微氧生物陰極微生物燃料電池脫氮的研究

劉若男

（太原學(xué)院建筑與環(huán)境工程系，山西太原 030032）

微生物燃料電池（Microbial Fuel Cells，MFCs）是一種新型的污水處理工藝，可以用其進(jìn)行生物脫氮。在微生物燃料電池中，陽(yáng)極為厭氧狀態(tài)，電勢(shì)較低，氧化有機(jī)物；陰極電勢(shì)較高，在陰極進(jìn)行還原反應(yīng)。同時(shí)陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)子通過(guò)MFCs陰陽(yáng)極室中間的離子交換膜傳遞到陰極，從而完成電量的輸出，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能到電能的直接轉(zhuǎn)化。將短程硝化反硝化與MFC相結(jié)合脫氮，陽(yáng)極去除有機(jī)物，陰極在微氧狀態(tài)下進(jìn)行短程硝化反硝化，可節(jié)省25%的供氧量和40%的碳源，并且縮短了反應(yīng)時(shí)間。MFCs在實(shí)現(xiàn)微生物脫氮的同時(shí)還可以產(chǎn)生電能，使污水處理資源化，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)水處理技術(shù)。本研究在生物陰極雙室微生物燃料電池中，控制反應(yīng)器陰極的溶解氧，使其處于微氧狀態(tài)，通過(guò)亞硝化菌（Ammonium Oxidizing Bacteria，AOB）與硝化菌（Nitrite Oxidizing Bacteria，NOB）對(duì)生存環(huán)境中氧的需求不同，使AOB成為優(yōu)勢(shì)菌。在MFC陰極進(jìn)行短程硝化反硝化脫氮，不僅可以處理污水中的污染物質(zhì)，同時(shí)降低了能耗，還避免了額外投加碳源的問題。該工藝節(jié)省了反應(yīng)需要的空間和剩余污泥產(chǎn)量，將其應(yīng)用于污水處理是非常有意義與發(fā)展前景的。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

陰陽(yáng)極室由兩個(gè)玻璃容器組成，陰陽(yáng)極容積為250mL。陰陽(yáng)極室中間采用的離子膜為陽(yáng)離子交換膜（Cation exchange membrane，CEM），碳刷纖維作為電極。陰陽(yáng)極室之間通過(guò)導(dǎo)線連接，并且接入500Ω的電阻。陽(yáng)極室要保持厭氧環(huán)境，因此需通入N2去除陽(yáng)極室中的氧氣。MFC陰極室需要維持微氧狀態(tài)，因此需要向陰極曝氣提供氧氣，利用氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制陰極室曝氣量。

1.2 污泥馴化

接種污泥采自污水廠二沉池污泥，因?yàn)槎脸氐奈勰嗷钚詮?qiáng)，微生物含量較高，種類較為豐富。將取回的污泥放入玻璃瓶中，投加葡萄糖并連續(xù)曝氣72h恢復(fù)活性進(jìn)行馴化。

1.3 反應(yīng)器啟動(dòng)

馴化好的污泥置于反應(yīng)器中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，陰極室與陽(yáng)極室各投加50mL的污泥。實(shí)驗(yàn)在恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行，溫度設(shè)置為25℃。陽(yáng)極溶液進(jìn)水pH控制在7.0左右，陰極反應(yīng)器內(nèi)DO濃度維持在0.3～1.0mg/L，陰極進(jìn)水需調(diào)節(jié)進(jìn)水pH為8.0左右，此時(shí)加入6.73g/LNa2HPO4和0.36g/LKH2PO4作為調(diào)節(jié)pH的緩沖物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)中采用人工模擬市政廢水，其中化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）為400mg/L，氨氮（NH4+-N）為60mg/L。反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)外加0.5V直流電壓以促進(jìn)微生物順利在碳刷上掛膜繁殖。啟動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)NH4+-N和COD的去除率達(dá)到了80%以上并且檢測(cè)的電壓穩(wěn)定后，說(shuō)明反應(yīng)器啟動(dòng)成功可以進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

1.4 分析方法

采用數(shù)據(jù)記錄儀（型號(hào)為Keithley 2700）檢測(cè)MFC反應(yīng)過(guò)程中的電壓。COD，NH4+-N，亞硝酸鹽氮（NO2--N），硝酸鹽氮（NO3--N）的濃度均采用國(guó)標(biāo)法進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 啟動(dòng)電壓

