基于底物類型的微生物燃料電池的產電特性

趙娟, 吳瑾妤, 李秀芬＊, 陳堅

(1.江南大學環境與土木工程學院,江蘇無錫 214122;2.食品科學與技術國家重點實驗室江南大學,江蘇無錫 214122)

基于底物類型的微生物燃料電池的產電特性

趙娟1, 吳瑾妤1, 李秀芬＊1, 陳堅2

(1.江南大學環境與土木工程學院,江蘇無錫 214122;2.食品科學與技術國家重點實驗室江南大學,江蘇無錫 214122)

針對目前太湖流域大量藍藻水需銷納的狀況,研究開發了從藍藻水中回收電能同時將其中的有機污染物質降解的沉積型微生物燃料電池(Sediment Microbial Fuel Cell,SMFC)體系。作者主要考察了不同底物類型對SMFC體系產電特性的影響。結果表明,底物類型對所構建SMFC體系的運行特性有較大影響。功率密度峰值依藍藻+乙酸鈉、藍藻、藍藻+葡萄糖和空白體系的順序遞減,分別為15.59、12.72、10.52、8.35 mW/m2。COD去除率則依藍藻+乙酸鈉、藍藻+葡萄糖、藍藻和空白體系的順序遞減,分別為60.1%、27.2%、19.6%、18.1%。功率密度和COD去除率變化規律的區別,主要歸因于發酵型底物葡萄糖的存在導致體系中去除的COD并非全部被產電微生物所利用。

沉積型微生物燃料電池;功率密度;底物類型;藍藻

作為水體環境污染的副產物,藍藻的有機成分極為豐富,蛋白質質量分數高達38%～47%,同時含有大量多糖及多種氨基酸和維生素。據統計, 2007年太湖藍藻暴發期間,每天有1 000 t藍藻水從太湖水體中打撈上岸[1],持續近一個月,這些藍藻水如不妥善處理,容易通過滲漏和徑流重新回到太湖水域造成二次污染,因此,如何處置日益增多的藍藻水成了重要而緊迫的現實問題。

由于石油危機的爆發,對世界經濟造成巨大的影響,國際輿論開始關注世界能源危機問題[2]。微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell,MFC)是從城市污水和有機固體廢棄物中回收能源的重要手段之一。2003年[3],馬薩諸塞(Amherst)大學的微生物學家Lovley D.R.將MFC的燃料首次擴展到廣泛的生物質,所得微生物以植物中的葡萄糖、果糖和木糖等為燃料。此后,MFC用于產電的底物逐步多樣化,既有單一的小相對分子質量物質,如葡萄糖、果糖、丙酸鹽、丙酮酸鹽和乳酸鹽等[4],也有復雜的大相對分子質量化合物,如蛋白胨、牛肉膏、淀粉和類纖維素等[5-7]。

針對目前太湖流域大量藍藻水需銷納的狀況,在建立并啟動從藍藻水中回收電能同時將其中的有機污染物質降解的無介體沉積型MFC(Sediment MFC,SMFC)的基礎上,探討底物類型對SMFC運行特性的影響及其處理藍藻水的可行性。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

單室SMFC實驗裝置見圖1。主要由2 000 mL燒杯、碳氈電極(Φ80 mm×10 mm,北京三業碳素)和1 400Ω的外阻構成。燒杯內為800 mL陽極混合液和800 mL陰極緩沖液,由沉降性自然形成陰陽極區界面,陽極碳氈距燒杯底部1～2 cm,陰極碳氈上表面與緩沖液液面平齊以保證與空氣接觸。數據采集器(北京瑞博華,RBH8223h型)定時記錄電壓值。

1.2 實驗方法

實驗接種污泥為無錫檸檬酸廠UASB反應器中的厭氧顆粒污泥,接種污泥濃度(VS)為57 g/L。陽極培養液[8](成分g/L):葡萄糖3.0,N H4Cl 0.8, NaHCO32.5,KH2PO40.3,KCl 0.1,MgCl20.1, CaCl20.1,另加入3%的氯仿并調節p H至中性。陰極采用磷酸鹽緩沖液[9](成分g/L):KCl 0.1, NaCl 1.0,Na2HPO42.75,KH2PO44.22。陽極混合液及陰極緩沖液體積分別為800 mL。啟動期間,陽極混合物中加入10 g/L藍藻。4套裝置同時啟動,啟動成功后,分別在陽極區添加藍藻50 g、藍藻50 g+葡萄糖3 g、藍藻50 g+乙酸鈉3 g和不添加任何物質,研究底物類型對SMFC系統運行特性的影響。序批式室溫運行。

