微生物燃料电池技术处理苯酚的基础研究

郭 璇

（中国城市建设研究院有限公司，北京 100120）

0 引言

苯酚是一种重要的工业原料，在有机合成领域应用广泛[1]，因此，苯酚是炼油、焦炭、染料、纺织、农药和医药生产等诸多工业生产废水中的主要污染物[2]。苯酚具有较强的生物毒性，对人体和生态环境危害巨大，是我国优先控制的主要污染物之一[3]。目前，工业苯酚废水的处理方法包括物理法、化学法和生物法三大类。利用物理法和化学法处理含酚废水，能耗大、成本高、处理量小[4]，无法满足社会发展需求，而生物法处理苯酚废水，具有经济、高效、无二次污染等优点[5]，其应用前景广阔。

微生物燃料电池技术是一种新兴的废水生物处理技术，电池阳极一般为导电材料，微生物作为催化剂富集于阳极表面，在净化废水的同时，将废水化合物中蕴藏的化学能转化为电能输出[6]。目前，以微生物燃料电池技术处理高危工业废水是国际研究热点[7-8]，而苯酚是我国优先控制的工业污染物之一，因此，本文以苯酚为底物，构建微生物燃料电池，探索以微生物燃料电池技术处理苯酚废水的可行性，考察了苯酚微生物燃料电池的产电性能及苯酚降解性能，同时对电池阳极富集的优势苯酚降解菌进行了分离、纯化和鉴定。

1 实验部分

1.1 MFC 基本结构

参照文献[9]，双室微生物燃料电池结构如图1 所示。电池以苯酚为底物，以400 mL 玻璃试剂瓶构成2 个电极室，2 个电极室之间以法兰盘密封连接，质子交换膜（Nafion 117）置于法兰盘靠近阳极室一侧。阳极电极为石墨棒（0.6 cm×18 cm），阳极室内填充活性炭颗粒（平均粒径为0.5～2.0 mm，孔隙率为0.44）以增加废水与电极棒的接触面积，为维持阳极厌氧环境，需用胶塞密封阳极室。阴极电极为石墨片（0.5 cm×2.5 cm×17 cm），采用20 mmol/L 的Fe（Ⅲ）-EDTA 体系作为电解液传输电子[10]，为保持阴极液溶解氧浓度，阴极室需连续曝气并不断添加电解液以弥补曝气损失。两电极之间外接负载1 000 Ω，运行环境温度维持在30 ℃左右。

图1 微生物燃料电池结构示意图

1.2 阳极液及接种物

电池阳极溶液为苯酚溶液与营养液的混合液，苯酚终质量浓度为200 mg/L，营养液参照文献配制[11]。为保持阳极厌氧环境、提高微生物代谢率，阳极液混合均匀后，需用N2曝气30 min 以去除氧气。电池启动时，需添加活性污泥作为接种物，本实验选用燕山石化污水处理系统的活性污泥作为接种物，在电池启动时，以5 mL/100 mL 的比例添加到阳极液中。

1.3 测试与计算方法

电池输出电压由自动信号采集系统（8251，瑞博华）记录存储，电流密度和单位体积功率密度分别按式（1）、式（2）计算。

式中：U 为输出电压，mV；I 为电流密度，mA/cm3；R 为外电阻，Ω；V 为阳极室有效体积，cm3；P 为功率密度，mW/m3。

苯酚浓度利用4-氨基安替比林直接光度法进行测定，化学需氧量利用COD 快速测定仪测定，pH 值利用雷磁pH 计测定。

1.4 微生物种属分离及鉴定方法

根据文献[12]所述，MFC 阳极富集的微生物利用平板划线法分离纯化，并利用16SrDNA 法鉴定。微生物菌株被分离纯化后，利用SK1201-UNIQ-10 柱式细菌基因组DNA 抽提试剂盒(上海生工)进行提取，提取后进行PCR 扩增，扩增采用的引物包含上、下游，上游引物为27f（5’AGAGTTTGATCCTGGCTCAG 3’），下游引物为1492r（5’GGTTACCTTGTTACGACTT 3’）。PCR 扩增完成后，利用UNIQ-10 柱式DNA 胶回收试剂盒（上海生工）对扩增产物目的DNA 进行纯化，并委托上海生工生物工程有限公司进行DNA 测序。DNA 测序结果提交NCBI（http://www.ncbi.nlm.nih.gov）进行检索和同源性比较，最终得到单株细菌菌属。