反應(yīng)器成功啟動(dòng)后，電壓變化穩(wěn)定，最高穩(wěn)定電壓達(dá)到0.4V 左右。此外，COD與NH4+-N去除率達(dá)到80%以上。啟動(dòng)成功后，實(shí)驗(yàn)電壓如圖1所示。為了避免反應(yīng)過(guò)程中對(duì)微生物群落的擾動(dòng)，讓其充分在反應(yīng)器中生長(zhǎng)繁殖，適當(dāng)增加更換廢水反應(yīng)的時(shí)間間隔。經(jīng)過(guò)小試實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)每5d更換一次廢水較為合理。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，每次更換新的廢水后，由于污染物質(zhì)濃度較高，供微生物反應(yīng)的底物較多，反應(yīng)劇烈，此時(shí)MFC的電壓升高速率較快。但隨著反應(yīng)的進(jìn)行，微生物分解污染物質(zhì)，底物濃度逐漸下降。MFC的電壓在反應(yīng)進(jìn)行1d后開始降低，第5d時(shí)反應(yīng)電壓降到最低水平。

圖1 實(shí)驗(yàn)電壓

2.2 脫氮效果

人工模擬的市政廢水，首先在MFC的陽(yáng)極室中進(jìn)行反應(yīng)，一部分COD被去除，陽(yáng)極反應(yīng)之后的出水進(jìn)入MFC的陰極室中進(jìn)行脫氮反應(yīng)同時(shí)去除殘留的有機(jī)物。

圖2 亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮、氨氮及總氮濃度

2.3 微生物群落特征

利用高通量測(cè)序研究微氧生物陰極MFC陰極室中微生物菌群的主要菌屬。

常見的亞硝化菌屬有Nitrosomonas，Nitrosococcus，Nitrosospira和Nitrosolobus。由圖3可知，反應(yīng)污泥中Nitrosomonas相對(duì)豐度為6.61%，而屬于NOB菌屬的Nitrobacter相對(duì)豐度僅為0.38%。說(shuō)明微氧狀態(tài)下適合AOB的生長(zhǎng)，亞硝化過(guò)程強(qiáng)于硝化過(guò)程，反應(yīng)器中主要進(jìn)行的是亞硝化反應(yīng)。反硝化過(guò)程是兼性厭氧菌將NO2--N和NO3--N還原為N2的過(guò)程。在菌屬水平上，具有脫氮能力的Thauera、Paracoccus和Afapia菌在陰極生物膜中豐度較高。在MFC中存在的反硝化菌有自養(yǎng)反硝化菌與異養(yǎng)反硝化菌。Thauera和Paracoccus是常見的異養(yǎng)反硝化菌屬，反應(yīng)污泥中所占比例分別為50.24%和3.2%，Thiobacillus是常見的自養(yǎng)反硝化菌屬，在反應(yīng)污泥中所占比例為0.83%。氮主要由異養(yǎng)反硝化菌的作用去除，但自養(yǎng)反硝化菌也可以進(jìn)行反硝化脫氮，并且需要的有機(jī)碳源非常少。自養(yǎng)反硝化菌的生長(zhǎng)速度較慢，因此產(chǎn)生的污泥量較少，為后續(xù)污泥處理減輕了負(fù)擔(dān)。因此，可以研究利用自養(yǎng)反硝化菌進(jìn)行脫氮，這樣可以減少反硝化過(guò)程中對(duì)碳源的依賴，進(jìn)而來(lái)處理高濃度含氮廢水或者碳源不足的低C/N廢水。

圖3 樣本微生物群落在屬水平的分布

3 結(jié)束語(yǔ)

1）在微生物燃料電池陰極微氧條件下實(shí)現(xiàn)了短程硝化反硝化脫氮。

2）利用短程硝化反硝化脫氮效果較好，總氮去除率達(dá)到87.32%。

3）通過(guò)對(duì)陰極室污泥的高通量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)Nitrosomonas菌屬是主要的亞硝化菌屬，所占比例為6.61%。主要的異養(yǎng)反硝化菌屬Thauera所占比例為50.24%。