最大功率密度和产电量增加；另外，硫化物的增加降低了MFC电池的阳极电势［9］，而增加阳极电势可以促进产电微生物获得足够的能量，加速反应器中电化学反应和生物反应的进行，进一步加快MFC的产电效能。因此，在适当范围内增加硫化物的浓度可以增加MFC的产电效能，这对于MFC电能领域的应用提供了一定的理论和技术支持。

图3 硫化物浓度对MFC的影响

MFC间歇式运行一个完整的周期，每隔4 h测定硫化物和刚果红的浓度。由图3（b）可见，不同浓度下硫化物的降解趋势相近，降解速率在28 h之内增加迅速，随后达到平稳，降解速率均为80%以上。由此可见，随着MFC中初始硫化物浓度的增加，硫化物氧化受到明显影响，去除率呈现出显著下降的趋势。这种现象表明较高的硫化物浓度可以通过抑制微生物活性而对硫化物的电化学氧化产生负影响，硫化物和乙酸盐在MFC中作为电子供体，发生氧化反应，高浓度的硫化物降低了微生物电子转移速率［10］，进一步的抑制了硫酸盐的生物还原途径。

如图3（c）所示。偶氮染料的降解率随着MFC中硫化物浓度的增加而升高。偶氮染料脱色效率的明显提高（77.22%～87.10%）主要是由于高浓度的硫化物产生更多的电子，电子通过外电路转移到电池阴极上，使得更多的染料得到电子被还原，从而加速了电极间的电子转移速率，促进刚果红染料的还原反应。

在MFC系统中，硫氧化菌（SOB）与硫酸盐还原菌（SRB）在一定的条件下与厌氧菌可能会存在竞争关系，甚至会对厌氧菌的新陈代谢有抑制作用。因此为了考察硫氧化菌与硫酸盐还原菌和厌氧菌之间的关系，需要考察在不同硫化物浓度下COD的去除率。如图3（d）所示，随着进水硫化物浓度的增加，COD的去除率由37.88%下降到21.90%，COD的去除率有着较小幅度的降低，影响的程度不大，表明进水硫化物浓度的增加对COD去除率的影响较小，能够在一定程度上抑制有机物的电子转移能力；也表明了硫氧化菌和硫酸盐还原菌能够对厌氧菌起到一定的抑制作用，使MFC中发酵菌的数量降低，因此有机物的消耗量减少。

3.2 染料浓度对MFC的影响

如图4（a）所示，随着刚果红浓度的增加，MFC的最大功率密度呈现降低的趋势，说明染料浓度对MFC产电效能有着显著的影响作用。微生物燃料电池中，刚果红作为电子受体，接受来自硫化物和有机物的电子而发生还原反应，同时，空气阴极附近的O2结合e-

图4 不同染料浓度对MFC的影响

和H+生成水。随着刚果红浓度的增加，抑制了反应器中厌氧微生物的活性，电子传递速率减慢，阴极得到电子数量相比降低，由此高浓度刚果红MFC的产电效能变差。

如图4（b）所示，随着刚果红偶氮染料浓度的增加，硫化物的氧化速率加快。但是，反应36 h后，当染料浓度从100 mg/L增加到500 mg/L时，硫化物的去除效率并未受到明显影响，均为98%左右。在该系统中偶氮染料作为电子受体，硫化物为电子供体［11］，当电子受体浓度较高时，硫化物可以更快被去除。

从图4（c）可以看出，随着刚果红染料浓度的增加，刚果红的去除率呈现下降的趋势。这是因为在较高的刚果红浓度下，阳极产电微生物的活性被抑制［12-13］，刚果红的降解率较低。

由图4（d）所示，在高浓度的刚果红染料浓度下，COD的降解效果最好。一方面是因为刚果红浓度增加，阳极液中需要更多的电子使染料发生还原反应而脱色，由此需要有机物和硫化物提供更多的电子供体，在硫化物浓度一定的条件下，促使有机物的消耗量增加；另一方面，COD的去除率由34.66%增加到40.23%，变化幅度较小，说明刚果红浓度的增加对MFC中的发酵菌影响较小。

3.3 pH值对MFC的影响

如图5（a）所示，功率密度在pH为7.0时最大，过酸和过碱条件下功率密度最小，说明过高或过低的阳极液pH均会抑制产电菌的活性，影响MFC阳极反应速率，使得MFC体系的最大功率密度降低，影响系统的整体产电性能。

不同的pH对微生物的酶系统有不同程度的影响，pH过高或者过低都会降低酶活性，进而影响反应速率。图5（b）显示，在阳极液pH=7.0下观察到最高的硫化物去除率，中性条件和酸性条件更适合细菌生长。当pH为5.0和9.0时，硫化物依然可以保持较高的降解率（96.87%和85.19%），表明MFC体系下的微生物具有较好的pH耐受性。

如图5（c）所示，在pH为7.0时，刚果红的降解效率最高，高于或低于此值脱色率均降低，说明过酸或过碱的环境会影响酶的活性，抑制微生物的生长繁殖，由此降低了刚果红的脱色率。在反应过程中，电子供体和电子受体之间的电位差对系统产电有影响，因此，为了能够最大限度地使系统发生氧化还原反应，选择还原电位较低的厌氧环境。硫的存在形式受到pH的影响，在中性条件下主要以HS-存在，这会导致更负的阳极电势［14-15］，使系统产电最大，因此选择中性条件同时去除硫化物和偶氮染料。

由图5（d）可知，pH为7.0时有机物的降解率最快。附着在MFC的阳极膜上的厌氧产电菌对细菌和电极的胞外电子转移有着重大的作用，在MFC系统中，COD的去除是阳极微生物，产甲烷菌和发酵细菌协同作用下的结果。因此在极端的pH条件下参与代谢的微生物活性受到抑制，使有机污染物的分解速率降低，从而降低COD的去除率。

图5 不同初始pH对MFC的影响

4 实验教学效果

MFC的研究中涉及了电化学、微生物学、水污染控制等多方面的理论知识，实验中涉及COD的测定，紫外分光光度计的使用以及微生物燃料电池的组装等方面的动手能力，通过实验教学设计将MFC引入到本科教学中，这与本科环境工程专业的教学方向高度契合。学生在学习理论课程后，查阅资料制定实验计划、自主组装实验装置、实践检测方法以及分析处理实验数据，在整个综合实验过程中将理论知识应用到实践，巩固学生的基础知识的同时提升解决实际复杂问题的能力［16-19］。

在实验设计中还可以根据课时量增加温度、阴极材料等影响因素实验，根据授课深度拓展电化学工作站、电镜扫描、微生物群落结构等分析进一步解析微观机理。因此，该综合实验可通过实验方案的拓展和变化培养学生的探索能力和创新思维能力。此外，结合实验结果引导学生探索该技术工程化应用中亟待解决的瓶颈问题，例如如何增强污染物处理效率及产电性，降低处理成本等问题，进一步激发学生的科研兴趣，树立发现问题解决问题的研究思维模式。

5 结 语

本实验构建单室空气阴极MFC实验装置处理含硫化物的染料废水，通过考察不同影响因素的产电和污染物去除效能，结合电化学、微生物学、水污染控制理论知识解析MFC的机理。实验装置搭建简单易行，实验方案科学可行，检测方法易于掌握，实验条件稳定可控，因此将本实验引入本科实验教学中，不仅可让学生了解及掌握科学前沿知识，同时也巩固和丰富学生的专业理论知识，激发学生的学习兴趣，提高学生的动手能力，培养学生的自主创新意识，对于培养创新型人才具有积极意义。