2 结果与讨论

2.1 电池启动与运行

以苯酚为底物，启动活性炭填料型微生物燃料电池。电池的电压输出曲线如图2 所示。电池启动阶段，每5 d 更新一次阳极溶液，电池成功启动后，当电池电压下降到200 mV 以下时，更新阳极溶液。从图2可见，苯酚为底物的电池启动电压为88 mV，随着培养时间的增长，电池输出电压稳定上升，不间断培养约25 d 后，电池最高输出电压达到200 mV 以上并维持稳定，证明电池进入稳定运行阶段。根据计算，苯酚废水MFC 的最高输出电压为220 mV±10 mV，最高输出功率密度为161.30 mW/cm3±0.33 mW/cm3。结果显示，经过一定时间的培养驯化，在微生物燃料电池内，微生物可利用苯酚为营养物质产电，同步实现污水净化与电能输出。

图2 苯酚电池电压输出曲线

2.2 苯酚废水处理性能分析

电池达到稳定运行期后，为考察苯酚废水的净化效果，对电池进出水进行水质检测，为保证准确性，检测过程重复6 次，最终数据以平均值表示，结果如表1所示。活性炭填料苯酚电池COD 去除率为79.4%±2.0%，相应的苯酚污染物去除率为97.0%±2.0%。微生物燃料电池对苯酚去除效果较好，且对苯酚污染物的去除率高于对溶液COD 的去除率。这可能是由颗粒活性碳良好的吸附性能引起的。

表1 苯酚微生物燃料电池污染物去除效果

由于活性炭自身为非极性物质，对带有苯环结构的苯酚污染物具有较强的吸附性能，因此，当苯酚废水添加至电池后，其中的苯酚污染物组分可快速被吸附于活性炭填料表面成为微生物代谢的营养物质，因此，其在阳极溶液中的浓度可快速降低。吸附于活性炭填料表面的苯酚被微生物降解产生的代谢产物一般为分子量较小的极性物质，不易被活性炭吸附，容易扩散至阳极溶液中，不利于被微生物代谢，导致阳极溶液的COD 增加。因此，MFC 对苯酚污染物的去除率高于对COD 的去除率。由此证明，活性炭填料电池是通过活性炭吸附和微生物代谢反应的相互叠加作用去除污染物。

MFC 阳极出水pH 值为6.09±0.10，呈弱酸性，这是因为每次阳极溶液更新后，电极或填料表面生长繁殖的部分微生物会游离至阳极溶液中发生厌氧发酵反应，导致溶液pH 减小，出现酸化现象。另外，苯酚污染物组分被微生物讲解后会形成小分子脂肪酸，未来得及被微生物彻底代谢，也会引发阳极溶液pH 降低的现象。

2.3 填料表面微生物富集状态分析

以苯酚废水为底物的MFC 活性炭填料表面SEM扫描图如图3 所示，图3-1 为原始活性炭颗粒表面状态，仅可见杂质、灰尘及少量盐结晶颗粒，未见微生物菌株的存在。图3-2 为稳定运行后的MFC 内活性炭颗粒表面状态，由图3 可见，经过活性污泥接种后，微生物菌株逐渐在电池内以苯酚为营养物质，大量繁殖生长并富集于填料表面。根据图3-2 显示，稳定运行的MFC 表面富集的微生物菌株，数量繁多，形态各异，有杆状、短杆状及球状，微生物多样性良好。根据研究发现，随着微生物菌株在填料表面的富集增殖，MFC 的产电量也同步上升，当填料表面富集的微生物数量达到一定程度后，电池产电量维持稳定状态，不再增加。出现此现象的原因可能为富集于填料表面的微生物菌株可作为阳极催化剂，在降解苯酚的同时，传导电子产电，但当菌株浓度达到饱和后，微生物数量不再增加，因此，电池产电量输出维持稳定。

图3 填料表面SEM 扫描图

3.4 优势微生物种属分离分析

电池进入稳定运行期后，利用平板划线的方法，对阳极室内富集的优势微生物菌株进行分离纯化，并利用16SrDNA 分子生物学方法对纯化好的单菌株微生物进行种属鉴定分析，结果如表2 所示。

表2 菌株的分子生物学鉴定结果

结果显示，电池中共分出7 株优势微生物菌株，分别为球型赖氨酸芽孢杆菌、蜡样芽胞杆菌、苏云金杆菌、芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、异常芽孢杆菌及阴沟肠杆菌，7 株菌均为杆状菌。电池中的微生物多样性较好，因此，电池稳定电压输出及苯酚去除性能较好。

3 结论

综上所述，在接种的条件下，微生物燃料电池可以利用苯酚为营养物质产电，电池稳定运行电压输出为220 mV±10 mV，稳定输出功率密度为161.3 mW/cm3；电池对苯酚处理效果较好，COD 去除率为79.4%±2.0%，相应的苯酚污染物去除率为97.0%±2.0%；电池产电性能随着填料表面富集的微生物浓度增加而增加，当微生物浓度饱和后，产电量维持稳定状态；稳定运行的电池阳极微生物多样性较好，存在7 株不同的优势微生物菌株。