圖1 SMFC裝置示意圖Fig.1 Schematic of SMFC

1.3 分析測試

通過設定不同的外載電阻(100～3 000Ω,步長100Ω)測得不同負載兩端的電壓U,根據歐姆定律U=IR計算電流I,將電流I換算為單位陽極投影面積電流密度作橫坐標,電壓U為縱坐標得到系統的極化曲線。功率密度達到峰值時,內阻與外阻相等,據此確定系統內阻。

由數據采集儀器定時采集電壓值,由此計算電池輸出功率密度[10]。COD、VSS、p H等的測定均采用國家標準方法。

2 結果與分析

2.1 SMFC的極化曲線

圖2給出了所構建SMFC系統運行5 d后的極化曲線。由圖2可以看出,隨著反應的進行,電池電壓逐步降低,而當外電阻到達一定數值后,功率密度出現峰值,并維持一段時間后緩慢降低。外電阻與內阻相等時,電池的功率密度最高,因此確定體系的最佳外電阻為1 400Ω。

2.2 SMFC的啟動運行

如圖3所示,啟動期間,無論是功率密度的最高值還是穩定值,4套裝置均呈漸增趨勢。

圖2 SMFC極化曲線Fig.2 Polarization profiles of SMFC

圖3 啟動期間SMFC功率密度的變化情況Fig.3 Changes in the power density of SMFC during itsstartup

新鮮陰極溶液的加入可帶入充足的溶解氧和本底質子濃度,明顯加快SMFC的陽極微生物氧化反應和陰極還原反應的速度,導致功率密度迅速上升。隨著反應的進行,SMFC的底物、質子傳遞問題凸現,同時陽極部分底物和微生物擴散到陰極,縮小了陰陽極間的電勢差,電壓開始降低并穩定。在功率密度升高和降低的反復中,穩定功率密度開始提高,推測陽極上富集了一定數量的產電微生物,是否形成生物膜還有待進一步考察。啟動第一周期4套裝置平均穩定功率密度為0.44 mW/m2,啟動結束時達到5.66 mW/m2。同時,最終四套SMFC裝置在最高和穩定功率密度上表現出歸一化趨勢,可用于后續底物類型實驗研究。

2.3 底物類型對SMFC功率密度的影響

由圖4可以看出,待反應穩定后,藍藻+乙酸鈉為底物的SMFC體系功率密度最高,其峰值達15.54 mW/m2,實驗結束時的穩定值為7.28 mW/ m2。藍藻+葡萄糖為底物的SMFC體系功率密度最低,其峰值和穩定值分別為10.52 mW/m2和4.55 mW/m2。太湖藍藻以微囊藻為主,其蛋白質質量分數高達69.78%且主要為色氨酸的貢獻[11]。微生物降解葡萄糖過程中生成乙酸鹽[12],蛋白質在酸性條件下水解成色氨酸并被微生物降解利用。色氨酸的最終降解產物為乙酰CoA,正是TCA過程發生的重要條件。MFC的產電是微生物呼吸鏈中產生的電子通過外電路而不通過氧化磷酸化過程產生A TP形成的。色氨酸的降解與微生物產電形成了競爭,所以藍藻+葡萄糖體系的功率密度在前100 h高于藍藻體系,之后逐漸降到最低。

圖4 底物類型對SMFC功率密度的影響Fig.4 Influence of substrate type on the power density of SMFC

不添加任何底物的對照SMFC體系中,因所含營養物質有限,制約了產電微生物產電活性的進一步提高,功率密度較低,最高值和穩定值分別為8.35 mW/m2和5.62 mW/m2。葡萄糖是微生物最易吸收和分解的發酵型底物,發酵過程中的中間產物之一為氫氣,較易被位于生物膜表面的產甲烷菌利用,無法被靠近電極表面的內層產電菌吸收,產電效率不高。乙酸鈉不同,它是易被產電菌直接利用的非發酵型底物為底物[13],消耗利用速度快,故產電效率高一些。另外,以藍藻為底物的SMFC體系最高功率密度高于空白體系,為12.67 mW/m2,說明藍藻可作為SMFC體系的底物用于產電。

