重金屬對沉積型微生物燃料電池運行特性的影響

王竹青

摘 要：沉積型微生物燃料電池是一種由上方懸于好氧水體（陰極）及下方埋于厭氧底泥（陽極）構成的集產電、去除污染物于一體的新技術，其具有結構獨特、構建成本低、無需質子交換膜等優勢，常被用于海洋、湖泊、河流底泥原位修復中，不僅能有效將底泥中污染物去除，同時還能促進整體水質得到顯著改善。然而，受我國近年來重金屬污染日益嚴重的影響，導致沉積型微生物燃料電池體系中重金屬含量顯著增加，從而導致體系運行特性也發生了一定的改變。沉積型微生物燃料電池中的微量重金屬元素包含鐵、銅、鋅、鈷、鎳等多種，本文主要以銅元素為例，探究了銅對沉積型微生物燃料電池運行特性的影響。

關鍵詞：銅;沉積型微生物燃料電池;運行特性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.070

沉積型微生物燃料電池主要由上方懸于好氧水體的陰極及下方埋于厭氧底泥的陽極構成，常被應用于河湖底泥固體廢棄物處理和原位生態修復。然而，隨著我國重工業發展所致的底泥重金屬污染日益嚴重，對沉積型微生物燃料電池應用造成了極大的制約，就如河湖底泥中最常見的重金屬元素之一銅，其會對抑制微生物呼吸作用，從而會對沉積型微生物燃料電池的運行特性產生一定的影響，本文主要以實驗方案，探尋和分析了銅對沉積型微生物燃料電池運行體系輸出電壓和污染物去除等的影響，現報告如下。

1 材料和方法

（1）實驗材料。紫外可見分光光度計、火焰原子吸收分光光度計、高速冷凍離心機、石墨消解儀、水浴恒溫振蕩器。

（2）實驗方法。建立一個高22cm、直徑為15cm、有效容積為2.5L的玻璃容器作為沉積型微生物燃料電池裝置，陽、陰極均為圓形石墨氈，間距為7.0cm，經鈦絲將陽、陰極與500Ω外電路相連，每隔1h用采集器對電壓值記錄一次，用1mol/LHCl 溶液浸泡新電極1h后，用去離子水浸泡沖洗，使殘留HCl去除，再用1mol/LNaOH溶液浸泡新電極1h，并用去離子水浸泡沖洗后烘干備用。然后，啟動4組上述裝置，與實驗室處理生活污水的膜生物反應器剩余污泥進行接種，陰極電解液為1.0g/LKCl，陽極營養液為0.3 g/LNH4Cl、1.0 g/L葡萄糖、5.0mL/L維生素液及12.5mL/L微量元素液，當輸出電壓<50mV時，倒掉混合液，更換新的電解液和接種污泥，使其在室溫下進行序批式運行。

（3）觀察指標。銅對沉積型微生物燃料電池體系運行輸出電壓、COD去除率、胞外聚合物（EPS）相關指標的影響，采用國家標準方法測定COD去除率，EPS提取測定方法為：取一定量的陽極污泥，采用熱提取法提取結合性EPS（BEPS），用離心過濾法提取溶解性EPS（SMP），用苯酚-硫酸法測定多糖含量，用考馬斯亮藍法測定蛋白質含量，多糖與蛋白質含量之和為EPS總量。

2 結果

（1）對輸出電壓的影響。從啟動4組微生物燃料電池裝置到體系穩定共運行7個周期，通過觀察體系穩定運行時輸出電壓圖可知，各實驗組輸出電壓無明顯差異，其中，銅濃度為3000mg/kg組的峰電壓值最低，為（223.4±0.7）mV，銅濃度為800mg/kg組的峰電壓值最高，為（262.5±4.3）mV，說明銅對沉積型微生物燃料電池運行時的產電量無明顯影響，與牟姝君[1]研究報告中得出的結論一致。產生這一現象的原因之一可能為銅同時對沉積型微生物燃料電池陽極和陰極產生作用，從而使體系輸出電壓無明顯差異，另外，大部分銅在該體系中以有機物或沉淀物形式存在，從而使其生物有效性降低，進而導致其對體系輸出電壓影響不大。