SMFC的功率密度普遍比其他單室MFC的一般水平低很多,傳質限制是其產電不高的重要因素之一。因為陽極底泥中H+由下向上的擴散過程及電極周圍易出現的反應物供應不足、產物積累現象會產生較大歐姆損失和濃差損失,兩者也是內阻的重要組成。Tender等[14]在類似的SMFC中得到持續穩定的最大功率密度為20 mW/m2左右,Lowy等將陽極電極若經AQDS修飾后最大功率密度為98 mW/m2左右,若加入Mn2+和Ni2+最大功率密度能達到105 mW/m2[15]。本實驗SMFC系統采用普通碳氈電極,總體功率密度水平不高,在后續的實驗中可以通過優化電極間距與陰陽極區體積比來提高功率密度。

2.4 底物類型對SMFC中COD去除率的影響

實驗中單獨藍藻體系、藍藻+葡萄糖體系和藍藻+乙酸鈉體系的進水COD質量濃度分別為2 373、6 583、6 508 mg/L,運行結束后出水COD質量濃度分別為1 908、4 792、2 597 mg/L。圖5給出了不同底物類型SMFC體系對COD去除率的影響,MFC體系中,COD的去除并非完全與功率密度成正比的,某些條件下COD的去除可能被非產電菌所利用。同樣的,藍藻+乙酸為底物的SMFC體系COD去除率最高,為60.1%,該體系中功率密度的產生來自于COD的去除。藍藻+葡萄糖為底物的SMFC體系中COD去除率次之,為27.2%,可能是由于發酵型底物葡萄糖的存在,COD的去除并非全部用于產電,盡管COD去除率高于單獨藍藻體系,但其功率密度卻低于單獨藍藻體系,見圖5。空白體系的COD去除率略低于藍藻SMFC體系,分別為18.1%和19.6%,這與功率密度變化趨勢一致。

圖5 底物類型對SMFC中COD去除率的影響Fig.5 Influence of substrate type on COD removal of SMFC

2.5 底物類型對SMFC中VS去除率的影響

從圖6可以看出,底物類型對VS去除率的影響規律與COD完全一致,即藍藻+乙酸鈉體系最高,藍藻+葡萄糖和藍藻體系次之,空白體系的VS去除率最低,分別為18.4%、9.85%、6.61%和4.9%。SMFC體系中VS的主要來源是藍藻,乙酸

鈉是藍藻去除的理想共代謝底物,葡萄糖次之。

圖6 底物類型對SMFC中VS去除率的影響Fig.6 Influence of substrate type on VS removal of SMFC

3 結 語

1)陽極底物類型對所構建SMFC體系運行特性有較大影響。實驗結束時,以藍藻+乙酸鈉為底物的體系穩定功率密度最高,單獨藍藻體系次之,藍藻+葡萄糖較低,空白體系最低,分別為15.59、12.72、10.52、8.35 mW/m2。乙酸鈉比發酵型底物葡萄糖的產電效率高。

2)由于發酵型底物(葡萄糖)和非發酵型底物(乙酸鈉)的添加,功率密度與污染物去除率之間不一定呈正相關。污染物去除率依藍藻+乙酸鈉、藍藻+葡萄糖、藍藻和空白體系的順序遞減,這與底物類型對功率密度的影響略有不同。

[1]太湖局部水域藍藻聚集每天打撈1 000噸.http://news.tom.com,2007-06-21.

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(責任編輯:李春麗)

Power Generation of MFC Based on Substrate Types

ZHAO Juan1, WU Jin-yu1, LI Xiu-fen＊1, CHEN Jian2
(1.School of Environmental and Givil Engineering,Jiangnan University,Wuxi 214122,China;2.National Key Lab of Food Science and Technology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

The sediment microbial fuel cells(SMFC),which can simultaneously degrade organic pollutants and recover electric energy,are developed to treat cyanobacterial water,which can biologically degrade organic pollutants and recover electric energy.The effects of substrate types on power generation of SMFC were investigated in this study.The results showed that the performance of SMFC established was significantly influenced by substrate type.The power densities of cyanobacteria+sodium acetate,cyanobacteria,cyanobacteria+glucose and control system were 15.59,12.72,10.52 and 8.35 mW/m2,respectively,while the COD removal efficiency of those were 60.1%,27.2%,19.6%and 18.1%,respectively.The different variational law between the power densities and the COD removal efficiency could be attributed to the fact that the removed COD was not completely used to power generation by the electricigens in the SMFC system due to the existence of ferment substrate-glucose.

sediment microbial fuel cell,power density,substrate types,cyanobacteria

Q 939.97

:A

1673-1689(2010)04-0629-05

2009-09-01

江蘇省自然科學基金項目(BK2007022)。

＊通信作者:李秀芬(1968-),女,河北灤南人,工學博士,教授,博士生導師,主要從事環境生物技術方面的研究。Email:xfli@jiangnan.edu.cn