（2）對COD去除率的影響。沉積型微生物燃料電池體系中的COD去除主要由兩部分組成，一是由溶解態轉化為結合態，與體系中的銅吸附絡合，二是被陽極微生物分解代謝，通過實驗可知，不同銅濃度時，COD去除率不盡相同，銅濃度為0、50、200、500、800、1000、1500、3000mg/kg時，COD去除率分別為41.1%、42.6%、46.2%、54.5%、57.8%、45.2%、48.3%、52.6%。可見，銅濃度為50mg/kg時，COD去除率最低，銅濃度為800mg/kg時，COD去除率最高。

（3）對蛋白/多糖、EPS總量的影響。EPS廣泛分布在沉積型微生物燃料電池表面，是由微生物分泌的用于相互粘附或自我保護的高分子聚合物，對重金屬吸附、污泥沉降、脫水及絮凝均有重要作用。蛋白、多糖均是EPS的主要組成成分，實驗結果顯示，與銅濃度為0mg/kg時相比，其他各濃度狀態下，體系中的蛋白/多糖值均有一定降低，說明在銅元素的影響下，會導致沉積型微生物燃料電池分泌更多多糖對外界環境變化進行抵抗。另外，研究已證實，酶活性與EPS的產生具有密切關聯，而維持酶活性的關鍵物質為金屬離子，因此，銅離子也勢必會對體系運行過程中的EPS含量產生一定影響。本次實驗通過觀察4組裝置周期前后的EPS總量變化可知，當銅濃度低于800mg/kg時，隨著銅濃度增加，EPS總量會逐漸增加，當銅濃度超過800mg/kg時，隨著銅濃度增加，EPS總量會逐漸減少，說明在一定銅濃度范圍內，銅可刺激微生物燃料電池分泌更多的EPS，而一旦銅濃度超標，大于電池耐受限度時，便會對微生物的活性產生抑制和對其產生毒害作用，從而降低分泌的EPS含量[2]。

3 結論

銅是微生物生長所必需的微量元素，雖然，適量的銅元素能參與微生物鐵吸收、呼吸等代謝過程和去除其污染物，但是，銅元素過量或濃度過高，則會對微生物的呼吸作用產生一定的抑制，從而影響其體系運行性能。本文通過相關研究證實了銅對沉積型微生物燃料電池體系的輸出電壓無顯著影響，對COD去除率、蛋白/多糖和EPS總量等EPS指標具有顯著的影響，說明在標準濃度范圍內，銅可維持微生物燃料電池運行性能良好，一旦濃度超標（大于電池耐受限度），便會改變微生物的有效性和抑制其活性，從而降低其運行性能。

參考文獻：

[1]趙亞楠，李秀芬，任月萍等.陽極添加三價鐵離子對沉積型微生物燃料電池運行特性的影響[J].環境工程學報，2015，9（12）：6073-6077.

[2]李秀芬.銅對沉積型微生物燃料電池運行特性的影響[A].中國環境科學學會.2015年中國環境科學學會學術年會論文集[C].中國環境科學學會：中國環境科學學會，2015：8.

[3]游曉偉.菲對沉積型微生物燃料電池運行特性的影響研究[D].江南大學，2014.

[4]朱榮，任月萍，李秀芬等.外阻對天然水體中沉積型微生物燃料電池（SMFC）運行特性的影響[J].環境化學，2014，33（05）：794-798.

[5]牟姝君.銅對沉積型微生物燃料電池運行特性的影響研究[D].江南大學，2014.

[6]潘丹云.陰極修飾對沉積型微生物燃料電池運行特性的影響研究[D].江南大學，2013.

[7]唐璐，吳瑾妤，李秀芬等.陽極初始pH值對沉積型微生物燃料電池運行特性的影響[J].環境化學，2010，29（04）：696-699.